激光加工綜合實(shí)訓(xùn)的探索與實(shí)踐

趙軼++朱虹++周琴

摘要：激光加工技術(shù)屬于先進(jìn)制造技術(shù)，它的飛速發(fā)展使得其在制造業(yè)中的作用越來越重。本文介紹了在工程訓(xùn)練中引入激光加工技術(shù)的可行性和必要性，以激光內(nèi)雕、激光雕刻、激光打標(biāo)及綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為例，介紹了如何開展激光加工實(shí)訓(xùn)，分析現(xiàn)代工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的發(fā)展，重點(diǎn)探討了如何在所設(shè)課程中既能提高學(xué)生興趣、學(xué)生自主設(shè)計(jì)能力，又能強(qiáng)化工程能力培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生工程意識，得到較好實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。對實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革具有一定的借鑒。

Abstract： As an advanced manufacturing technology， the rapid development of laser processing technology makes it increasingly important in manufacturing. This article describes the feasibility and necessity of introducing laser processing technology in engineering training. Taking laser-micro-engraving， laser carving， laser marking and comprehensive training programs for example to introduce how to develop laser processing training. The development of modern engineering training teaching model is analyzed and it is emphatically discussed that how to not only improve students' interest and the autonomous design ability in the established course， but also enhance the training of engineering practice ability and students' awareness of engineering to get better teaching effect. It has a certain reference significance to practical training teaching reform.

關(guān)鍵詞：激光加工；先進(jìn)制造；工程訓(xùn)練；實(shí)訓(xùn)教學(xué)

Key words： laser processing；advanced manufacturing；engineering training；practical training teaching

中圖分類號：TN249；G642.44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）05-0208-04

0 引言

激光加工技術(shù)與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)并稱為20世紀(jì)四項(xiàng)重大發(fā)明。在進(jìn)入21世紀(jì)光電子時(shí)代，激光加工作為高能光電子得到了廣泛應(yīng)用，極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活。這一技術(shù)在我國也得到了迅速的發(fā)展，成為我國新興產(chǎn)業(yè)、改造傳統(tǒng)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。工程訓(xùn)練屬于素質(zhì)教育，國內(nèi)工科高校都開設(shè)了工程訓(xùn)練教育，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，這幾年工程訓(xùn)練中現(xiàn)代技術(shù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目比重越來越重，內(nèi)容越來越豐富，發(fā)展速度也很快。全國很多高校都相繼在現(xiàn)代技術(shù)實(shí)訓(xùn)中開設(shè)了激光技術(shù)相關(guān)實(shí)訓(xùn)，受到了學(xué)生的歡迎。但實(shí)訓(xùn)中很多項(xiàng)目的設(shè)置過于注重學(xué)生的個(gè)性、創(chuàng)意，缺乏工程能力培養(yǎng)，沒考慮到作為工程訓(xùn)練的一些要求。我們在設(shè)置實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)該以培養(yǎng)學(xué)生工程能力工程意識為本，兼顧學(xué)生興趣、個(gè)性。本文結(jié)合激光實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開設(shè)，分析了各激光實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的特點(diǎn)，也探討了如何加強(qiáng)學(xué)生工程能力與工程意識的培養(yǎng)。

1 激光加工簡介

激光加工屬于非接觸式加工，不存在應(yīng)力變形等因素。通過聚焦將高能量密度傳遞到精確的加工位置，加工速度快、無噪聲，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜形狀的高精度加工。我們可以通過控制激光照射的能量密度、照射時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)多種類型的加工，目前國外已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)，如激光焊接、激光熱處理，以及利用材料的蒸發(fā)現(xiàn)象，以去除材料為目的的激光打孔、激光雕刻與激光切割等。由于激光焊接熱影響區(qū)小，熱變形忽略不計(jì)，焊接的材料不被氧化，且受損率低，可以焊接尺寸和性質(zhì)懸殊的材料，及熔點(diǎn)很高和易氧化的材料。例如：在汽車制造中，用激光焊接代替點(diǎn)焊后每輛車節(jié)省40kg的材料。在激光打標(biāo)與激光切割時(shí)，為了保證加工精度，在激光照射時(shí)間內(nèi)能使加工部位快速蒸發(fā)，又能防止加工部位以外的金屬因傳熱引起升溫和熔化，保證了零件的加工精度和表面質(zhì)量，減少二次加工量。

