本发明公开了一种复合超声椭圆振动切削装置，该装置由超声振动单元、筒状伺服刀架、中空式压电陶瓷和底座组成。刀具安装在超声振动单元的输出端上，超声振动单元置于中空式压电陶瓷内，中空式压电陶瓷置于筒状伺服刀架内，底座安装在筒状伺服刀架的端部。所述筒状伺服刀架上设有四个弹性铰链结构，该对称铰链的设计避免了筒状陶瓷驱动刀具时发生偏转，同时弹性铰链的无间隙传动，实现了刀具的纳米级三维微结构表面形貌的加工精度。所述超声振动单元采用两个不同结构的激励源，在加工过程中实现了刀具纵向和弯曲两个方向的超声振动。本发明的切削装置能够适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮。
1.一种适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮的复合超声椭圆振动切削装置，其特征在于：该切削装置由超声振动单元(2)、筒状伺服刀架(1)、中空式压电陶瓷(5)和底座(3)组成；
金刚石刀具(4)安装在超声振动单元(2)的输出端上，超声振动单元(2)置于中空式压电陶瓷(5)内，中空式压电陶瓷(5)置于筒状伺服刀架(1)内，底座(3)安装在筒状伺服刀架(1)的端部；
超声振动单元(2)包括有紧固螺钉(201)、法兰式前盖板(202)、第一激励源(203)、中盖板(204)、第二激励源(205)、后盖板(206)；其中，中盖板(204)与后盖板(206)的结构相同，且为空心圆柱体结构；
法兰式前盖板(202)的一端设有用于安装刀具(4)的刀具安装台(226)，法兰式前盖板(202)的另一端为法兰盘(221)结构；法兰盘(221)上设有凸台(223)和C螺纹孔(224)，该凸台(223)的中心设有B螺纹孔(222)；而法兰盘(221)上的多个C螺纹孔(224)与筒状伺服刀架(1)下端面(146)的D螺纹孔(147)配合，实现法兰式前盖板(202)与筒状伺服刀架(1)底部的连接；B螺纹孔(222)用于连接紧固螺钉(201)的螺纹段；
第一激励源(203)包括有A铜片(231)、B铜片(232)、C铜片(233)、A半环陶瓷(234)、B半环陶瓷(235)、C半环陶瓷(236)和D半环陶瓷(237)，两两半环陶瓷形成一个圆环陶瓷，并且将该圆环陶瓷置于两个铜片之间，即A半环陶瓷(234)与C半环陶瓷(236)形成一个圆环陶瓷，B半环陶瓷(235)与D半环陶瓷(237)形成另一个圆环陶瓷；A铜片(231)与B铜片(232)之间放置的是B半环陶瓷(235)与D半环陶瓷(237)形成另一个圆环陶瓷；B铜片(232)与C铜片(233)之间放置的是A半环陶瓷(234)与C半环陶瓷(236)形成一个圆环陶瓷；
第二激励源(205)包括有D铜片(251)、E铜片(252)、F铜片(253)、A圆环陶瓷(256)、B圆环陶瓷(257)；D铜片(251)与E铜片(252)之间放置的是B圆环陶瓷(257)；E铜片(252)与F铜片(253)之间放置的是A圆环陶瓷(256)；
紧固螺钉(201)的螺纹段端顺次穿过后盖板(206)、第二激励源(205)、中盖板(204)、第一激励源(203)后，螺纹连接在法兰式前盖板(202)的法兰盘(221)的螺纹孔内，从而实现将后盖板(206)、第二激励源(205)、中盖板(204)、第一激励源(203)以及前盖板(202)的紧固在一起；
筒状伺服刀架(1)的中部是一空腔(11)，该空腔(11)用于放置中空式压电陶瓷(5)和超声振动单元(2)；
筒状伺服刀架(1)的上端面(12)上设有多个沉头螺纹孔(13)，该沉头螺纹孔(13)与底座(3)上的A螺纹孔(34)配合，通过螺钉实现底座(3)与筒状伺服刀架(1)的上端面(12)的安装；
