激光加热辅助切削中的关键技术与科学问题

激光加热辅助切削中的关键技术与科学问题
柏占伟
【摘要】激光辅助切削技术以其独特的加工优势,已成为切削加工领域的前沿技术之一.首先介绍了激光辅助切削技术的工程背景,综述了激光加热软化、激光打孔、
激光材料改性以及激光微区融化等代表性的激光辅助切削技术的材料去除原理,然
后重点以激光加热软化法为重点分析对象,从技术(激光光源、切削加工工艺)和科学(传热学、力学)两个层面分别阐述了其研究现状及存在的难点.最后,指出了该技术
今后在系统集成、切削过程仿真和刀具磨损机理等领域需要重点关注的问题.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2016(016)021
【总页数】10页(P140-149)
【关键词】激光辅助切削;热应力;温度场;切削力
【作者】柏占伟
【作者单位】重庆工程职业技术学院,重庆402260
【正文语种】中文
【中图分类】TG665
矿冶工程
随着材料科学的快速发展，越来越多的高性能、难加工材料不断问世。

这些材料高强度、高硬度、耐高温，在航空航天、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域有很大的潜在利用价值[1]。

但这些材料加工时效率低、费用高、表面质量差、
精度难以保证[2]。

由于材料的强度一般会随温度的升高而降低[3](图1给出了部分难加工材料抗拉强度随温度变化的趋势)，故加热辅助切削是一种加工难加工材料
的有效成型方法[4,5]。

现已用于航天宇航、兵器、车辆、化工、微电子及医疗工
业等领域[6]。

目前常用的热源有等离子体[7—11]、氧乙炔焰[12—14]、感应电流[15]和激光[16—23]等，与其他热源相比，激光光斑尺寸小、能量密度高、能量分布和时间特性可控性好，具有重要的实用价值[24]。

基于上述原因，本文以激光辅助切削技术为对象，阐述其应用背景，综述了四类代表性的激光辅助切削技术，并从光学、切削加工工艺、传热学、力学等方面对研究较为广泛的激光加热软化法辅助切削技术进行详细的介绍，阐述了其研究现状，并指出了今后应该重点解决的关键问题。

激光辅助切削技术(laser assisted machi-ning, LAM)是一种复合加工技术，它将
激光加工和切削加工有机的结合在一起，综合了两种加工技术的优点，是先进制造技术的重要组成部分[25]。

按加工机理的不同，该技术目前可分为激光加热软化法辅助切削技术和非传统激光辅助切削技术两类。

前者是根据激光对材料的软化作用，降低待去除材料的表层硬度，从而实现减小切削力、降低比切削能、延长刀具寿命，提高已加工表面质量的目的。

而非传统激光辅助切削技术的加工机理是根据待加工零件的结构或材料组织特性，在加工前，预先利用激光去除待切削层的一部分，或者通过激光来改变材料表层的微观组织结构，以实现提高材料可加工性的效果。

激光加热软化法辅助切削通常是边加热边切削，而其他非传统激光辅助切削技术有时会把激光辅助的过程和切削过程分离开来进行。

1.1 激光加热软化法辅助切削技术
激光加热软化法辅助切削技术又称激光加辅助切削技术，最早出现于20世纪70
年代[25]，它是利用激光对材料的热作用，使刀具前面的待加工材料软化，然后再利用刀具对其进行切削，从而使切削过程由脆性域转移至塑性域，实现增大材料去
除率，降低切削力，延长刀具寿命，减小刀具振动，改善加工表面质量的目的[29—33]。

图2 为激光加热辅助车削示意图[26]。

图3 为激光加热辅助铣削示意图[27]。

图4 为激光加热辅助磨削示意图[28]。

许多学者用此种技术对陶瓷[34—42]、金属[43—47]、复合材料[48—50]进行加工，表现出良好的加工效果。

1.2 非传统激光辅助切削技术
1.2.1 打孔法激光辅助切削
打孔法激光辅助切削是R.Komanduri[51]教授于1982年提出的，其原理是利用脉冲激光在刀具前面的被加工材料上打出一系列小孔，然后利用刀具沿预加工孔方向切除多余材料，延长刀具寿命，减小刀具切削材料的体积，降低切削力，防止切屑划伤已加工表面，图5为其示意图。

