本發明屬于超精密車削加工技術領域，涉及一種快刀伺服器，具體涉及一種利用拱形結構特性設計的壓電陶瓷驅動的振動切削裝置。

背景技術：

傳統的精密金剛石車削技術具有加工精度高、表面質量好等優點，但對非對稱自由曲面、非回轉對稱的微結構表面的加工能力較弱，而隨著科技發展，此類零件在軍事、航天、醫療等領域的應用越來越廣泛，表面微結構越來越復雜，加工精度要求越來越高。

針對這種情況，國外學者對普通車削加工的進刀方式進行了改進，發展了快速車削加工技術，通過沿進刀方向施加激振力產生快速進刀運動，通過與主軸的回轉運動、進刀運動相結合，金剛石刀具實時跟蹤加工表面的變化，能夠實現復雜面型零件或結構的精密高效加工。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。

傳統的一維振動切削裝置大多采用柔性鉸鏈作為導向、復位結構。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，對壓電陶瓷驅動能力的利用不夠充分。

拱形結構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，拱形結構同樣容易變形，其作用類似于彈簧。許多生物在進化中具有了拱形結構，如鴕鳥足的中拱結構，它為鴕鳥提供了巨大的彈跳力。

技術實現要素：

本發明的目的是基于拱形結構的可變形、剛度可控、變形后可產生巨大回復力等特性，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。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基于拱形結構特性的振動切削裝置，包括金剛石刀片、拱形結構和壓電陶瓷，其中：

所述拱形結構由拱體、拱臂和框架構成，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。

本發明中，所述拱體和拱臂的連接處圓角過渡。

本發明中，所述拱體、拱臂和框架一體加工而成。

本發明中，所述拱體和拱臂的厚度相等且小于框架的厚度。

本發明中，所述拱體和拱臂關于振動切削裝置的中心線對稱分布。

本發明中，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。

本發明中，所述框架上設置有安裝孔。

拱形結構在受力時，可以將力傳導至拱的支撐處，如果支撐處剛度較弱，整個結構就會變形，拱的中點可以獲得較大位移。在本發明的振動切削裝置中，拱臂剛度不足，易變形。與柔性鉸鏈式結構相比，變形區域為拱體與拱臂，產生的回復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量遠小于柔性鉸鏈式，因而可以獲得更高固有頻率，工作頻率范圍更大。

本發明將拱形結構的特性應用于振動切削裝置上，與現有壓電陶瓷驅動的振動切削裝置相比，具有如下幾方面優點：

（1）本發明體積小、質量輕，易于加工制造和安裝，使用成本低。

（2）本發明對壓電陶瓷的驅動能力的利用率更高，與同類型設計相比，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，具體輸出位移與所用的壓電陶瓷有關，但不低于其標稱行程的四分之一。

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

附圖說明

圖1為振動切削裝置的結構示意圖；

圖2為拱形結構受力與振動仿真圖；

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

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

如圖1所示，本發明的基于拱形結構特性的振動切削裝置由金剛石刀片1、拱形結構壓電陶瓷5構成，其中：

所述拱形結構由拱體3、拱臂4和框架7構成，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的中點并預緊；

所述框架7上設置有安裝孔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運動，金剛石刀片1隨拱臂4中點的振動而振動。改變驅動電壓與頻率，金剛石刀片的振動切削行程與工作頻率隨之改變。拱形結構受力與振動仿真圖如圖2所示。