激光加热辅助切割技术的研究进展

摘要：本文总结了近年来激光加热辅助切割技术的研究进展。在实验研究方面，总结了激光加热辅助车、铣、钻、磨的加工特点，阐述了激光参数和切削参数对加工质量的影响。研究表明，在一定范围内，适当增加激光功率、降低切削速度、降低进给量有利于切削区材料的充分软化，从而可以提高工件材料的加工、加工效率和加工质量。目前，激光加热辅助切割的模拟研究主要集中在切割温度场和切割过程的模拟。通过建立温度场模型，可以预测材料去除的最佳温度范围，优化工艺参数。切削过程的模拟探索了应力、应变、温度等物理量的影响，为实际加工过程中零件表面质量的控制提供了依据。后续工作应进一步加强加工机理、加工工艺、仿真优化等方面的研究，建立完善的激光加热辅助切割加工数据库，推动该技术的产业化应用。陶瓷、复合材料、高温合金、钛合金具有强度高、耐磨、耐腐蚀、热稳定性好等优良性能。它们用于机械、化学工程、航空航天和核工业。该领域已被广泛应用。这些材料采用常规方法加工时，由于具有高硬度、高强度和低塑性的特点，切削力和切削温度很高，刀具磨损严重，加工质量差，加工几何形状不理想。有限的。激光辅助加工（laser assisted processing，LAM）利用激光加热软化切割区材料，使用刀具进行切割。与常规加工相比，降低了切削力，延长了刀具寿命，提高了加工质量和加工效率。这些方面表现出诸多优势，为解决难加工材料的加工提供了有效途径。因此，激光加热辅助切割技术已成为近年来机械加工领域的研究热点之一。激光加热辅助切割技术自1978年问世以来，经过几十年的发展，取得了长足的发展。 König 等人。率先将激光加热辅助车削技术应用于氮化硅陶瓷材料的加工，提高了材料加工性能，获得了表面粗糙度Ra小于0.5μm的加工表面。杨等人。对氮化硅陶瓷进行了激光加热辅助铣削实验。结果表明，当采用激光辅助加热将切削区温度从838℃提高到1319℃时，切削力降低近50%，刃口断裂。该现象显着减少，加工表面质量得到改善，证明了激光辅助铣削陶瓷材料的可行性。安德森等人。 Inconel 718材料的激光辅助车削，与常规加工相比（去除单位体积材料所需的切削能量），减少25%，刀具寿命提高2~3倍。丹德卡等人。对氮化硅颗粒增强铝基复合材料A359/20SiCP进行了激光加热辅助车削实验。与常规加工相比，能量可降低12%，刀具寿命提高1.7~2.35倍，表面粗糙度Ra降低。 37%。吴雪峰等发现，高温合金GH4698材料在激光加热辅助铣削时，切削区温度为600℃时可有效降低材料强度。与常规铣削相比，切削力降低35%，加工表面质量更好。海德伯格等人。对钛合金材料Ti6Al4V进行激光辅助铣削实验。与常规加工相比，切削力降低30%至50%，表面残余应力降低10%，加工成本节省33%。本文回顾了激光加热辅助车、铣、钻、磨等方面的最新进展，并对激光加热辅助切割技术的未来发展方向进行了展望。1 激光加热辅助切割原理1.1 加工原理激光加热辅助切割是使用高能激光束照射待加工表面。材料在短时间内加热到一定温度，发生软化，然后进行切削加工。加工的基本原理如图1所示。温度对材料的加工性能有显着影响。通过加热材料，可以降低材料的强度和硬度，降低切削力，减少刀具磨损和振动，从而提高加工质量，提高加工精度和加工效率。温度对不同材料抗拉强度的影响如图2所示。图1 激光辅助加工示意图2 温度对各种材料极限抗拉强度的影响1.2 激光热源各种加热辅助切割工艺中常用的加热方式有激光加热、电加热、等离子弧加热、氧乙炔火焰加热等。相比之下，激光加热具有功率密度高、升温快、能量分布好、时间可控等优点，成为辅助加热切割的理想热源。在激光加热辅助切割常用的激光系统中， CO2 激光器产生 10.6 μm 波长的激光束。