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激光辅助加工技术及进展分析南京激光打孔机，湖南激光打孔机，长沙激光打孔机南京激光打孔机，湖南激光打孔机，长沙激光打孔机南京激光打孔机，湖南激光打孔机，长沙激光打孔机南京激光打孔机，湖南激光打孔机，长沙激光打孔机南京激光打孔机，湖南激光打孔机，长沙激光打孔机
激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。 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。 近些年，高性能材料在汽车及其他行业中取得了广泛的应用，比如陶瓷材料、高温合金材料及复合材料。这些材料都具有高强度、高硬度、高热稳定性和高耐磨性的特性，可以大大提高最终产品零部件的性能。目前，这些材料通过各种不同的制造工艺加工成最终的产品。虽然成型工艺可以以较高的效率生产出各种产品形状，但是工件尺寸的精确度和表面光洁度都差强人意，因此在成型工艺后还要对工件进行表面处理，以保证工件的尺寸公差及表面效果。表面处理通常采用机加工的方式，这样可以提高加工的精确度和灵活性。不过，有些高性能材料采用传统的工艺难度较高，甚至在某些情况下根本无法加工。 激光辅助加工技术 随着激光技术的不断发展，激光辅助加工（LAM，或称激光加热辅助加工）逐渐成为难加工材料的一种有效方法。激光辅助加工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（如图1所示）。
激光辅助加工提高工件表面质量 激光辅助加工最早出现在20世纪70年代，作为一种提高难加工材料生产率的方法，主要用于镍合金、钛合金和淬硬钢的加工。目前，这种方法还用于加工高强度、高硬度及高脆性的陶瓷材料和复合材料。在激光辅助加工中，加工材料表面的温度可以通过调整激光光斑大小、功率及刀片的旋转（车）或进给速度（铣）进行精确的控制。工件表面被加热区域温度的升高降低了该区域的表面强度，从而提高了加工的容易度及材料切削的速度，此外在不会带来因加热导致的工件损坏或损坏很小的情况下，还提升了复杂形状的加工能力以及工件表面的加工效果。 在激光辅助加工中最重要的是工件的温度控制。对工件表面温度及温度分布的了解对激光设备的在线控制来说非常重要。要想使工件表层在切削过程中出现塑性变形，必须要有足够的热量来软化表层。不过，不能让材料出现熔化的情况，也不能让热量传遍整个工件，这样会影响刀具的硬度，从而影响所加工工件的表面质量。要想做到这一点，热量必须尽可能集中在材料的表层，而且在热量传递给整个工件之前就要被切削掉。所以说，在设定最佳切削参数时，了解温度在工件表面的分布情况以及切屑的深度非常重要。 实现加工过程中对工件加热区域温度的控制主要通过两种方式达到。第一种方法，在选择经过优化的操作参数情况下采用精确的热模型。位于美国中西部印第安纳州西拉法叶城普渡大学研究人员开发的热模型可以从操作参数上模拟车削和铣削的3D温度加热情况。图2显示了该热模型在激光辅助加工过程中对工件内部温度分布情况的精确预测。第二种方法，采用高温计进行温度测量，可以在加热辅助加工过程中保持想要的温度。
激光辅助加工过程中工件内部温度分布情况 采用LAM加工陶瓷材料 随着内燃机技术的不断改进和发展，传统的内燃机材料已很难满足高强度、耐腐蚀、低导热及耐磨性等方面的要求。特种陶瓷材料由于具有优良的综合性能而越来越受到业内人士的关注。应用于汽车上的特种陶瓷有氧化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷等，可用于制造活塞、汽缸套、配气机构、气缸盖、活塞销及传感器等元件。陶瓷材料在汽车上的应用较好地提高了发动机的热效率、降低了油耗、减少了排放污染，符合节能、环保的要求。但是陶瓷在汽车上的应用还面临诸多挑战，其中加工性差就是其中一个较大的挑战。 普渡大学采用激光辅助方式加工了三种结构陶瓷，分别为氮化硅（Si3N4）、部分稳定氧化锆（ZrO2）以及莫来石（65%氧化铝和35% SiO2）。加工条件分别为：0.1~0.2 mm/rev进给量、0.5~1 mm切削深度以及1~2 m/s切削速度。通常采用300-600W的激光功率就可以满足加热切削的要求。在可接受的加工条件下，切屑与磨削工艺造成的动力型切屑不同。在扫描电子显微镜下可以看出切屑比较长且形状一致，表明有塑性变形发生。一般来说，切屑随着温度的升高会变得更加连续，而随着进给量的增加尺寸也会变大。具体的切削比能随着温度的上升出现下降，大概为3-6 J/mm3，而一般的磨削比能为40~100 J/mm3。因此，切削过程中的机械能比较小，这样就不会给工件次表面结构造成损坏。 对工件表面损坏的分析为解决以下一些疑问提供了答案。与传统加工和磨削相比，温度的提升会不会增加工件的塑性变形并减少加工裂纹的出现？温度的提升对因加工带来的残余应力的大小和分布会带来怎样的影响？加热辅助加工能否减少强度的退化？普渡大学经研究得出，所有这些问题的答案都是肯定的。