激光加熱輔助切削加工技術(shù)研究進(jìn)展

張迎信, 安立寶

（華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

近年來，工程陶瓷、復(fù)合材料、高溫合金、鈦合金等先進(jìn)工程材料因其具有強(qiáng)度高、耐磨損、抗腐蝕、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性，在機(jī)械、化工、航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1-3]。采用常規(guī)方法加工這些材料時(shí)，由于硬度高、強(qiáng)度大、塑性低等特點(diǎn)，使得切削力和切削溫度非常高，刀具磨損嚴(yán)重，加工質(zhì)量差，加工幾何形狀受限[4]。激光加熱輔助切削加工（laser assisted machining，LAM）通過激光加熱軟化切削區(qū)材料，再利用刀具進(jìn)行切削加工[5]，與常規(guī)加工相比在降低切削力、延長刀具壽命、提高加工質(zhì)量和加工效率等方面展現(xiàn)出許多優(yōu)勢(shì)，為解決難加工材料的加工提供了一種有效途徑[6]。因此，激光加熱輔助切削加工技術(shù)成為近年來切削加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

激光加熱輔助切削加工技術(shù)自1978年問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步。K?nig等[7]率先將激光加熱輔助車削技術(shù)應(yīng)用于氮化硅陶瓷材料的加工，改善了材料的加工性能，獲得了表面粗糙度Ra低于0.5 μm的加工表面。Yang等[8]對(duì)氮化硅陶瓷材料進(jìn)行了激光加熱輔助銑削實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，采用激光輔助加熱將切削區(qū)溫度由838 ℃提高到1319 ℃時(shí)，切削力降低近50%，邊緣碎裂現(xiàn)象明顯減少，加工表面質(zhì)量提高，驗(yàn)證了激光加熱輔助銑削陶瓷材料的可行性。Anderson等[9]對(duì)Inconel718材料進(jìn)行了激光加熱輔助車削加工，較常規(guī)加工比切削能（去除單位體積材料所需要的切削能量）[10]降低25%，刀具壽命提高2～3倍。Dandekar等[11]對(duì)氮化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料A359/20SiCP進(jìn)行了激光加熱輔助車削實(shí)驗(yàn)研究，較常規(guī)加工比切削能降低12%，刀具壽命提高1.7～2.35倍，表面粗糙度Ra降低37%。吳雪峰等[12]對(duì)高溫合金GH4698材料進(jìn)行激光加熱輔助銑削加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削區(qū)溫度為600 ℃時(shí)能有效降低材料強(qiáng)度，與常規(guī)銑削相比，切削力降低35%，加工表面質(zhì)量更好。Hedberg等[13]對(duì)鈦合金材料Ti6Al4V進(jìn)行了激光輔助銑削加工實(shí)驗(yàn)研究，相比于常規(guī)加工，切削力降低30%～50%，表面殘余應(yīng)力降低10%，加工成本節(jié)省33%。本文綜述了近年來激光加熱輔助車削、銑削、鉆削、磨削等最新研究進(jìn)展，展望了激光加熱輔助切削加工技術(shù)未來的發(fā)展方向。

1 激光加熱輔助切削加工原理

1.1 加工原理

激光加熱輔助切削加工是利用高能激光束照射工件待加工表面，材料在短時(shí)間內(nèi)被加熱到一定溫度，發(fā)生軟化，然后再進(jìn)行切削加工，其加工基本原理如圖1所示。溫度對(duì)材料的加工性能有顯著的影響，通過對(duì)材料加熱可以降低材料的強(qiáng)度和硬度，降低切削力，減少刀具磨損和振動(dòng)，從而達(dá)到改善加工質(zhì)量，提高加工精度和加工效率的目的[14]。溫度對(duì)不同材料拉伸強(qiáng)度的影響如圖2所示[15]。

1.2 激光熱源

各種加熱輔助切削加工中常用的零件加熱方法包括激光加熱[15]、電加熱[16]、等離子弧加熱[17]和氧乙炔焰加熱[18]等。相比而言，激光加熱具有功率密度高、升溫迅速、能量分布和時(shí)間特性可控性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為加熱輔助切削加工中較理想的熱源。

在激光加熱輔助切削常用的激光系統(tǒng)中，CO2激光器發(fā)振10.6 μm波長的激光，由于金屬表面自由電子的固有頻率遠(yuǎn)大于該波段的激光，大部分激光能量被表面自由電子反射，導(dǎo)致透射率極低，激光不能夠很好地被金屬吸收，但陶瓷材料卻對(duì)該波長激光的吸收率可達(dá)85%以上，因此CO2激光器常作為加工陶瓷等非金屬材料的熱源[19]。摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器發(fā)振1.064 μm波長的激光，有利于金屬材料的吸收，而且適于反射鏡傳送和光纜傳送，能夠與機(jī)床集成復(fù)雜的加工系統(tǒng)[20]。半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、效率高、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可以與各種光電子器件實(shí)現(xiàn)集成，減小了激光與外圍設(shè)備的體積，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低[21]。光纖激光器發(fā)射的光束質(zhì)量好且穩(wěn)定，其整體化的結(jié)構(gòu)可以解決內(nèi)腔光學(xué)件污染及位置變化引起的故障，而且光纖體積小、柔軟可彎曲，便于激光傳輸，有利于機(jī)械系統(tǒng)的小型化和集約化[22]。