由于金属表面自由电子的固有频率远大于该波段的激光束，因此大部分激光能量被表面自由电子反射，从而产生非常高的透射率。低，激光不能被金属很好地吸收，但陶瓷材料可以吸收85%以上的激光波长，所以CO2激光常被用作加工陶瓷等非金属材料的热源。掺钕石榴铝（Nd:YAG）激光器振荡出1.064μm波长的激光器，有利于金属材料的吸收，适用于镜面传输和光缆传输。它可以在复杂的加工系统中与机床集成。半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、工作寿命长等优点，可与各种光电器件集成，减小激光器和外围器件的体积，运行成本相对较低。光纤激光器发出的光束质量好且稳定。其一体化结构可以解决腔内光学元件的污染和位置变化引起的问题。光纤体积小，柔韧可弯曲，便于激光传输，有助于机械系统的小型化。 .2 激光加热辅助切割实验研究进展2.1 激光加热辅助车削由于激光热源的引入，激光加热辅助切割在工艺参数的选择上不同于常规加工。加工参数的确定需要根据常规切削量的选择原则，综合考虑激光热效应对工件材料和刀具寿命的影响。合理选择激光参数和切割参数，以达到提高表面质量和提高加工效率的目的。激光参数包括激光功率、激光光斑尺寸、激光扫描速率、激光光斑和刀尖距离、激光发射角度等，具有重要意义。对切削区温度分布和材料软化程度的影响。潘杰普尔等人。对AISI52100的激光加热辅助车削进行了实验，发现随着激光功率的增加，热穿透深度增加，切削区材料充分软化，刀具在切削时受到的阻力较小，刀具磨损减少。当激光功率超过425W时，刀具会过热，刀具磨损率会增加。实验得到的最佳加工参数为：激光功率P=425 W，脉冲频率fp=120 Hz，切削速度vc=70 m/min，进给速度f=0.08 mm/r，切削深度ap=0.2 mm。通过这种加工参数的组合，与传统加工相比，表面粗糙度 Ra 降低了 18%，比切削加工降低了 25%。卡南等人。指出，氧化铝陶瓷的激光加热辅助车削指出，随着激光扫描速率的增加，激光对切割区材料的照射时间相对减少，材料的软化程度降低，导致增加切削力。实验得到的最佳加工参数为：激光功率P=350 W，进给速度f=0.03 mm/r，切深ap=0.3 mm，光斑直径d=2 mm，激光扫描速度v=35-55 mm /分钟。通过这种加工参数组合，与传统加工相比，切削力最多可降低 80%，刀具寿命显着增加。纳瓦斯等人。对Inconel718进行了激光加热辅助车削实验，研究了激光光斑尺寸和激光光斑与刀尖距离对Inconel718切削性能的影响。通过实验比较了1.25 mm×1.25 mm的方形光斑、1.6 mm×1.3 mm的椭圆形光斑和2 mm直径的圆形光斑在功率密度、反应时间和切削力方面的差异。方形光斑功率密度高，观察到椭圆光斑反应。长时间内，圆形光斑的功率密度和反应时间适中，在降低切削力方面更为明显。随着光斑直径的增大，照射面积扩大，但激光功率密度降低，工件单位面积因照射能量而减小，导致加热软化效果降低。激光光斑的中心和激光的尖端要保持适当的距离，既能达到激光辅助加热的效果，又能防止刀具过热损坏或熔化飞溅在被加工物上的切屑表面影响加工质量。鄢锉等。氧化铝陶瓷的激光热辅助车削。激光束以布鲁斯特入射角切向入射。该点是椭圆形的，尽管激光功率密度相对于垂直照射有所降低。随着面积的扩大，切削区的材料受热更均匀，更有利于提高加工质量。丁等人。使用两台激光器对AMS5704镍基高温合金进行激光车削实验，使CO2激光束垂直照射待加工工件表面，Nd:YAG激光束倾斜照射工件过渡面。切割区域受热更均匀。与常规加工相比，切削面积减少20%，刀具寿命增加50%，表面粗糙度Ra降低200%至300%。进给速度、切削速度、切削深度等切削参数具有十分重要的意义影响加工质量、加工效率和加工成本。金等人。