摘要：本文總結(jié)了近年來激光加熱輔助切割技術(shù)的研究進(jìn)展。在實驗研究方面，總結(jié)了激光加熱輔助車、銑、鉆、磨的加工特點，闡述了激光參數(shù)和切削參數(shù)對加工質(zhì)量的影響。研究表明，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加激光功率、降低切削速度、降低進(jìn)給量有利于切削區(qū)材料的充分軟化，從而可以提高工件材料的加工、加工效率和加工質(zhì)量。目前，激光加熱輔助切割的模擬研究主要集中在切割溫度場和切割過程的模擬。通過建立溫度場模型，可以預(yù)測材料去除的最佳溫度范圍，優(yōu)化工藝參數(shù)。切削過程的模擬探索了應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等物理量的影響，為實際加工過程中零件表面質(zhì)量的控制提供了依據(jù)。后續(xù)工作應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)加工機(jī)理、加工工藝、仿真優(yōu)化等方面的研究，建立完善的激光加熱輔助切割加工數(shù)據(jù)庫，推動該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。陶瓷、復(fù)合材料、高溫合金、鈦合金具有強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能。它們用于機(jī)械、化學(xué)工程、航空航天和核工業(yè)。該領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。這些材料采用常規(guī)方法加工時，由于具有高硬度、高強(qiáng)度和低塑性的特點，切削力和切削溫度很高，刀具磨損嚴(yán)重，加工質(zhì)量差，加工幾何形狀不理想。有限的。激光輔助加工（laser assisted processing，LAM）利用激光加熱軟化切割區(qū)材料，使用刀具進(jìn)行切割。與常規(guī)加工相比，降低了切削力，延長了刀具壽命，提高了加工質(zhì)量和加工效率。這些方面表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，為解決難加工材料的加工提供了有效途徑。因此，激光加熱輔助切割技術(shù)已成為近年來機(jī)械加工領(lǐng)域的研究熱點之一。激光加熱輔助切割技術(shù)自1978年問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了長足的發(fā)展。 K?nig 等人。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，提高了材料加工性能，獲得了表面粗糙度Ra小于0.5μm的加工表面。楊等人。對氮化硅陶瓷進(jìn)行了激光加熱輔助銑削實驗。結(jié)果表明，當(dāng)采用激光輔助加熱將切削區(qū)溫度從838℃提高到1319℃時，切削力降低近50%，刃口斷裂。該現(xiàn)象顯著減少，加工表面質(zhì)量得到改善，證明了激光輔助銑削陶瓷材料的可行性。安德森等人。 Inconel 718材料的激光輔助車削，與常規(guī)加工相比（去除單位體積材料所需的切削能量），減少25%，刀具壽命提高2~3倍。丹德卡等人。對氮化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料A359/20SiCP進(jìn)行了激光加熱輔助車削實驗。與常規(guī)加工相比，能量可降低12%，刀具壽命提高1.7~2.35倍，表面粗糙度Ra降低。 37%。吳雪峰等發(fā)現(xiàn)，高溫合金GH4698材料在激光加熱輔助銑削時，切削區(qū)溫度為600℃時可有效降低材料強(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。海德伯格等人。對鈦合金材料Ti6Al4V進(jìn)行激光輔助銑削實驗。與常規(guī)加工相比，切削力降低30%至50%，表面殘余應(yīng)力降低10%，加工成本節(jié)省33%。