激光辅助加工的技术原理、研究现状及展望

杨航 杨学智 张洋洋

摘要：激光辅助加工是超精密制造的重要分支，是支撑国家尖端技术和国防航天工业等发展的关键技术。在本文中，以超精密制造中的激光辅助加工技术为对象，阐述其研究背景、技术原理、研究现状，并指出了今后应该重点解决的关键问题，供广大科研工作者参考。

关键词：激光辅助加工；技术原理；发展趋势

The technology principle， research status and Prospect of laser assisted processing

abstract： Laser-assisted machining is an important branch of ultra-precision manufacturing， and it is a key technology to support the development of state-of-the-art technology and national defense and space industry. In this paper， the research background， technical principle and research status of laser-assisted machining technology in ultra-precision manufacturing are described， and the key problems that should be solved in the future are pointed out， which can be used for reference by researchers.

Key words： Laser aided processing； Technology principle； Development tendency

1、激光辅助加工研究背景

随着材料科学的快速发展，越来越多的高性能、难加工材料问世。这些材料普遍具有高强度、高硬度、耐高温的特性，在航空航天、仪器仪表、机械制造等领域有很大的潜在利用价值。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。

航空航天、精密仪器这样的高端装备和产品之所以“高端”，很大程度上是依赖一大批高性能零件来保证，因此高性能精密制造技术的实质是计对高端装备和产品中的高性能零件的精密制造技术。

我们知道，材料的抗拉强度一般会随温度的升高而降低，故采用加热辅助切削是一种加工难加工材料的有效成型方法。现已用于航天宇航、车辆、微电子等领域。目前常用的热源有等离子体、感应电流和激光等，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，具有突出的实用价值。

2、激光辅助加工技术原理

激光辅助加工是将高功率激光束聚焦在切削路径前一定距离的工件表面，在材料被切除前的极短时间内将局部加热到很高的温度，使材料局部软化，提高材料的局部塑性，使局部材料的切削性能在高温下发生改变，从而对其进行加工。

激光辅助加工是将高平行度、高能量密度的激光聚焦到工件表面上来进行加热，所以激光光斑直径在理论上可达 1微米以下，能进行非常精密的加工。

通过改变工艺参数，改变加热位置、能量大小、光斑直径，可以实现任意的工件形状和处理部位的加工要求，且因为可在短时间内实现微小区域表面的快速加热，激光光斑可聚焦到微米量级，并对加热区域快速切除，加工后对工件材料内部性能没有影响。工件离开激光器，以适当的距离进行非接触式加热，所以不会污染工件材料。

激光加热辅助切削技术是一种提高难加工材料生产率的高精度的、适应性强的、绿色的特种加工方法。

3、激光辅助加工的研究现状

激光辅助加工技术是美国南加州大学StephenM.Copley和MichaelBass等人最早于20世纪80年代提出的，用于金属切削加工。国内开展此项研究起步较晚，但也取得了一些成就，比较有代表性的有：

上海交通大学王慧艺等通过有限元分析的方法，仿真了激光加热辅助铣削45#钢的三维温度场。

哈尔滨工业大学王扬等对Al2O3颗粒增强铝基复合材料、冷硬铸铁、Si3N4、高温合金、ZrO2陶瓷等难加工材料的激光加热辅助切削做了细致的研究，分析了激光加热辅助切削的材料去除機理，并利用有限元分析的方法建立了物理和数学模型。

湖南大学鄢锉等对Al2O3、Si3N4工程陶瓷等硬脆性材料激光加热辅助切削理论与实验做一些研究，构建了热传导数学模型，形成连续稳定的切削加工过程，得到了合适的激光参数和加工参数组合。

华中科技大学孙权权等研究了基于平面光学抛光方法对硅酸钇镥闪烁晶体进行表面精密加工的实验方法，同时探索了将适用于大尺寸光学样件精整抛光的磁流变抛光方法用于小尺寸硅酸钇镥晶体的抛光可行性。

4、激光辅助加工的研究方向

综合上述现阶段我国激光辅助加工研究，总结起来有“三多三少”现象：研究激光辅助加工技术实验仿真数据的多，研究工程实际数据的少；研究金属及其合金激光辅助加工的多，研究非金属及其氧化物激光辅助加工的少；研究单一材料激光辅助加工机理的多，研究加热过程中的能量、材料晶相变化、切削过程三者之间的联系，建立普遍切削机理的少。因此，激光辅助加工技术的研究应当从以下两方面实现突破：

（1）从金属材料的辅助加工向非金属材料进行研究领域的突破

（2）从单一材料的研究向多种材料广义机理的研究进行研究层次的突破

为了实现以上两方面的技术突破，建立合理的热固耦合模型是至关重要的，也是革新加工技术的前提。

5、结束语

激光辅助加工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。

本文简要阐述了激光辅助加工的研究背景、技术原理、国内研究现状，并通过分析上述内容，总结出了我国现阶段在激光辅助加工领域的研究“三多三少”的特点，提出了两方面的重点突破方向共广大科研工作者参考。

参考文献：

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