[发明专利]一种超声振动切削与切削力实时监测集成刀具系统

说明书

本发明公开了一种超声振动切削与切削力实时监测集成刀具系统，所述系统包括前刀柄、后刀柄、刀头、PCD刀片、振动压电陶瓷组件、测力结构组件、电荷放大器、数据采集卡和PC机，其中：所述刀头设置在前刀柄的端部，PCD刀片固定在刀头上；所述振动压电陶瓷组件固定在后刀柄和前刀柄之间；所述测力结构组件包括感知段、夹具和感知压电陶瓷组；所述感知段与夹具螺栓连接；所述感知压电陶瓷组粘贴在感知段上；所述感知压电陶瓷组引出导线连接电荷放大器，电荷放大器与数据采集卡连接，数据采集卡与PC机相连。本发明通过压电陶瓷驱动振动使刀尖产生微小振幅的椭圆轨迹，提高刀具寿命以及加工质量。

技术领域

本发明涉及一种二维超声振动切削刀具系统。

背景技术

随着社会的不断发展，机械加工业得到了迅速的发展。机械加工的产品质量的好坏很大程度上取决于加工刀具。现有的加工刀具很多，其中车刀是最常用的加工刀具。金刚石刀具切削黑色金属容易导致石墨化损害刀具，同时产生大量的切削热，加速刀具磨损，影响刀具加工精度。

二维椭圆超声振动切削是一种非常有效的加工方法，在刀尖位置引入一定的振幅，产生椭圆切削轨迹，可以将连续切削过程转化为断续切削过程，避免切屑粘刀，减小切削力的同时提高刀具寿命。现有的二维超声振动刀具分为谐振式和非谐振式两种，非谐振式的刀具设计加工简单，但是普遍振动频率比较低，在超精密高速切削的情况下，不易做到刀具工件分离，影响刀具寿命；现有的谐振式超声振动刀具大多针对高振幅切削，需要引入变幅杆结构，结构尺寸大，影响刀具装夹，不利于超精密加工过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声振动切削与切削力实时监测集成刀具系统，通过压电陶瓷驱动振动使刀尖产生微小振幅的椭圆轨迹，提高刀具寿命以及加工质量。此外设计出高频力传感系统，避免了振动对测力的影响，实现超声振动与切削力监测的有机结合。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种超声振动切削与切削力实时监测集成刀具系统，包括前刀柄、后刀柄、刀头、PCD刀片、振动压电陶瓷组件、测力结构组件、电荷放大器、数据采集卡和PC机，其中：

所述刀头设置在前刀柄的端部，PCD刀片固定在刀头上；

所述振动压电陶瓷组件包括纵向振动压电陶瓷组和横向振动压电陶瓷组；

所述纵向压电振动陶瓷组和横向振动压电陶瓷组固定在后刀柄和前刀柄之间，且纵向压电振动陶瓷组和横向振动压电陶瓷组之间旋转90°；

所述纵向压电振动陶瓷组和横向振动压电陶瓷组均由两对振动压电陶瓷片构成，每对振动压电陶瓷片中夹入电极片，同一振动方向每对压电陶瓷片内夹入的电极片连接超声电源的正极，不同振动方向每对压电陶瓷片内夹入的电极片连接超声电源的负极；

所述前刀柄与后刀柄上分别设有紧固孔，通过紧定螺钉头部卡紧紧固孔与测力结构组件相连；

所述测力结构组件包括感知段、夹具和感知压电陶瓷组；

所述感知段与夹具螺栓连接；

所述感知压电陶瓷组粘贴在感知段上；

所述感知压电陶瓷组引出导线连接电荷放大器，电荷放大器与数据采集卡连接，数据采集卡与PC机相连。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明基于超声换能器理论，采用直接夹心式刀具，以压电陶瓷为驱动装置，摒弃了变幅杆结构，采用三节弯曲振动模式，提高了谐振频率，获得更高的振动频率，此外使刀具结构更紧凑，降低了加工成本。

2、切削刀具的破损可以反映在切削力的变化上，引入切削力的实时监测可以保证第一时间发现刀具的磨损情况，降低废品率，同时也降低成本。