本文回顧了激光加熱輔助車、銑、鉆、磨等方面的最新進(jìn)展，并對激光加熱輔助切割技術(shù)的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。1 激光加熱輔助切割原理1.1 加工原理激光加熱輔助切割是使用高能激光束照射待加工表面。材料在短時間內(nèi)加熱到一定溫度，發(fā)生軟化，然后進(jìn)行切削加工。加工的基本原理如圖1所示。溫度對材料的加工性能有顯著影響。通過加熱材料，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，從而提高加工質(zhì)量，提高加工精度和加工效率。溫度對不同材料抗拉強(qiáng)度的影響如圖2所示。圖1 激光輔助加工示意圖2 溫度對各種材料極限抗拉強(qiáng)度的影響1.2 激光熱源各種加熱輔助切割工藝中常用的加熱方式有激光加熱、電加熱、等離子弧加熱、氧乙炔火焰加熱等。相比之下，激光加熱具有功率密度高、升溫快、能量分布好、時間可控等優(yōu)點，成為輔助加熱切割的理想熱源。在激光加熱輔助切割常用的激光系統(tǒng)中， CO2 激光器產(chǎn)生 10.6 μm 波長的激光束。由于金屬表面自由電子的固有頻率遠(yuǎn)大于該波段的激光束，因此大部分激光能量被表面自由電子反射，從而產(chǎn)生非常高的透射率。低，激光不能被金屬很好地吸收，但陶瓷材料可以吸收85%以上的激光波長，所以CO2激光常被用作加工陶瓷等非金屬材料的熱源。摻釹石榴鋁（Nd:YAG）激光器振蕩出1.064μm波長的激光器，有利于金屬材料的吸收，適用于鏡面?zhèn)鬏敽凸饫|傳輸。它可以在復(fù)雜的加工系統(tǒng)中與機(jī)床集成。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，可與各種光電器件集成，減小激光器和外圍器件的體積，運(yùn)行成本相對較低。光纖激光器發(fā)出的光束質(zhì)量好且穩(wěn)定。其一體化結(jié)構(gòu)可以解決腔內(nèi)光學(xué)元件的污染和位置變化引起的問題。光纖體積小，柔韌可彎曲，便于激光傳輸，有助于機(jī)械系統(tǒng)的小型化。 .2 激光加熱輔助切割實驗研究進(jìn)展2.1 激光加熱輔助車削由于激光熱源的引入，激光加熱輔助切割在工藝參數(shù)的選擇上不同于常規(guī)加工。加工參數(shù)的確定需要根據(jù)常規(guī)切削量的選擇原則，綜合考慮激光熱效應(yīng)對工件材料和刀具壽命的影響。合理選擇激光參數(shù)和切割參數(shù)，以達(dá)到提高表面質(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、激光光斑和刀尖距離、激光發(fā)射角度等，具有重要意義。對切削區(qū)溫度分布和材料軟化程度的影響。潘杰普爾等人。對AISI52100的激光加熱輔助車削進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率的增加，熱穿透深度增加，切削區(qū)材料充分軟化，刀具在切削時受到的阻力較小，刀具磨損減少。當(dāng)激光功率超過425W時，刀具會過熱，刀具磨損率會增加。實驗得到的最佳加工參數(shù)為：激光功率P=425 W，脈沖頻率fp=120 Hz，切削速度vc=70 m/min，進(jìn)給速度f=0.08 mm/r，切削深度ap=0.2 mm。通過這種加工參數(shù)的組合，與傳統(tǒng)加工相比，表面粗糙度 Ra 降低了 18%，比切削加工降低了 25%?？系热?。指出，氧化鋁陶瓷的激光加熱輔助車削指出，隨著激光掃描速率的增加，激光對切割區(qū)材料的照射時間相對減少，材料的軟化程度降低，導(dǎo)致增加切削力。實驗得到的最佳加工參數(shù)為：激光功率P=350 W，進(jìn)給速度f=0.03 mm/r，切深ap=0.3 mm，光斑直徑d=2 mm，激光掃描速度v=35-55 mm /分鐘。通過這種加工參數(shù)組合，與傳統(tǒng)加工相比，切削力最多可降低 80%，刀具壽命顯著增加。納瓦斯等人。對Inconel718進(jìn)行了激光加熱輔助車削實驗，研究了激光光斑尺寸和激光光斑與刀尖距離對Inconel718切削性能的影響。