CN103481106B - 一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置 - Google Patents

Abstract

一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置，本发明涉及一种压电陶瓷式微进给装置。本发明为解决现有的KDP晶体超精密飞切加工机床刀架进给分辨率不足、调节不便、严重影响加工精度以及目前普遍使用的柔性铰链元件刚度低不适用于高速飞切机床的问题。本发明的进给轴加工有薄壁空腔，在其底部形成弹性薄膜，压电陶瓷致动器通过两个半圆体钢球安装在预紧螺钉与弹性膜之间，并通过滑环与驱动电源连接。粗调螺母安装在螺母安装孔内，进给轴依次穿过轴孔和粗调螺母，预紧螺钉插入进给轴的盲孔内与内螺纹螺纹连接，进给轴的位于薄壁空腔的一端外壁上安装有刀具基座。本发明用于KDP晶体超精密飞切加工机床上刀具的微进给。

Description

一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷式微进给装置，具体涉及一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置。

背景技术

在激光核聚变及强激光武器等技术需求的牵引下，许多国家先后建造了多台大型激光装置，需要采用大量的光学零件，KDP即磷酸二氢钾晶体因具有较高的非线性和激光损伤阈值，被广泛的应用于激光和非线性光学领域。KDP晶体光学零件要求具有高精度的面形质量和良好的表面粗糙度，但KDP晶体具有质软、易碎等不利于光学加工的特点，传统的磨削和抛光方法不适于加工KDP晶体，必须采用超精密加工技术加工KDP晶体，KDP晶体的加工必须采用专用的KDP晶体超精密飞切加工机床。而高精度微量进给装置是此种机床的一个关键性装置。目前KDP晶体加工工艺中要求机床具有小于2μm的切削深度，而现有的KDP晶体超精密飞切加工机床的刀架采用丝杆螺母的微进给方案实现进给，其进给分辨率最高仅为10μm，远未达到加工工艺要求，且其调节不便，不能实现进给量的精确调节，严重影响机床的加工精度。此外,目前绝大多数压电陶瓷式微进给装置采用柔性铰链作为压电陶瓷致动器的支撑和导向元件,其刚度较低,不适用于高速飞切机床,不能满足KDP晶体超精密飞切加工机床使用要求。

发明内容

本发明为解决现有微进给装置的机械连接部件由于存在结构间隙，导致了刀架进给精度低，进而提供一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置包括刀架壳体、进给轴、预紧螺钉、压电陶瓷致动器、压盖、粗调螺母、两个半圆体钢球、夹刀块、滑环和驱动电源，刀架壳体的中部沿刀架壳体的竖直方向加工有贯通的轴孔，刀架壳体上位于轴孔的中部沿水平方向加工有与轴孔相通的螺母安装槽，且螺母安装槽与轴孔同轴设置，进给轴一端的中心处沿轴向加工有盲孔，进给轴上位于盲孔的底部沿进给轴的径向加工有薄壁空腔，加工完薄壁空腔后，所述薄壁空腔的底部形成弹性薄膜，进给轴的中部外壁上加工有外螺纹，进给轴的一端内壁上加工有内螺纹，进给轴上部开有沿径向的第一引线孔，压电陶瓷致动器的两端分别固接有一个半圆体钢球，压电陶瓷致动器安装在盲孔的底部，粗调螺母安装在螺母安装槽内，进给轴依次穿过轴孔和粗调螺母，且进给轴中部外壁的外螺纹与粗调螺母螺纹连接，预紧螺钉插入进给轴的盲孔内与内螺纹螺纹连接，压电陶瓷致动器上靠近预紧螺钉一端的半圆体钢球与预紧螺钉底端紧贴设置，压电陶瓷致动器上靠近薄壁空腔一端的半圆体钢球设置在薄壁空腔内，压盖穿过预紧螺钉安装在刀架壳体的外壁上，压盖上加工有第二引线孔，第二引线孔与第一引线孔相连通，压电陶瓷致动器的引线由下至上依次穿过第一引线孔和第二引线孔，并通过机床上的滑环与设置在机床外部的驱动电源连接，进给轴位于薄壁空腔的一端外壁上安装有夹刀块。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明采用粗调与精调分开且串联的形式以及变形区域的整体结构避免了由机械连接引起的结构间隙，提高了刀架的进给精度；进给精度达到1μm。