对氮化硅陶瓷的加热辅助车削进行了实验，发现随着进给量的增加，切削区的平均加热温度降低，导致切削力增加，刀具寿命降低。随着切削深度的增加，深部材料的软化深度变小，导致切削力增加和刀具磨损。氮化硅陶瓷材料的最大切削深度为 3 mm。 Xavierrockiaraj 等人。对SKD11工具钢进行了激光加热辅助车削实验，分析了切削参数对切削力、表面粗糙度和刀具磨损的影响。随着进给速度的增加，切削力、刀具磨损和表面粗糙度的增加，应使用较小的进给速度来增加材料的热软化时间。随着切削速度的增加，切削区的平均加热温度降低，刀具磨损增加，表面粗糙度增加。最佳切削速度为 vc=100 m/min。激光功率P=1000 W，切削速度vc=100 m/min，进给f=0.03 mm/r，可以获得最小的切削力。 Rashid 使用 Nd:YAG 激光对 Ti6Cr5Mo5V4Al 合金进行热辅助车削实验。推荐的加工参数范围为：激光功率P=1200 W，进给率f=0.15~0。 25 mm/r，切削速度vc = 25~100m/min。当进给速度f<0.15 mm/r时，加工效率低；当进给速度f>0.25 mm/r时，切削区材料的加热软化程度低，会加剧刀具磨损。切削速度vc<25 m/min。工件长时间加热时，过热导致刀具磨损，降低加工表面质量。当切削速度vc>100 m/min时，工件被激光加热时间的切削面积减少，材料不能充分软化，导致刀具磨损严重。 Tadavani等人对Inconel 718进行激光加热辅助开启。正交实验设计、信噪比和方差分析确定最佳工艺参数为：激光功率P = 400 W，脉冲频率fp = 80 Hz，加热温度T = 540 ℃，切削速度 vc = 24 m/min，进给速度 f = 0.052 mm/r。通过这种加工参数的组合，表面粗糙度 Ra 与传统加工相比降低了 22%，比切削降低了 35%，刀具磨损降低了 23%。此外，Mohammadi 等人。还研究了刀具几何形状对硅晶片激光辅助车削表面质量的影响。激光功率P=20 W，主轴转速n=2000 r/min，进给速度f=0.001 mm/r，切削深度ap=0.005 mm，刀具前角γ0=-45°时，表面粗糙度Ra为 9.8 纳米。当前角为γ0 = -25°时，得到的表面粗糙度Ra为3.2 nm。 2.2 激光加热辅助铣削 铣削是指使用旋转的多刃刀具切削工件。它不仅可以加工平面、凹槽、轮齿，还可以加工复杂的表面。由于铣削是多刃断续切削，切削过程中各齿的切削厚度发生变化，冲击载荷大，易产生振动。使用激光辅助铣削可以减少铣刀在切削过程中的颤振，降低切削力，增加刀具寿命，提高加工表面质量。发现在A2工具钢的激光加热辅助铣削中，材料去除率提高了6倍，切削力降低了69%，与常规加工相比，铣削毛刺减少，损伤明显减少。吴等人。使用激光加热辅助球面铣削，发现AISI1045和Inconel718的切削力分别比传统加工降低了82%和38%，表面粗糙度Ra分别降低了53%和74%。工具振动减少小。金等人。对AISI1045、Inconel718、钛合金球面工件进行激光加热辅助铣削实验。与常规加工相比，AISI1045、Inconel718 和钛合金的铣削力分别降低了 2.1% 至 8.6% 和 3.7%。 ~12.3%、0.8%~21.2%，表面粗糙度Ra分别下降14.5%~59.1%、19.9%~32.4%、15.7%~36%，加工效率显着提高。在激光加热辅助铣削中，由于对切削区的高温，容易造成刀具磨损或扩散磨损。严重时可能引起刀具塑性变形，改变刀具几何参数。合理选择切削液，可有效减少刀具与工件、刀具与切屑的摩擦，降低切削温度，提高刀具耐用度和加工质量。伯明翰等人。发现在较低的切削速度下，使用少量的润滑剂冷却刀具可以降低切削温度并延缓 Ti6Al4V 微小刻痕或剥落的发生。