通過實驗比較了1.25 mm×1.25 mm的方形光斑、1.6 mm×1.3 mm的橢圓形光斑和2 mm直徑的圓形光斑在功率密度、反應(yīng)時間和切削力方面的差異。方形光斑功率密度高，觀察到橢圓光斑反應(yīng)。長時間內(nèi)，圓形光斑的功率密度和反應(yīng)時間適中，在降低切削力方面更為明顯。隨著光斑直徑的增大，照射面積擴(kuò)大，但激光功率密度降低，工件單位面積因照射能量而減小，導(dǎo)致加熱軟化效果降低。激光光斑的中心和激光的尖端要保持適當(dāng)?shù)木嚯x，既能達(dá)到激光輔助加熱的效果，又能防止刀具過熱損壞或熔化飛濺在被加工物上的切屑表面影響加工質(zhì)量。鄢銼等。氧化鋁陶瓷的激光熱輔助車削。激光束以布魯斯特入射角切向入射。該點是橢圓形的，盡管激光功率密度相對于垂直照射有所降低。隨著面積的擴(kuò)大，切削區(qū)的材料受熱更均勻，更有利于提高加工質(zhì)量。丁等人。使用兩臺激光器對AMS5704鎳基高溫合金進(jìn)行激光車削實驗，使CO2激光束垂直照射待加工工件表面，Nd:YAG激光束傾斜照射工件過渡面。切割區(qū)域受熱更均勻。與常規(guī)加工相比，切削面積減少20%，刀具壽命增加50%，表面粗糙度Ra降低200%至300%。進(jìn)給速度、切削速度、切削深度等切削參數(shù)具有十分重要的意義影響加工質(zhì)量、加工效率和加工成本。金等人。對氮化硅陶瓷的加熱輔助車削進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)給量的增加，切削區(qū)的平均加熱溫度降低，導(dǎo)致切削力增加，刀具壽命降低。隨著切削深度的增加，深部材料的軟化深度變小，導(dǎo)致切削力增加和刀具磨損。氮化硅陶瓷材料的最大切削深度為 3 mm。 Xavierrockiaraj 等人。對SKD11工具鋼進(jìn)行了激光加熱輔助車削實驗，分析了切削參數(shù)對切削力、表面粗糙度和刀具磨損的影響。隨著進(jìn)給速度的增加，切削力、刀具磨損和表面粗糙度的增加，應(yīng)使用較小的進(jìn)給速度來增加材料的熱軟化時間。隨著切削速度的增加，切削區(qū)的平均加熱溫度降低，刀具磨損增加，表面粗糙度增加。最佳切削速度為 vc=100 m/min。激光功率P=1000 W，切削速度vc=100 m/min，進(jìn)給f=0.03 mm/r，可以獲得最小的切削力。 Rashid 使用 Nd:YAG 激光對 Ti6Cr5Mo5V4Al 合金進(jìn)行熱輔助車削實驗。推薦的加工參數(shù)范圍為：激光功率P=1200 W，進(jìn)給率f=0.15~0。 25 mm/r，切削速度vc = 25~100m/min。當(dāng)進(jìn)給速度f<0.15 mm/r時，加工效率低；當(dāng)進(jìn)給速度f>0.25 mm/r時，切削區(qū)材料的加熱軟化程度低，會加劇刀具磨損。切削速度vc<25 m/min。工件長時間加熱時，過熱導(dǎo)致刀具磨損，降低加工表面質(zhì)量。當(dāng)切削速度vc>100 m/min時，工件被激光加熱時間的切削面積減少，材料不能充分軟化，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重。 Tadavani等人對Inconel 718進(jìn)行激光加熱輔助開啟。正交實驗設(shè)計、信噪比和方差分析確定最佳工藝參數(shù)為：激光功率P = 400 W，脈沖頻率fp = 80 Hz，加熱溫度T = 540 ℃，切削速度 vc = 24 m/min，進(jìn)給速度 f = 0.052 mm/r。通過這種加工參數(shù)的組合，表面粗糙度 Ra 與傳統(tǒng)加工相比降低了 22%，比切削降低了 35%，刀具磨損降低了 23%。此外，Mohammadi 等人。還研究了刀具幾何形狀對硅晶片激光輔助車削表面質(zhì)量的影響。激光功率P=20 W，主軸轉(zhuǎn)速n=2000 r/min，進(jìn)給速度f=0.001 mm/r，切削深度ap=0.005 mm，刀具前角γ0=-45°時，表面粗糙度Ra為 9.8 納米。當(dāng)前角為γ0 = -25°時，得到的表面粗糙度Ra為3.2 nm。 