激光輔助加工的技術(shù)原理、研究現(xiàn)狀及展望

楊航 楊學(xué)智 張洋洋

摘要：激光輔助加工是超精密制造的重要分支，是支撐國(guó)家尖端技術(shù)和國(guó)防航天工業(yè)等發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。在本文中，以超精密制造中的激光輔助加工技術(shù)為對(duì)象，闡述其研究背景、技術(shù)原理、研究現(xiàn)狀，并指出了今后應(yīng)該重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題，供廣大科研工作者參考。

關(guān)鍵詞：激光輔助加工；技術(shù)原理；發(fā)展趨勢(shì)

The technology principle， research status and Prospect of laser assisted processing

abstract： Laser-assisted machining is an important branch of ultra-precision manufacturing， and it is a key technology to support the development of state-of-the-art technology and national defense and space industry. In this paper， the research background， technical principle and research status of laser-assisted machining technology in ultra-precision manufacturing are described， and the key problems that should be solved in the future are pointed out， which can be used for reference by researchers.

Key words： Laser aided processing； Technology principle； Development tendency

1、激光輔助加工研究背景

隨著材料科學(xué)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的高性能、難加工材料問世。這些材料普遍具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫的特性，在航空航天、儀器儀表、機(jī)械制造等領(lǐng)域有很大的潛在利用價(jià)值。但這些材料加工時(shí)效率低、費(fèi)用高、表面質(zhì)量差、精度難以保證。

航空航天、精密儀器這樣的高端裝備和產(chǎn)品之所以“高端”，很大程度上是依賴一大批高性能零件來(lái)保證，因此高性能精密制造技術(shù)的實(shí)質(zhì)是計(jì)對(duì)高端裝備和產(chǎn)品中的高性能零件的精密制造技術(shù)。

我們知道，材料的抗拉強(qiáng)度一般會(huì)隨溫度的升高而降低，故采用加熱輔助切削是一種加工難加工材料的有效成型方法。現(xiàn)已用于航天宇航、車輛、微電子等領(lǐng)域。目前常用的熱源有等離子體、感應(yīng)電流和激光等，與其他熱源相比，激光光斑尺寸小、能量密度高、能量分布和時(shí)間特性可控性好，具有突出的實(shí)用價(jià)值。

2、激光輔助加工技術(shù)原理

激光輔助加工是將高功率激光束聚焦在切削路徑前一定距離的工件表面，在材料被切除前的極短時(shí)間內(nèi)將局部加熱到很高的溫度，使材料局部軟化，提高材料的局部塑性，使局部材料的切削性能在高溫下發(fā)生改變，從而對(duì)其進(jìn)行加工。

激光輔助加工是將高平行度、高能量密度的激光聚焦到工件表面上來(lái)進(jìn)行加熱，所以激光光斑直徑在理論上可達(dá) 1微米以下，能進(jìn)行非常精密的加工。

通過(guò)改變工藝參數(shù)，改變加熱位置、能量大小、光斑直徑，可以實(shí)現(xiàn)任意的工件形狀和處理部位的加工要求，且因?yàn)榭稍诙虝r(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)微小區(qū)域表面的快速加熱，激光光斑可聚焦到微米量級(jí)，并對(duì)加熱區(qū)域快速切除，加工后對(duì)工件材料內(nèi)部性能沒有影響。工件離開激光器，以適當(dāng)?shù)木嚯x進(jìn)行非接觸式加熱，所以不會(huì)污染工件材料。

激光加熱輔助切削技術(shù)是一種提高難加工材料生產(chǎn)率的高精度的、適應(yīng)性強(qiáng)的、綠色的特種加工方法。

3、激光輔助加工的研究現(xiàn)狀

激光輔助加工技術(shù)是美國(guó)南加州大學(xué)StephenM.Copley和MichaelBass等人最早于20世紀(jì)80年代提出的，用于金屬切削加工。國(guó)內(nèi)開展此項(xiàng)研究起步較晚，但也取得了一些成就，比較有代表性的有：

上海交通大學(xué)王慧藝等通過(guò)有限元分析的方法，仿真了激光加熱輔助銑削45#鋼的三維溫度場(chǎng)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)王揚(yáng)等對(duì)Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、冷硬鑄鐵、Si3N4、高溫合金、ZrO2陶瓷等難加工材料的激光加熱輔助切削做了細(xì)致的研究，分析了激光加熱輔助切削的材料去除機(jī)理，并利用有限元分析的方法建立了物理和數(shù)學(xué)模型。

湖南大學(xué)鄢銼等對(duì)Al2O3、Si3N4工程陶瓷等硬脆性材料激光加熱輔助切削理論與實(shí)驗(yàn)做一些研究，構(gòu)建了熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，形成連續(xù)穩(wěn)定的切削加工過(guò)程，得到了合適的激光參數(shù)和加工參數(shù)組合。

華中科技大學(xué)孫權(quán)權(quán)等研究了基于平面光學(xué)拋光方法對(duì)硅酸釔镥閃爍晶體進(jìn)行表面精密加工的實(shí)驗(yàn)方法，同時(shí)探索了將適用于大尺寸光學(xué)樣件精整拋光的磁流變拋光方法用于小尺寸硅酸釔镥晶體的拋光可行性。

4、激光輔助加工的研究方向

綜合上述現(xiàn)階段我國(guó)激光輔助加工研究，總結(jié)起來(lái)有“三多三少”現(xiàn)象：研究激光輔助加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)的多，研究工程實(shí)際數(shù)據(jù)的少；研究金屬及其合金激光輔助加工的多，研究非金屬及其氧化物激光輔助加工的少；研究單一材料激光輔助加工機(jī)理的多，研究加熱過(guò)程中的能量、材料晶相變化、切削過(guò)程三者之間的聯(lián)系，建立普遍切削機(jī)理的少。因此，激光輔助加工技術(shù)的研究應(yīng)當(dāng)從以下兩方面實(shí)現(xiàn)突破：

（1）從金屬材料的輔助加工向非金屬材料進(jìn)行研究領(lǐng)域的突破

（2）從單一材料的研究向多種材料廣義機(jī)理的研究進(jìn)行研究層次的突破

為了實(shí)現(xiàn)以上兩方面的技術(shù)突破，建立合理的熱固耦合模型是至關(guān)重要的，也是革新加工技術(shù)的前提。

5、結(jié)束語(yǔ)

激光輔助加工是解決難加工材料加工時(shí)低效率、高成本問題的有效方法，受到很多學(xué)者的關(guān)注。該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)相當(dāng)成熟并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，如：德國(guó)的汽車制造業(yè)運(yùn)用激光輔助切削制造了汽車的進(jìn)排氣閥，但我國(guó)還更多的停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

本文簡(jiǎn)要闡述了激光輔助加工的研究背景、技術(shù)原理、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，并通過(guò)分析上述內(nèi)容，總結(jié)出了我國(guó)現(xiàn)階段在激光輔助加工領(lǐng)域的研究“三多三少”的特點(diǎn)，提出了兩方面的重點(diǎn)突破方向共廣大科研工作者參考。

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