2 激光加熱輔助切削實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

2.1 激光加熱輔助車削加工

由于引入了激光熱源，激光加熱輔助切削在加工工藝參數(shù)選擇上與常規(guī)加工有所不同。加工參數(shù)的確定需要在常規(guī)切削用量選擇原則的基礎(chǔ)上，綜合考慮激光熱效應(yīng)對(duì)工件材料和刀具壽命的影響。合理地選擇激光參數(shù)和切削參數(shù)，以達(dá)到改善加工表面質(zhì)量和提高加工效率的目的。

激光參數(shù)包括激光功率、激光光斑尺寸、激光掃描速率、激光光斑與刀尖距離、激光發(fā)射角等對(duì)切削區(qū)溫度分布以及材料軟化程度具有重要影響[23]。Panjehpour等[24]對(duì)AISI52100進(jìn)行激光加熱輔助車削實(shí)驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的增加，熱滲透深度增加，切削區(qū)材料得到充分軟化，進(jìn)行切削時(shí)刀具受到的阻力小，刀具磨損降低。當(dāng)激光功率超過425 W，將導(dǎo)致刀具過熱，刀具磨損率增加。實(shí)驗(yàn)獲得的最優(yōu)加工參數(shù)組合為：激光功率P=425 W，脈沖頻率fp=120 Hz，切削速率vc=70 m/min，進(jìn)給量f=0.08 mm/r，切削深度ap=0.2 mm。在此加工參數(shù)組合下，較常規(guī)加工表面粗糙度Ra降低18%，比切削能降低25%。Kannan等[25]對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行激光加熱輔助車削時(shí)指出，隨著激光掃描速率增加，切削區(qū)材料受激光輻照時(shí)間相對(duì)減少，材料受熱軟化程度降低，導(dǎo)致切削力增大。實(shí)驗(yàn)獲得的最優(yōu)加工參數(shù)組合為：激光功率P=350 W，進(jìn)給量f=0.03 mm/r，切削深度ap=0.3 mm，光斑直徑d=2 mm，激光掃描速率v=35～55 mm/min。在此加工參數(shù)組合下，較常規(guī)加工切削力最大可降低80%，刀具壽命顯著提高。Navas等[26]對(duì)Inconel718進(jìn)行了激光加熱輔助車削實(shí)驗(yàn)，研究了激光光斑尺寸以及激光光斑與刀尖距離對(duì)Inconel718切削性能的影響。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了1.25 mm×1.25 mm方形光斑、1.6 mm×1.3 mm橢圓形光斑、直徑2 mm圓形光斑在功率密度、反應(yīng)時(shí)間和降低切削力方面的差異，方形光斑功率密度高，橢圓形光斑反應(yīng)時(shí)間長，圓形光斑有適中的功率密度和反應(yīng)時(shí)間，在降低切削力方面更明顯。隨著光斑直徑增大，輻照面積擴(kuò)大，但激光功率密度降低，工件單位面積受輻照能量減少，導(dǎo)致加熱軟化效果降低。激光光斑中心與刀尖應(yīng)該保持合適的距離，既要達(dá)到激光輔助加熱的效果，又要避免刀具過熱損壞或者融化的切屑飛濺到已加工表面影響加工質(zhì)量。鄢銼等[27]對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行了激光加熱輔助車削，激光束以布儒斯特入射角切向入射，光斑呈橢圓狀，雖然相對(duì)于垂直輻照時(shí)激光功率密度有所降低，但輻照面積擴(kuò)大，切削區(qū)材料受熱更加均勻，更有利于提高加工質(zhì)量。Ding等[28]采用兩束激光照射的方式對(duì)AMS5704鎳基高溫合金進(jìn)行了車削實(shí)驗(yàn)，使CO2激光束垂直照射工件待加工表面，Nd:YAG激光束傾斜照射工件過渡表面，這種方式可使切削區(qū)域受熱更均勻，較常規(guī)加工比切削能降低20%，刀具壽命增加50%，表面粗糙度Ra降低200%～300%。

進(jìn)給量、切削速率、切削深度等切削參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量、加工效率和加工成本有著非常重要的影響。Kim等[29]對(duì)氮化硅陶瓷進(jìn)行加熱輔助車削實(shí)驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)給量的增加，切削區(qū)平均加熱溫度降低，導(dǎo)致切削力增加，刀具壽命降低。隨著切削深度的增加，深層材料的軟化程度小，導(dǎo)致切削力和刀具磨損增加，氮化硅陶瓷材料的切削深度最大為3 mm。Xavierarockiaraj等[30]對(duì)SKD11工具鋼進(jìn)行激光加熱輔助車削實(shí)驗(yàn)研究，分析了切削參數(shù)對(duì)切削力、表面粗糙度、刀具磨損的影響規(guī)律。隨著進(jìn)給量的增加，切削力、刀具磨損和表面粗糙度增加，宜采用較小的進(jìn)給量以增加材料受熱軟化時(shí)間。隨著切削速率的增加，切削區(qū)平均加熱溫度降低，刀具磨損增加，表面粗糙度增加，最優(yōu)的切削速率為vc=100 m/min。在激光功率P=1000 W，切削速率vc=100 m/min，進(jìn)給量f=0.03 mm/r時(shí)，可以獲得最小的切削力。Rashid[31]利用Nd:YAG激光對(duì)Ti6Cr5Mo5V4Al合金進(jìn)行了加熱輔助車削實(shí)驗(yàn)研究，推薦的加工參數(shù)范圍為：激光功率P=1200 W，進(jìn)給量 f=0.15～0.25 mm/r，切削速率 vc=25～100 m/min。當(dāng)進(jìn)給量f＜0.15 mm/r時(shí)，加工效率低；而當(dāng)進(jìn)給量f＞0.25 mm/r時(shí)，切削區(qū)材料加熱軟化程度低，將加劇刀具磨損。切削速率vc＜25 m/min時(shí)，由于工件受熱時(shí)間長，過熱導(dǎo)致刀具粘接磨損，降低加工表面質(zhì)量。而當(dāng)切削速率vc＞100 m/min時(shí)，工件切削區(qū)受激光加熱時(shí)間減少，材料得不到充分軟化，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重。Tadavani等[32]在對(duì)Inconel718進(jìn)行激光加熱輔助車削時(shí)，通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、信噪比和方差分析確定了最優(yōu)加工參數(shù)組合為：激光功率P=400 W，脈沖頻率fp=80 Hz，加熱溫度T=540 ℃，切削速率vc=24 m/min，進(jìn)給量f=0.052 mm/r。在此加工參數(shù)組合下，較常規(guī)加工表面粗糙度Ra降低22%，比切削能降低35%，刀具磨損降低23%。