2.2 激光加熱輔助銑削 銑削是指使用旋轉(zhuǎn)的多刃刀具切削工件。它不僅可以加工平面、凹槽、輪齒，還可以加工復(fù)雜的表面。由于銑削是多刃斷續(xù)切削，切削過程中各齒的切削厚度發(fā)生變化，沖擊載荷大，易產(chǎn)生振動。使用激光輔助銑削可以減少銑刀在切削過程中的顫振，降低切削力，增加刀具壽命，提高加工表面質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)在A2工具鋼的激光加熱輔助銑削中，材料去除率提高了6倍，切削力降低了69%，與常規(guī)加工相比，銑削毛刺減少，損傷明顯減少。吳等人。使用激光加熱輔助球面銑削，發(fā)現(xiàn)AISI1045和Inconel718的切削力分別比傳統(tǒng)加工降低了82%和38%，表面粗糙度Ra分別降低了53%和74%。工具振動減少小。金等人。對AISI1045、Inconel718、鈦合金球面工件進(jìn)行激光加熱輔助銑削實驗。與常規(guī)加工相比，AISI1045、Inconel718 和鈦合金的銑削力分別降低了 2.1% 至 8.6% 和 3.7%。 ~12.3%、0.8%~21.2%，表面粗糙度Ra分別下降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，由于對切削區(qū)的高溫，容易造成刀具磨損或擴(kuò)散磨損。嚴(yán)重時可能引起刀具塑性變形，改變刀具幾何參數(shù)。合理選擇切削液，可有效減少刀具與工件、刀具與切屑的摩擦，降低切削溫度，提高刀具耐用度和加工質(zhì)量。伯明翰等人。發(fā)現(xiàn)在較低的切削速度下，使用少量的潤滑劑冷卻刀具可以降低切削溫度并延緩 Ti6Al4V 微小刻痕或剝落的發(fā)生。刀具壽命提高5倍以上。在較高的切削速度下，切削液的使用會導(dǎo)致工件和刀具的熱沖擊或熱疲勞。2.3 激光熱輔助鉆孔鉆孔廣泛用于加工各種類型的機(jī)器零件。常規(guī)鉆孔加工鍛坯、難加工材料或淬硬件時，由于硬度高、強(qiáng)度大、表面形狀不規(guī)則等原因，容易導(dǎo)致鉆孔偏斜、軸向鉆孔力大、鉆頭磨損嚴(yán)重。激光加熱輔助鉆孔是利用激光對工件的鉆孔區(qū)域進(jìn)行加熱，使表層材料軟化，然后關(guān)閉激光，對加熱區(qū)域進(jìn)行快速鉆孔。采用激光輔助加熱方式進(jìn)行鉆孔，可使鉆頭定位準(zhǔn)確，避免偏斜，降低鉆孔阻力和鉆頭磨損，進(jìn)而提高加工精度和加工效率。目前對激光輔助鉆孔的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠與激光輔助車銑相比，它也取得了一些進(jìn)展。仁等人。對碳鋼材料進(jìn)行激光加熱輔助鉆孔。實驗過程中，將CO2激光光斑調(diào)整為環(huán)形，在照射的中間鉆孔，得到加熱溫度下的激光功率和激光光斑尺寸。影響規(guī)律，提高鉆井質(zhì)量和效率。鄭等人。利用激光加熱輔助鉆孔技術(shù)對汽車關(guān)鍵零部件鉆孔進(jìn)行了實驗研究。與常規(guī)鉆孔相比，40Cr、45鋼和不銹鋼的鉆孔直徑分別增加了50.5倍。 %、52.2%、51.4%；鉆井效率方面，QT600、45鋼、不銹鋼分別提高了19.3%、16.3%、39.9%。同樣，張等人。開展了41Cr4、C45E4、不銹鋼、鑄鐵的激光輔助鉆孔實驗。與常規(guī)鉆孔相比，發(fā)現(xiàn)41Cr4、C45E4和不銹鋼在入口直徑方面有所增加。 122.7%、85.9%、140.7%；鉆進(jìn)效率方面，鑄鐵、C45E4、不銹鋼分別提高了18.6%、16.3%、39.9%。喬貝等人。采用Nd:YAG激光輔助加熱法對大理石進(jìn)行鉆孔，發(fā)現(xiàn)能有效降低大理石表面應(yīng)力集中，提高表面完整性，降低加工成本，提高加工效率。在激光加熱輔助鉆孔過程中，激光只能快速加熱軟化工件表面材料，有利于快速鉆孔；然而，隨著鉆孔深度的增加，激光無法加熱孔中的材料。不能進(jìn)一步提高加工效率。目前關(guān)于激光加熱輔助鉆孔過程中的鉆孔力、刀具磨損、孔圓度和表面粗糙度等方面的報道較少，這方面的研究工作有待進(jìn)一步加強(qiáng)。