激光加工综合实训的探索与实践

赵轶++朱虹++周琴

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 important in manufacturing. This article describes the feasibility and necessity of introducing laser processing technology in engineering training. Taking laser-micro-engraving， laser carving， laser marking and comprehensive training programs 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 improve 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.

關键词：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

0 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。

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30×20×12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。

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20×140的空白竹简，这些竹简预先已经通过了磨青、漂白、晒色、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。

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，利用計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。

我们为学生提供86×54×0.2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。因此，我们也在思索和探究增加一个激光实训项目，这个实训项目不仅能体现具有工程背景、工程制造概念，并且还能涵盖多个加工工艺的实训小项目。这样不仅能弥补现有激光实训项目的不足，而且能加强和拓宽激光实训在工程训练中的教学作用和地位。

3 激光综合实训项目的开发

3.1 项目内容

个性风铃的制作，毛坯材料采用2mm不锈钢板，学生按图纸完成风铃各部件外形加工，在规定部位设计上相应的图案及文字，最后将各部件联接起来（如图7）。此项目由学生分组完成，要求学生按图纸尺寸加工各零件外形，实操成绩根据最终产品质量（尺寸精度、表面质量）和风铃各面图案设计创意性来考核评定（如图8）。

3.2 加工设备及涵盖工艺

该项目中切割不锈钢板的设备采用楚天激光公司的500瓦光纤激光切割机，其中激光器采用IPG500瓦光纤激光器，切割中需要用氮气吹渣。风铃焊接设备采用6轴机器人激光焊接机。除了金属激光切割、机器人激光焊接工艺外，风铃的表面可以由学生设计图案激光打标。如图9所示。

4 实训效果

风铃制作不但包含了以往激光实训中的创意设计环节，保留了我们激光实训中设计性和自主性高的特点，还增加了工厂生产模式，风铃的外形要按图纸在CAD中绘制好，按既定的工艺和工艺参数进行切割并焊接，体现了生产的标准与要求，培养了学生的工程意识。在实际生产中一个毛坯需要通过多个工艺工序才能加工完成，成为合格的产品。风铃制造它也将激光切割、激光打标、激光焊接多个工艺融合到一个实训项目和产品中，起到了串接作用，与实际工程接近。另外，该项目中有标准生产环节，要求学生严格按图纸设计、工艺参数生产。让学生能体验到实际产品生产过程的标准、严谨的工艺与要求，能够思索如何生产一个合格产品并如何量产合格产品。学生分组分工完成各自的任务，最终得到一个产品。这个项目能激发学生的求知欲，促进其主动学习，培养他们的创新意识，而且通过整个过程的合作，培养了学生的团队精神和群体合作能力及组织、管理能力，效果非常好。

在该项目开发的激光实训中，由学生组成产品的设计、生产管理组织，指导老师只需负责设备及操作安全。学生自己完成产品从设计到加工的整个过程，学生的学习兴趣提高了，积极性也调动了，创新意识也得到了培养。实训中要求每位学生都有一件或多件作品，包括水晶钥匙扣、个性书签、金属名片，他们可以互相交流、互相指点传授，但必须自己动手完成作品，因此每位学生都能基本掌握设备加工过程及工艺，达到教学效果。在此过程中不存在学生互相“抄袭”，每个学生都有自己的个性，都想设计和制作的作品与众不同。由于学生产生了学习兴趣，调动了学习积极性，不少学生实习完成后仍想再做几个精美作品，这样我们在此基础上有开设了激光创意公共选修课，为有兴趣继续学习的学生提供了一次深入学习激光及加工知识，制作更加精美复杂工艺品的机会。在最后的综合实训项目——风铃制作中，学生又必须严格按照图纸工艺进行规范生产，分工合作完成整个风铃的制造。

5 结论

本课题开发了适于学生培训的激光内雕、雕刻、打标、切割、焊接激光综合实训项目。将本实训室内所有激光加工设备都利用结合起来。学生对各种激光加工工艺、激光性能及使用都有一定的了解和认识。同时了解多种激光加工原理，初步掌握激光制造的基本工艺过程。实训中采用的耗材成本相对较低，激光器基本零消耗，实训消耗相对合理。由于激光设备多采用密封结构，加工中还有护罩与护镜保护，学生操作時的安全性非常高，指导人员安全巡视相对轻松。生产过程中产生烟气由烟道抽排，生产实习环境安全、干净、无污染。

其次，学生实习积极性、主动性、创造性高，乐于参与实训实习。通过引入激光综合项目后，激光实训还增加很多工程要素，在评分环节考核了尺寸、公差、废品率等工程要素。对学生的创意作品不仅有设计性的要求，还有作为产品按图施工的工程性要求。

整个实训内容既有让学生发挥主动实习积极性、创造性，又有按工程要求生产产品的质量与效率进行考核，还有分工合作、项目管理团队训练。将激光实训作为众多实训项目中脱颖而出，作为现代制造实习中的一大特色，在高校工程训练教育中起到了更大的作用。

参考文献：

[1]周世权.工程实践[M].武汉：华中科技大学出版社，2003.

[2]刘世平，贝恩海.工程训练[M].武汉：华中科技大学出版社，2008.

[3]江海河.激光加工技术应用的发展及展望[J].光电子技术与信息，2001，14（4）：1-2.

[4]方志民，谢颂京，姚建华.激光加工在先进制造技术中的应用[J].机械工程师，2003（8）.

[5]余淑荣，樊丁.激光加工技术及发展现状[J].2005能源工程焊接国际论坛文集，394-395.

[6]傅水根，张学政.金工课程改革应处理好五个关系[J].教学与教材研究，1998（3）：25-27.

[7]候艳君，张太萍，郝用兴.“大工程观”下《金属工艺学》课程的教学改革与实践[J].教育研究，2011（7）：527-528.

[8]陈苗海.国内外激光加工产业和市场发展概况[J].光机电信息，2004（9）：1-2.

[9]冯巧波.激光加工在工程实训中的应用[J].实验室研究与探索，2015，34（4）.

[10]邓子新.实验室重在培养创新型的人才[J].实验室研究与探索，2007，26（3）：1-4.

[11]陈伟，程杰.工程实训与应用型人才培养模式的研究[J].实验室研究与探索，2010，29（6）：154-161.

[12]刘顺洪.激光制造技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[13]郑志军，胡青春.现代工程训练教学体系的改革与创新实践[J].实验室研究与探索，2008，27（8）：79-82.

[14]左键勇.面向工程的实训教学模式与案例分析[J].实验室研究与探索，2011，30（7）：157-161.

[15]周世权，杨雄.基于项目的工程实践[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.