此外，Mohammadi等[33]還研究了刀具幾何參數(shù)在激光加熱輔助車削硅晶片時(shí)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響。在激光功率P=20 W，主軸轉(zhuǎn)速n=2000 r/min，進(jìn)給量f=0.001 mm/r，切削深度ap=0.005 mm條件下，當(dāng)車刀前角為γ0=-45°時(shí)，得到的表面粗糙度Ra為9.8 nm。當(dāng)車刀前角為γ0=-25°時(shí)，得到的表面粗糙度Ra為3.2 nm。

2.2 激光加熱輔助銑削加工

銑削是指利用旋轉(zhuǎn)的多刃刀具切削工件，不僅可以加工平面、溝槽、輪齒等，也可以加工復(fù)雜型面。由于銑削是多刃斷續(xù)切削，每個(gè)刀齒在切削過程中的切削厚度是變化的，沖擊載荷較大，容易發(fā)生振動(dòng)[34]。采用激光加熱輔助銑削可以減少切削時(shí)銑刀的振顫，降低切削力，提高刀具壽命，改善加工表面質(zhì)量。

Kumar等[35]在對(duì)A2工具鋼進(jìn)行激光加熱輔助銑槽時(shí)發(fā)現(xiàn)，相比于常規(guī)加工，材料去除率提高6倍，切削力降低69%，銑槽毛刺減少，刀具切削刃破損明顯降低。Woo等[36]利用激光加熱輔助銑削球面時(shí)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)加工相比，銑削AISI1045鋼和Inconel718切削力分別降低82%和38%，表面粗糙度Ra分別降低53%和74%，刀具振動(dòng)減小。Kim等[37]對(duì)AISI1045、Inconel718和鈦合金的球面工件進(jìn)行了激光加熱輔助銑削加工實(shí)驗(yàn)研究，相比于常規(guī)加工，銑削AISI1045、Inconel718和鈦合金切削力分別降低2.1%～8.6%，3.7%～12.3%，0.8%～21.2%，表面粗糙度Ra分別降低14.5%～59.1%，19.9%～32.4%，15.7%～36%，加工效率顯著提高。

在激光加熱輔助銑削中，由于切削區(qū)溫度較高，很容易導(dǎo)致刀具發(fā)生黏結(jié)磨損或擴(kuò)散磨損，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致刀具產(chǎn)生塑性變形，改變刀具幾何參數(shù)。合理選用切削液，可以有效減小刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦，降低切削溫度，提高刀具耐用度和加工質(zhì)量。Bermingham等[38]在對(duì)Ti6Al4V進(jìn)行激光加熱輔助銑削實(shí)驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在較低的切削速率下，采用微量潤滑的方式對(duì)刀具進(jìn)行冷卻，可以降低切削溫度，延緩切削刃出現(xiàn)微小缺口或剝落的時(shí)間，刀具壽命提高5倍以上。在較高的切削速率下，使用切削液則可能導(dǎo)致工件、刀具產(chǎn)生熱沖擊或熱疲勞。

2.3 激光加熱輔助鉆削加工

鉆削在加工各類機(jī)器零部件中的應(yīng)用非常廣泛，采用常規(guī)鉆削加工鍛造毛坯、難加工材料或經(jīng)過硬化處理的零部件時(shí)，由于材料硬度高、強(qiáng)度大、表面形狀不規(guī)則等原因，容易導(dǎo)致鉆頭引偏、鉆削軸向力大、鉆頭磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象[39]。激光加熱輔助鉆削加工是利用激光對(duì)工件的鉆孔區(qū)域進(jìn)行加熱，軟化表層材料，之后關(guān)閉激光，迅速對(duì)加熱區(qū)域進(jìn)行鉆孔加工[40]。采用激光輔助加熱的方法進(jìn)行鉆削加工，可以使鉆頭定位準(zhǔn)確、避免引偏，減小鉆削阻力和鉆頭磨損，進(jìn)而提高加工精度和加工效率。