2.4激光加熱輔助磨削工程陶瓷材料如氮化硅、氧化鋁、氧化鋯以其高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕等優(yōu)點，在機(jī)械、汽車、航空航天等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)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，導(dǎo)致切削力大，刀具磨損嚴(yán)重，材料去除率低，表面易損傷。此外，由于陶瓷的導(dǎo)熱性差，磨削過程中產(chǎn)生的熱量會在工件表面積聚，造成工件表面溫度梯度非常高。這很容易導(dǎo)致材料表面的熱損傷，甚至出現(xiàn)裂紋。激光加熱輔助磨削利用激光對工件表面進(jìn)行預(yù)熱，可顯著降低材料的硬度和脆性，降低磨削力，減少亞表面損傷的產(chǎn)生，提高工件質(zhì)量磨削表面。Chang 等人。使用激光輔助輔助磨削加工氮化硅陶瓷材料。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，沒有明顯的組織變化和裂紋。庫馬爾等人。對氮化硅陶瓷進(jìn)行激光輔助研磨。結(jié)果表明，與常規(guī)磨削相比，切削力降低43.2%，刀具磨損減少，材料去除率提高。木崎等人。對氧化釔穩(wěn)定的四方氧化鋯多晶陶瓷（Y-TZP）進(jìn)行了激光加熱輔助研磨實驗。結(jié)果表明，Y-TZP材料的適宜研磨溫度為490℃左右。 Y-TZP在溫度下的斷裂韌性為5.3 MPa·m1/2，遠(yuǎn)低于室溫下的9.1 MPa·m1/2。與常規(guī)加工相比，激光輔助磨削可以降低材料硬度，減少磨削力和刀具磨損，提高加工質(zhì)量和效率。2.5激光加熱輔助銑削加工車削銑削是一種使用銑刀的先進(jìn)切削方法。用于加工的旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合運(yùn)動。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)給四種基本運(yùn)動。加工方法分為正交車銑和軸向車銑兩大類，其中正交車銑應(yīng)用較為廣泛。車銑復(fù)合加工方法作為一種較新的復(fù)合加工方法，其特點主要是：斷續(xù)加工性好，金屬去除率大。對異形旋轉(zhuǎn)零件具有良好的加工能力。激光加熱輔助車銑可進(jìn)一步降低切削力，延長刀具壽命，改善復(fù)雜型材零件，細(xì)軸零。件的加工質(zhì)量。奇奧等人。開發(fā)了一套基于C++的應(yīng)用程序，可以將CAD圖形文件轉(zhuǎn)換為NC代碼，實現(xiàn)矩形和四葉截面工件的自動編程。該程序成功應(yīng)用于5軸加工中心。金等人。對SM45C材料進(jìn)行了激光加熱輔助銑削和銑削加工實驗。與傳統(tǒng)的車銑加工相比，切削時的刀具振動得到了降低和切削。切削過程更加平穩(wěn)，矩形截面工件的軸向力和徑向力分別減小了10.4%和13.5%，四葉截面工件軸向受力。力和徑向力分別減少了 10.6% 和 8.9%。矩形截面和四葉形工件的表面粗糙度Ra分別降低了39.9%和37.1%。 Cha等人利用田口方法優(yōu)化了激光加熱輔助車銑氮化硅陶瓷的加工參數(shù)。結(jié)果表明，對表面粗糙度影響顯著的程度是切削深度、激光功率和切削速度。激光加熱輔助銑銑工藝在降低切削力、延長刀具壽命、提高加工效率等方面具有一定的優(yōu)勢。但在機(jī)床穩(wěn)定性和加工形狀誤差方面仍存在諸多不足，仍需進(jìn)一步研究和改進(jìn)。 2.6 其他激光加熱輔助切割加工方法激光輔助加熱還可應(yīng)用于刨、拋光、車削、精加工等其他加工方法。張等人。發(fā)現(xiàn)激光加熱輔助刨削氧化鋁陶瓷時，與常規(guī)刨削相比，軸向力降低了20%，徑向力降低了22%。Ra降低程度比50%多，表面完整性更好。田等人。對 AISI4140 和 MP35N 材料進(jìn)行了激光加熱輔助拋光測試。結(jié)果表明，與常規(guī)拋光工藝相比，刀具磨損明顯減少，加工表面完整性更好，但表面殘留物更好。應(yīng)力有所增加。