激光加工工藝在先進(jìn)制造技術(shù)課程中的應(yīng)用探討

朱福棟　朱必云

摘 要：激光加工工藝作為當(dāng)前機(jī)械制造行業(yè)的重要技術(shù)，在職業(yè)學(xué)院先進(jìn)制造技術(shù)課程中具有十分重要的地位?；诖?，文章簡要介紹了激光加工工藝，分析了當(dāng)前職業(yè)院校激光加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的主要問題，以及激光加工工藝實(shí)際操作流程，探討了激光加工工藝實(shí)訓(xùn)課程，以期為相關(guān)教育工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：激光加工;制造技術(shù);課程

中圖分類號：G71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03-216-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.073

在新時期教育發(fā)展背景下，職業(yè)教育理念逐漸發(fā)生改變，更加強(qiáng)調(diào)實(shí)踐教育的重要性。作為先進(jìn)制造技術(shù)課程中的重要內(nèi)容，激光加工工藝是實(shí)踐操作課程的重要部分，其教學(xué)方法和課程設(shè)計(jì)直接影響教學(xué)質(zhì)量效果，以及學(xué)生對于激光加工工藝技術(shù)的應(yīng)用。因此，加強(qiáng)對于激光加工工藝在先進(jìn)制造技術(shù)課程中的應(yīng)用探討是十分必要的。

1 激光加工工藝

激光加工工藝是借助激光束直接加工工件，屬于一種非接觸式加工技術(shù)，其主要原理是借助光學(xué)系統(tǒng)，將激光束聚集成直徑幾十微米甚至幾微米的極小激光束，再將高能量密度傳送到指定的加工位置上。在高能量傳輸下，工件表面會產(chǎn)生極高的溫度，而這部分能量會被工件吸收，導(dǎo)致被激光束照射到的材料位置發(fā)生一定的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度加工處理。

激光加工中，操作人員可通過控制激光照射時間、照射角度以及能量、密度等方面，實(shí)現(xiàn)工件的多樣化加工處理。當(dāng)前，激光加工工藝主要分為激光熱處理、化學(xué)反應(yīng)處理兩種類型。其中，激光熱處理就是利用激光與材料表面接觸后的熱效應(yīng)進(jìn)行工件加工，常見的激光熱處理技術(shù)包括激光焊接、激光鉆孔等幾種類型?；瘜W(xué)反應(yīng)處理則是在激光照射到加工位置后，在高密度能量的作用下引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的激光加工，其主要加工技術(shù)包括化學(xué)沉積、激光雕刻等。

激光加工工藝設(shè)備主要包括電源、激光器、光學(xué)系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等部分。激光加工中，激光器會在電源的作用下發(fā)出激光束，經(jīng)過光纜、反射鏡以及聚焦鏡，投射到工作臺上的工件上，并通過控制激光強(qiáng)度、時間以及位置、角度等，實(shí)現(xiàn)對于工件的加工處理。常見的激光加工設(shè)備有激光打標(biāo)機(jī)、雕刻機(jī)、切割機(jī)、熱處理機(jī)等。

激光加工工藝在當(dāng)前制造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的主要原因有：第一，激光加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)對于硬度、熔點(diǎn)較高材料的加工，而且對于陶瓷等脆性較大的材料也能夠保障加工處理的質(zhì)量效果;第二，由于激光加工工藝為無接觸加工，不會出現(xiàn)切削應(yīng)力等，因此能夠?qū)穸容^薄的工件或彈性工件進(jìn)行加工處理;第三，由于無須使用各種刀具等，激光加工工藝不存在零部件的損耗和更換，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)自動加工，保障生產(chǎn)質(zhì)量和效率[1]。

2 激光加工教學(xué)中存在的主要問題

激光加工教學(xué)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)操能力，該課程的內(nèi)容以實(shí)際操作為主。由于激光加工教學(xué)課程的技術(shù)性、先進(jìn)性、趣味性，使得學(xué)生對于該門課程有著極大的熱情。但與此同時，由于激光加工教學(xué)的特殊需求，結(jié)合當(dāng)前激光加工工藝教學(xué)的實(shí)際情況，在實(shí)際教學(xué)中還暴露出很多問題。

首先，由于激光加工工藝教學(xué)其本身的操作要求和教學(xué)目標(biāo)，導(dǎo)致很多學(xué)校的教學(xué)設(shè)備不足，不僅數(shù)量相對較少，存在多個學(xué)生使用同一臺設(shè)備的情況，而且設(shè)備種類相對較為單一，難以滿足不同激光加工技術(shù)的實(shí)際需求和融合使用，影響了激光加工工藝教學(xué)的質(zhì)量和效果。