目前，對(duì)激光加熱輔助鉆削加工的研究遠(yuǎn)不如激光加熱輔助車削和銑削充分，但也取得了一定的進(jìn)展。Jen等[39]對(duì)碳素鋼材料進(jìn)行了激光加熱輔助鉆削加工，實(shí)驗(yàn)時(shí)將CO2激光光斑調(diào)整為環(huán)形，對(duì)輻照中間區(qū)域進(jìn)行鉆削，獲得了激光功率、激光光斑尺寸對(duì)加熱溫度的影響規(guī)律，提高了鉆孔質(zhì)量和效率。Zheng等[40]采用激光加熱輔助鉆削加工技術(shù)對(duì)汽車關(guān)鍵零部件鉆孔問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，與常規(guī)鉆削相比，在入鉆孔徑方面，40Cr、45鋼、不銹鋼分別增加了50.5%，52.2%，51.4%；在鉆孔效率方面，QT600、45鋼、不銹鋼分別提升了19.3%，16.3%，39.9%。同樣地，Zhang等[41]對(duì) 41Cr4、C45E4、不銹鋼和鑄鐵進(jìn)行了激光加熱輔助鉆孔的實(shí)驗(yàn)研究，與常規(guī)鉆孔加工相比發(fā)現(xiàn)：在入鉆孔徑方面，41Cr4、C45E4、不銹鋼分別增加了122.7%，85.9%，140.7%；在鉆孔效率方面，鑄鐵、C45E4、不銹鋼分別提升了18.6%，16.3%，39.9%。Choubey等[42]利用 Nd:YAG激光輔助加熱方法對(duì)大理石進(jìn)行了鉆削實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)能有效降低大理石表面的應(yīng)力集中，提高表面完整性，降低加工成本，提高加工效率。

在激光加熱輔助鉆削加工中，激光只能對(duì)工件表層材料起到快速加熱、軟化的作用，有利于快速入鉆；但是，隨著鉆孔深度不斷增加，激光無法對(duì)孔內(nèi)材料進(jìn)行加熱，不能進(jìn)一步提高加工效率。目前，對(duì)于激光加熱輔助鉆削加工中鉆削力、刀具磨損、孔的圓度和表面粗糙度等方面報(bào)道較少，在這些方面的研究工作需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.4 激光加熱輔助磨削加工

工程陶瓷材料如氮化硅、氧化鋁、氧化鋯等以其具有強(qiáng)度高、硬度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、汽車、航天航空等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。磨削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，導(dǎo)致切削力大、刀具磨損嚴(yán)重、材料去除率低，而且加工表面容易產(chǎn)生亞表面損傷[43]。此外，由于陶瓷的導(dǎo)熱性較差，磨削過程中產(chǎn)生的熱量積蓄在工件表面，使工件表層產(chǎn)生很高的溫度梯度，極易導(dǎo)致材料表層出現(xiàn)熱損傷，甚至出現(xiàn)碎裂。激光加熱輔助磨削加工采用激光對(duì)工件表面進(jìn)行預(yù)加熱，可明顯降低材料硬度和脆性，降低磨削力，減少亞表面損傷產(chǎn)生，提高磨削表面質(zhì)量[44]。

Chang等[45]采用激光加熱輔助磨削對(duì)氮化硅陶瓷材料加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)磨削相比，激光加熱輔助加工過程更穩(wěn)定，表面完整性更好，并且沒有明顯的微觀組織變化和裂紋。Kumar等[46]對(duì)氮化硅陶瓷材料進(jìn)行了激光加熱輔助磨削加工，結(jié)果表明，相比于常規(guī)磨削加工，切削力降低了43.2%，刀具磨損降低，材料去除率提高。Kizaki等[47]對(duì)氧化釔穩(wěn)定四方相氧化鋯多晶陶瓷（Y-TZP）進(jìn)行了激光加熱輔助磨削實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，Y-TZP材料的適宜磨削溫度為490 ℃左右，在此溫度下，YTZP的斷裂韌度是5.3 MPa·m1/2，遠(yuǎn)小于在室溫下的9.1 MPa·m1/2。與常規(guī)加工相比，激光加熱輔助磨削可以降低材料硬度，減小磨削力和刀具磨損，提高加工質(zhì)量和效率。

2.5 激光加熱輔助車銑加工

車銑加工是一種先進(jìn)切削加工方法，利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行切削加工[48]。車銑加工包括工件旋轉(zhuǎn)、銑刀旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向和徑向進(jìn)給四個(gè)基本運(yùn)動(dòng)，其加工方式分為正交車銑和軸向車銑兩大類，其中正交車銑的應(yīng)用較為廣泛。作為一種相對(duì)較新的復(fù)合加工方法，車銑加工的特點(diǎn)主要有：優(yōu)良的斷續(xù)切削性、大的金屬切除率、對(duì)異形回轉(zhuǎn)體零件有很好的加工能力等[49]。

激光加熱輔助車銑加工可以進(jìn)一步降低切削力，延長刀具壽命，提高復(fù)雜型面零件、微細(xì)軸類零件的加工質(zhì)量。Chio等[50]開發(fā)了一套基于C++的應(yīng)用程序，可以把CAD圖形文件轉(zhuǎn)換成NC代碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)矩形和四葉草形截面工件的自動(dòng)編程，該程序成功應(yīng)用于五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。Kim等[51]對(duì)SM45C材料進(jìn)行了激光加熱輔助車銑加工實(shí)驗(yàn)研究，與常規(guī)車銑加工相比，切削時(shí)刀具振動(dòng)降低，切削過程更加平穩(wěn)，矩形截面工件軸向力和徑向力分別降低了10.4%和13.5%，四葉草形截面工件軸向力和徑向力分別降低了10.6%和8.9%。矩形截面與四葉草形截面工件表面粗糙度Ra分別降低39.9%和37.1%。Cha等[52-53]利用田口方法對(duì)激光加熱輔助車銑氮化硅陶瓷的加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，對(duì)表面粗糙度影響的顯著程度依次為切削深度、激光功率和切削速率。

激光加熱輔助車銑加工在降低切削力、延長刀具壽命和提高加工效率等方面展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，但是在機(jī)床穩(wěn)定性、加工形狀誤差等方面還有很多不足，仍需要做進(jìn)一步的研究和完善。