針對砂輪硬度高、修整困難、修整效率低等問題，Zhang等人對金屬結(jié)合劑CBN砂輪進(jìn)行了激光加熱輔助車削修整實驗。與傳統(tǒng)金剛石工具修整方法相比，激光加熱輔助是在保證修整質(zhì)量的前提下進(jìn)行的。車削和修整可以大大縮短修整時間，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、銑、鉆、磨等加工方法在減少加工量方面比常規(guī)加工具有明顯優(yōu)勢。切削力，提高刀具壽命，提高加工質(zhì)量，節(jié)省成本，但在激光加熱。在輔助切削工藝、刀具磨損機(jī)理等方面的研究存在一些不足，激光加熱輔助加工技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間。3激光加熱輔助切削模擬研究進(jìn)展3.1溫度場模擬研究在激光加熱輔助切削加工中，切削區(qū)溫度和分布是影響刀具壽命和加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。切削區(qū)溫度過高會導(dǎo)致材料熱損傷或刀具磨損，影響加工表面質(zhì)量，溫度過低會削弱激光輔助加熱效果。溫度場模擬的方法可以更直觀、準(zhǔn)確地反映實際切削溫度場分布。通過建立不同工藝參數(shù)下的溫度場模擬模型，預(yù)測材料的最佳去除溫度范圍，優(yōu)化工藝參數(shù)，可以大大節(jié)省實測成本。在溫度場模擬研究領(lǐng)域，目前使用的數(shù)值模擬方法很多，包括有限元法、有限體積法等。Cha等。采用有限元法建立了用于激光加熱輔助銑削和銑削加工的氮化硅陶瓷三維瞬態(tài)溫度場模型。不同激光功率加熱下的模擬和實測平均溫度誤差為1.5%~6.2%。 Roostaei 等人。建立了熔融石英陶瓷（SCFS）溫度場的三維有限元模型，并將模擬結(jié)果與高溫計測量結(jié)果進(jìn)行了比較。當(dāng)加熱時間在 25 s 和 43 s 之間時，兩者基本一致。 .當(dāng)加熱時間小于 25 s 或大于 43 s 時，兩者之間的誤差增大，最大溫度誤差為 40 K。Kim et al.對SM45C激光加熱輔助車銑加工的溫度場進(jìn)行了有限元模擬和實驗研究。結(jié)果表明，SM45C具有矩形截止。表面和四葉草截面工件的平均加熱溫度預(yù)測誤差分別為8.7%和6.4%。矩形截面工件的有效深度和寬度分別為0.34 mm和2.26 mm，四葉工件的有效深度和寬度分別為0.45 mm和2.89 mm。Rozzi等人研究了溫度場采用有限體積法對氮化硅陶瓷進(jìn)行激光輔助車削，分析了激光熱通量、表面對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射對表面溫度的影響，并模擬了不同的切削參數(shù)。激光參數(shù)下的溫度場分布及溫度場模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。此外，Zhang 等人利用有限差分法建立了激光熱輔助切割氧化鋁陶瓷的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并模擬了不同激光功率、激光掃描速率和激光光斑半徑對氧化鋁陶瓷的影響。溫度場分布。研究表明，使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割區(qū)的材料，從而達(dá)到理想的切割深度?？ㄉ衬岬热恕２捎媒馕龇ń⒘思す饧訜彷o助切割碳鋼溫度場的數(shù)值模型。高溫計用于測量工件的溫度場分布。仿真結(jié)果與實測結(jié)果誤差在10%以內(nèi)。張等人。將晶格Boltzmann方法（LBM）應(yīng)用于氧化鋁陶瓷激光熱輔助切割的溫度場，得到的溫度場分布與實驗結(jié)果吻合較好。 3.2切割過程仿真研究通過激光加熱輔助切割過程模擬可以獲取切削應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等物理變量，以減少加工表面的損傷，為優(yōu)化加工參數(shù)提供依據(jù)。應(yīng)用于切削過程模擬的方法有有限元法、離散元法、光滑粒子流體動力學(xué)法等。