[发明专利]一种激光辅助式微振切削装置

说明书

本发明涉及一种激光辅助式微振切削装置，包括柔性微振机构、压电驱动器和压电驱动器固紧支架。所述柔性微振机构包括U形底座、四个类弹簧直板柔性铰链组、纵向位移放大机构、双向扫描振镜和装刀基座。所述压电驱动器固紧支架通过螺钉与柔性微振机构U形底座一端固接，两个压电驱动器通过螺钉预紧，通过双向扫描振镜调整聚焦激光束落到刀尖前方一定距离处，切削过程中可以使得聚焦激光束与刀具同频同向振动，从而保证刀具切削材料状态的一致性。本发明结构简单易于实现，能够有效提高切削精度，尤其适用于难加工材料（如硬脆材料、高温合金等）表面微结构高精、高效制造，可以显著提高切削用量可调阈值，增加面向不同尺度微结构表面的加工柔性。

技术领域

本发明属于微纳与超精密制造领域，具体涉及一种激光辅助式微振切削装置。

背景技术

近年来，工程陶瓷、复合材料、高温合金、钛合金等先进工程材料因其具有强度高、耐磨损、抗腐蚀、热稳定性好等优良特性，在机械、化工、航空航天、核工业等领域获得了广泛应用。采用常规方法加工这些材料时，由于硬度高、强度大、塑性低等特点，使得切削力和切削温度非常高，刀具磨损严重，加工质量差，加工几何形状受限，而激光加热辅助切削技术的发展为这类难加工材料的高效精密加工提供了一种行之有效的途径。

激光加热辅助切削是通过激光照射提高工件的局部温度改变应去除材料的性能，使激光照射部分软化再进行切削的方法。目前，针对加热软化法激光辅助切削难加工材料方面，已有学者开展了广泛研究，但多是直接利用激光照射工件表面并结合传统加工方法进行的加工，虽然一定程度上获得了更高的加工精度，但该类方法依然存在不足，比如增加了加工现场狭小空间的占用比重不利于操作人员进行操作，同时在复杂微纳结构创成方面依然很受限制。对于微纳结构表面的机械创成方法，目前主要依赖于振动场辅助、织构化刀具和纳米压印等方法，但在难加工材料（硬脆材料、高温合金等）微纳结构表面创成方面，均存在一定的局限性，比如刀具磨损严重、微纳结构特征尺寸精度不高、加工尺度较小等问题。专利（CN110340669A）提出了一种基于激光原位辅助的快刀伺服加工硬脆材料自由曲面的方法，虽然它一定程度上提高了快刀伺服加工硬脆材料塑性区选择的灵活性，但该方法在复杂微纳结构表面创成方面仍显不足，由于其无法实现激光光束与刀具同频同向振动，从而无法始终保持被切去材料状态的一致性，一定程度上影响微纳米尺度特征加工精度的一致性，限制了其在复杂微纳结构高效精密创成方面的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种激光辅助式微振切削装置，以解决针对难加工材料复杂微纳结构创成方面现有机械加工方法和激光辅助式加工技术中存在的不足，如加工尺寸精度低、面向不同微纳结构加工柔度低，以及激光辅助式加工无法实现激光光束与刀具同频同向振动，进而无法始终保持被切去材料状态的一致性等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种激光辅助式微振切削装置，包括柔性微振机构、压电驱动器和压电驱动器固紧支架。

所述激光辅助式微振切削装置中，柔性微振机构通过U形底座与机床固接，U形底座一侧的支撑臂设计有对称的缺口用于装配驱动器固紧支架，在缺口处利用螺钉将驱动器固紧支架与支撑臂紧固，利用螺钉通过压电驱动器固紧支架中间的螺纹孔对压电驱动器进行预紧，通过控制输入信号以实现装刀基座x方向的左右振动，U形底座两侧的两支撑臂分别与四个类弹簧直板形柔性铰链组的一端相连接，四个类弹簧直板形柔性铰链组的另一端与纵向位移放大机构相连接，纵向位移放大机构的输出端与双向扫描振镜和装刀基座相连接，柔性微振机构内侧纵向位移放大机构部分装配有一个压电驱动器，并利用螺钉预紧，通过控制输入信号并基于纵向位移放大机构把横向位移转变成纵向位移，以实现输出端y方向的上下振动。