其次，激光加工工藝教學(xué)模式相對單一，學(xué)校開設(shè)的課程較為單一，多為激光內(nèi)雕課程，學(xué)生得到的激光加工教學(xué)和實(shí)際操作機(jī)會十分有限，影響了學(xué)生對于激光加工工藝課程的學(xué)習(xí)。

最后，由于激光加工工藝種類繁多，適用范圍也十分廣泛，但是實(shí)際教學(xué)時長有限，學(xué)生課程安排較為緊密，導(dǎo)致實(shí)際開展激光加工工藝操作練習(xí)的時間相對較少，而且內(nèi)容相對較為單一，學(xué)生對于激光加工工藝的了解只是停留在表面，教學(xué)質(zhì)量難以得到保障，學(xué)生的操作熟練度相對較差，無法充分發(fā)揮激光加工工藝教學(xué)的作用。

3 激光加工工藝實(shí)際操作流程

以某零件加工工藝實(shí)際操作流程為例。該零件加工的主要技術(shù)要求包括三個方面：第一，要求棱角倒鈍;第二，要求彎折成型;第三，要求零件激光刻字為宋體，字體高度為5 mm，字體位置為零件邊緣處，具體定位可按照實(shí)際加工工藝確定。其實(shí)際操作流程和步驟如下：

首先，按照零件藍(lán)圖繪制展開圖，明確相應(yīng)技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)技術(shù)要求構(gòu)建激光切割程序，然后進(jìn)行程序上傳、切割零件，為保障零件加工質(zhì)量，必須加強(qiáng)對于零件尺寸的控制。

其次，操作人員使用相應(yīng)的工具或者設(shè)備，例如砂紙、角磨機(jī)等，對切割好的零件進(jìn)行去毛刺處理，確保零件無毛刺、銳邊等，然后將零件放置在校平設(shè)備上進(jìn)行校平處理，確保其平面誤差在1 mm以內(nèi)。

再次，壓邊修型處理，將下模安裝在數(shù)控折彎機(jī)上并調(diào)整，設(shè)置壓型參數(shù)，按照零件加工藍(lán)圖和相應(yīng)展開圖進(jìn)行壓邊處理，然后修正零件角度，確保其誤差處于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，保障零件加工質(zhì)量。

最后，完成上述加工處理修整工作后，采用激光刻字機(jī)，將設(shè)計(jì)圖紙中要求的漢字或者數(shù)字、字母等雕刻在零件指定位置上，完成激光加工處理。

4 激光加工工藝課程探討

激光加工工藝課程具有一定的獨(dú)特性和極強(qiáng)的可操作性，為充分發(fā)揮該課程的特點(diǎn)和優(yōu)勢，必須結(jié)合實(shí)際情況以及教學(xué)內(nèi)容，明確教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)設(shè)備，合理開展教學(xué)設(shè)計(jì)，選擇科學(xué)的教學(xué)方法，在保障教學(xué)質(zhì)量效果的同時，確保教學(xué)目標(biāo)順利達(dá)成。

4.1 教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是開展教學(xué)活動的最終目的，對于整個教學(xué)活動具有重要的指導(dǎo)意義和作用。為保障激光加工工藝課程質(zhì)量和效果，在實(shí)際開展課程前要明確教學(xué)目標(biāo)，確保教學(xué)目標(biāo)制定的科學(xué)性、合理性。

結(jié)合激光加工工藝課程的設(shè)置目的以及制造專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)等，該課程的主要教學(xué)目標(biāo)在于幫助學(xué)生充分了解激光加工先進(jìn)制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)、基本原理、優(yōu)勢特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用，確保學(xué)生熟練應(yīng)用激光加工工藝，具備一定的實(shí)踐操作能力。

具體教學(xué)目標(biāo)和相應(yīng)要求包括：第一，理論基礎(chǔ)方面，通過激光加工工藝課程，使學(xué)生了解并熟悉激光加工的基本原理、主要類型、工藝特點(diǎn)、應(yīng)用方向以及當(dāng)前發(fā)展情況等基礎(chǔ)內(nèi)容;第二，工具設(shè)備方面，確保學(xué)生充分了解典型激光加工設(shè)備的種類、樣式以及組成結(jié)構(gòu)，和相應(yīng)儀器配置;第三，實(shí)際操作方面，通過激光加工工藝教學(xué)，確保學(xué)生充分掌握激光加工工藝和相應(yīng)技術(shù)，明確圖形設(shè)計(jì)要點(diǎn)、相應(yīng)程序設(shè)置流程、設(shè)備相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置調(diào)節(jié)以及相應(yīng)零件的加工處理，熟練應(yīng)用各種加工技術(shù)方法，獨(dú)立、安全地完成相應(yīng)加工處理操作，掌握激光加工工藝技能。