激光加工過程沒有“刀具”磨損。常規(guī)的切削刀具最小尺寸為0.1mm，而激光聚焦的光斑尺寸可以達(dá)到亞微米級，且能很容易控制激光的空間和時(shí)間，被加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，可加工領(lǐng)域非常廣。激光系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可組成高效自動化加工設(shè)備，已成為當(dāng)今企業(yè)自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。此外激光加工技術(shù)由于精度高、損耗少、應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、航空航天、機(jī)械、冶金、船舶等制造行業(yè)，幾乎包括了國民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域，被譽(yù)為“制造系統(tǒng)共同的加工手段”。在工藝品方面，水晶玻璃激光內(nèi)雕工藝品具有晶瑩剔透、冰清玉潔超凡脫俗的視覺形象，浸透出高貴典雅的藝術(shù)魅力。激光雕刻在皮革、竹簡、木板等材料上制作各種精美的工藝品，也對工藝品的制作水平提升很大。

2 激光實(shí)訓(xùn)

2.1 實(shí)訓(xùn)設(shè)備及內(nèi)容

本實(shí)訓(xùn)室承擔(dān)全校本科生工程實(shí)踐課程中激光加工實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，本實(shí)訓(xùn)室設(shè)備種類齊全，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容豐富。其中設(shè)備有1臺杭州先臨公司的激光內(nèi)雕機(jī)，3臺武漢金立的非金屬激光雕刻切割機(jī)，3臺楚天激光的激光打標(biāo)機(jī)和1臺楚天激光的大功率光纖激光金屬切割機(jī)。并擬購一臺機(jī)器人激光焊接機(jī)。教學(xué)內(nèi)容包括：創(chuàng)意水晶內(nèi)雕、創(chuàng)意書簽雕刻、創(chuàng)意名片雕刻、激光綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目——風(fēng)鈴制作。如圖1所示。

2.1.1 創(chuàng)意水晶內(nèi)雕

激光內(nèi)雕技術(shù)是材料內(nèi)部破壞技術(shù)，使用的是低功率激光器，通過計(jì)算機(jī)控制激光在玻璃體內(nèi)部聚焦爆裂玻璃分子晶格的坐標(biāo)，以及三軸平臺運(yùn)動和高速振鏡掃描，逐層產(chǎn)生大量50微米量級大小的爆裂白點(diǎn)，在玻璃內(nèi)部雕出預(yù)定的3D形狀。而玻璃其余未爆裂的部分則保持原樣完好無損（內(nèi)雕制作原理圖2）。該激光器采用半導(dǎo)體泵浦YAG激光器，激光為綠光，波長為532nm。我們?yōu)閷W(xué)生提供30×20×12的水晶鑰匙扣帶多彩LED燈，要求每個(gè)同學(xué)通過水晶制作軟件3DVISION將3D模型、文字、圖片精心設(shè)計(jì)并組合，在內(nèi)雕機(jī)上制作出來（見圖3）。水晶鑰匙扣，材質(zhì)為K9玻璃，即一種透明透亮的光學(xué)玻璃，經(jīng)過熔鑄、加工、切割、噴沙等工序制作成工藝品，其硬度很低，手感很輕，透射度不高，一般折射率為1.51，硬度為5.5級，熔點(diǎn)900度以下。由于它晶瑩剔透，所以衍生了很多以K9料為加工對象的工廠，他們加工出來的產(chǎn)品，在市面上稱為水晶玻璃制品。

2.1.2 創(chuàng)意書簽雕刻

激光雕刻加工是利用數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，激光為加工媒介。加工材料在激光雕刻照射下瞬間的熔化和氣化的物理變性，能使激光雕刻達(dá)到加工的目的。本單位激光雕刻機(jī)采用80瓦二氧化碳激光管作為激光器，激光波長1024nm，可雕刻或切割木板、皮革、亞克力等非金屬材料。我們?yōu)閷W(xué)生提供20×140的空白竹簡，這些竹簡預(yù)先已經(jīng)通過了磨青、漂白、曬色、碳化等處理。學(xué)生可通過文泰雕刻等軟件將矢量圖形和文字進(jìn)行組合設(shè)計(jì)個(gè)性書簽，生成plt的矢量文件格式后到激光雕刻機(jī)床上進(jìn)行加工（見圖4）。激光雕刻加工時(shí)，透鏡焦距為63.5mm，加工電流5A。竹簡已經(jīng)加工了4mm預(yù)孔，激光雕刻完表面后就穿上穗子，制成各式各樣的書簽。

2.1.3 創(chuàng)意名片打標(biāo)

激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)機(jī)采用掃描法打標(biāo)，即將激光束入射到兩反射鏡上，利用計(jì)算機(jī)控制掃描電機(jī)帶動反射鏡分別沿X、Y軸轉(zhuǎn)動，激光束聚焦后落到被標(biāo)記的工件上，從而形成了激光標(biāo)記的痕跡。本單位雕刻機(jī)采用摻鐿光纖激光器，波長1064nm。如圖5、圖6所示。