2.6 其他激光加熱輔助切削加工方法

激光輔助加熱還應(yīng)用于其他加工方式，如刨削、拋光、車削修整等。Chang等[54]在對(duì)激光加熱輔助刨削加工氧化鋁陶瓷時(shí)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)刨削加工相比，軸向力減小20%，徑向力減小22%，表面粗糙度Ra降低50%以上，表面完整性更好。Tian等[55]對(duì)AISI4140與MP35N材料進(jìn)行了激光加熱輔助拋光試驗(yàn)，結(jié)果表明：與常規(guī)拋光加工相比，刀具磨損明顯減小，加工表面完整性更好，但是表面殘余應(yīng)力卻有所增加。針對(duì)超硬磨料砂輪硬度高、修整難、修整效率低的問題，Zhang等[56]對(duì)金屬結(jié)合劑CBN砂輪進(jìn)行了激光加熱輔助車削修整實(shí)驗(yàn)研究，在保證修整質(zhì)量的前提下，與傳統(tǒng)的金剛石刀具修整方法相比，激光加熱輔助車削修整能夠極大地縮短修整時(shí)間，提高修整效率，延長修整刀具的使用壽命。

綜上所述，激光加熱輔助車削、銑削、鉆削、磨削等加工方式較常規(guī)加工在降低切削力、提高刀具壽命、改善加工質(zhì)量、節(jié)約成本等方面有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)，但在激光加熱輔助切削加工工藝、刀具磨損機(jī)理等方面的研究存在一些不足之處，激光加熱輔助加工技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間。

3 激光加熱輔助切削仿真研究進(jìn)展

3.1 溫度場(chǎng)仿真研究

激光加熱輔助切削加工中，切削區(qū)溫度及分布是影響刀具使用壽命和加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。切削區(qū)溫度過高會(huì)造成材料熱損傷或刀具黏結(jié)磨損，影響材料已加工表面質(zhì)量，而溫度過低則會(huì)削弱激光輔助加熱效果。采用溫度場(chǎng)仿真的方法能較為直觀、準(zhǔn)確地反映實(shí)際切削溫度場(chǎng)分布。通過建立不同工藝參數(shù)下的溫度場(chǎng)仿真模型，預(yù)測(cè)材料的最優(yōu)去除溫度范圍，優(yōu)化加工參數(shù)，可大幅度節(jié)省實(shí)測(cè)成本。在溫度場(chǎng)仿真研究方面，目前應(yīng)用較多的數(shù)值仿真方法包括有限元法、有限體積法等。

Cha等[52]采用有限元方法建立了激光加熱輔助車銑加工氮化硅陶瓷三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)模型，不同激光功率加熱下的仿真與實(shí)測(cè)平均溫度誤差為1.5%～6.2%。Roostaei等[57]建立了熔融石英陶瓷（SCFS）三維溫度場(chǎng)有限元模型，并對(duì)仿真結(jié)果與高溫計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，在加熱時(shí)間25 s到43 s之間時(shí)，兩者基本吻合。在加熱時(shí)間小于25 s或者大于43 s時(shí)，兩者誤差增加，溫度誤差最大為40 K。Kim等[51]對(duì)SM45C進(jìn)行了激光加熱輔助車銑加工溫度場(chǎng)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，矩形截面和四葉草截面工件平均加熱溫度的預(yù)測(cè)誤差分別為8.7%和6.4%。仿真得到的矩形截面工件的有效切削深度和寬度分別為0.34 mm和2.26 mm，四葉草截面工件的有效切削深度和寬度分別為0.45 mm和2.89 mm。

Rozzi等[58]利用有限體積法對(duì)氮化硅陶瓷進(jìn)行了激光加熱輔助車削溫度場(chǎng)研究，分析了激光熱通量、表面對(duì)流、熱傳導(dǎo)與熱輻射等對(duì)表面溫度的影響，模擬了不同切削參數(shù)、激光參數(shù)下的溫度場(chǎng)分布，溫度場(chǎng)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。此外，鄢銼等[59]采用有限差分方法建立了激光加熱輔助切削氧化鋁陶瓷的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱模型，模擬了不同激光功率、激光掃描速率和激光光斑半徑對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。研究表明，采用較低的激光掃描速率、較高的激光功率和較小的激光光斑半徑更有利于軟化切削區(qū)域材料，從而獲得理想的切削深度。Kashani等[60]采用解析法建立了激光加熱輔助切削碳素鋼的溫度場(chǎng)數(shù)值模型，并且采用高溫計(jì)對(duì)工件溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了實(shí)測(cè)，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)。Chang等[54]將格子波爾茲曼法（LBM）應(yīng)用到激光加熱輔助切削氧化鋁陶瓷的溫度場(chǎng)研究中，得到的溫度場(chǎng)分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性。

3.2 切削過程仿真研究

通過對(duì)激光加熱輔助切削過程仿真可以獲得切削應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等物理變量，為減少加工表面損傷與優(yōu)化加工工藝參數(shù)提供依據(jù)。應(yīng)用于切削過程仿真研究的方法有有限元方法、離散單元法、光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法等。

Tian等[61]采用有限元方法對(duì)激光加輔助切削氮化硅陶瓷的加工過程進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，在載荷的擠壓作用下晶粒玻璃相產(chǎn)生微裂紋，隨著微裂紋的擴(kuò)展最終在剪切區(qū)形成宏觀的裂紋，發(fā)生滑移產(chǎn)生非連續(xù)切屑。仿真得到的切屑厚度約為15 μm，略微小于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，切削力誤差為10%～15%。表面殘余應(yīng)力的仿真值與實(shí)驗(yàn)值基本一致，證明了仿真模型的有效性。Liu等[62]對(duì)Ti6Al4V材料進(jìn)行了激光加熱輔助銑削過程的有限元仿真，在溫度場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上，采用順序熱力耦合的方法加入銑削模型，得到了切削力變化規(guī)律及刀具溫度場(chǎng)分布，切削力的仿真值與實(shí)驗(yàn)值的誤差為11.8%。

