專利名稱：一種微量進(jìn)給刀具及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械加工領(lǐng)域，特指一種獲取微量進(jìn)給的方法及其微進(jìn)給刀具，用于 超精密加工中，可提高機(jī)床微量進(jìn)給的分辨率，實(shí)現(xiàn)超精密機(jī)床的超薄切削、高精度尺寸加工。
背景技術(shù)：
微量進(jìn)給刀具需要配備一套微進(jìn)給裝置。微進(jìn)給裝置是一種能產(chǎn)生微米、亞微米 級進(jìn)給的裝置，它在精密加工，精密測量中得到廣泛的應(yīng)用。微進(jìn)給裝置按其工作原理大致 有機(jī)械傳動式、彈性變形式、熱變形式、流體膜變形式、磁致伸縮式、電致伸縮式、形狀記憶 合金等類型。根據(jù)精密加工和精密測量的要求，僅有彈性變形式和電致伸縮式微進(jìn)給機(jī)構(gòu) 比較適用。一種性能優(yōu)良的微進(jìn)給裝置應(yīng)滿足下列性能要求(1)微進(jìn)給行程大、精度高、分辨率高。(2)輸入與輸出的線性度高。(3)運(yùn)動部件摩擦力小、穩(wěn)定性高，重復(fù)精度高。(4)剛度高。動態(tài)特性好，具有高的頻率響應(yīng)。(5)可以實(shí)現(xiàn)自動控制。(6)制造工藝性好成本低?，F(xiàn)有的微進(jìn)給裝置與刀具的連接都存在中間的機(jī)構(gòu)，如彈性鉸鏈、特制的刀架等， 使整套裝置的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，同時由于部件之間還存在彈性接觸，接觸變形的非線性特性 會導(dǎo)致微位移的輸出特性的不確定性，使位移輸出的控制變得困難。代表當(dāng)今精密機(jī)床最 高水平的美國LLL實(shí)驗(yàn)室的大型光學(xué)金剛石精密車床，它的微進(jìn)給刀具采用了電致伸縮式 微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，整個刀具由壓電伸縮傳感器、支承彈性薄膜、差動電容側(cè)微儀、基體和微位移 傳動部件組成，其分辨率可以達(dá)到2. 5納米，響應(yīng)頻率很高。但由于不是直接驅(qū)動刀具，刀 具與壓電伸縮傳感器中間傳動機(jī)構(gòu)，并且壓電晶體本身存在輸入電壓與微位移的非線性關(guān) 系和較大的蠕變，因此需要有高精度的差動電容側(cè)微儀來測量實(shí)際的微進(jìn)給量，這使得微 進(jìn)給刀具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高。中國專利CN02110784.X提供了一種基于熱位移的微進(jìn) 給系統(tǒng)，利用材料的熱脹冷縮的原理提供微進(jìn)給量，由熱變形體直接驅(qū)動執(zhí)行件，提高了進(jìn) 給精度，但由于材料的熱慣性較大，它的響應(yīng)速度慢，因此只適用于位置控制，難于在其上 面安裝刀具實(shí)現(xiàn)切削加工所需要的動作控制。本發(fā)明提出了一種具有微量進(jìn)給功能的刀具，它能夠?qū)⑽⑦M(jìn)給裝置與刀具合為一 體。由于不存在部件之間的接觸，位移的輸出可靠，重復(fù)性好。此外其結(jié)構(gòu)簡單可靠，能夠直 接安裝在現(xiàn)有機(jī)床的刀架上，進(jìn)行精密的切削加工，可大幅度的提高現(xiàn)有機(jī)床的加工精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種進(jìn)給具有微量進(jìn)給功能的刀具，提高現(xiàn)有機(jī)床的加工精
3度。一種具有微量進(jìn)給功能的刀具，由液壓缸缸體、刀片、圓柱刀桿、連接凸臺、連接油 管、高精度的側(cè)微儀、調(diào)壓閥和精密壓力表組成。缸體的端面為薄壁端面，所述薄壁端面固 定連接刀片和圓柱刀桿與缸體為一整體，缸體側(cè)面設(shè)有連接凸臺，所述連接凸臺的凸緣與 機(jī)床的刀架連接。缸體另一端與連接油管連接，所述連接油管連接精密壓力表，精密壓力表 與調(diào)壓閥連接。所述高精度的側(cè)微儀設(shè)于缸體的薄壁端面一側(cè)。刀具的微量進(jìn)給由充滿液 壓油的圓柱缸體薄壁端面變形直接提供，微量進(jìn)給量的大小通過調(diào)整圓柱缸體內(nèi)的液壓油 的壓力大小來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為本發(fā)明的刀具微進(jìn)給量是通過缸體的薄壁端面彈性變形提供的，而產(chǎn)生變形的力 由缸體3內(nèi)的液壓油控制。