在打孔法激光辅助切削时，预钻孔的深度应小于背吃刀量，孔的直径应大于切屑宽度和刀具进给量。

预钻孔的宽深比应在1～2之间。

Jones R J[52]用脉冲频率100 Hz的Nd:YAG激光对Ti-6Al-4V合金进行了打孔法激光辅助加工，发现切削速度32 cm/s、切削深度0.05 cm时，切削力降低30%～45%，当切削速度不变，切削厚度增加到0.1 cm时，切削力降低20%，此间刀具寿命都得到延长；但此方法存在激光利用不经济、工艺复杂、加工表面质量差和对刀具产生冲击缺陷等问题。

1.2.2 改变加工层微观结构的激光辅助切削
改变加工层微观结构的激光辅助切削是通过激光束的辐照作用，改变材料表层的微观结构，从而提高某些材料的可加工性。

在该技术中，激光束对工件待去除层的预处理和之后的切削加工是两个独立的过程，可以不同时进行。

S. Barnes[53]用此方法对铝基碳化硅复合材料进行了研究，发现在选定预热条件下，后刀面磨损降低50%，同时进给力降低，刀具寿命增加。

作者认为刀具寿命增加可能是由于改变的微观组织改变了切屑与刀具分离机制引起的，但作者对此并没有进行深入分析，这为以后学者研究此技术提供了方向。

1.2.3 微区熔化法激光辅助切削
微区熔化法激光辅助切削是李力钧[54]和J.Mazumde 于1983年共同提出的，其原理是将激光束汇聚成光带，用其加热、熔化切削余量与零件分离面的微区，同时用剥离工具将已分离的切屑分离。

此种技术与激光加工相比，节约激光能量，提高激光利用率。

但此方法操作麻烦，特别是剥离工具和光带使用需要精确控制，否则会损坏剥离工具或影响加工质量。

图6为其加工示意图。

李力钧[55]用此方法对304不锈钢和Inconel718镍基合金进行了切削加工，发现切削速度的理论值与实际值之间存在差异，作者认为造成差异的主要原因是切屑与已加工表面的连接处有降低切削效率的熔池形成，但零件的精度、表面粗糙度和热影响区尺寸与光带宽度在同一数量级上。

激光加热辅助切削中的关键技术和科学问题主要涉及加工工艺的确定、传热学问题、力学问题及已切削效果等问题。

这些技术和问题互相联系、互相作用，直接影响加工质量。

因此，研究这些问题对研究其加工机理及工程应用具有重要意义。

2.1 关键加工工艺
2.1.1 激光光源的确定
激光辅助切削之中，光源选择主要从加工质量和经济性两方面考虑。

现存光源种类繁多，但用于激光辅助切削的主要有 CO2激光和Nd:YAG激光。

CO2激光额定
功率高，非金属材料对其吸收率较高，故主要用于非金属材料的辅助切削加工。

Nd:YAG激光额定功率比CO2激光低，但波长短，可以用光纤传送，传送系统简单。

金属材料对其吸收率较高，故主要用于金属材料的辅助切削加工。

但随着涂层技术的发展，非金属材料对Nd:YAG激光的吸收率会不断增加，并且为了激光辅
助切削技术的工业应用，辅助切削系统的集成会使Nd:YAG激光逐渐替代了CO2光源。

激光参数对具体光源确定有决定性的作用。

激光参数包括激光功率、光斑大小，脉
冲频率、重复率、偏振性等。

S. Sun [49]利用实验研究了激光辅助加工β钛合金
时激光功率对其加工性的影响，结果发现功率低于400 W时，切削力和切削温度与传统加工相似；激光功率高于1 600 W，切削速度低于25 m/min时，将导致
切屑堆积，进而加剧刀具磨损；激光功率和切削速度分别设定在1 200～1 600 W、25～125 m/min范围之内时，可以有效降低切削力，延长刀具寿命。

这说明在激光辅助加工时，当激光功率一定后，切削参数存在一个合理的范围。

激光功率的确定除了实验方法外，经验公式或温度场仿真也可对其进行辅助确定，日本学者岛川正宪给出了圆柱形棒料激光照射区域温度的经验公式[56]：
光斑形状影响切削要素，加工时应以矩形或椭圆形状为宜，光斑大小应能覆盖切口全宽。

当切削深度较小，切削速度较快时，把椭圆光斑的长轴方向调到与工件旋转方向相一致，增加照射时间，提高加热速度。

当切削深度较大，切削速度较低时，把椭圆光斑的短轴方向调到与工件旋转方向相一致，以免造成刀具的过热磨损[57]。

当光斑形状为椭圆，长轴方向与工件旋转方向一致时，其辅助车削示意图如图7
所示，若激光作用时间为t，则激光扫描速度v和背吃刀量p分别为
p=2bsinθ
a=πDnt/2
b=p/(2sinθ)
2.1.2 光斑位置
光斑位置指的是刀尖中心与光束中心在工件横截面内夹角β，对激光加热辅助切削效果影响很大，合适的光斑位置对辅助切削会产生良好的效果，如果光斑距离刀具太近，激光热能会影响刀具的性能，降低刀具的寿命，如果光斑距离刀具太远，辅助切削效果不明显。