4.2 教學(xué)設(shè)備

激光加工工藝課程具有一定的實(shí)踐性，格外重視對于學(xué)生實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生操作能力的最好方法就是讓學(xué)生親自動手實(shí)踐，而教學(xué)設(shè)備是保障教學(xué)質(zhì)量效果的最基礎(chǔ)要求。因此，學(xué)校要結(jié)合實(shí)際激光加工工藝情況，為學(xué)生配備相應(yīng)教學(xué)設(shè)備，確保學(xué)生進(jìn)行實(shí)際動手操作。

常用的激光加工教學(xué)設(shè)備主要包括金屬光纖激光切割機(jī)、3D雕刻切割機(jī)、激光焊接機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)等幾種，不同激光設(shè)備的主要功能、操作方法等存在較大差異，先進(jìn)的、種類齊全、數(shù)量充足的教學(xué)設(shè)備，能夠更好地保障實(shí)訓(xùn)教學(xué)的開展質(zhì)量和效果。學(xué)?？梢愿鶕?jù)專業(yè)學(xué)生、班級的數(shù)量，以及相應(yīng)教學(xué)設(shè)備的實(shí)際情況，合理規(guī)劃課程，調(diào)整相應(yīng)教學(xué)設(shè)計(jì)和方法，充分發(fā)揮教學(xué)設(shè)備的功能和作用，確保教學(xué)設(shè)備的利用率。

4.3 教學(xué)設(shè)計(jì)

為保障激光加工工藝教學(xué)的質(zhì)量效果，確保學(xué)生在先進(jìn)制造技術(shù)課程中學(xué)習(xí)激光加工工藝，保障達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，確保教學(xué)質(zhì)量，就要結(jié)合實(shí)際教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生特點(diǎn)以及教學(xué)目標(biāo)等，合理進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。合理進(jìn)行教學(xué)課程體系的設(shè)置，針對不同年級，合理規(guī)劃課型以及授課方式。

對于剛?cè)雽W(xué)的學(xué)生而言，課程設(shè)計(jì)應(yīng)由易到難逐步遞進(jìn)，此時要優(yōu)先開展認(rèn)知型課程，通過講授和演示的方式授課，避免學(xué)生在不了解實(shí)際操作要點(diǎn)的情況下，因貿(mào)然進(jìn)行設(shè)備操作而引發(fā)安全事故。此階段的主要教學(xué)內(nèi)容包括激光加工技術(shù)的基本原理、類型、技術(shù)特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用等，以理論講解為主，并配以相應(yīng)演示過程，可以以剪紙、書簽作品等為例為學(xué)生演示加工過程。

對于已經(jīng)充分了解激光加工技術(shù)基本原理和相應(yīng)理論知識的學(xué)生而言，應(yīng)開展創(chuàng)新制作型課程，引導(dǎo)學(xué)生親自設(shè)計(jì)加工零件和操作激光加工技術(shù)。該課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括：其一，講解激光加工技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備基礎(chǔ)知識，介紹設(shè)備使用操作方法、流程、規(guī)范和注意事項(xiàng);其二，相應(yīng)圖形設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)，要求學(xué)生利用圖形設(shè)計(jì)軟件，獨(dú)立進(jìn)行相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì);其三，加工工藝和設(shè)備操作技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用訓(xùn)練，促使學(xué)生掌握激光加工操作方法，獨(dú)立完成簡單工件的加工處理。

教學(xué)過程中，常見的激光加工作品通常有激光雕刻切割3D立體拼插設(shè)計(jì)、激光打標(biāo)名片等多種類型。其中，3D立體拼插設(shè)計(jì)是當(dāng)前受到廣大先進(jìn)制造技術(shù)課程教師和廣大學(xué)生歡迎的教學(xué)內(nèi)容，該類型作品的設(shè)計(jì)制作，不僅有著極大的自主發(fā)揮空間，對培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、思維能力、空間想象能力以及提高加工意識和動手實(shí)操能力等方面都有積極作用。

在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)能力，還要開設(shè)拓展應(yīng)用型課程，對學(xué)生進(jìn)行提高型教學(xué)，以小組合作為主要形式，以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為引導(dǎo)，實(shí)施開放主題式的創(chuàng)新制作項(xiàng)目。教師要充分明確自身的引導(dǎo)地位和角色定位，減少對項(xiàng)目創(chuàng)作過程的干預(yù)和影響，幫助學(xué)生自行組織創(chuàng)新作品的設(shè)計(jì)和制作。