刀具寿命提高5倍以上。在较高的切削速度下，切削液的使用会导致工件和刀具的热冲击或热疲劳。2.3 激光热辅助钻孔钻孔广泛用于加工各种类型的机器零件。常规钻孔加工锻坯、难加工材料或淬硬件时，由于硬度高、强度大、表面形状不规则等原因，容易导致钻孔偏斜、轴向钻孔力大、钻头磨损严重。激光加热辅助钻孔是利用激光对工件的钻孔区域进行加热，使表层材料软化，然后关闭激光，对加热区域进行快速钻孔。采用激光辅助加热方式进行钻孔，可使钻头定位准确，避免偏斜，降低钻孔阻力和钻头磨损，进而提高加工精度和加工效率。目前对激光辅助钻孔的研究还远远不够与激光辅助车铣相比，它也取得了一些进展。仁等人。对碳钢材料进行激光加热辅助钻孔。实验过程中，将CO2激光光斑调整为环形，在照射的中间钻孔，得到加热温度下的激光功率和激光光斑尺寸。影响规律，提高钻井质量和效率。郑等人。利用激光加热辅助钻孔技术对汽车关键零部件钻孔进行了实验研究。与常规钻孔相比，40Cr、45钢和不锈钢的钻孔直径分别增加了50.5倍。 %、52.2%、51.4%；钻井效率方面，QT600、45钢、不锈钢分别提高了19.3%、16.3%、39.9%。同样，张等人。开展了41Cr4、C45E4、不锈钢、铸铁的激光辅助钻孔实验。与常规钻孔相比，发现41Cr4、C45E4和不锈钢在入口直径方面有所增加。 122.7%、85.9%、140.7%；钻进效率方面，铸铁、C45E4、不锈钢分别提高了18.6%、16.3%、39.9%。乔贝等人。采用Nd:YAG激光辅助加热法对大理石进行钻孔，发现能有效降低大理石表面应力集中，提高表面完整性，降低加工成本，提高加工效率。在激光加热辅助钻孔过程中，激光只能快速加热软化工件表面材料，有利于快速钻孔；然而，随着钻孔深度的增加，激光无法加热孔中的材料。不能进一步提高加工效率。目前关于激光加热辅助钻孔过程中的钻孔力、刀具磨损、孔圆度和表面粗糙度等方面的报道较少，这方面的研究工作有待进一步加强。2.4激光加热辅助磨削工程陶瓷材料如氮化硅、氧化铝、氧化锆以其高强度、高硬度、耐腐蚀等优点，在机械、汽车、航空航天等领域得到越来越多的应用。研磨是工程陶瓷的主要加工方法。由于陶瓷材料的高硬度和高脆性，导致切削力大，刀具磨损严重，材料去除率低，表面易损伤。此外，由于陶瓷的导热性差，磨削过程中产生的热量会在工件表面积聚，造成工件表面温度梯度非常高。这很容易导致材料表面的热损伤，甚至出现裂纹。激光加热辅助磨削利用激光对工件表面进行预热，可显着降低材料的硬度和脆性，降低磨削力，减少亚表面损伤的产生，提高工件质量磨削表面。Chang 等人。使用激光辅助辅助磨削加工氮化硅陶瓷材料。与常规磨削相比，激光加热辅助加工过程更稳定，表面完整性更好，没有明显的组织变化和裂纹。库马尔等人。对氮化硅陶瓷进行激光辅助研磨。结果表明，与常规磨削相比，切削力降低43.2%，刀具磨损减少，材料去除率提高。木崎等人。对氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷（Y-TZP）进行了激光加热辅助研磨实验。结果表明，Y-TZP材料的适宜研磨温度为490℃左右。 Y-TZP在温度下的断裂韧性为5.3 MPa·m1/2，远低于室温下的9.1 MPa·m1/2。与常规加工相比，激光辅助磨削可以降低材料硬度，减少磨削力和刀具磨损，提高加工质量和效率。2.5激光加热辅助铣削加工车削铣削是一种使用铣刀的先进切削方法。用于加工的旋转和工件旋转的联合运动。车铣加工包括工件旋转、铣刀旋转、铣刀轴向和径向进给四种基本运动。加工方法分为正交车铣和轴向车铣两大类，其中正交车铣应用较为广泛。车铣复合加工方法作为一种较新的复合加工方法，其特点主要是：断续加工性好，金属去除率大。对异形旋转零件具有良好的加工能力。