筒状伺服刀架(1)的下端面(146)上设有D螺纹孔(147)，该D螺纹孔(147)与法兰前盖板(202)的法兰盘(221)上的C螺纹孔(224)配合，通过螺钉实现筒状伺服刀架(1)的下端与法兰前盖板(202)的法兰盘(221)的安装；
筒状伺服刀架(1)的刀架环体(14)的上部设有插头孔(145)，该插头孔(145)用于中空式压电陶瓷(5)的电缆线通过；
筒状伺服刀架(1)的刀架环体(14)的下部开有一切缝，以及切缝的两端设有两个半圆环，一个切缝两端的两个半圆环与另一个切缝两端的两个半圆环形成一个铰链，即在刀架环体(14)上设有结构相同的A铰链(141)、B铰链(142)、C铰链(143)和D铰链(144)，所述的四个铰链两两相对，即A铰链(141)与C铰链(143)为一对，B铰链(142)与D铰链(144)为另一对；
底座(3)的上部设有凸台(31)，底座(3)的底部设有凹槽(32)，凹槽(32)的中心设有A通孔(33)，底座(3)底部的环面上设有多个A螺纹孔(34)；所述的A通孔(33)用于第一激励源(203)和第二激励源(205)的电缆线通过，所述的A螺纹孔(34)用于螺钉穿过后与筒状伺服刀架(1)的上端面(12)的沉头螺纹孔(43)配合，实现底座(3)与筒状伺服刀架(1)的上端面(12)安装。
2.根据权利要求1所述的适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮的复合超声椭圆振动切削装置，其特征在于：第一激励源(203)用于产生加工时的弯曲振动。
3.根据权利要求1所述的适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮的复合超声椭圆振动切削装置，其特征在于：第二激励源(205)用于产生加工时的纵向方向的驱动力。
4.根据权利要求1所述的适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮的复合超声椭圆振动切削装置，其特征在于：筒状伺服刀架(1)在中空式压电陶瓷(5)提供的推力下，从而带动超声振动单元(2)和刀具(4)运动，从而实现刀具(4)刀尖的大位移可控性精密进给运动。
5.根据权利要求1所述的适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮的复合超声椭圆振动切削装置，其特征在于：超声振动单元(2)与底座(3)之间留有间隙，该间隙用于调节筒状伺服刀架(1)上的四个铰链的预紧力。
6.根据权利要求1所述的适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮的复合超声椭圆振动切削装置，其特征在于：中空式压电陶瓷(5)的内径为15mm，外径为25mm，高为70mm；最大伸长量为90μm，驱动电压为300V。
一种适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮的复合超声椭圆振动切
削装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种切削装置，更特别地说，是指一种通过将超声椭圆振动切削技术和快速伺服刀架技术紧密地联合在了一起的复合超声椭圆振动切削装置，该切削装置能够适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮。
背景技术