Shen等[63]利用離散單元法（DEM）對(duì)激光加熱輔助銑削氮化硅陶瓷過程進(jìn)行了仿真研究，以分散的粒子簇表示氮化硅陶瓷材料組織，以黏合單元的斷裂來模擬加工過程中裂紋的形成與擴(kuò)展。通過對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：將DEM方法應(yīng)用于切削過程仿真可以預(yù)測(cè)不同加工條件下的材料亞表面損傷；陶瓷材料的去除機(jī)理主要是發(fā)生脆性斷裂；切削深度越大，刀具的切削力越大，工件越容易出現(xiàn)邊緣碎裂，切削力對(duì)裂紋的形成和擴(kuò)展具有重要的影響。

Balbaa等[64]采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法（SPH）對(duì)Inconel718材料進(jìn)行了切削過程的仿真研究，發(fā)現(xiàn)刀具前端的激光加熱軟化效應(yīng)是造成殘余應(yīng)力的主要因素，激光加熱輔助切削主要產(chǎn)生沿切削方向的表面殘余拉應(yīng)力，而常規(guī)切削主要產(chǎn)生表面殘余壓應(yīng)力。此外，Nasr等[65]利用有限元方法對(duì)AISI4340鋼進(jìn)行切削過程仿真研究時(shí)也得到了上述類似的結(jié)論。

4 結(jié)束語

本文綜述了近年來激光加熱輔助切削加工技術(shù)的最新研究進(jìn)展。在加工方式上，激光加熱輔助車削、銑削、鉆削、磨削等技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，降低了切削力，改善了加工質(zhì)量，提高了加工效率，為解決工程陶瓷、復(fù)合材料、高溫合金、鈦合金等難加工材料的加工提供了可行的方法。通過對(duì)溫度場(chǎng)和切削過程的仿真研究，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料最優(yōu)去除溫度范圍的預(yù)測(cè)以及對(duì)加工工藝參數(shù)的優(yōu)化，為實(shí)際加工提供依據(jù)。雖然激光加熱輔助切削加工技術(shù)已經(jīng)取得了一系列研究成果，但在加工機(jī)理、加工工藝及工業(yè)應(yīng)用等方面還存在一定問題，參考國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)仍需要進(jìn)一步做好以下研究工作：

（1）加強(qiáng)對(duì)難加工材料的加工條件及去除機(jī)理的研究，解決在激光加熱輔助切削過程中可能會(huì)出現(xiàn)的刀具黏結(jié)磨損、刀具與切屑分離困難、刀具冷卻等問題。

（2）加強(qiáng)對(duì)激光加熱輔助切削加工仿真的研究，建立準(zhǔn)確、快速的溫度場(chǎng)及切削過程仿真模型，并提高仿真模型的求解速度和準(zhǔn)確性。優(yōu)化激光參數(shù)、切削參數(shù)等工藝參數(shù)，建立完善的激光加熱輔助切削加工數(shù)據(jù)庫，為合理選擇加工工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

（3）加強(qiáng)對(duì)工業(yè)化激光加熱輔助切削加工系統(tǒng)的研究，提高激光加熱輔助切削加工系統(tǒng)的生產(chǎn)研發(fā)和配套能力，增強(qiáng)激光加熱輔助切削加工系統(tǒng)的集成性、穩(wěn)定性和精度保持性，以促進(jìn)激光加熱輔助切削加工技術(shù)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。

隨著激光技術(shù)、切削加工技術(shù)以及材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光加熱輔助切削加工技術(shù)將在難加工材料加工、微細(xì)加工等領(lǐng)域具有更廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］SHOKRANI A, DHOKIA V, NEWMAN S T.Environmentally conscious machining of difficult-to-machine materials with regard to cutting fluids[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 57（2）: 83-101.

［2］王清江, 劉建榮, 楊銳.高溫鈦合金的現(xiàn)狀與前景[J].航空材料學(xué)報(bào), 2014, 34（4）: 1-26.（WANG Q J, LIU J R, YANG R.High temperature titanium alloys: status and perspective[J].Journal of Aeronautical Materials, 2014, 34（4）: 1-26.）

［3］朱知壽.我國航空用鈦合金技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].航空材料學(xué)報(bào), 2014, 34（4）: 44-50.（ZHU Z S.Recent research and development of titanium alloys for aviation application in China[J].Journal of Aeronautical Materials, 2014, 34（4）: 44-50.）

［4］DING H, SHIN Y C.Laser-assisted machining of hardened steel parts with surface integrity analysis[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2010, 50（1）: 106-114.

［5］SMUROV I Y, OKOROKOV L V.Laser assisted machining[M].Netherlands: Springer, 1993.

［6］VENKATESAN K, RAMANUJAM R, KUPPAN P.Laser assisted machining of difficult to cut materials: research opportunities and future directions—a comprehensive review[J].Procedia Engineering, 2014, 97: 1626-1636.

［7］K?NIG W, ZABOKLICKL A K.Laser-assisted hot machining of ceramics and composite materials[C]//Proceedings of the International Conference on Machining of Advanced Materials, Gaithersburg, July 20-22, 1993: 455-463.

［8］YANG B D, LEI S T.Laser-assisted milling of silicon nitride ceramic: a machinability study[J].International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems,2008, 1（1）: 116-130.

［9］ANDERSON M, PARWA R, SHIN Y C.Laser-assisted machining of Inconel718 with an economic analysis[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2006, 46（14）: 1879-1891.