為了獲得一定行程的微進(jìn)給量和足夠的系統(tǒng)剛度，應(yīng)嚴(yán)格控制 缸體薄壁端面壁厚h。將半徑為r圓柱刀桿3直接與壁厚端面合為一體，刀片2通過螺釘1 固定在圓柱刀桿3上，這有利于中間的傳動環(huán)節(jié)，提高了進(jìn)給精度。為了不影響微進(jìn)給總行 程，圓柱刀桿3的直徑為缸體內(nèi)徑的1/2 1/3，端面壁厚h為缸體內(nèi)徑d的8% 10%。 缸體長度L對微進(jìn)給總行程沒影響，因此可以根據(jù)其它需要確定長度大小。在缸體側(cè)面加 工出一個連接凸臺4，通過夾緊連接凸臺4以方便使其與機(jī)床的刀架連接。油壓P、壁厚h， 圓柱刀桿半徑r，材料彈性模量Ε、泊松比ν與微進(jìn)給量之間存在下面的近似關(guān)系 利用這個近似關(guān)系式可以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)薄壁端面缸體結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。本發(fā)明的薄壁缸體對材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有較高的要求。調(diào)質(zhì)處理中低碳鋼具有 價格便宜、強(qiáng)度較高，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以將其作為制造薄壁缸體的材料。為了方便壓力 油源的獲取和保證薄壁缸體的強(qiáng)度，工作油壓范圍定為0 20MPa。連接油管6與缸體后端 連接，利用精密壓力表，通過調(diào)壓閥或其它壓力控制裝置來控制缸體內(nèi)的油壓。由于油壓的 作用，端面薄壁將產(chǎn)生軸向微量變形，該微量變形直接傳遞到與之相連接的刀具上實(shí)現(xiàn)微 量進(jìn)給。改變端面薄壁的結(jié)構(gòu)參數(shù)h、d和油壓P，可以得到所需的微進(jìn)給總行程S和微進(jìn) 給的最小分辨率。微進(jìn)給量獲取與控制方法與過程為(3)標(biāo)定微進(jìn)給刀具的靈敏系數(shù)C，將油壓由0升高到最高油壓的70%，利用高精 度的側(cè)微儀(如電感側(cè)微儀)測量出圓柱缸體前端的微進(jìn)給量S，那么該微進(jìn)給裝置的靈敏 系數(shù)c = S/P。靈敏系數(shù)只要標(biāo)定一次。(4)確定缸體內(nèi)部油壓的改變量Δ P，若需要提供的微進(jìn)給量為Δ，那么只要通過 調(diào)壓閥或其它裝置將油壓增加(或減少)ΔΡ = AS/c即可。本發(fā)明與其它微量進(jìn)刀具的結(jié)構(gòu)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)剛度高，能承受雙向載荷。本發(fā)明的微進(jìn)給刀具的剛度比電致伸縮微進(jìn)給裝置 或絲杠螺母式的微進(jìn)給裝置高1 2個數(shù)量級，無方向間隙，并且不受載荷方向的限制；(2)輸入-輸出線性度好。本發(fā)明利用了調(diào)質(zhì)碳鋼在彈性變形范圍內(nèi)變形與受力 大小成正比的特點(diǎn)，無滯后和蠕變現(xiàn)象，因此輸入-輸出具有很好的線性度，線性相關(guān)系數(shù) 高度99. 9999%，而目前常用的電致伸縮微進(jìn)給裝置的線性相關(guān)系數(shù)低于95% ；
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(5)行程大，分辨率高。通過適當(dāng)提高油壓，提高壓力表精度，可以很容易滿足微進(jìn) 給工作行程20 μ m,分辨率0. 005 μ m的要求；(6)結(jié)構(gòu)簡單、成本低；(7)與現(xiàn)有機(jī)床的連接方便，不需要其它輔助元件。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。圖中，1，螺釘；2，刀片；3，圓柱刀桿；4，連接凸臺；5，密封圈；6，連接油管；7，缸體