[0002] 微结构表面加工广泛应用于军事、生物、医学等领域。尤其是微光学元件的加工制造，微结构表面的超精密加工更是起着至关重要的作用。现有的生物复杂，激光刻蚀等微结构表面加工技术不能加工真正的三维微结构表面，而超精密金刚石切削加工虽可以加工真正的三维微结构，但存在着对金刚石刀具磨损严重，效率低等缺点。
发明内容
[0003] 本发明设计的复合超声椭圆振动切削装置是将超声椭圆振动换能器通过法兰盘固定在筒状伺服刀架的平台上，该超声椭圆振动换能器使刀头高频振动振动频率在20KHz以上，短轴振幅一般在1μm，可以显著提高工件加工效率，保证加工精度，增加刀具的使用寿命；筒状伺服刀架的最大行程在80μm。刚度为350N/μm，可以实现纳米级进给；天然单晶金刚石尖刀可加工真正复杂的三维微结构表面，且加工材料广泛；对于鲨鱼皮表面复杂的沟槽型微结构该设备可以实现精确快速地仿真加工，并根据不同部位鲨鱼皮沟槽结构的差异性进行快速地调整，实现仿鲨鱼皮结构蒙皮的无缝连接。
[0004] 本发明的一种适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮的复合超声椭圆振动切削装置，该切削装置由超声振动单元、筒状伺服刀架、中空式压电陶瓷和底座组成。金刚石刀具安装在超声振动单元的输出端上，超声振动单元置于中空式压电陶瓷内，中空式压电陶瓷置于筒状伺服刀架内，底座安装在筒状伺服刀架的端部。
[0005] 本发明复合超声椭圆振动切削装置的优点在于：
[0006] ①高频和低频的耦合，超声椭圆的高频振动与筒状伺服刀架的低频耦合。超声椭圆振动的频率一般在KHz以上，筒状伺服刀架的固有频率一般在2KHz以下。
[0007] ②通过筒状伺服刀架上设有对称的四个弹性铰链，保证筒状伺服刀架结构对称，避免筒状陶瓷驱动刀架时发生偏转。弹性铰链可以无间隙传动，从而实现刀具的纳米级三维微结构表面形貌的加工精度。
[0008] ③将超声椭圆振动切削装置的前盖板的一端设有成阶梯状法兰盘，有利于避免超声椭圆振动传到筒状伺服刀架上。
[0009] ④在同一根紧固螺钉上设置两个不同结构的激励源，从而实现了刀尖的纵向和弯曲两个方向的超声振动。
附图说明
[0010] 图1是本发明复合超声椭圆振动切削装置的外部结构图。
[0011] 图1A是本发明复合超声椭圆振动切削装置的剖视图。
[0012] 图1B是本发明复合超声椭圆振动切削装置的分解图。
[0013] 图2是本发明超声振动单元中法兰前盖板的结构图。
[0014] 图2A是本发明超声振动单元中第一激励源的结构图。
[0015] 图2B是本发明超声振动单元中第一激励源的分解图。
[0016] 图2C是本发明超声振动单元中第二激励源的结构图。
[0017] 图2D是本发明超声振动单元中第二激励源的分解图。
[0018] 图3是本发明底座的结构图。
[0019] 图4是本发明筒状伺服刀架的结构图。
[0020] 图4A是本发明筒状伺服刀架另一视角结构图。
[0021] 图4B是本发明筒状伺服刀架再一视角结构图。
[0022] 图4C是本发明筒状伺服刀架的正视图。
[0023] 图4D是本发明筒状伺服刀架的A-A剖视图。
[0024] 图5是本发明中空式压电陶瓷的结构图。
[0025] 图中：1.筒状伺服刀架 11.空腔 12.上端面 13.沉头螺纹孔[0026] 14.刀架环体 141.A铰链 142.B铰链 143.C铰链 144.D铰链[0027] 145.插头孔 146.下端面 147.D螺纹孔 148.C通孔 2.超声振动单元[0028] 201.紧固螺钉 202.法兰式前盖板 221.法兰盘 222.B螺纹孔[0029] 223.凸台 224.C螺纹孔 225.变幅杆 226.刀具安装台
