激光加熱輔助切削

隨著航空航天工業、兵器工業、機械工業的發展，對產品零部件材料的性能有了更高要求，同時也出現了各種高強度、高硬度、高脆性的工程材料，材料性能提高的同時給加工帶來了困難，例如高溫合金在高溫下具有優良的熱強度、熱穩定及熱疲勞性能，采用常規切削方法刀具磨損嚴重，表面質量差；工程陶瓷硬度高、耐磨損、耐腐蝕，目前通常采用磨削加工，生產率低，成本高，砂輪損耗大。

激光加熱輔助切削技術特點

LAM（加熱輔助切削）技術是將高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，將工件局部加熱到很高的溫度，在材料被切除前的短時間內，其切削性能發生改變，之后采用刀具進行加工。通過對材料加熱，提高材料的塑性，使屈服強度降低到斷裂強度以下，降低切削力，減小刀具磨損，防止切削振顫，從而達到提高加工效率、降低成本、提升加工表面質量的目的。

激光加熱輔助切削原理

激光加熱輔助切削裝置

激光的特點是相干性好，聚焦性強，功率密度高，是適合LAM的理想熱源，選擇合適的激光器與激光參數，對LAM加工至關重要，在早期的研究中，功率大，技術成熟的二氧化碳激光器是主要的光源，但是由于金屬材料對二氧化碳激光的吸收率比較低，導致其經濟性差，隨著激光技術的發展，激光器功率提高，設備的成本降低，尤其工程陶瓷材料的應用，激光加熱效率顯著提高。陶瓷材料對二氧化碳激光的吸收率可達85%以上，因此加工陶瓷等非金屬材料通常選用二氧化碳激光作為光源。與二氧化碳激光器相比，YAG（釔鋁石榴石）激光器輸出波長短，有利于金屬材料對激光的吸收，而且適于光纖傳導，光學傳輸部分得到簡化，能夠方便地與傳統機床集成，逐漸替代了二氧化碳光源。

高功率半導體激光器（high power diode laser，HPDL）具有波長小、金屬材料吸收率高的優點，并且電-光能的轉化效率高，運行費用少，冷卻系統要求低，激光頭與外圍設備的體積大大減小，更適用于LAM技術的工業應用。

車削是主要的激光加熱輔助加工方式，車削時車刀相對機床是靜止的，激光與車床整合相對容易，通過調整光纖頭與反射鏡的位置可以改變激光光斑直徑、激光入射角、激光與刀具之間的距離。與加熱輔助車削相比，輔助銑削方面的研究較少，首先，銑削是一個間歇切削過程，銑削加工過程復雜，影響因素多，容易引起刀具損壞；另外，由于銑刀在加工過程中是旋轉的，切削層的位置是周期變化的，因此將激光束與銑床結合相對困難。

激光加熱輔助加工不只局限于車削、銑削，許多學者還將其他加工方式與激光加熱輔助相結合，如 刨削、磨削、鉆削以及拋光等加工方式。激光加熱輔助切削高溫合金取得了明顯成效。難加工材料，如Inconel718的常規切削速度只有12～30m/min，而采用激光加熱輔助切削，其切削速度可以達到500m/min。采用激光加熱輔助切削時，切削力與常規相比可下降30%～60%，刀具壽命延長2～10倍。激光加熱輔助切削使切屑形態發生轉變，高硬度材料的切屑由脆性斷裂變為連續狀，加工件的表面質量也得到改善。

常溫下熱壓氮化硅陶瓷材料的硬度很高，其加工方法只有磨削，加工成本占產品總成本的60%～95%。在激光加熱下，氮化硅的硬度不斷下降，在1300℃左右性能發生明顯轉變，此時可以用切削代替磨削，其切削速度可達90m/min，進給速度可達8m/min。