2.本发明结构简单、尺寸小，压电陶瓷致动器通过滑环连接驱动电源，使刀架得以安装与高速飞切机床上；并且其由薄壁空腔形成弹性薄膜的结构在极大程度上降低进给方向结构刚度的同时，还有效地保持了其它方向上的刚度，从而使刀架在高速旋转的离心作用下保持应有刚度，保证机床的加工精度。

3.本发明工艺性能好，易于加工制造。

4.本发明不仅适用于KDP晶体超精密飞切加工机床，同时还适用于其它飞切加工机床。

附图说明

图1是本发明的微进给刀架的主剖视图。图2是图1中A-A面的剖面图。图3是本发明在KDP晶体超精密飞切加工机床上的安装示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图3说明，本实施方式的一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置，所述微进给装置包括刀架壳体1、进给轴2、预紧螺钉3、压电陶瓷致动器4、压盖5、粗调螺母6、两个半圆体钢球7、夹刀块8、滑环9和驱动电源12，刀架壳体1的中部沿刀架壳体1的竖直方向加工有贯通的轴孔1-1，刀架壳体1上位于轴孔1-1的中部沿水平方向加工有与轴孔1-1相通的螺母安装槽1-2，且螺母安装槽1-2与轴孔1-1同轴设置，进给轴2一端的中心处沿轴向加工有盲孔2-1，进给轴2上位于盲孔2-1的底部沿进给轴2的径向加工有薄壁空腔2-2，加工完薄壁空腔2-2后，所述薄壁空腔2-2的底部形成弹性薄膜2-6，进给轴2的中部外壁上加工有外螺纹2-3，进给轴2的一端内壁上加工有内螺纹2-4，进给轴2上部开有沿径向的第一引线孔2-5，压电陶瓷致动器4的两端分别固接有一个半圆体钢球7，压电陶瓷致动器4安装在盲孔2-1的底部，粗调螺母6安装在螺母安装槽1-2内，进给轴2依次穿过轴孔1-1和粗调螺母6，且进给轴2中部外壁的外螺纹2-3与粗调螺母6螺纹连接，预紧螺钉3插入进给轴2的盲孔2-1内与内螺纹2-4螺纹连接，压电陶瓷致动器4上靠近预紧螺钉3一端的半圆体钢球7与预紧螺钉3底端紧贴设置，压电陶瓷致动器4上靠近薄壁空腔2-2一端的半圆体钢球7设置在薄壁空腔2-2内，压盖5穿过预紧螺钉3安装在刀架壳体1的外壁上，压盖5上加工有第二引线孔5-1，第二引线孔5-1与第一引线孔2-5相连通，压电陶瓷致动器4的引线由下至上依次穿过第一引线孔2-5和第二引线孔5-1，并通过机床10上的滑环9与设置在机床10外部的驱动电源12连接，进给轴2位于薄壁空腔2-2的一端外壁上安装有夹刀块8。

具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式采用粗调螺母6与外螺纹2-3配合的方式组成粗调部分，采用压电陶瓷致动器4驱动弹性薄膜2-6的方式组成精调部分,两者为一体串联结构。如此设计，能够增大刀架进给行程并提高刀架进给分辨率和定位精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式的进给轴2的粗调与精调部分以及弹性薄膜2-6均为一体结构。如此设计，可以避免结构机械连接间隙，提高刀架进给精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式的进给轴2为半中空结构。如此设计，其中空部分可用于设置预紧装置和压电陶瓷致动器4，在保证整体结构一体性的同时也极大的减小了刀架的尺寸。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明，本实施方式的进给轴2材料为弹簧钢。如此设计，能够使其变形区域具有更优的弹性变形性能。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明，本实施方式的薄壁空腔2-2由精密线切割加工而成，薄壁空腔2-2的壁厚s为0.5～2mm，弹性薄膜厚t为0.5～2mm。如此设计，为仿真优化结果，保证其变形区域具有适当的刚度，以工作于弹性变形范围之内，避免其产生塑形变形而失效。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明，本实施方式的粗调螺母6的外壁上均布设有50个刻度线，进给轴2的外螺纹2-3螺距为0.5mm。如此设计，使得粗调部分具有适当的进给范围与进给分辨率，配合精调部分构成整个进给体系。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1说明，本实施方式的在压电陶瓷致动器4两端分别设置两个半圆体钢球7，且其直径为5～15mm。如此设计，使预紧力方向与压电陶瓷致动器4出力方向保持一致，避免出力方向不一致而损坏压电陶瓷致动器4。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图3说明，本实施方式的压电陶瓷致动器4通过机床10上的滑环9连接至压电陶瓷驱动电源12。如此设计，使刀架可以安装于飞切机床刀盘11上，驱动电源12通过滑环9驱动压电陶瓷致动器4，进而刀架随刀盘在高速旋转状态下工作。其它组成和连接关系与具体实施方式八相同。