[0030] 203.第一激励源 231.A铜片 232.B铜片 233.C铜片 234.A半环陶瓷[0031] 235.B半环陶瓷 236.C半环陶瓷 237.D半环陶瓷 204.中盖板[0032] 205.第二激励源 251.A铜片 252.B铜片 253.C铜片 256.A圆环陶瓷[0033] 257.B圆环陶瓷 206.后盖板 3.底座 31.凸台 32.凹槽
[0034] 33.A通孔 34.A螺纹孔 4.刀具 5.中空式压电陶瓷 51.B通孔具体实施方式
[0035] 下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0036] 以“鲨鱼皮效应”著称的鲨鱼经过不断自适应、自学习和自组织而进化成满足自身生存需要、能对外部流体介质进行合理调控的非光滑沟槽减阻表面。它依赖微米级或纳米级的鳞片沟槽和分泌粘液实现高速巡游和快速机动。为此，人们尝试各种手段，试图模仿或再现鲨鱼皮的减阻效果，但其鳞片构形机制、粘液分泌机制都是人类现有手段所难实现的。为了获得仿鲨鱼皮表面的形貌，本发明采用在同一根紧固螺钉201上设置两个不同结构的激励源(第一激励源203、第二激励源205)，从而实现了刀尖的纵向和弯曲两个方向的超声振动；然后利用筒状伺服刀架1与中空式压电陶瓷5的配合，避免了中空式压电陶瓷5驱动筒状伺服刀架1时发生偏转，而筒状伺服刀架1上的对称弹性铰链可以无间隙传动，从而实现刀具的纳米级三维微结构表面形貌的加工精度。
[0037] 参见图1、图1A、图1B所示，本发明的一种适用于制作仿鲨鱼皮结构蒙皮的复合超声椭圆振动切削装置，该切削装置由超声振动单元2、筒状伺服刀架1、中空式压电陶瓷5和底座3组成。金刚石刀具4安装在超声振动单元2的输出端上，超声振动单元2置于中空式压电陶瓷5内，中空式压电陶瓷5置于筒状伺服刀架1内，底座3安装在筒状伺服刀架1的端部。
[0038] (一)超声振动单元2
[0039] 参见图1B所示，超声振动单元2包括有紧固螺钉201、法兰式前盖板202、第一激励源203、中盖板204、第二激励源205、后盖板206；其中，中盖板204与后盖板206的结构相同，且为空心圆柱体结构。
[0040] 参见图2所示，法兰式前盖板202为一体加工成型的阶梯轴结构，法兰式前盖板202的一端设有用于安装刀具4的刀具安装台226，法兰式前盖板202的另一端为法兰盘
221结构；法兰盘221上设有凸台223和C螺纹孔224，该凸台223的中心设有B螺纹孔222；
而法兰盘221上的多个C螺纹孔224与筒状伺服刀架1下端面146的D螺纹孔147配合，实现法兰式前盖板202与筒状伺服刀架1底部的连接；B螺纹孔222用于连接紧固螺钉201的螺纹段；
[0041] 参见图2A、2B所示，第一激励源203包括有三个铜片(A铜片231、B铜片232、C铜片233)和四个半环陶瓷(A半环陶瓷234、B半环陶瓷235、C半环陶瓷236和D半环陶瓷237)，两两半环陶瓷形成一个圆环陶瓷，并且将该圆环陶瓷置于两个铜片之间，即A半环陶瓷234与C半环陶瓷236形成一个圆环陶瓷，B半环陶瓷235与D半环陶瓷237形成另一个圆环陶瓷；
[0042] A铜片231与B铜片232之间放置的是B半环陶瓷235与D半环陶瓷237形成另一个圆环陶瓷；
[0043] B铜片232与C铜片233之间放置的是A半环陶瓷234与C半环陶瓷236形成一个圆环陶瓷。
[0044] 在本发明中，第一激励源203用于产生加工时的弯曲振动。
[0045] 参见图2C、2D所示，第二激励源205包括有三个铜片(A铜片251、B铜片252、C铜片253)和二个圆环陶瓷(A圆环陶瓷256、B圆环陶瓷257)；
