一种基于拱形结构特性的振动切削装置的制作方法

本发明属于超精密车削加工技术领域，涉及一种快刀伺服器，具体涉及一种利用拱形结构特性设计的压电陶瓷驱动的振动切削装置。

背景技术：

传统的精密金刚石车削技术具有加工精度高、表面质量好等优点，但对非对称自由曲面、非回转对称的微结构表面的加工能力较弱，而随着科技发展，此类零件在军事、航天、医疗等领域的应用越来越广泛，表面微结构越来越复杂，加工精度要求越来越高。

针对这种情况，国外学者对普通车削加工的进刀方式进行了改进，发展了快速车削加工技术，通过沿进刀方向施加激振力产生快速进刀运动，通过与主轴的回转运动、进刀运动相结合，金刚石刀具实时跟踪加工表面的变化，能够实现复杂面型零件或结构的精密高效加工。振动切削的工作频率和行程成为这种切削技术的重点，工作频率越高加工效率越高，行程越大则加工范围越广。

传统的一维振动切削装置大多采用柔性铰链作为导向、复位结构。柔性铰链具有刚度低、变形方向可控等特点，在压电陶瓷的激励下，可以实现小行程低频率的振动切削，一般工作频率为几十赫兹时行程为几个或十几个微米，且随着工作频率增大行程进一步减小。其缺点在于固有频率低，无法进行更高频率的切削加工，对压电陶瓷驱动能力的利用不够充分。

拱形结构常用于建筑与土木工程，在拱两端能提供足够支撑时，其抗变形能力极强，但支撑不足时，拱形结构同样容易变形，其作用类似于弹簧。许多生物在进化中具有了拱形结构，如鸵鸟足的中拱结构，它为鸵鸟提供了巨大的弹跳力。

技术实现要素：

本发明的目的是基于拱形结构的可变形、刚度可控、变形后可产生巨大回复力等特性，提供一种能够工作在更高频率、具有更大行程的振动切削装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于拱形结构特性的振动切削装置，包括金刚石刀片、拱形结构和压电陶瓷，其中：

所述拱形结构由拱体、拱臂和框架构成，拱体的两端由拱臂支撑，整体呈M形，拱臂固定在框架上；

所述金刚石刀片安装在拱体中点上；

所述压电陶瓷的轴线与振动切削装置的中心线重合，其一端与拱体中点接触，另一端固定在框架上。

本发明中，所述拱体和拱臂的连接处圆角过渡。

本发明中，所述拱体、拱臂和框架一体加工而成。

本发明中，所述拱体和拱臂的厚度相等且小于框架的厚度。

本发明中，所述拱体和拱臂关于振动切削装置的中心线对称分布。

本发明中，所述金刚石刀片安装在拱体中点的凸台上，凸台上有螺纹孔，通过螺丝与金刚石刀片固定为一体。

本发明中，所述框架上设置有安装孔。

拱形结构在受力时，可以将力传导至拱的支撑处，如果支撑处刚度较弱，整个结构就会变形，拱的中点可以获得较大位移。在本发明的振动切削装置中，拱臂刚度不足，易变形。与柔性铰链式结构相比，变形区域为拱体与拱臂，产生的回复力明显大于柔性铰链的细筋，同时振动过程中的等效移动质量远小于柔性铰链式，因而可以获得更高固有频率，工作频率范围更大。

本发明将拱形结构的特性应用于振动切削装置上，与现有压电陶瓷驱动的振动切削装置相比，具有如下几方面优点：

（1）本发明体积小、质量轻，易于加工制造和安装，使用成本低。

（2）本发明对压电陶瓷的驱动能力的利用率更高，与同类型设计相比，压电陶瓷的工作频率更接近其固有频率，输出位移更接近其理论输出极限。

（3）本发明具有更高的工作带宽，在1000Hz的激励信号下输出不失真，且仍有较大位移响应，具体输出位移与所用的压电陶瓷有关，但不低于其标称行程的四分之一。

（4）本发明具有更高的行程，在几十赫兹的低频激励信号下，可输出位移大于同类型设计，具体输出位移与所用的压电陶瓷有关，但不低于其标称行程的四分之三。

附图说明

图1为振动切削装置的结构示意图；

图2为拱形结构受力与振动仿真图；

图中：1-金刚石刀片，2-螺丝，3-拱体，4-拱臂，5-压电陶瓷，6-安装孔，7-框架，8-安装螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明的基于拱形结构特性的振动切削装置由金刚石刀片1、拱形结构压电陶瓷5构成，其中：

所述拱形结构由拱体3、拱臂4和框架7构成，拱体3为一弧面，拱体3的两端由拱臂4支撑，整体呈M形，连接处圆角过渡，拱臂4固定在支架7上，拱体3和拱臂4关于振动切削装置的中心线对称分布；

所述金刚石刀片1通过螺丝2紧固在拱体3的凸台上；

所述压电陶瓷5的轴线与振动切削装置的中心线重合，通过安装螺栓8固定在框架7上，旋紧安装螺栓8使压电陶瓷5的另一端接触拱体3的中点并预紧；

所述框架7上设置有安装孔6，通过安装孔6将振动切削装置安装在工作位置。

工作原理：

拱体3在两拱臂4的支撑下，受到压电陶瓷5激励时其中点可以进行往复运动，金刚石刀片1随拱臂4中点的振动而振动。改变驱动电压与频率，金刚石刀片的振动切削行程与工作频率随之改变。拱形结构受力与振动仿真图如图2所示。