王扬[6]从刀具寿命和加工效果两方面考虑，选择β=60°。

而Yung C Shin[34]在辅助车削莫来石陶瓷时将此角度设置为59°，二者大致相同，
不过严格来讲，在实际加工过程中需要根据不同的加工对象、使用的刀具材质以及
背吃刀量的不同来分别分析计算确定这个关键参数。

2.1.3 切削用量选择
因为引入了激光热源，激光加热软化法辅助切削中的切削用量选择与传统切削有所不同。

其切削用量的确定需要在传统选择原则的基础上综合考虑激光热效应对刀具和材料表层力学特性的影响，这部分工作的完成依赖于对下文中阐述的相关科学问题的充分理解。

切削用量选择通常指的是切削速度，进给速度，背吃刀量的确定(依据具体的切削
方式稍有不同)，其选择的原则是在改善表面质量和提高刀具寿命的前提下，进行
高效的成型加工。

下面以激光加热辅助车削为例进行阐述。

在激光加热辅助车削时，切削速度由激光辅助切削所需的温度场决定，这是由于为了辅助切削系统的简单化，激光头一般安装在溜板箱上，随刀具一同运动。

当切削速度增大时，对应的激光扫描速度增大，激光的辅助效果降低。

当切削速度减小时，材料因激光扫描速度降低而增加照射时间，导致温度升高，软化效果明显，但速度的降低会减低切削效率。

当速度继续降低时，温度会不断升高，高温可能不仅会降低刀具寿命，甚至使材料达到熔点而无法加工；且产生较大的热应力使加工表面出现裂纹影响加工质量。

进给速率由光斑大小、软化厚度和激光的入射角度决定，如图7所示，此模型中的进给量为：
由上面的分析可知，在激光加热辅助切削中，激光加热辅助切削温度场对工艺参数的选择具有重要影响，故研究其传热问题具有重要意义。

2.2 激光加热辅助切削中的传热学问题
激光加热软化法辅助切削就是利用激光对材料的热效应，改变材料的切削加工性，然后利用刀具进行切削的复合加工技术。

故此传热学是该技术必须重点关注的问题之一，下面从传热模型和温度场仿真两方面对其进行阐述。

2.2.1 传热模型
传热模型的建立是温度研究的首要任务，由于很多学者对激光辅助切削的研究主要集中在温度场研究之中，因此出现了很多的温度场模型。

Rozzi[59]利用有限体积
法第一个建立了柱坐标系下的三维瞬态激光辅助车削铬镍铁718合金的传热模型，其控制方程为：
2.2.2 温度场仿真
仿真技术是在不具备实验条件的情况对研究对象做出定性甚至定量研究的重要技术手段。

仿真结果的获得是一个模型的求解过程，对于激光辅助切削的温度场仿真主要用数值解法，即：有限元法[39,68—73]、有限体积法[74]等。

陈沛[75]利用有
限元法求解得到了激光辅助切削Al2O3陶瓷的纵、横截面温度场，在此过程中，
作者采用小步距间歇移动热源来模拟激光扫描，简化了仿真过程。

此外，作者还仿真了加工工艺参数的变化对温度场分布的影响，这为其确定合适的加工参数提供依据。

Tian[41]采用有限元法仿真了激光加热辅助车削氮化硅陶瓷的温度场，并用红外相机拍到检测结果，将其与仿真结果进行对比分析，证明了仿真的准确性，图9为其温度场分布。

2.3 激光加热辅助切削中涉及的力学问题
机械加工中力的作用是不可避免的，切削力的大小可以作为评价一种加工方法优劣的指标。

激光加热辅助切削之中主要涉及的力有热应力和切削力两种。

2.3.1 热应力
激光辅助切削时激光对材料的快速加热和冷却作用使得材料内部出现很大的温度梯度，将导致材料内部产生较大的热应力，当热应力超过材料的屈服强度时，材料内部会出现裂纹，如果切削加工时没有清除有裂纹的材料，那么它将会影响零件的性能。

