激光加工综合实训的探索与实践

激光加工综合实训的探索与实践Exploration and Practice on Comprehensive Training of Laser Processing赵轶ZHAO Y i;朱虹ZHU H ong;周琴ZHOU Qin(华中科技大学工程实训中心，武汉430074 )(Engineering Training Center,Huazhong University of Science and Technology,W uhan430074, China)摘要:激光加工技术属于先进制造技术，它的飞速发展使得其在制造业中的作用越来越重。

本文介绍了在工程训练中引入激光加 工技术的可行性和必要性，以激光内雕、激光雕刻、激光打标及综合实训项目为例，介绍了如何开展激光加工实训，分析现代工程实训 教学模式的发展,重点探讨了如何在所设课程中既能提高学生兴趣、学生自主设计能力，又能强化工程能力培养,增强学生工程意识，得到较好实训教学效果。

对实训教学改革具有一定的借鉴。

Abstract:As an advanced manufacturing technology,the rapid development of laser processing technology makes it increasingly im portant in manufacturing.This article describes the feasibility and necessity of introducing laser processing technology in engineering training.Taking laser-micro-engraving,laser carving,laser m arking and comprehensive training program s for example to introduce how to develop laser processing training.The development of modern engineering training teaching model is analyzed and it is emphatically discussed that how to not only im prove students'interest and the autonomous design ability in the established course,but also enhance the training of engineering practice ability and students'awareness of engineering to get better teaching effect.It has a certain reference significance to practical training teaching reform.关键词：激光加工；先进制造;工程训练；实训教学Key words:laser processing；advanced manufacturing；engineering training；practical training teaching中图分类号:TN249;G642.44 文献标识码:A文章编号：1006-4311 (2017 )05-0208-04〇引言激光加工技术与原子能、半导体及计算机并称为20 世纪四项重大发明。

在进入21世纪光电子时代，激光加工 作为高能光电子得到了广泛应用，极大地改变了人们的生 产和生活。

这一技术在我国也得到了迅速的发展，成为我 国新兴产业、改造传统制造业的关键技术之一。

工程训练 属于素质教育，国内工科高校都开设了工程训练教育，随 着现代技术的发展，这几年工程训练中现代技术实训项目 比重越来越重，内容越来越丰富，发展速度也很快。

全国很 多高校都相继在现代技术实训中开设了激光技术相关实 训，受到了学生的欢迎。

但实训中很多项目的设置过于注 重学生的个性、创意，缺乏工程能力培养，没考虑到作为工 程训练的一些要求。

我们在设置实训项目时，应该以培养 学生工程能力工程意识为本，兼顾学生兴趣、个性。

本文结 合激光实训项目开设，分析了各激光实训项目的特点，也 探讨了如何加强学生工程能力与工程意识的培养。

1激光加工简介激光加工属于非接触式加工，不存在应力变形等因 素。

通过聚焦将高能量密度传递到精确的加工位置，加工 速度快、无噪声，可实现各种复杂形状的高精度加工。

我们 可以通过控制激光照射的能量密度、照射时间，可以实现 多种类型的加工，目前国外已开发出20多种激光加工技 术，如激光焊接、激光热处理，以及利用材料的蒸发现象，以去除材料为目的的激光打孔、激光雕刻与激光切割等。

由于激光焊接热影响区小，热变形忽略不计，焊接的材料作者简介：赵轶（1980-)男，湖北孝感人，材料加工学士，华中科 技大学工程实训中心现代部部长，研究方向为现代制造实训及管理。

不被氧化，且受损率低，可以焊接尺寸和性质悬殊的材料，及熔点很高和易氧化的材料。

例如：在汽车制造中，用激光 焊接代替点焊后每辆车节省40kg的材料。

在激光打标与激光切割时，为了保证加工精度，在激光照射时间内能使 加工部位快速蒸发，又能防止加工部位以外的金属因传热 引起升温和熔化，保证了零件的加工精度和表面质量，减 少二次加工量。

激光加工过程没有“刀具”磨损。

常规的切削刀具最小 尺寸为0.1mm，而激光聚焦的光斑尺寸可以达到亚微米 级，且能很容易控制激光的空间和时间，被加工对象的材 质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，可加工领域非 常广。

激光系统与计算机数控技术相结合可组成高效自动 化加工设备，已成为当今企业自动化生产的关键技术，为优质、高效、环保和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

此外激光加工技术由于精度高、损耗少、应力小等优点，已被广泛应用于汽车、电子、航空航天、机械、冶金、船舶等制 造行业，几乎包括了国民经济的所有领域，被誉为“制造系 统共同的加工手段”在工艺品方面，水晶玻璃激光内雕工 艺品具有晶莹剔透、冰清玉洁超凡脱俗的视觉形象，浸透 出高贵典雅的艺术魅力。