激光加热辅助车铣可进一步降低切削力，延长刀具寿命，改善复杂型材零件，细轴零。件的加工质量。奇奥等人。开发了一套基于C++的应用程序，可以将CAD图形文件转换为NC代码，实现矩形和四叶截面工件的自动编程。该程序成功应用于5轴加工中心。金等人。对SM45C材料进行了激光加热辅助铣削和铣削加工实验。与传统的车铣加工相比，切削时的刀具振动得到了降低和切削。切削过程更加平稳，矩形截面工件的轴向力和径向力分别减小了10.4%和13.5%，四叶截面工件轴向受力。力和径向力分别减少了 10.6% 和 8.9%。矩形截面和四叶形工件的表面粗糙度Ra分别降低了39.9%和37.1%。 Cha等人利用田口方法优化了激光加热辅助车铣氮化硅陶瓷的加工参数。结果表明，对表面粗糙度影响显着的程度是切削深度、激光功率和切削速度。激光加热辅助铣铣工艺在降低切削力、延长刀具寿命、提高加工效率等方面具有一定的优势。但在机床稳定性和加工形状误差方面仍存在诸多不足，仍需进一步研究和改进。 2.6 其他激光加热辅助切割加工方法激光辅助加热还可应用于刨、抛光、车削、精加工等其他加工方法。张等人。发现激光加热辅助刨削氧化铝陶瓷时，与常规刨削相比，轴向力降低了20%，径向力降低了22%。Ra降低程度比50%多，表面完整性更好。田等人。对 AISI4140 和 MP35N 材料进行了激光加热辅助抛光测试。结果表明，与常规抛光工艺相比，刀具磨损明显减少，加工表面完整性更好，但表面残留物更好。应力有所增加。针对砂轮硬度高、修整困难、修整效率低等问题，Zhang等人对金属结合剂CBN砂轮进行了激光加热辅助车削修整实验。与传统金刚石工具修整方法相比，激光加热辅助是在保证修整质量的前提下进行的。车削和修整可以大大缩短修整时间，提高修整效率，延长修整刀具的使用寿命。综上所述，激光加热辅助车、铣、钻、磨等加工方法在减少加工量方面比常规加工具有明显优势。切削力，提高刀具寿命，提高加工质量，节省成本，但在激光加热。在辅助切削工艺、刀具磨损机理等方面的研究存在一些不足，激光加热辅助加工技术仍有很大的发展空间。3激光加热辅助切削模拟研究进展3.1温度场模拟研究在激光加热辅助切削加工中，切削区温度和分布是影响刀具寿命和加工质量的关键因素之一。切削区温度过高会导致材料热损伤或刀具磨损，影响加工表面质量，温度过低会削弱激光辅助加热效果。温度场模拟的方法可以更直观、准确地反映实际切削温度场分布。通过建立不同工艺参数下的温度场模拟模型，预测材料的最佳去除温度范围，优化工艺参数，可以大大节省实测成本。在温度场模拟研究领域，目前使用的数值模拟方法很多，包括有限元法、有限体积法等。Cha等。采用有限元法建立了用于激光加热辅助铣削和铣削加工的氮化硅陶瓷三维瞬态温度场模型。不同激光功率加热下的模拟和实测平均温度误差为1.5%~6.2%。 Roostaei 等人。建立了熔融石英陶瓷（SCFS）温度场的三维有限元模型，并将模拟结果与高温计测量结果进行了比较。当加热时间在 25 s 和 43 s 之间时，两者基本一致。 .当加热时间小于 25 s 或大于 43 s 时，两者之间的误差增大，最大温度误差为 40 K。Kim et al.对SM45C激光加热辅助车铣加工的温度场进行了有限元模拟和实验研究。结果表明，SM45C具有矩形截止。表面和四叶草截面工件的平均加热温度预测误差分别为8.7%和6.4%。矩形截面工件的有效深度和宽度分别为0.34 mm和2.26 mm，四叶工件的有效深度和宽度分别为0.45 mm和2.89 mm。Rozzi等人研究了温度场采用有限体积法对氮化硅陶瓷进行激光辅助车削，分析了激光热通量、表面对流、热传导和热辐射对表面温度的影响，并模拟了不同的切削参数。激光参数下的温度场分布及温度场模拟结果与实验结果基本一致。