采用有限元方法模擬激光及輔助切割氮化硅陶瓷的加工過程。結(jié)果表明，在載荷作用下，結(jié)晶玻璃相會產(chǎn)生微裂紋，微裂紋會擴(kuò)大。最終在剪切區(qū)形成宏觀裂紋，并發(fā)生滑移產(chǎn)生不連續(xù)切屑。模擬芯片厚度約為15μm，略小于實驗結(jié)果。切削力誤差為10%至15%。表面殘余應(yīng)力模擬值與實驗值基本一致，證明了模擬模型的有效性。 Liu等人對Ti6Al4V材料的激光加熱輔助銑削工藝進(jìn)行了有限元模擬。在溫度場模型的基礎(chǔ)上，采用順序熱耦合的方法加入銑削模型，得到切削力的變化規(guī)律和刀具溫度場分布。切削力的模擬值和實驗值之間的誤差為 11.8%.Shen 等人。采用離散元法（DEM）模擬激光加熱輔助銑削氮化硅陶瓷的過程。分散的粒子簇代表氮化硅陶瓷材料的結(jié)構(gòu)，結(jié)合單元的斷裂用于模擬加工過程。裂縫的形成和擴(kuò)大。通過仿真與實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，將DEM方法應(yīng)用于切削過程仿真可以預(yù)測不同加工條件下材料的亞表面損傷；陶瓷材料的去除機(jī)理主要是脆性斷裂；切深越大，刀具的切削力越大。工件的碎片越多，切削力對裂紋的形成和傳播的影響就越大。巴爾巴等人。采用光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）方法模擬Inconel 718材料的切削過程。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。激光加熱輔助切割主要產(chǎn)生沿切割方向的表面。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，納斯?fàn)柕热?。采用有限元方法。對AISI 4340鋼進(jìn)行切削過程的模擬研究也得到了類似的結(jié)論。4結(jié)論本文綜述了近年來激光加熱輔助切削技術(shù)的最新研究進(jìn)展。在加工方式上，激光加熱輔助車、銑、鉆、磨等技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，降低切削力，提高加工質(zhì)量，提高加工效率。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。通過對溫度場和切削過程的仿真研究，可以實現(xiàn)對材料最佳去除溫度范圍的預(yù)測和加工參數(shù)的優(yōu)化，為實際加工提供依據(jù)。激光加熱輔助切割技術(shù)雖然取得了一系列研究成果，但在加工機(jī)理、加工工藝和工業(yè)應(yīng)用等方面仍存在一些問題。結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展趨勢，尚需開展以下研究工作：（1）加強(qiáng)難加工材料加工條件及去除機(jī)理研究，解決膠粘劑等問題。激光加熱輔助切割過程中可能出現(xiàn)的刀具磨損、刀屑分離困難、刀具冷卻等問題。（2）加強(qiáng)激光加熱輔助切割仿真研究，建立準(zhǔn)確、快速溫度場和切削過程仿真模型，提高了仿真模型的速度和精度。優(yōu)化激光參數(shù)、切割參數(shù)等工藝參數(shù)，建立完善的激光加熱輔助切割數(shù)據(jù)庫，為合理選擇加工參數(shù)提供理論依據(jù)。（3）加強(qiáng)工業(yè)化激光加熱輔助切割系統(tǒng)研究，提高生產(chǎn)研發(fā)水平及激光加熱輔助切割系統(tǒng)的配套能力，提升激光加熱輔助切割系統(tǒng)的集成度、穩(wěn)定性和精度，推動激光加熱輔助切割技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。隨著激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，切割加工技術(shù)和材料技術(shù)、激光加熱輔助切割加工技術(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。
資料來源：Meeyou Carbide