應(yīng)用激光加工工藝，可應(yīng)用的材料包括金屬板材、螺絲、螺母等，可以使用一種激光加工技術(shù)，也可以選用多種激光加工技術(shù)進(jìn)行組合加工。這種課型的設(shè)計(jì)，不僅幫助學(xué)生在實(shí)踐設(shè)計(jì)和操作中實(shí)現(xiàn)對于所學(xué)知識的鞏固和復(fù)習(xí)。同時還通過實(shí)踐，明確相應(yīng)設(shè)計(jì)和操作要點(diǎn)內(nèi)容，進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)操能力，小組合作方式還有助于培養(yǎng)學(xué)生的合作能力、溝通能力、思維能力和解決問題的能力，對于提高教學(xué)質(zhì)量效果具有積極意義和作用。

4.4 教學(xué)方法

在新時期教育背景下，職業(yè)教育著重強(qiáng)調(diào)學(xué)生的操作能力和知識運(yùn)用能力，尤其是對于先進(jìn)制造技術(shù)這種實(shí)踐性較強(qiáng)的課程而言。課程教學(xué)中，必須明確學(xué)生的主體地位，充分突出以學(xué)生為中心的教學(xué)原則，加大實(shí)踐操作教學(xué)在整個課程教學(xué)中的比例，讓學(xué)生切身感受和體驗(yàn)激光加工工藝的操作和相應(yīng)要點(diǎn)內(nèi)容，而不是單純地進(jìn)行理論知識方面的教學(xué)和操作演示。

第一，結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在理論知識以及認(rèn)知型課程教學(xué)中，由于此類課程多以理論知識的講解為主，穿插教師的演示操作，在課時限制以及課堂安全的考量之下，學(xué)生實(shí)際操作的機(jī)會相對較少。對此，教師要充分發(fā)揮激光加工工藝其本身趣味性、多樣化特點(diǎn)，采取綜合教學(xué)方法，盡可能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而不是單純借助PPT課件等進(jìn)行理論講解。教師可以從網(wǎng)上下載視頻、動畫等教學(xué)資源，并將激光加工技術(shù)制成的作品展示給學(xué)生傳閱，同時可以帶領(lǐng)學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場加工演示。此外，還可以把激光加工制成的相應(yīng)作品作為禮物，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對于激光加工技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。

第二，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)，強(qiáng)化教學(xué)目的。激光加工工藝實(shí)踐教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行激光加工作品的設(shè)計(jì)，并將其作為任務(wù)，驅(qū)動學(xué)生應(yīng)用激光加工技術(shù)，開展作品的創(chuàng)造和制作，解決各種影響作品成型的問題，以此提高學(xué)生的實(shí)踐能力。同時，為實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的良性引導(dǎo)，教師還可以適當(dāng)?shù)靥岢鰡栴}，引發(fā)學(xué)生思考，并通過問題的提出，給學(xué)生提供一定的思路和啟發(fā)，在潛移默化中幫助學(xué)生掌握激光加工技術(shù)。

第三，小組教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)綜合培養(yǎng)。先進(jìn)制造技術(shù)課程中的激光加工工藝具有一定的綜合性，學(xué)生不僅要掌握相應(yīng)激光加工操作技術(shù)，而且要具備設(shè)計(jì)能力和思考能力。通過小組合作教學(xué)的模式，不僅從作品的設(shè)計(jì)、加工和裝配全過程，實(shí)現(xiàn)對于學(xué)生的綜合訓(xùn)練，有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力等，對于提高教學(xué)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)學(xué)生的綜合培養(yǎng)等方面都有積極作用[2]。

5 結(jié)語

綜上所述，激光加工工藝目前已形成較為完整的工業(yè)配套體系和加工工藝，是高職院校機(jī)械制造專業(yè)必須掌握的一種高新技術(shù)。在先進(jìn)制造技術(shù)課程中，開展激光加工工藝教學(xué)更強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)實(shí)操能力和激光加工技術(shù)。學(xué)校在教學(xué)中要明確教學(xué)目標(biāo)，加大對于教學(xué)設(shè)備的投入力度，為教學(xué)工作的開展提供良好環(huán)境基礎(chǔ)。同時，要結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容合理進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，科學(xué)選擇教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，進(jìn)一步提高激光加工工藝教學(xué)的質(zhì)量和效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴明華，張紅哲，姜英，等.多層次激光加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2021，19（4）：141-144.

[2] 程錦澤.大尺寸金屬3D打印制造裝備激光加工工藝技術(shù)研究與探討[J].金屬加工（熱加工），2021（8）：6-8，13.

作者簡介：朱福棟（1982—），男，山東德州人，研究生，副教授，研究方向：激光表面強(qiáng)化。