隨著航空航天工業(yè)、兵器工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、電子工業(yè)等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品零部件材料的性能有了更高要求，同時(shí)也出現(xiàn)了各種高強(qiáng)度、高硬度、高脆性的工程材料。材料性能提高的同時(shí)給加工帶來(lái)了困難。例如高溫合金在高溫下具有優(yōu)良的熱強(qiáng)度性能、熱穩(wěn)定性能及熱疲勞性能，常溫下加工刀具磨損嚴(yán)重、表面質(zhì)量差。工程陶瓷強(qiáng)度高、耐磨損、抗腐蝕，目前通常采用磨削加工，生產(chǎn)效率低、成本高、加工幾何形狀受限。近年來(lái)出現(xiàn)的加熱輔助切削技術(shù)是解決難加工材料加工的一種有效方法。目前常用的熱源有等離子電弧、氧乙炔焰和激光等。與其他熱源相比，激光光斑尺寸小、能量密度高，并在能量分布和時(shí)間特性上有很好的可控性，在加熱輔助加工上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

　　激光加熱輔助切削技術(shù)

　　激光加熱輔助切削（Laser Assisted Machining，LAM）是將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時(shí)間內(nèi)將局部加熱到很高的溫度，使材料的切削性能在高溫下發(fā)生改變，從而可以采用普通刀具進(jìn)行加工。通過(guò)對(duì)工件加熱，提高材料的塑性，降低切削力，減小刀具磨損，減小振動(dòng)。對(duì)硬脆材料可將其脆性轉(zhuǎn)化為延展性，使屈服強(qiáng)度降低到斷裂強(qiáng)度以下，避免加工中出現(xiàn)裂紋，從而達(dá)到提高加工效率、降低成本、提高表面質(zhì)量的目的。激光加熱輔助切削的示意圖如圖1所示。

　　激光加熱輔助切削技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　激光加熱輔助切削技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，作為一種提高難加工材料生產(chǎn)率的方法，用于鎳合金、鈦合金和淬硬鋼的加工。雖然LAM的可行性得到了驗(yàn)證，但對(duì)激光能量、光束位置等影響因素沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的研究，受金屬材料吸收率低、激光技術(shù)發(fā)展等因素限制導(dǎo)致加工成本高、加工經(jīng)濟(jì)性差，使LAM的研究陷入停滯狀態(tài)。而到90年代，由于陶瓷等復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，性能好、加工難度大的材料出現(xiàn)及激光設(shè)備價(jià)格降低，LAM技術(shù)逐漸回到了研究者的視線。

　　采用LAM技術(shù)對(duì)金屬材料加工可以有效降低切削力與刀具磨損，并提高加工效率。Sun等對(duì)鈦金屬進(jìn)行了LAM試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)切削力可以降低20%~50%，較低的動(dòng)態(tài)切削力與加工表面附近的低硬度提高了加工表面質(zhì)量。Anderson等對(duì)Inconel 718材料進(jìn)行了LAM加工，研究了工藝參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量、材料去除率、刀具磨損、切削力、表面粗糙度與切削比能的影響。結(jié)果表明，采用LAM技術(shù)加工可以降低25%的切削比能，表面粗糙度降低，使陶瓷刀具的壽命增加200%~300%。Anderson等采用LAM方法加工了不銹鋼P(yáng)550。隨著加工區(qū)域溫度的升高，比切削能降低25%。材料強(qiáng)度降低使刀具壽命提高1倍。工件表面組織沒(méi)有發(fā)生變化，硬度與傳統(tǒng)加工的硬度相同，并可以使加工時(shí)間節(jié)省20%~50%。工程陶瓷材料由于其塑性變形能力差、脆性高、斷裂韌性低及強(qiáng)度高等特點(diǎn)使加工難度加大，在室溫條件下很難采用切削方法加工。陶瓷材料在達(dá)到一定溫度后開(kāi)始軟化，脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，可以采用傳統(tǒng)刀具進(jìn)行加工。Purdue大學(xué)的Rozzi、Lei等對(duì)氮化硅、氧化鋯、莫來(lái)石等陶瓷材料的LAM進(jìn)行了深入研究。

　　加工結(jié)果表明，切削力與刀具磨損隨加工溫度的升高而降低，比切削能小，加工后表面沒(méi)有裂紋產(chǎn)生，并且可以高效加工復(fù)雜形狀零件。Tian等通過(guò)激光輔助三維瞬態(tài)傳熱模型得到了最優(yōu)化加工工藝參數(shù)的方法，通過(guò)實(shí)時(shí)改變激光能量，成功地在氮化硅材料上加工出復(fù)雜形狀的工件，并且沒(méi)有產(chǎn)生亞表面裂紋與熱損傷。

　　激光加熱輔助銑削（LAML）加工過(guò)程復(fù)雜，是間歇切削過(guò)程，對(duì)刀具與工件的沖擊大，因此關(guān)于此方面的研究相對(duì)較少。König對(duì)鎢鉻鈷合金進(jìn)行了LAML研究，證明了加熱輔助銑削的可行性。Yang等進(jìn)行了激光加熱輔助銑削陶瓷的研究，通過(guò)試驗(yàn)證明了輔助銑削的可行性，結(jié)果表明激光加熱輔助銑削可以顯著降低切削力，切屑連續(xù)，得到良好的加工表面。Tian等建立了LAML三維溫度場(chǎng)模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。成功采用TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)氮化硅材料進(jìn)行了加工試驗(yàn)，以磨損極限VB=0.3mm計(jì)算，刀具壽命可以達(dá)到260mm。采用LAML技術(shù)明顯提高了Inconel 718的加工性能，切削溫度達(dá)到520℃時(shí)切削力降低40%~50%，刀具壽命提高1倍，表面粗糙度降低到原來(lái)的1/2。

　　總結(jié):

　　高性能材料的發(fā)展是航空航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，同時(shí)促進(jìn)著高效率、高質(zhì)量加工技術(shù)的進(jìn)步。氮化硅陶瓷是一種應(yīng)用日益廣泛的典型高硬度、高脆性的高性能材料，采用激光加熱輔助切削技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氮化硅陶瓷工件外圓、平面及復(fù)雜溝槽加工，表面質(zhì)量好，不產(chǎn)生裂紋，并且加工后材料沒(méi)有發(fā)生物相變化。充分展現(xiàn)了激光加熱輔助切削技術(shù)在難加工材料，尤其是在復(fù)合材料加工中的應(yīng)用前景。隨著激光技術(shù)、加熱輔助切削技術(shù)及成套裝備的出現(xiàn)，激光加熱輔助切削技術(shù)將在未來(lái)難加工材料加工的應(yīng)用中占有重要的位置。