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施例詳細(xì)說明如下如圖1、2所示，由液壓缸缸體7、刀片2、圓柱刀桿3、連接凸臺4、連接油管6、高精 度的側(cè)微儀、調(diào)壓閥和精密壓力表組成。缸體7的端面為薄壁端面，所述薄壁端面固定連接 刀片2和圓柱刀桿3與缸體7為一整體，缸體側(cè)面設(shè)有連接凸臺4，所述連接凸臺4的凸緣 與機(jī)床的刀架連接。缸體7另一端與連接油管6連接，所述連接油管6連接精密壓力表，精 密壓力表與調(diào)壓閥連接。所述高精度的側(cè)微儀設(shè)于缸體7的薄壁端面一側(cè)。本實(shí)施例的相 關(guān)功能參數(shù)具體如下缸體材料為45碳鋼，調(diào)質(zhì)處理缸體內(nèi)徑為d = 16mm紅體薄壁厚度h = 1. 5mm紅體的長度為L = 42. 5mm工作油壓P = 0 20MP刀桿的半徑為r = l/2d = 4mm其工作過程為如果需要微量切削的量為Δ，可以通過連接油管6向缸體的空腔中注入一定壓力 的液壓油使端面薄壁變形，這樣與端面相連的刀具2可產(chǎn)生相應(yīng)的進(jìn)給量△，從而實(shí)現(xiàn)微 量進(jìn)給。微進(jìn)給機(jī)構(gòu)的缸體7通過缸體側(cè)面連接凸臺4與機(jī)床的刀架連接。為了標(biāo)定微進(jìn)給刀具的靈敏系數(shù)c，將油壓由0升高到14MPa，利用高精密的微進(jìn) 給傳感器(如電感微進(jìn)給傳感器)測量出圓柱缸體前端的微進(jìn)給量為11. 2 μ m，那么該微進(jìn) 給刀具的靈敏系數(shù)c = 11. 2μ /14MPa = 0. 8 μ m/MPa。如果需要提供4 μ m的微進(jìn)給，只要通過調(diào)壓閥或其它油壓控制裝置，將油壓調(diào)高 5MPa即可。對于配有分辨率為0. 005MPa的精密壓力表的系統(tǒng)，則該微進(jìn)給刀具的分辨率 0. 004 μ m,即分辨率達(dá)到0. 005 μ m。
權(quán)利要求
一種微量進(jìn)給刀具，其特征在于由液壓缸缸體(7)、刀片(2)、圓柱刀桿(3)、連接油管(6)、高精度的側(cè)微儀、調(diào)壓閥和精密壓力表組成；所述缸體(7)的端面為薄壁端面，所述薄壁端面固定連接刀片(2)和圓柱刀桿(3)與缸體(7)為一整體，缸體(7)另一端與連接油管(6)連接，所述連接油管(6)連接精密壓力表，精密壓力表與調(diào)壓閥連接；所述缸體側(cè)面設(shè)有連接凸臺(4)，所述連接凸臺(4)的凸緣與機(jī)床的刀架連接；所述高精度的側(cè)微儀設(shè)于缸體(7)的薄壁端面一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微量進(jìn)給刀具，其特征在于所述圓柱刀桿(3)的直徑 為在缸體內(nèi)徑d的1/2 1/3，薄壁厚度h為缸體內(nèi)徑d的8% 10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微量進(jìn)給刀具，其特征在于所述缸體(7)內(nèi)的液壓油 工作油壓范圍P = 0 20MP ；薄壁缸體材料為中低碳鋼，調(diào)質(zhì)處理。
4.一種微量進(jìn)給的方法，其特征在于微進(jìn)給量的大小是通過以下兩個步驟得到(1)標(biāo)定微進(jìn)給刀具的靈敏系數(shù)c，將油壓由0升高到最高油壓的70%，利用高精度的 側(cè)微儀測量出薄壁端面前端的微進(jìn)給量S，得到該微進(jìn)給裝置的靈敏系數(shù)c = S/P ；靈敏系 數(shù)只要標(biāo)定一次。(2)確定缸體內(nèi)部油壓的改變量ΔP，通過調(diào)壓閥將油壓增加或減少ΔΡ= AS/c來提 供的微進(jìn)給量為AS。
全文摘要
本發(fā)明用于超精密加工中，可提高機(jī)床微量進(jìn)給的分辨率，在超精密機(jī)床上實(shí)現(xiàn)超薄切削、高精度尺寸加工。一種具有微量進(jìn)給功能的刀具，它是將一個特制的缸體安裝在刀架上，利用缸體在油壓作用下端面薄壁微量彈性變形來提供所需的微進(jìn)給量。通過精確控制缸體內(nèi)的油壓，可以得到精確的微進(jìn)給量，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的精密進(jìn)給。這種具有微量進(jìn)給功能的刀具將刀桿與具有微量進(jìn)給功能的缸體做為一體，無中間傳動件，具有結(jié)構(gòu)緊湊，輸入-輸出線性度好，剛度高，能承受雙向載荷，行程大，分辨率高，制造成本低，性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)自動控制等諸多特點(diǎn)，可以很容易滿足微進(jìn)給工作行程20μm，分辨率0.005μm的要求。
文檔編號B23B27/00GK101920347SQ20101010767
公開日2010年12月22日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者張兵, 李尊棟, 沈春根, 王樹林, 王貴成, 陳興華 申請人:江蘇大學(xué)