我們?yōu)閷W(xué)生提供86×54×0.2的空白金屬名片（多種顏色可選），由學(xué)生通過COREDRAW、文泰雕刻、PHOTOSHOPd等軟件設(shè)計(jì)處理文字、矢量圖、照片，設(shè)計(jì)具有自己個(gè)性的名片，再激光打標(biāo)機(jī)上標(biāo)刻出來。

2.2 實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀及存在問題

我們激光實(shí)訓(xùn)包含多種激光加工工藝，內(nèi)容豐富。水晶內(nèi)雕、激光雕刻、激光打標(biāo)等新穎的激光工藝，使學(xué)生了解目前激光加工的應(yīng)用及特點(diǎn)。通過創(chuàng)意設(shè)計(jì)水晶鑰匙扣、個(gè)性名片、書簽，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)的積極性和創(chuàng)造力。每個(gè)學(xué)生都能通過軟件設(shè)計(jì)屬于自己的作品，也彰顯了學(xué)生的個(gè)性化需求。學(xué)生在激光實(shí)習(xí)完成之后得到了水晶鑰匙扣、書簽、名片作品，大大提高了自我的成就感。這個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)也很受學(xué)生的歡迎，在校內(nèi)影響很大。

通過幾學(xué)期教學(xué)實(shí)踐下來，我們感觸到了雖然我們的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容豐富，項(xiàng)目迎合了學(xué)生的個(gè)性需求、學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中的參與度較高，興趣大。但是在工程能力培養(yǎng)方面還有不足，學(xué)生完成的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目多為個(gè)性工藝品，設(shè)計(jì)作品隨意性大，無法體現(xiàn)工程中圖紙、尺寸、精度、按圖施工等工程意識；另外，每個(gè)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容都較為獨(dú)立且單一，比如水晶鑰匙扣制作只用到了激光內(nèi)雕工藝，個(gè)性名片制作僅采用激光打標(biāo)工藝，而書簽制作只采用激光雕刻工藝。每個(gè)加工工藝只是現(xiàn)實(shí)中產(chǎn)品生產(chǎn)的一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過這些實(shí)訓(xùn)內(nèi)容無法看到一個(gè)多流程多工藝的復(fù)雜產(chǎn)品制造流程。因此，我們也在思索和探究增加一個(gè)激光實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，這個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不僅能體現(xiàn)具有工程背景、工程制造概念，并且還能涵蓋多個(gè)加工工藝的實(shí)訓(xùn)小項(xiàng)目。這樣不僅能彌補(bǔ)現(xiàn)有激光實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的不足，而且能加強(qiáng)和拓寬激光實(shí)訓(xùn)在工程訓(xùn)練中的教學(xué)作用和地位。

3 激光綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開發(fā)

3.1 項(xiàng)目內(nèi)容

個(gè)性風(fēng)鈴的制作，毛坯材料采用2mm不銹鋼板，學(xué)生按圖紙完成風(fēng)鈴各部件外形加工，在規(guī)定部位設(shè)計(jì)上相應(yīng)的圖案及文字，最后將各部件聯(lián)接起來（如圖7）。此項(xiàng)目由學(xué)生分組完成，要求學(xué)生按圖紙尺寸加工各零件外形，實(shí)操成績根據(jù)最終產(chǎn)品質(zhì)量（尺寸精度、表面質(zhì)量）和風(fēng)鈴各面圖案設(shè)計(jì)創(chuàng)意性來考核評定（如圖8）。

3.2 加工設(shè)備及涵蓋工藝

該項(xiàng)目中切割不銹鋼板的設(shè)備采用楚天激光公司的500瓦光纖激光切割機(jī)，其中激光器采用IPG500瓦光纖激光器，切割中需要用氮?dú)獯翟?。風(fēng)鈴焊接設(shè)備采用6軸機(jī)器人激光焊接機(jī)。除了金屬激光切割、機(jī)器人激光焊接工藝外，風(fēng)鈴的表面可以由學(xué)生設(shè)計(jì)圖案激光打標(biāo)。如圖9所示。