［10］RODRIGUES A R, REGINALDO T C.Influence of the tool edge geometry on specific cutting energy at highspeed cutting[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2007, 29（3）: 279-283.

［11］DANDEKAR C R, SHIN Y C.Experimental evaluation of laser-assisted machining of silicon carbide particle-reinforced aluminum matrix composites[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013,66（9）: 1603-1610.

［12］吳雪峰, 趙博文, 馮高誠.激光加熱輔助銑削高溫合金GH4698試驗(yàn)研究[J].工具技術(shù), 2016, 4: 12-16.（WU X F, ZHAO B W, FENG G H.Experimental study on laser-assisted milling of super-alloy GH4698[J].Tool Engineering, 2016, 4: 12-16.）

［13］HEDBERG G K, SHIN Y C, XU L.Laser-assisted milling of Ti6Al4V with the consideration of surface integrity[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 79（9）: 1645-1658.

［14］BRANDT M, SUN S.Laser-assisted machining: current status and future scope[M].Berlin: Springer, 2013.

［15］BRECHER C, ROSEN C J, EMONTS M.Laser-assisted milling of advanced materials[J].Physics Procedia, 2010,5（1）: 259-272.

［16］LIU X, XU W J, SUN J, et al.Research on heating resistance in electric hot machining[J].Advanced Materials Research, 2012, 430/431/432: 209-212.

［17］SHI B, DAI Y, XIE X, et al.Arc-enhanced plasma machining technology for high efficiency machining of silicon carbide[J].Plasma Chemistry and Plasma Processing,2016, 36（3）: 1-10.

［18］TORRES B, CAMPO M, LIEBLICH M, et al.Oxy-acetylene flame thermal sprayed coatings of aluminium matrix composites reinforced with MoSi2, intermetallic particles [J].Surface and Coatings Technology, 2013,236（24）: 274-283.

［19］ELTAWAHNI H A, BENYOUNIS K Y, OLABI A G.High power CO2laser cutting for advanced materials—review[M].Netherlands: Elsevier, 2016.

［20］CHRYSSOLOURIS G.Laser machining—theory and practice[M].New York: Springer, 1991.

［21］NUMAI T.Fundamentals of semiconductor lasers[M].New York: Springer, 2004.

［22］YUKI H, SAKAI K, SHIZUKA H.The effect of fiber laser machining parameters on thermal-affected zone of carbon fiber reinforced plastic[J].Advanced Materials Research, 2016, 1136: 377-383.

［23］閆世興, 董世運(yùn), 徐濱士, 等.預(yù)熱溫度對(duì)灰鑄鐵表面激光熔覆鎳基涂層組織與性能的影響[J].材料工程, 2015,43（1）: 30-36.（YAN S X, DONG S Y, XU B S, et al.Effect of preheating temperature on microstructure and property of laser clad Ni-based alloy coating on gray cast iron substrate[J].Journal of Materials Engineering, 2015, 43（1）:30-36.）

［24］PANJEHPOUR A, YAZDI M R S, SHOJA R R.An experimental investigation of pulsed laser-assisted machining of AISI52100 steel[J].Optics and Laser Technology,2014, 63（4）: 137-143.

［25］KANNAN M V, KUPPAN P, KUMAR A S, et al.Effect of laser scan speed on surface temperature, cutting forces and tool wear during laser assisted machining of Alumina[J].Procedia Engineering, 2014, 97: 1647-1656.

［26］NAVAS V G, ARRIOLA I, GONZALO O, et al.Mechanisms involved in the improvement of Inconel718 machinability by laser assisted machining(LAM)[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2013,74（4）: 19-28.

［27］鄢銼.激光加熱輔助切削Al2O3工程陶瓷理論與試驗(yàn)研究[D].長沙: 湖南大學(xué), 2008.（YAN C.Theory and experimental investigation on laser hot-assisted machining Al2O3engineering ceramics[D].Changsha: Hunan University, 2008.）

［28］DING H, SHIN Y C.Improvement of machinability of Waspaloy via laser-assisted machining[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2013, 64（1）: 475-486.

［29］KIM J D, LEE S J.Characteristics of laser assisted machining for silicon nitride ceramic according to machining parameters[J].Journal of Mechanical Science and Technology, 2011, 25（4）: 995-1001.

［30］XAVIERAROCKIARAJ S, KUPPAN P.Investigation of cutting forces, surface roughness and tool wear during laser assisted machining of SKD11 tool steel[J].Procedia Engineering, 2014, 97: 1657-1666.

［31］RASHID R A R, SUN S, WANG G, et al.An investigation of cutting forces and cutting temperatures during laser-assisted machining of the Ti6Cr5Mo5V4Al beta titanium alloy[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 63: 58-69.

［32］TADAVANI S A, RAZAVI R S, VAFAEI R.Pulsed laser-assisted machining of Inconel718 super-alloy[J].Optics and Laser Technology, 2017, 87: 72-78.

［33］MOHAMMADI H, RACINDRA D, KODE S K, et al.Experimental work on micro laser-assisted diamond turning of silicon(111)[J].Journal of Manufacturing Processes, 2015, 19（3）: 125-128.

［34］ALTINTAS Y.Manufacturing automation: metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design[M].UK: Cambridge University Press, 2012.

［35］KUMAR M, MELKOTE S N.Process capability study of laser assisted micro milling of a hard-to-machine material[J].Journal of Manufacturing Processes, 2012, 14（1）:41-51.

［36］WOO W S, LEE C M.A study of the machining characteristics of AISI1045 steel and Inconel718 with a cylindrical shape in laser-assisted milling[J].Applied Thermal Engineering, 2015, 91: 33-42.