激光雕刻在皮革、竹简、木板等材 料上制作各种精美的工艺品，也对工艺品的制作水平提升 很大。

2激光实训2.1实训设备及内容本实训室承担全校本科生工程实践课程中激光加工 实训内容，本实训室设备种类齐全，实训内容丰富。

其中设 备有1台杭州先临公司的激光内雕机，3台武汉金立的非 金属激光雕刻切割机，3台楚天激光的激光打标机和1台楚天激光的大功率光纤激光金属切割机。

并拟购一台机器人激光焊接机。

教学内容包括:创意水晶内雕、创意书签雕 刻、创意名片雕刻、激光综合实训项目 风铃制作。

如图1所示。

图1激光实训内容2.1.1创意水晶内雕激光内雕技术是材料内部破坏技术，使用的是低功率 激光器，通过计算机控制激光在玻璃体内部聚焦爆裂玻璃 分子晶格的坐标，以及三轴平台运动和高速振镜扫描，逐 层产生大量50微米量级大小的爆裂白点，在玻璃内部雕 出预定的3D形状。

而玻璃其余未爆裂的部分则保持原样完好无损（内雕制作原理图2)。

该激光器采用半导体泵浦 YAG激光器，激光为绿光，波长为532nm。

我们为学生提供30x20x12的水晶钥匙扣带多彩LED灯，要求每个同学 通过水晶制作软件3DVISION将3D模型、文字、图片精心 设计并组合，在内雕机上制作出来（见图3)。

水晶钥匙扣，材质为K9玻璃，即一种透明透亮的光学玻璃，经过熔铸、加工、切割、喷沙等工序制作成工艺品，其硬度很低，手感 很轻，透射度不高，一般折射率为1.51，硬度为5.5级，熔 点900度以下。

由于它晶莹剔透，所以衍生了很多以K9 料为加工对象的工厂，他们加工出来的产品，在市面上称 为水晶玻璃制品。

激光器扩束镜扫描振镜透镜水晶图2内雕原理图图3水晶钥匙扣图2.1.2创意书签雕刻激光雕刻加工是利用数控技术为基础，激光为加工媒 介。

加工材料在激光雕刻照射下瞬间的熔化和气化的物理 变性，能使激光雕刻达到加工的目的。

本单位激光雕刻机 采用80瓦二氧化碳激光管作为激光器，激光波长1024nm，可雕刻或切割木板、皮革、亚克力等非金属材料。

我们为学生提供20x140的空白竹简，这些竹简预先已经 通过了磨青、漂白、哂色、碳化等处理。

学生可通过文泰雕 刻等软件将矢量图形和文字进行组合设计个性书签，生成 plt的矢量文件格式后到激光雕刻机床上进行加工（见图4)。

激光雕刻加工时，透镜焦距为63.5mm，加工电流5A。

竹简已经加工了 4mm预孔，激光雕刻完表面后就穿上穗子，制成各式各样的书签。

图4学生书签2.1.3创意名片打标激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部 照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而 留下永久性标记的一种打标方法。

激光打标机采用扫描法 打标，即将激光束入射到两反射镜上，利用计算机控制扫 描电机带动反射镜分别沿X、Y轴转动，激光束聚焦后落到被标记的工件上，从而形成了激光标记的痕迹。

本单位 雕刻机采用掺镱光纤激光器，波长1064nm。

如图5、图6 所示。

图5激光打标机原理图6激光标刻名片我们为学生提供86x54x0.2的空白金属名片（多种颜 色可选），由学生通过COREDRAW、文泰雕刻、PHOTOSHOPd等软件设计处理文字、矢量图、照片，设计 具有自己个性的名片，再激光打标机上标刻出来。

2.2实训现状及存在问题我们激光实训包含多种激光加工工艺，内容丰富。

水 晶内雕、激光雕刻、激光打标等新颖的激光工艺，使学生了 解目前激光加工的应用及特点。

通过创意设计水晶钥匙 扣、个性名片、书签，激发学生自主学习、设计的积极性和 创造力。

每个学生都能通过软件设计属于自己的作品，也 彰显了学生的个性化需求。

学生在激光实习完成之后得到 了水晶钥匙扣、书签、名片作品，大大提高了自我的成就 感。

这个实训环节也很受学生的欢迎，在校内影响很大。

通过几学期教学实践下来，我们感触到了虽然我们的实训内容丰富，项目迎合了学生的个性需求、学生在实训 中的参与度较高，兴趣大。

但是在工程能力培养方面还有 不足，学生完成的实训项目多为个性工艺品，设计作品随 意性大，无法体现工程中图纸、尺寸、精度、按图施工等工 程意识；另外，每个实训内容都较为独立且单一，比如水晶 钥匙扣制作只用到了激光内雕工艺，个性名片制作仅采用 激光打标工艺，而书签制作只采用激光雕刻工艺。

每个加 工工艺只是现实中产品生产的一个环节，学生通过这些实 训内容无法看到一个多流程多工艺的复杂产品制造流程。