4 實(shí)訓(xùn)效果

風(fēng)鈴制作不但包含了以往激光實(shí)訓(xùn)中的創(chuàng)意設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，保留了我們激光實(shí)訓(xùn)中設(shè)計(jì)性和自主性高的特點(diǎn)，還增加了工廠生產(chǎn)模式，風(fēng)鈴的外形要按圖紙?jiān)贑AD中繪制好，按既定的工藝和工藝參數(shù)進(jìn)行切割并焊接，體現(xiàn)了生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)與要求，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識。在實(shí)際生產(chǎn)中一個(gè)毛坯需要通過多個(gè)工藝工序才能加工完成，成為合格的產(chǎn)品。風(fēng)鈴制造它也將激光切割、激光打標(biāo)、激光焊接多個(gè)工藝融合到一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和產(chǎn)品中，起到了串接作用，與實(shí)際工程接近。另外，該項(xiàng)目中有標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生嚴(yán)格按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、工藝參數(shù)生產(chǎn)。讓學(xué)生能體驗(yàn)到實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)過程的標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚺c要求，能夠思索如何生產(chǎn)一個(gè)合格產(chǎn)品并如何量產(chǎn)合格產(chǎn)品。學(xué)生分組分工完成各自的任務(wù)，最終得到一個(gè)產(chǎn)品。這個(gè)項(xiàng)目能激發(fā)學(xué)生的求知欲，促進(jìn)其主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識，而且通過整個(gè)過程的合作，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和群體合作能力及組織、管理能力，效果非常好。

在該項(xiàng)目開發(fā)的激光實(shí)訓(xùn)中，由學(xué)生組成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理組織，指導(dǎo)老師只需負(fù)責(zé)設(shè)備及操作安全。學(xué)生自己完成產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到加工的整個(gè)過程，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提高了，積極性也調(diào)動了，創(chuàng)新意識也得到了培養(yǎng)。實(shí)訓(xùn)中要求每位學(xué)生都有一件或多件作品，包括水晶鑰匙扣、個(gè)性書簽、金屬名片，他們可以互相交流、互相指點(diǎn)傳授，但必須自己動手完成作品，因此每位學(xué)生都能基本掌握設(shè)備加工過程及工藝，達(dá)到教學(xué)效果。在此過程中不存在學(xué)生互相“抄襲”，每個(gè)學(xué)生都有自己的個(gè)性，都想設(shè)計(jì)和制作的作品與眾不同。由于學(xué)生產(chǎn)生了學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)習(xí)積極性，不少學(xué)生實(shí)習(xí)完成后仍想再做幾個(gè)精美作品，這樣我們在此基礎(chǔ)上有開設(shè)了激光創(chuàng)意公共選修課，為有興趣繼續(xù)學(xué)習(xí)的學(xué)生提供了一次深入學(xué)習(xí)激光及加工知識，制作更加精美復(fù)雜工藝品的機(jī)會。在最后的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目——風(fēng)鈴制作中，學(xué)生又必須嚴(yán)格按照圖紙工藝進(jìn)行規(guī)范生產(chǎn)，分工合作完成整個(gè)風(fēng)鈴的制造。

5 結(jié)論

本課題開發(fā)了適于學(xué)生培訓(xùn)的激光內(nèi)雕、雕刻、打標(biāo)、切割、焊接激光綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。將本實(shí)訓(xùn)室內(nèi)所有激光加工設(shè)備都利用結(jié)合起來。學(xué)生對各種激光加工工藝、激光性能及使用都有一定的了解和認(rèn)識。同時(shí)了解多種激光加工原理，初步掌握激光制造的基本工藝過程。實(shí)訓(xùn)中采用的耗材成本相對較低，激光器基本零消耗，實(shí)訓(xùn)消耗相對合理。由于激光設(shè)備多采用密封結(jié)構(gòu)，加工中還有護(hù)罩與護(hù)鏡保護(hù)，學(xué)生操作時(shí)的安全性非常高，指導(dǎo)人員安全巡視相對輕松。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生煙氣由煙道抽排，生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)境安全、干凈、無污染。

其次，學(xué)生實(shí)習(xí)積極性、主動性、創(chuàng)造性高，樂于參與實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)。通過引入激光綜合項(xiàng)目后，激光實(shí)訓(xùn)還增加很多工程要素，在評分環(huán)節(jié)考核了尺寸、公差、廢品率等工程要素。對學(xué)生的創(chuàng)意作品不僅有設(shè)計(jì)性的要求，還有作為產(chǎn)品按圖施工的工程性要求。

整個(gè)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容既有讓學(xué)生發(fā)揮主動實(shí)習(xí)積極性、創(chuàng)造性，又有按工程要求生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量與效率進(jìn)行考核，還有分工合作、項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練。將激光實(shí)訓(xùn)作為眾多實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中脫穎而出，作為現(xiàn)代制造實(shí)習(xí)中的一大特色，在高校工程訓(xùn)練教育中起到了更大的作用。

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