F.E.Pfefferkorn[37]在激光加热氧化锆棒料时发现热影响区内存在由温度而引起的裂纹，故在激光辅助切削加工时一定要控制温度，防止裂纹产生。

吴雪峰[76]对激光辅助切削工程陶瓷的热应力场进行了有限元仿真，这为防止零件内部出现热
裂纹提供了依据。

2.3.2 切削力
经典切削原理将切削力分解为主切削力、背向力、进给力三部分。

切削力研究是机械切削研究的重要内容之一，利用激光的热效应来辅助切削加工更是看中了其对被加工材料的热软化效应，因此很多学者对此进行广泛了研究，并将其和传统的切削加工进行对比。

S. Lei[77]在进行Si3N4的激光辅助切削研究中发现切削区的应力随着切削温度和进给量的增加而减小，但是切削力不受切削时间影响，作者认为这是由于辅助切削时产生的玻璃相润滑了刀具后刀面引起的。

P.A. Rebro[78]在进行激光辅助切削莫来石时发现切削力随着激光功率的增加而减小，这是由于激光功率增大，增加了材料受热，使材料软化充分，降低切削力。

S.Sun[49]在进行激光辅
助切削Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al β钛合金时，发现在试验所用的全部进给量和切削速度下进行激光辅助加工时，切削力最大可以减小15%;同时发现在1 200 W的激
光辅助加工时，要使切削力最大程度地降低，进给量的最佳选择范围是0.15～
0.25 mm/rev，最佳切削速度范围是25～100 m/min，这为工业激光辅助切削此类材料提供了加工依据。

2.4 已加工表面质量与亚表层损伤
已加工表面质量是评价一种加工方法优劣的重要指标，主要包括表面粗糙度、表面或亚表层损伤、表面残余应力等。

激光辅助切削加工时，高能量激光作用于工件表面，材料表层可能会因能量过多而造成损伤，但这些材料会在合适的切削参数下将其切除。

一般情况下，在合适工艺参数之内，激光辅助切削加工与传统加工相比，可以降低表面粗糙度，改善表面质量。

图10为激光辅助加工后的零件。

König[82]在激光辅助切削陶瓷时发现加工后零件的表面粗糙度和磨削后的相接近，Rebro[78]将激光辅助加工后零件的表面粗糙度与磨削后的进行对比，发现前者略
高于后者。

激光辅助切削时，激光对工件的热作用和切削产热会作用于已加工表面，对表面或亚表层可能产生损伤，因此表面或亚表层损伤的多少是此种技术加工质量的一个衡量标准。

Bass[17]在激光辅助加工铸铁时发现表面发生加工硬化，但其他学者在精确控制温度的情况下，对金属进行激光辅助切削时表面并未发生硬化。

Lei[77]指出激光辅助切削产生的亚表面损伤要比金刚石磨削加工时产生的少，加工出的产品质量更高，作者认为这是由于激光辅助切削比金刚石磨削所需的比能少，从而导致作用于基体上的应力小造成的。

激光辅助切削是解决难加工材料加工时低效率、高成本问题的有效方法，受到很多学者的关注。

该技术在国外已经相当成熟并应用于实际生产，如：德国的汽车制造业运用激光辅助切削制造了汽车的进排气阀，但我国还更多的停留在实验室研究阶段。

以下几方面需要进行踏实、深入的研究。

(1)建立激光辅助切削模型:目前针对激光辅助切削的建模工作主要集中在温度场方面，关于激光辅助切削过程本身的模拟工作较少触及，虽然已出现用离散单元和有限元分析相结合的方法模拟了激光辅助切削陶瓷的加工过程，但其深度和广度还有待加强，通过激光辅助切削动态过程的建模与仿真研究，可以对减少表面损伤和加工优化提供理论指导。

(2)激光辅助切削系统的集成:目前针对激光辅助车削系统研究较多，工艺系统相对成熟，但是激光辅助铣削、钻削等工艺系统的搭建与集成仍然是一个问题，系统的集成不仅要各组件运行时相互不产生干扰，还需要可控性好，调整简单，维护保养方便，此外还需要在系统中添加在线监测和优化设备。

(3)刀具磨损机理的研究；相比于传统切削过程，激光加热辅助切削时刀具在切削变形区的初始温度提高了，这种变化对于刀具的耐用度与磨损机理的影响目前报道还不多，因此，激光加热辅助切削条件下的刀具磨损机理研究是一个需要关注的方
向。

(4)开发新光源:激光作为激光辅助切削的热源具有能量密度、光斑尺寸、位置、波长可精确控制的优点，但它也具有高成本，低吸收率的缺点，因此为了激光辅助切削技术的长远发展，开发出廉价，吸收效率高光源很有意义。

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