激光加热辅助切削 | 数控刀具选用指南170

（一）激光加热辅助切削技术特点

LAM（加热辅助切削）技术是将高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面，将工件局部加热到很高的温度，在材料被切除前的短时间内，其切削性能发生改变，之后采用刀具进行加工。通过对材料加热，提高材料的塑性，使屈服强度降低到断裂强度以下，降低切削力，减小刀具磨损，防止切削振颤，从而达到提高加工效率、降低成本、提升加工表面质量的目的，其原理和装置分别如图9-11和图9-12所示。

图9-11 激光加热辅助切削原理

图9-12 激光加热辅助切削装置

激光的特点是相干性好，聚焦性强，功率密度高，是适合LAM的理想热源，选择合适的激光器与激光参数，对LAM加工至关重要，在早期的研究中，功率大，技术成熟的二氧化碳激光器是主要的光源，但是由于金属材料对二氧化碳激光的吸收率比较低，导致其经济性差，随着激光技术的发展，激光器功率提高，设备的成本降低，尤其工程陶瓷材料的应用，激光加热效率显著提高。陶瓷材料对二氧化碳激光的吸收率可达85%以上，因此加工陶瓷等非金属材料通常选用二氧化碳激光作为光源。与二氧化碳激光器相比，YAG（钇铝石榴石）激光器输出波长短，有利于金属材料对激光的吸收，而且适于光纤传导，光学传输部分得到简化，能够方便地与传统机床集成，逐渐替代了二氧化碳光源。

高功率半导体激光器（high power diode laser，HPDL）具有波长小、金属材料吸收率高的优点，并且电-光能的转化效率高，运行费用少，冷却系统要求低，激光头与外围设备的体积大大减小，更适用于LAM技术的工业应用。

车削是主要的激光加热辅助加工方式，车削时车刀相对机床是静止的，激光与车床整合相对容易，通过调整光纤头与反射镜的位置可以改变激光光斑直径、激光入射角、激光与刀具之间的距离。与加热辅助车削相比，辅助铣削方面的研究较少，首先，铣削是一个间歇切削过程，铣削加工过程复杂，影响因素多，容易引起刀具损坏；另外，由于铣刀在加工过程中是旋转的，切削层的位置是周期变化的，因此将激光束与铣床结合相对困难。

激光加热辅助加工不只局限于车削、铣削，许多学者还将其他加工方式与激光加热辅助相结合，如 刨削、磨削、钻削以及抛光等加工方式。激光加热辅助切削高温合金取得了明显成效。难加工材料，如Inconel718的常规切削速度只有12～30m/min，而采用激光加热辅助切削，其切削速度可以达到500m/min。采用激光加热辅助切削时，切削力与常规相比可下降30%～60%，刀具寿命延长2～10倍。激光加热辅助切削使切屑形态发生转变，高硬度材料的切屑由脆性断裂变为连续状，加工件的表面质量也得到改善。

常温下热压氮化硅陶瓷材料的硬度很高，其加工方法只有磨削，加工成本占产品总成本的60%～95%。在激光加热下，氮化硅的硬度不断下降，在1300℃左右性能发生明显转变，此时可以用切削代替磨削，其切削速度可达90m/min，进给速度可达8m/min。

（二）激光加热辅助切削技术的应用

美国AmeriChip国际公司开发了一种新的激光辅助切屑控制技术，可以完全消除会给加工过程造成麻烦的长带状切屑，从而能够缩短加工时间达70%，降低加工成本达60%。AmeriChip的激光辅助切屑控制系统是一个独立装置，它利用一束激光在工件材料表面刻划出一道窄槽，当该处材料被加工时，就会以细小切屑的形态被切离，而不会形成长带状切屑。这道激光刻划的窄槽实际上消除了与切屑有关的所有麻烦。