本發(fā)明屬于超精密車削加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種快刀伺服器，具體涉及一種利用拱形結(jié)構(gòu)特性設(shè)計的壓電陶瓷驅(qū)動的振動切削裝置。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的精密金剛石車削技術(shù)具有加工精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點，但對非對稱自由曲面、非回轉(zhuǎn)對稱的微結(jié)構(gòu)表面的加工能力較弱，而隨著科技發(fā)展，此類零件在軍事、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，表面微結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，加工精度要求越來越高。

針對這種情況，國外學(xué)者對普通車削加工的進刀方式進行了改進，發(fā)展了快速車削加工技術(shù)，通過沿進刀方向施加激振力產(chǎn)生快速進刀運動，通過與主軸的回轉(zhuǎn)運動、進刀運動相結(jié)合，金剛石刀具實時跟蹤加工表面的變化，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜面型零件或結(jié)構(gòu)的精密高效加工。振動切削的工作頻率和行程成為這種切削技術(shù)的重點，工作頻率越高加工效率越高，行程越大則加工范圍越廣。

傳統(tǒng)的一維振動切削裝置大多采用柔性鉸鏈作為導(dǎo)向、復(fù)位結(jié)構(gòu)。柔性鉸鏈具有剛度低、變形方向可控等特點，在壓電陶瓷的激勵下，可以實現(xiàn)小行程低頻率的振動切削，一般工作頻率為幾十赫茲時行程為幾個或十幾個微米，且隨著工作頻率增大行程進一步減小。其缺點在于固有頻率低，無法進行更高頻率的切削加工，對壓電陶瓷驅(qū)動能力的利用不夠充分。

拱形結(jié)構(gòu)常用于建筑與土木工程，在拱兩端能提供足夠支撐時，其抗變形能力極強，但支撐不足時，拱形結(jié)構(gòu)同樣容易變形，其作用類似于彈簧。許多生物在進化中具有了拱形結(jié)構(gòu)，如鴕鳥足的中拱結(jié)構(gòu)，它為鴕鳥提供了巨大的彈跳力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是基于拱形結(jié)構(gòu)的可變形、剛度可控、變形后可產(chǎn)生巨大回復(fù)力等特性，提供一種能夠工作在更高頻率、具有更大行程的振動切削裝置。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于拱形結(jié)構(gòu)特性的振動切削裝置，包括金剛石刀片、拱形結(jié)構(gòu)和壓電陶瓷，其中：

所述拱形結(jié)構(gòu)由拱體、拱臂和框架構(gòu)成，拱體的兩端由拱臂支撐，整體呈M形，拱臂固定在框架上；

所述金剛石刀片安裝在拱體中點上；

所述壓電陶瓷的軸線與振動切削裝置的中心線重合，其一端與拱體中點接觸，另一端固定在框架上。

本發(fā)明中，所述拱體和拱臂的連接處圓角過渡。

本發(fā)明中，所述拱體、拱臂和框架一體加工而成。

本發(fā)明中，所述拱體和拱臂的厚度相等且小于框架的厚度。

本發(fā)明中，所述拱體和拱臂關(guān)于振動切削裝置的中心線對稱分布。

本發(fā)明中，所述金剛石刀片安裝在拱體中點的凸臺上，凸臺上有螺紋孔，通過螺絲與金剛石刀片固定為一體。

本發(fā)明中，所述框架上設(shè)置有安裝孔。

拱形結(jié)構(gòu)在受力時，可以將力傳導(dǎo)至拱的支撐處，如果支撐處剛度較弱，整個結(jié)構(gòu)就會變形，拱的中點可以獲得較大位移。在本發(fā)明的振動切削裝置中，拱臂剛度不足，易變形。與柔性鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)相比，變形區(qū)域為拱體與拱臂，產(chǎn)生的回復(fù)力明顯大于柔性鉸鏈的細筋，同時振動過程中的等效移動質(zhì)量遠小于柔性鉸鏈?zhǔn)?，因而可以獲得更高固有頻率，工作頻率范圍更大。

本發(fā)明將拱形結(jié)構(gòu)的特性應(yīng)用于振動切削裝置上，與現(xiàn)有壓電陶瓷驅(qū)動的振動切削裝置相比，具有如下幾方面優(yōu)點：

（1）本發(fā)明體積小、質(zhì)量輕，易于加工制造和安裝，使用成本低。

（2）本發(fā)明對壓電陶瓷的驅(qū)動能力的利用率更高，與同類型設(shè)計相比，壓電陶瓷的工作頻率更接近其固有頻率，輸出位移更接近其理論輸出極限。

（3）本發(fā)明具有更高的工作帶寬，在1000Hz的激勵信號下輸出不失真，且仍有較大位移響應(yīng)，具體輸出位移與所用的壓電陶瓷有關(guān)，但不低于其標(biāo)稱行程的四分之一。

（4）本發(fā)明具有更高的行程，在幾十赫茲的低頻激勵信號下，可輸出位移大于同類型設(shè)計，具體輸出位移與所用的壓電陶瓷有關(guān)，但不低于其標(biāo)稱行程的四分之三。

附圖說明

圖1為振動切削裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為拱形結(jié)構(gòu)受力與振動仿真圖；

圖中：1-金剛石刀片，2-螺絲，3-拱體，4-拱臂，5-壓電陶瓷，6-安裝孔，7-框架，8-安裝螺栓。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。

如圖1所示，本發(fā)明的基于拱形結(jié)構(gòu)特性的振動切削裝置由金剛石刀片1、拱形結(jié)構(gòu)壓電陶瓷5構(gòu)成，其中：

所述拱形結(jié)構(gòu)由拱體3、拱臂4和框架7構(gòu)成，拱體3為一弧面，拱體3的兩端由拱臂4支撐，整體呈M形，連接處圓角過渡，拱臂4固定在支架7上，拱體3和拱臂4關(guān)于振動切削裝置的中心線對稱分布；

所述金剛石刀片1通過螺絲2緊固在拱體3的凸臺上；

所述壓電陶瓷5的軸線與振動切削裝置的中心線重合，通過安裝螺栓8固定在框架7上，旋緊安裝螺栓8使壓電陶瓷5的另一端接觸拱體3的中點并預(yù)緊；

所述框架7上設(shè)置有安裝孔6，通過安裝孔6將振動切削裝置安裝在工作位置。

工作原理：

拱體3在兩拱臂4的支撐下，受到壓電陶瓷5激勵時其中點可以進行往復(fù)運動，金剛石刀片1隨拱臂4中點的振動而振動。改變驅(qū)動電壓與頻率，金剛石刀片的振動切削行程與工作頻率隨之改變。拱形結(jié)構(gòu)受力與振動仿真圖如圖2所示。