激光加热辅助切削技术介绍—中国光学光电子行业网

激光加热辅助切削（Laser Assisted Machining，LAM）是将高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被切除前的短时间内将局部加热到很高的温度，使材料的切削性能在高温下发生改变，从而可以采用普通刀具进行加工。通过对工件加热，提高材料的塑性，降低切削力，减小刀具磨损，减小振动。对硬脆材料可将其脆性转化为延展性，使屈服强度降低到断裂强度以下，避免加工中出现裂纹，从而达到提高加工效率、降低成本、提高表面质量的目的。

　随着航空航天工业、兵器工业、化学工业、电子工业等行业的发展，对产品零部件材料的性能有了更高要求，同时也出现了各种高强度、高硬度、高脆性的工程材料。材料性能提高的同时给加工带来了困难。例如高温合金在高温下具有优良的热强度性能、热稳定性能及热疲劳性能，常温下加工刀具磨损严重、表面质量差。工程陶瓷强度高、耐磨损、抗腐蚀，目前通常采用磨削加工，生产效率低、成本高、加工几何形状受限。近年来出现的加热辅助切削技术是解决难加工材料加工的一种有效方法。目前常用的热源有等离子电弧、氧乙炔焰和激光等。与其他热源相比，激光光斑尺寸小、能量密度高，并在能量分布和时间特性上有很好的可控性，在加热辅助加工上得到越来越广泛的应用。
　激光加热辅助切削技术最早出现于20世纪70年代，作为一种提高难加工材料生产率的方法，用于镍合金、钛合金和淬硬钢的加工。虽然LAM的可行性得到了验证，但对激光能量、光束位置等影响因素没有进行系统的研究，受金属材料吸收率低、激光技术发展等因素限制导致加工成本高、加工经济性差，使LAM的研究陷入停滞状态。而到90年代，由于陶瓷等复合材料技术的发展，性能好、加工难度大的材料出现及激光设备价格降低，LAM技术逐渐回到了研究者的视线。

　采用LAM技术对金属材料加工可以有效降低切削力与刀具磨损，并提高加工效率。Sun等对钛金属进行了LAM试验研究，发现切削力可以降低20%~50%，较低的动态切削力与加工表面附近的低硬度提高了加工表面质量。Anderson等对Inconel 718材料进行了LAM加工，研究了工艺参数对工件表面质量、材料去除率、刀具磨损、切削力、表面粗糙度与切削比能的影响。结果表明，采用LAM技术加工可以降低25%的切削比能，表面粗糙度降低，使陶瓷刀具的寿命增加200%~300%。Anderson等采用LAM方法加工了不锈钢P550。随着加工区域温度的升高，比切削能降低25%。材料强度降低使刀具寿命提高1倍。工件表面组织没有发生变化，硬度与传统加工的硬度相同，并可以使加工时间节省20%~50%。工程陶瓷材料由于其塑性变形能力差、脆性高、断裂韧性低及强度高等特点使加工难度加大，在室温条件下很难采用切削方法加工。陶瓷材料在达到一定温度后开始软化，脆性转变为塑性，可以采用传统刀具进行加工。Purdue大学的Rozzi、Lei等对氮化硅、氧化锆、莫来石等陶瓷材料的LAM进行了深入研究。

　加工结果表明，切削力与刀具磨损随加工温度的升高而降低，比切削能小，加工后表面没有裂纹产生，并且可以高效加工复杂形状零件。Tian等通过激光辅助三维瞬态传热模型得到了最优化加工工艺参数的方法，通过实时改变激光能量，成功地在氮化硅材料上加工出复杂形状的工件，并且没有产生亚表面裂纹与热损伤。

　　激光加热辅助铣削（LAML）加工过程复杂，是间歇切削过程，对刀具与工件的冲击大，因此关于此方面的研究相对较少。König对钨铬钴合金进行了LAML研究，证明了加热辅助铣削的可行性。Yang等进行了激光加热辅助铣削陶瓷的研究，通过试验证明了辅助铣削的可行性，结果表明激光加热辅助铣削可以显著降低切削力，切屑连续，得到良好的加工表面。Tian等建立了LAML三维温度场模型，并通过试验验证了模型的准确性。成功采用TiAlN涂层硬质合金刀具对氮化硅材料进行了加工试验，以磨损极限VB=0.3mm计算，刀具寿命可以达到260mm。采用LAML技术明显提高了Inconel 718的加工性能，切削温度达到520℃时切削力降低40%~50%，刀具寿命提高1倍，表面粗糙度降低到原来的1/2。

　高性能材料的发展是航空航天产业发展的关键因素，同时促进着高效率、高质量加工技术的进步。氮化硅陶瓷是一种应用日益广泛的典型高硬度、高脆性的高性能材料，采用激光加热辅助切削技术可实现氮化硅陶瓷工件外圆、平面及复杂沟槽加工，表面质量好，不产生裂纹，并且加工后材料没有发生物相变化。充分展现了激光加热辅助切削技术在难加工材料，尤其是在复合材料加工中的应用前景。随着激光技术、加热辅助切削技术及成套装备的出现，激光加热辅助切削技术将在未来难加工材料加工的应用中占有重要的位置。

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