工作原理：对刀具基座8进行进给时，旋动粗调螺母6使进给轴2作直线运动，从而实现粗进给，适当旋紧预紧螺钉3施加预紧力，对压电陶瓷致动器4施加适当的预紧力，这样可以消除压电陶瓷致动器4与弹性薄膜2-6之间的间隙，从而间接消除了压电陶瓷致动器4与刀具基座8之间的间隙，提高了结构的接触刚度，改善其输出位移非线性，并使预紧力自动找正；使用驱动电源对压电陶瓷致动器4通电，增大电压，压电陶瓷致动器4产生微小形变，进而使弹性薄膜2-6发生微小形变并推动刀具基座8，实现刀具的精进给；降低电压，压电陶瓷致动器4的形变减小，弹性薄膜2-6形变减小带动刀具基座8进给量减小；关闭驱动电源，压电陶瓷致动器4的形变消失，弹性薄膜2-6的形变相应消失，带动刀具基座8回位。

Claims (6)

1.一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置，其特征在于：所述微进给装置包括刀架壳体(1)、进给轴(2)、预紧螺钉(3)、压电陶瓷致动器(4)、压盖(5)、粗调螺母(6)、夹刀块(8)、滑环(9)、驱动电源(12)和两个半圆体钢球(7)，刀架壳体(1)的中部沿刀架壳体(1)的竖直方向加工有贯通的轴孔(1-1)，刀架壳体(1)上位于轴孔(1-1)的中部沿水平方向加工有与轴孔(1-1)相通的螺母安装槽(1-2)，且螺母安装槽(1-2)与轴孔(1-1)同轴设置，进给轴(2)一端的中心处沿轴向加工有盲孔(2-1)，进给轴(2)上位于盲孔(2-1)的底部沿进给轴(2)的径向加工有薄壁空腔(2-2)，加工完薄壁空腔(2-2)后，所述薄壁空腔(2-2)的底部形成弹性薄膜(2-6)，进给轴(2)的中部外壁上加工有外螺纹(2-3)，进给轴(2)的一端内壁上加工有内螺纹(2-4)，进给轴(2)上部开有沿径向的第一引线孔(2-5)，压电陶瓷致动器(4)的两端分别固接有一个半圆体钢球(7)，压电陶瓷致动器(4)安装在盲孔(2-1)的底部，粗调螺母(6)安装在螺母安装槽(1-2)内，进给轴(2)依次穿过轴孔(1-1)和粗调螺母(6)，且进给轴(2)中部外壁的外螺纹(2-3)与粗调螺母(6)螺纹连接，预紧螺钉(3)插入进给轴(2)的盲孔(2-1)内与内螺纹(2-4)螺纹连接，压电陶瓷致动器(4)上靠近预紧螺钉(3)一端的半圆体钢球(7)与预紧螺钉(3)底端紧贴设置，压电陶瓷致动器(4)上靠近薄壁空腔(2-2)一端的半圆体钢球(7)设置在薄壁空腔(2-2)内，压盖(5)穿过预紧螺钉(3)安装在刀架壳体(1)的外壁上，压盖(5)上加工有第二引线孔(5-1)，第二引线孔(5-1)与第一引线孔(2-5)相连通，压电陶瓷致动器(4)的引线由下至上依次穿过第一引线孔(2-5)和第二引线孔(5-1)，并通过机床(10)上的滑环(9)与设置在机床(10)外部的驱动电源(12)连接，进给轴(2)位于薄壁空腔(2-2)的一端外壁上安装有夹刀块(8)。

2.根据权利要求1所述的一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置，其特征在于：进给轴(2)与弹性薄膜(2-6)制成一体。

3.根据权利要求1或2所述的一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置，其特征在于：所述进给轴(2)的材料为弹簧钢。

4.根据权利要求3所述的一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置，其特征在于：薄壁空腔(2-2)的壁厚s为0.5～2mm，弹性薄膜(2-6)的厚度t为0.5～2mm。

5.根据权利要求4所述的一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置，其特征在于：粗调螺母(6)的外壁上均布设有50个刻度线，进给轴(2)的外螺纹(2-3)螺距为0.5mm。

6.根据权利要求5所述的一种超精密飞切加工机床的压电陶瓷式微进给装置，其特征在于：半圆体钢球(7)的直径为5～15mm。