通过扫描电子显微镜可以发现工件的次表面几乎没有裂纹出现，通过X射线衍射测量的残余应力与采用金刚石磨削方式造成的应力相差不多。此外，采用X射线衍射方式测量也发现被加工部件没有出现相变或结构的改变。这些表明，除了材料温度的升高，采用激光加热辅助加工不会带来相反的结果。不过，取得成功的加工效果主要依赖对激光加热和温度梯度的精确控制。 最后一个问题是温度的提升是否会缩短刀具的使用寿命。之前有研究人员得出的结论表明，激光辅助加工因其温度的提升会影响刀具的寿命，因此不是一个经济型的加工方式。不过，在激光辅助加工中采用的CBN刀片显示后刀面有慢慢的磨损出现。事实上，在正常的操作条件下采用激光辅助方式对氮化硅进行加工可以获得40分钟的刀具加工寿命。即使对金属加工来说，这也是可以接受，因此对陶瓷材料来说就更没有问题。在正常条件下，刀具磨损主要出现在前刀面上，而不是后刀面。 所有这些结果表明，激光辅助加工可以大大延长陶瓷材料加工中的刀具寿命。成本研究也表明，激光辅助加工还可以大大降低陶瓷加工的成本。除了所采用的激光设备外，激光辅助加工中的加工成本与金刚石磨削相比可以降低70%以上。 难加工金属的加工 此外，普渡大学还针对各种难加工金属采用激光辅助加工方式进行了广泛的研究，包括镍基合金Inconel 718、钛合金Ti6Al4V、沃斯帕洛伊合金Waspaloy、硬化钢、蠕墨铸铁、高铬钢和金属基复合材料。普渡大学经研究发现，与陶瓷不同，这些材料采用传统单点切削方式是可以加工的。不过，较差的可加工性常常会带来一些加工问题，而且会大大增加加工的成本。激光辅助加工可以带来许多好处，比如可以降低切削力、延长刀具寿命以及改进工件表面质量。 普渡大学研究人员通过研究发现，金属和金属基复合材料在400~600℃高温下硬度会快速降低。也就是说，工件的温度没有必要提高到陶瓷加工的那样高。一般来说，温度的提升会导致切削力的下降。在Inconel 718材料切削中，将材料的温度从室温提升到620℃下进行加工，与传统加工方式相比，切削能增加了25%，工件表面粗糙程度改进了2-3倍，陶瓷刀片寿命提高了200-300%。此外，成本分析表明激光辅助加工与传统采用陶瓷或硬质合金刀片进行的加工相比有明显的优势。 钛合金Ti6Al4V的加工成本比较高，因为切削速度低（<60 m/min）而且刀具寿命短。采用激光辅助的方式主要用来改进刀片的使用寿命和材料的切削率。采用同步低温冷却方式的激光辅助加工如混合式加工，可以提高工件高切削速度（150-200 m/min）的可加工性。采用TiAlN涂层硬质合金切削刀具且切削速度为200 m/min的混合式加工可以将刀具寿命提高两至三倍。切削后对工件的显微结构和显微硬度进行分析发现其与切削前没有任何改变。成本分析表明激光辅助加工和采用TiAlN涂层刀具的混合式加工可以分别节省30%和40%的成本。 此外，研究人员还发现，其他一些材料如硬化钢、不锈钢、石墨灰口铁（CGI）、沃斯帕洛伊合金以及高铬钢在采用激光辅助加工过程中都呈现出类似的优点。虽然这些难加工材料的属性各不相同，但是在改进刀片寿命、降低切削力以及提高表面加工效果方面都表现出了相同的优势，而且对工件的显微结构及硬度都没有负面的影响。 采用LAM进行铣削加工 激光辅助加工还可以成功用于铣削。与车削不同的是，铣削中旋转的刀具给这种辅助加工方式带来很多问题。不过，如果仔细设计激光光束的路径和聚焦方式，可以带来很好的效果。在激光辅助微细铣削中，所需要的最少设备包括：一个或多个精密CNC工位、一根高速主轴、一台激光设备及一把微小径铣刀。一般来说要想成功实现激光辅助微细铣削，工位的定位精度设为几微米或更少，主轴速度大于100 kRPM，刀具直径小于500 祄。与宏加工不同的是，微细铣削不需要太大的功率，一般为20-50W，因为采用的光斑比较小，因此完全可以提供所需的热量。激光辅助微细铣削已经成功应用于槽铣和斜切加工中。各种难加工的材料在切削力、刀具寿命和表面质量等都方面都得到了改进，包括铝、钢、不锈钢、Inconel 718和Ti6Al4V。在微细铣削中，切削速度受制于主轴最大的转速和最小的刀具直径，导致剪切面的温度比最优的温度低。激光辅助微细铣削可以避免出现尺度效应和毛刺的发生，而这些是机械微细铣削中常常出现的问题。 较大规模的激光辅助铣削也可以成功应用于陶瓷及一些高温合金的加工中。采用激光辅助来铣削氮化硅需要采用TiAlN涂层硬质合金刀具，并且将加工区域的温度提升至1200~1300℃。采用这种方法可以取得很好的表面质量和可重复操作的效果，同时刀具的磨损也在可接受范围内。 企业宗旨:以深入研发激光应用技术为己任，以创造激光行业至臻品质为使命！ 企业理念:创造领先，步步领先！ 兴华激光，欢迎各界朋友芥临！ 详情请咨询：陈光经理 手机： 13430720970 QQ：1185940817 传真： 86 755 29419877 地址： 深圳市宝安区观澜竹村福庭工业园4栋2楼 邮编： 518000 观看视频请进：http://baid.us/j6An 邮箱：TT19830310@163.com http://chenguang201007.cn.alibaba.com |
