CN111545835B - 一种激光辅助式微振切削装置 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
所述的纵向位移放大机构采用杠杆和半桥式位移放大原理对y方向上的位移进行放大，压电驱动器以点接触的接触方式与一侧的杠杆接触，杠杆的底部采用直圆形柔性铰链作为导向，杠杆的输出端与半桥式位移放大机构输入端组合为一体，半桥式位移放大机构采用直板形柔性铰链作为导向，半桥式位移放大机构输出端与双向扫描振镜和装刀基座连接，并通过直板形柔性铰链进行导向，杠杆底部直圆型柔性铰链与上方半桥式位移放大机构组合将压电驱动器提供的水平力变为竖直力作用于双向扫描振镜和装刀基座，实现双向扫描振镜和装刀基座的上下微振。
所述双向扫描振镜和装刀基座为一整体结构，装刀基座位于双向扫描振镜底座的前方，双向扫描振镜包括一上一下两个垂直配置的反射镜，两个反射镜能够通过双向扫描振镜控制系统实现上下位置的微调和90度角的旋转。
所述的双向扫描振镜能够通过主动调整把侧向射入的聚焦激光束导向刀具前刀面前方一定距离处。
所述的激光辅助式微振切削装置可以通过主动控制两个压电驱动器的输入信号，实现聚焦激光束和刀具在同一平面内同频同向振动，进而保证刀具切削材料状态的一致性。
本发明与现有技术相比的有益效果是：该装置可以实现聚焦激光束和刀具在同一平面内同频同向振动，保证刀具切削材料状态的一致性，进而提高加工精度。此外，该装置可以适用于不同超精密机床，能够有效释放机床内部的有限加工空间，利用机床运动轴和激光辅助式微振切削装置中两压电驱动器的协调动作，可以实现对难加工材料的大尺寸复杂表面微结构高效高质加工，同时也可以显著提高切削用量的可调阈值，减小刀具磨损，增加面向不同尺度微结构表面的加工柔性。
附图说明
图1为激光辅助式微振切削装置轴测示意图1。
图2为激光辅助式微振切削装置轴测示意图2。
图3为柔性微振机构正视图。
图4为压电驱动器固紧支架示意图。
图5为光路导向原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
如图1所示，所述的一种激光辅助式微振切削装置，包括柔性微振机构1、压电驱动器2和压电驱动器固紧支架3。
如图1、图2、图3和图4所示，所述激光辅助式微振切削装置中，柔性微振机构1通过U形底座与机床固接，U形底座与101支撑臂对称的支撑臂上前后设计有两个对称的缺口，利用螺钉通过前后两个301孔把压电驱动器固紧支架3与U形底座固紧，利用螺钉通过压电驱动器固紧支架3中间的螺纹孔302对压电驱动器201进行预紧，通过控制输入信号以实现装刀基座105沿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102的一端相连接，四个类弹簧直板形柔性铰链组102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104和装刀基座105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202，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。
所述的纵向位移放大机构采用杠杆和半桥式位移放大原理对y方向上的位移进行放大，压电驱动器202通过螺钉预紧于一侧的杠杆臂，并以点接触的接触方式与另一侧的杠杆臂接触，纵向位移放大机构两侧杠杆的底部分别采用两个直圆形柔性铰链107作为导向，杠杆的输出端与半桥式位移放大机构输入端组合为一体，半桥式位移放大机构采用对称分布的八个直板形柔性铰链106作为导向，半桥式位移放大机构输出端与双向扫描振镜104和装刀基座105连接，并通过左右对称分布的直板形柔性铰链103进行导向，杠杆底部直圆型柔性铰链107与上方半桥式位移放大机构组合将压电驱动器202提供的水平力变为竖直力作用于双向扫描振镜104和装刀基座105，实现双向扫描振镜104和装刀基座105的上下微振。
所述双向扫描振镜104和装刀基座105为一整体结构，装刀基座105位于双向扫描振镜104底座的前方，双向扫描振镜104包括一上一下两个垂直配置的反射镜，两个反射镜能够通过双向扫描振镜控制系统实现上下位置的微调和90度角的旋转。
如图5所示为本发明的光路导向原理示意图，所述的双向扫描振镜104能够通过主动调整把侧向射入的聚焦激光束导向刀具前刀面前方一定距离A处，在xOy平面内，B点表示金刚石刀具的刀尖圆弧中点的投影，可以通过双向扫描振镜104的主动调整来微调AB两点之间的距离h的大小，所述的激光辅助式微振切削装置可以通过主动控制两个压电驱动器2的输入信号，实现聚焦激光束A点和刀具刀尖圆弧中心点投影B点在同一平面xOy内同频同向振动，进而保证刀具切削材料状态的一致性。
Claims (2)
1.一种激光辅助式微振切削装置，其特征在于：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；所述柔性微振机构为一体式柔顺运动机构，利用柔性微振机构的U形底座与机床固接，U形底座左右两支撑臂分别与四个类弹簧直板形柔性铰链组一端连接，四个类弹簧直板形柔性铰链组另一端分别与纵向位移放大机构左右两侧面连接，纵向位移放大机构输出端与双向扫描振镜和装刀基座连接，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输入位移转变成纵向输出位移，以实现沿装刀基座y方向的上下振动，柔性微振机构U形底座一端设计有对称的两个缺口，用以装配压电驱动器固紧支架，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；所述双向扫描振镜和装刀基座为一整体结构，双向扫描振镜包括两个垂直配置的反射镜，能够实现两个反射镜上下位置的微调，并能实现反射镜的90度旋转；所述的一种激光辅助式微振切削装置，可以通过双向扫描振镜的主动调整，把侧向射入的聚焦激光束导向刀具前刀面前方一定距离处，所述激光辅助式微振切削装置可以通过主动控制两个压电驱动器的输入信号，实现聚焦激光束和刀具在同一平面内同频同向振动，进而保证刀具切削材料状态的一致性；
所述纵向位移放大机构的结构是：纵向位移放大机构采用杠杆和半桥式位移放大原理实现沿y轴方向位移的放大，杠杆底部采用直圆形柔性铰链作为导向，半桥式位移放大机构采用直板形柔性铰链作为导向，半桥式位移放大机构输出端与双向扫描振镜和装刀基座连接，并通过直板形柔性铰链进行导向，杠杆底部直圆型柔性铰链与上方半桥式位移放大机构组合，将靠近杠杆底部直圆形柔性铰链一侧的压电驱动器提供的水平力变为竖直力，通过输出端作用于双向扫描振镜和装刀基座，实现双向扫描振镜和装刀基座的上下微振。
2.根据权利要求1所述的一种激光辅助式微振切削装置，其特征在于：该装置可以安装在不同超精密机床上，利用机床运动轴和激光辅助式微振切削装置中两压电驱动器的协调动作，可以实现对难加工材料的高精密切削，尤其适用于大尺寸复杂表面微结构的高效高质加工，同时也可以显著提高切削用量的可调阈值，减小刀具磨损，增加面向不同尺度微结构表面的加工柔性。
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