激光加热切削：工件与刀具硬度最大化

激光辅助加热切削法（LAM）是将激光器产生的高能量激光束，经过透镜聚焦（图1-144），再经光纤传输照射在刀具前的工件表面上，在材料被切除前的极短时间内，将局部材料加热到相变温度以上，使材料变软后被切掉成为切屑。

1.激光加热特点

1）激光光束散发角极小，最小只有0.1mrad，激光束平直集中，最小光斑直径为0.15～0.3mm，即加热面积最小可控制在18～70mm²范围以内，热量集中。

2）加热速度快，加热时间在10^-6s即可使材料表层温度达到相变温度或熔化温度。加热深度达到0.1～1.0mm，最小加热深度可控制在10～50μm。

图1-144 激光焦距、焦深与光斑直径

3）激光具有非常好的相干性、单色性和方向性，从激光器发出的全部光通量虽然不大，但进入谐振腔的光都是以固定波长向固定方向发射，因此聚焦后能获得非常大的功率密度，通过调节焦距可以获得各种材料要求的加热温度。

2.激光切削加热的优点

1）激光加热是用高功率的激光束，聚焦在刀具切削刃前的工件表面上，在工件材料被切除前的极短的时间内，将材料加热升温到750～1500℃。先将工件材料加热变软，刀具才开始切削。因此对刀具材料的硬度和强度的要求大大降低，这样可以使用一般的刀具材料，对一些难加工材料（如高硬度模具钢、耐热合金、钛合金及对硬脆的工程陶瓷）进行加热，使硬脆材料顺利实现“脆转塑”切削，从而实现高速切削加工。

2）工件材料在高温下已达到相变温度或锻造温度，其硬度和强度大幅度下降，这样使切削力大幅下降，山东大学在对高温合金GH4169进行激光加热车削试验中证实：背向力和进给力可下降30%，主切削力可下降70%，刀具磨损大大减轻，刀具寿命显著提高，从而使切削加工变得容易。

3）激光加热只是将材料软化，使硬度和强度降低，而且加热面和深度小，加热时间短，需要的加热功率较小，一般采用固体激光器YAG，功率P=0.1～1.0kW。

4）激光加热仅将表面极薄一层加热，只使表层很小一块材料的性能发生变化，该表层被切除后，工件本体材料仍保持原来的物理和力学性能。

5）只要激光束能照到的地方，都可以采用激光加热切削，所以可对复杂曲面、不通孔、沟槽等特殊部位加热切削。

采用激光加热切削法，做到工件材料的热量与刀具热量分开，实现刀具硬度与工件材料硬度比达到最大化。

3.激光加热切削法

由于激光加热的面窄小，因此更适合使用立铣刀或球头铣刀铣削时加热。激光光纤传输光路线应固定在铣床铣头上（图1-145），激光光斑应在铣刀的前方，铣削进刀时激光的光斑始终在铣刀前方加热，使刀齿始终切削在经过加热变软的切削层。进行侧面铣削时，加热深度为铣削的背吃刀量a_p，加热宽度稍大于铣刀的侧吃刀量。用立铣刀铣削平面或球头铣刀铣削型面时，激光加热宽度大于每齿进给量。

4.激光加热切削参数的选择

激光加热切削法对刀具的硬度和强度等性能要求不高，但加热区温度较高，一般多使用耐高温的聚晶立方氮化硼PCBN铣刀，可以实现对难加工材料的高效切削加工。(www.xing528.com)

影响激光加热温度和加工效率的因素有：陶瓷材料成分、激光功率、加热时间、光斑直径、激光束入射角、工件移动速度、背吃刀量等。

图1-145 激光加热铣沟槽

1）各种陶瓷材料的成分、组织结构和添加剂不同其性能和软化温度不同，如Si₃N₄。陶瓷在烧结过程中加入MgO添加剂，会降低玻璃相的产生温度（920～970℃），屈服强度下降，材料由脆转塑。而不加添加剂的Si₃N₄陶瓷，当温度在1000～1100℃时其硬度和强度基本不下降。

2）陶瓷材料的软化温度一般为熔化温度的一半以上，通常在1000℃以上，而且温度越高，材料的硬度和强度下降得越多，材料的塑性越大，所需的切削力越少，但加热温度范围过大，过高的温度会使切削刃变软，加速刀具的磨损。同时，激光加热是局部快速加热，照射部分与周围未照射的材料产生较大的温度梯度和热应力，容易使陶瓷材料产生裂纹破损。

3）陶瓷材料对激光能量吸收率高低，决定切削区的温度，吸收率高低又与材料表面质量和激光波长有关。陶瓷材料对红外光具有强烈的吸收能力，Al₂O₃陶瓷和ZrO₃陶瓷对于CO₂的波长（10.6μm）吸收率达到100%，Si₃N₄对固体激光YAG波长（1.06μm）的吸收率达到70%，对CO₂的波长吸收率只有23%。

4）刀具与光斑间的距离L₁近时，被加热软化的材料能及时被切除，省力。而刀具距光斑距离远，没能及时切除，当刀具接近时材料已冷却，硬度提高了，导致切削力增大，而且易产生裂纹。

5）激光光束匀速运动，移动速度慢，加热区的温度高，移动速度快加热区的温度下降，所以调整光束的移动速度，可以调节加热区的温度，以满足不同材质所需的软化温度。

6）光斑直径D_i大小影响激光功率密度，光斑小热量集中，加热到软化时间短，加热速度快，一般使用光斑直径为ϕ（1～4）mm。

7）激光束加热工件时可以从两个方向射入，方向不同，照射的面积不同，其温度也不同，光束的入射角影响温度场的形状和温度分布。垂直照射温度集中，倾斜照射温度场大而且分散如图1-146所示。对于连续加工轨迹，要求加热区尽量小，选用Y方向加工，以保证加工区之外不受到激光烧蚀。

图1-146 光束不同的射入方向

8）激光加热在横向（Y轴）加热区温度集中并且对称，中心部位温度最高（图1-147）。在激光移动方向（X轴），表层温度不高，而且随着激光功率P功率增大，加热软化区范围大，温度等分线密度高（图1-148），切削区的温度高，切削力下降，加工表面质量好。

图1-147 功率对工件纵截面温度的影响

图1-148 功率对工件横截面温度的影响