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激光加热辅助切削技术

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

激光加热辅助切削（LaserAssistedMachining，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。激光加热辅助切削的示意图如图1所示。

激光加热辅助切削技术研究现状

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。目前，采用激光加热辅助切削方法加工的材料见表1。

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[1]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[2]对Inconel718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[3]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[4-7]。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[8]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[9-10]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[11]建立了LAML三维温度场模型，并通过试验验证了