[0046] A铜片251与B铜片252之间放置的是B圆环陶瓷257；
[0047] B铜片252与C铜片253之间放置的是A圆环陶瓷256。
[0048] 在本发明中，第二激励源205用于产生加工时的纵向方向的驱动力。
[0049] 在本发明中，紧固螺栓201的螺纹段端顺次穿过后盖板206、第二激励源205、中盖板204、第一激励源203后，螺纹连接在法兰式前盖板202的法兰盘221的螺纹孔内，从而实现将后盖板206、第二激励源205、中盖板204、第一激励源203以及前盖板202的紧固在一起。
[0050] 在本发明中，超声振动单元2中的第二激励源205形成纵向方向的驱动力，第一激励源203形成弯曲方向的驱动力，应用互相垂直的两个高频振动之间的相位差，在刀具4的刀尖处合成一个椭圆振动，有效地降低加工表面粗超度。
[0051] (二)筒状伺服刀架1
[0052] 参见图4、图4A、图4B、图4C、图4D所示，筒状伺服刀架1为一体加工成型件；
[0053] 筒状伺服刀架1的中部是一空腔11，该空腔11用于放置中空式压电陶瓷5和超声振动单元2(除法兰前盖板202)；
[0054] 筒状伺服刀架1的上端面12上设有多个沉头螺纹孔13，该沉头螺纹孔13与底座3上的A螺纹孔34配合，通过螺钉实现底座3与筒状伺服刀架1的上端面12的安装；
[0055] 筒状伺服刀架1的下端面146上设有D螺纹孔147，该D螺纹孔147与法兰前盖板202的法兰盘221上的C螺纹孔224配合，通过螺钉实现筒状伺服刀架1的下端与法兰前盖板202的法兰盘221的安装；
[0056] 筒状伺服刀架1的刀架环体14的上部设有插头孔145，该插头孔145用于中空式压电陶瓷5的电缆线通过；
[0057] 筒状伺服刀架1的刀架环体14的下部开有一切缝，以及切缝的两端设有两个半圆环，一个切缝两端的两个半圆环与另一个切缝两端的两个半圆环形成一个铰链，即在刀架环体14上设有结构相同的A铰链141、B铰链142、C铰链143和D铰链144，所述的四个铰链两两相对，即A铰链141与C铰链143为一对，B铰链142与D铰链144为另一对。
[0058] 在本发明中，筒状伺服刀架1在中空式压电陶瓷5提供的推力下，从而带动超声振动单元2和刀具4运动，从而实现刀具4刀尖的大位移可控性精密进给运动。
[0059] 在本发明中，超声振动单元2与底座3之间留有间隙，该间隙用于调节筒状伺服刀架1上的四个铰链的预紧力。
[0060] (三)中空式压电陶瓷5
[0061] 参见图5所示，中空式压电陶瓷5的轴向方向开有B通孔51，该B通孔51用于放置超声振动单元2中除前盖板202以外的器件。
[0062] 在本发明中，中空式压电陶瓷5的内径为15mm，外径为25mm，高为70mm。最大伸长量为90μmum，驱动电压为300V。
[0063] (四)底座3
[0064] 参见图3所示，底座3的上部设有凸台31，底座3的底部设有凹槽32，凹槽32的中心设有A通孔33，底座3底部的环面上设有多个A螺纹孔34。所述的A通孔33用于第一激励源203和第二激励源205的电缆线通过，所述的A螺纹孔34用于螺钉穿过后与筒状伺服刀架1端部的沉头螺纹孔43配合，实现底座3与筒状伺服刀架1的上端面安装。
[0065] 本发明的一种复合超声椭圆振动切削装置的工作过程为：当第一激励源203和第二激励源205通上超声激励电源后，会分别产生弯曲和纵向两个方向的小振幅超声振动，通过调节相位在刀尖处实现小振幅的高频椭圆振动。通过采集鲨鱼皮沟槽的结构、小振幅的高频椭圆振动、机床进给等参数，通过控制软件将其转换成控制信号，驱动中空式压电陶瓷5，实现筒状伺服刀架1的精确，长距离低频进给，从而完成仿鲨鱼皮结构蒙皮的加工。