［37］KIM I W, LEE C M.A study on the machining characteristics of specimens with spherical shape using laser-assisted machining[J].Applied Thermal Engineering, 2016,100: 636-645.

［38］BERMINGHAM M J, SIM W M, KENT D, et al.Tool life and wear mechanisms in laser assisted milling Ti6Al4V[J].Wear, 2015（Suppl 322/323）: 151-163.

［39］JEN T C, CHEN Y M, TUCHOWSKI F.Experimental and numerical studies of laser-assisted drilling processes[C]//ASME 2004 Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference, North Carolina, July 11-15,2004: 1015-1023.

［40］ZHENG L, ZHANG G, WANG Y, et al.Experimental study of laser assisted drilling[J].Applied Laser, 2013, 6:612-617.

［41］ZHANG G, JIANG C, ZHANG S, et al.An experimental investigation of laser assisted drilling process[J].Material Research Innovations, 2016, 19（Suppl 8）: 889-894.

［42］CHOUBEY A, JAIN R K, VISHWAKARMA S C, et al.Nd: YAG laser assisted drilling and spallation of rocks[J].Advanced Science，Engineering and Medicine, 2013, 5:905-911.

［43］DU J H, LIU Y H, LI X P, et al.The grinding technology of engineering ceramics[J].Materials for Mechanical Engineering, 2005, 3: 1-3.

［44］WESTK?MPER E.Grinding assisted by Nd: YAG lasers[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1995,44（1）: 317-320.

［45］CHANG W L, LUO X C, ZHAO Q L, et al.Laser assisted micro-grinding of high strength materials[J].Key Engineering Materials, 2011, 496: 44-49.

［46］KUMAR M, MELKOTE S, LAHOTI G.Laser-assisted micro-grinding of ceramics[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2011, 60（1）: 367-370.

［47］KIZAKI T, TIO Y, TANABE S, et al.Laser-assisted machining of zirconia ceramics using a diamond bur[J].Procedia CIRP, 2016, 42: 497-502.

［48］SCHULZ H, SPUR G.High speed turn-milling—a new precision manufacturing technology for the machining of rotationally symmetrical workpieces[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1990, 39（1）: 107-109.

［49］KARA M E, BUDAK E.Optimization of turn-milling processes[J].Procedia CIRP, 2015, 33: 476-483.

［50］CHOI J Y, LEE C M.NC code generation for laser assisted turn-mill of various type of clovers and square section members[J].Journal of Central South University,2012, 19（11）: 3064-3068.

［51］KIM J H, CHOI J Y, LEE C M.A study on the effect of laser preheating on laser assisted turn-mill for machining square and spline members[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2014, 15（2）:275-282.

［52］CHA N H, WOO W S, LEE C M.A study on the optimum machining conditions for laser-assisted turn-mill[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2015, 16（11）: 2327-2332.

［53］CHA N H, LEE C M.A study on machining characteristics of silicon nitride with spline members in laser-assisted turn-mill[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2015, 16（13）: 2691-2697.

［54］CHANG C W, KUO C P.An investigation of laser-assisted machining of Al2O3, ceramics planning [J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007,47（3/4）: 452-461.

［55］TIAN Y, SHIN Y C.Laser assisted burnishing of metals[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, 47（1）: 14-22.

［56］ZHANG G J, LI M Z, HUANG Y, et al.Experiment studies of Nd: YAG laser assisted dressing technique for metal-bonded CBN grinding wheel by crankshaft grinding[J].Advanced Materials Research, 2013, 652/653/654: 2147-2152.

［57］ROOSTAEI H, MOVAHHEDY M R.Analysis of heat transfer in laser assisted machining of slip cast fused silica ceramics[J].Procedia CIRP, 2016, 46: 571-574.

［58］ROOZZI J C, PFEFFERKORN F E, INCROPERA F P, et al.Transient, three-dimensional heat transfer model for the laser assisted machining of silicon nitride: I.Comparison of predictions with measured surface temperature histories[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000, 43（8）: 1409-1424.

［59］鄢銼, 李力鈞, 金湘中, 等.Al2O3熱壓陶瓷激光輔助切削溫度場(chǎng)分布與切削深度 [J].中國有色金屬學(xué)報(bào), 2008,18（2）: 254-259.（YAN C, LI L J, JIN X Z, et al.Temperature field distribution and cutting depth during laser-assisted machining of hot-sintered Al2O3ceramics [J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18（2）: 254-259.）

［60］KASHANI M M, MOVAHHEDY M R, AHMADIAN M T, et al.Analytical prediction of the temperature field in laser assisted machining[J].Procedia CIRP, 2016, 46:575-578.

［61］TIAN Y, SHIN Y C.Multiscale finite element modeling of silicon nitride ceramics undergoing laser assisted machining[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2007, 129（2）: 287-295.

［62］LIU C Y, SHI Y H.Modelling and simulation of laser assisted milling process of Titanium alloy[J].Procedia CIRP, 2014, 24: 134-139.

［63］SHEN X W, YANG B D, LEI S T.Distinct element modeling of laser assisted milling of silicon nitride ceramics[J].Journal of Manufacturing Processes, 2010,12（1）: 30-37.

［64］BALBAA M A, NASR M N A.Prediction of residual stresses after laser-assisted machining of Inconel718 using SPH[J].Procedia CIRP, 2015, 31: 19-23.

［65］NASR M N A, BALBAA M, ELGAMAL H.Modelling machining-induced residual stresses after laser-assisted turning of steels[J].Advanced Materials Research, 2014,996: 622-627.