此外，Zhang 等人利用有限差分法建立了激光热辅助切割氧化铝陶瓷的准稳态传热模型，并模拟了不同激光功率、激光扫描速率和激光光斑半径对氧化铝陶瓷的影响。温度场分布。研究表明，使用较低的激光扫描速率、较高的激光功率和较小的激光光斑半径更有利于软化切割区的材料，从而达到理想的切割深度。卡沙尼等人。采用解析法建立了激光加热辅助切割碳钢温度场的数值模型。高温计用于测量工件的温度场分布。仿真结果与实测结果误差在10%以内。张等人。将晶格Boltzmann方法（LBM）应用于氧化铝陶瓷激光热辅助切割的温度场，得到的温度场分布与实验结果吻合较好。 3.2切割过程仿真研究通过激光加热辅助切割过程模拟可以获取切削应力、应变、温度等物理变量，以减少加工表面的损伤，为优化加工参数提供依据。应用于切削过程模拟的方法有有限元法、离散元法、光滑粒子流体动力学法等。采用有限元方法模拟激光及辅助切割氮化硅陶瓷的加工过程。结果表明，在载荷作用下，结晶玻璃相会产生微裂纹，微裂纹会扩大。最终在剪切区形成宏观裂纹，并发生滑移产生不连续切屑。模拟芯片厚度约为15μm，略小于实验结果。切削力误差为10%至15%。表面残余应力模拟值与实验值基本一致，证明了模拟模型的有效性。 Liu等人对Ti6Al4V材料的激光加热辅助铣削工艺进行了有限元模拟。在温度场模型的基础上，采用顺序热耦合的方法加入铣削模型，得到切削力的变化规律和刀具温度场分布。切削力的模拟值和实验值之间的误差为 11.8%.Shen 等人。采用离散元法（DEM）模拟激光加热辅助铣削氮化硅陶瓷的过程。分散的粒子簇代表氮化硅陶瓷材料的结构，结合单元的断裂用于模拟加工过程。裂缝的形成和扩大。通过仿真与实验结果对比发现，将DEM方法应用于切削过程仿真可以预测不同加工条件下材料的亚表面损伤；陶瓷材料的去除机理主要是脆性断裂；切深越大，刀具的切削力越大。工件的碎片越多，切削力对裂纹的形成和传播的影响就越大。巴尔巴等人。采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法模拟Inconel 718材料的切削过程。研究发现，刀具前端的激光加热软化效应是造成残余应力的主要因素。激光加热辅助切割主要产生沿切割方向的表面。残余拉应力，而常规切削主要产生表面残余压应力。此外，纳斯尔等人。采用有限元方法。对AISI 4340钢进行切削过程的模拟研究也得到了类似的结论。4结论本文综述了近年来激光加热辅助切削技术的最新研究进展。在加工方式上，激光加热辅助车、铣、钻、磨等技术不断发展创新，降低切削力，提高加工质量，提高加工效率。为解决工程陶瓷、复合材料、高温合金、钛合金等难加工材料的加工提供了可行的方法。通过对温度场和切削过程的仿真研究，可以实现对材料最佳去除温度范围的预测和加工参数的优化，为实际加工提供依据。激光加热辅助切割技术虽然取得了一系列研究成果，但在加工机理、加工工艺和工业应用等方面仍存在一些问题。结合国内外发展趋势，尚需开展以下研究工作：（1）加强难加工材料加工条件及去除机理研究，解决胶粘剂等问题。激光加热辅助切割过程中可能出现的刀具磨损、刀屑分离困难、刀具冷却等问题。（2）加强激光加热辅助切割仿真研究，建立准确、快速温度场和切削过程仿真模型，提高了仿真模型的速度和精度。优化激光参数、切割参数等工艺参数，建立完善的激光加热辅助切割数据库，为合理选择加工参数提供理论依据。（3）加强工业化激光加热辅助切割系统研究，提高生产研发水平及激光加热辅助切割系统的配套能力，提升激光加热辅助切割系统的集成度、稳定性和精度，推动激光加热辅助切割技术在实际生产中的应用。随着激光技术的不断进步，切割加工技术和材料技术、激光加热辅助切割加工技术将在难加工材料加工、微细加工等领域具有更广阔的发展前景。
资料来源：Meeyou Carbide