木工圆锯片激光冲击适张装置的工作原理设计

李 博，张占宽

(1.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091；2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091)

研究与设计

木工圆锯片激光冲击适张装置的工作原理设计

李 博1，2，张占宽1，2

(1.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091；2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091)

在激光冲击技术的基础上，提出一种木工圆锯片适张方法——激光冲击适张法。这种方法是利用高功率密度激光束产生的高压等离子体冲击波作用于圆锯片表面的局部区域，使其产生局部塑性变形进而生成适张应力场，产生适张效果。对木工圆锯片激光冲击适张装置的激光器、外光路和装夹工作台三个主要组成部分进行了介绍，阐述了它们的工作原理以及设计思路，可为后续的样机研制提供技术支持。

圆锯片；适张；激光冲击；工作原理

近年来，提高木材加工利用率及减少木材资源浪费已成为我国的基本国策[1]。木工圆锯片是木材加工的基本刀具，具有效率高、使用简单、移动方便等优点，在所有木材切削刀具中占有30%～40%的比例[2-3]。降低圆锯片厚度及增加其稳定性已被国内外公认为是提高木材利用率最直接最有效的方法。

圆锯片在高速回转时会产生离心应力，并且伴随切削过程其外缘会产生热应力，如图1所示。随着切削过程的进行，热应力在锯片外缘分解产生的切向压应力会不断增大，并逐渐超过离心应力在锯片外缘分解产生的切向拉应力，导致圆锯片外缘总的切向应力呈现压应力的状态。在这种不良的应力状态下，圆锯片在很小的横向力作用下就会由于压曲变形而失稳，导致出现锯切精度和表面加工质量下降、锯路损失增大、切削发热进一步加剧，以及锯片寿命缩短等许多问题。

为避免出现上述问题，圆锯片适张工艺应运而生，即通过机械或物理的手段，使锯片局部区域产生一定程度的塑性变形，进而在锯片内部引入数值大小适当、分布合理的适张应力场，以补偿圆锯片在切削过程中由于切削热应力导致的变形，从而达到提高锯片稳定性和锯切质量的目的。

目前国内外针对圆锯片的适张方法主要有锤击法和辊压法。锤击适张时锤击力、锤击点难以精确控制，自动化程度低、重复性和可控性差、生产效率低、锯片质量不稳定，现已很少采用；辊压适张是目前应用最为广泛的适张方法，但辊压适张时辊压带外侧的切向拉应力随着半径的增加而减小，这种适张应力场也不理想，并且反复辊压同一辊压带会使锯片的强度和刚度大大降低，这对于超薄圆锯片的适张非常不利[4-5]。

圆锯片的适张从根本上讲是一种金属塑性成形方法，而激光冲击是新型的金属塑性成形方法，因此，本文提出了圆锯片激光冲击适张方法。下面重点阐述圆锯片激光冲击适张的原理及激光冲击适张装置的设计构想和工作原理。

1 圆锯片激光冲击适张原理

圆锯片激光冲击适张工艺的关键是激光冲击技术，其利用高功率密度(GW/cm2量级)、纳秒(ns)量级脉冲的激光束对圆锯片正反两个表面的多个局部区域进行同步辐照，使预先贴附于圆锯片表面的吸收保护层吸收激光能量后发生爆炸蒸发汽化，产生的高压等离子体冲击波对圆锯片多个局部区域进行高压冲击，使得圆锯片多个局部区域产生塑性变形进而生成适张应力场，产生适张效果。

文献资料显示，利用激光冲击技术能够使诸如镍基高温合金等难变形金属产生塑性变形进而生成残余应力场，一次冲击过后，冲击区域的应变层深度可达1～2 mm，冲击区域的凹坑深度在几微米到几十微米之间，凹坑内的压应力可达上百兆帕，凹坑外侧一定区域内生成的拉应力可达几十甚至上百兆帕[6-11]。

圆锯片激光冲击适张原理如图2所示。其中，吸收保护层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，针对激光冲击适张工艺，吸收保护层的材料主要采用铝箔。约束层除了能约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力外，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，针对激光冲击适张，约束层的材料主要采用流水。

圆锯片激光冲击适张的冲击区域分布如图3所示，根据不同尺寸规格的圆锯片，冲击区域的分布疏密可进行调整。激光能量、冲击次数、光斑直径及冲击区域分布是圆锯片激光冲击适张最主要的工艺参数。

圆锯片激光冲击适张具有以下优点：

(1)圆锯片表面的激光冲击区域和冲击波压力可精确调控，能够实现对圆锯片双面进行对称同步冲击，具有精度高、易于自动化控制、效率高等优势，能够弥补锤击、辊压等现有适张方法的不足。

(2)激光冲击适张过程中的冲击波峰值压力可达到吉帕(GPa)量级，乃至太帕(TPa)量级，远远超过常规的机械加工手段，适张效果好。

(3)激光束单脉冲能量可以达到几十焦耳，峰值功率达到吉瓦(GW)量级，在10～20 ns内可将光能转变成冲击波机械能，实现了能量的高效利用，属于低能耗加工方式。

图2 激光冲击适张原理示意图

图3 激光冲击适张的冲击区域分布

2 激光冲击适张装置工作原理设计

2.1 激光器及其参数设置

圆锯片激光冲击适张装置的核心部件为高功率脉冲激光器，目前常用的激光器有掺钕的钇铝石榴石(Nd：YAG)和钕玻璃(Nd：Glass)两种。

钇铝石榴石激光器(Nd：YAG)是目前最常用的一类固体激光器，该激光器参量有利于激光作用的产生，且钇铝石榴石(YAG)基质硬、光学质量好、热导率高，其立方结构也有利于窄的荧光谱线，从而可产生高增益、低阈值的激光作用[12-13]。

钕玻璃激光器(Nd：Glass)具有荧光谱线宽、制造工艺相对简单等特点，容易制成大体积工作物质，适用于高功率激光器。但玻璃散热性差，散热不及时的热应力容易引起材料的损坏，因此钕玻璃激光器的重复使用频率难以提高。

针对圆锯片激光冲击适张工艺，其激光器的主要参数设置见表1。

表1 激光器的主要参数设置

2.2 外光路及相关技术

激光器出口至圆锯片表面的光路称为外光路，相关技术主要包括反射光抑制技术、光路污染防治技术和外光路导光技术。

(1)反射光抑制技术：为了避免激光束被吸收保护层反射，采用了添加波片隔离、新型吸收保护层和控制激光偏转角度等方法对反射光加以抑制。

(2)光路污染防治技术：为避免冲击过程中水及吸收保护层产生的碎渣污染激光器输出镜，采用隔离、输出镜保护装置等方式，实现光路污染的防治。

(3)外光路导光技术：通过小型光纤导光激光头，使激光器输出的高能激光能够到达圆锯片的表面[12]。

2.3 圆锯片装夹工作台

圆锯片激光冲击适张过程中，激光光路固定不变。圆锯片可通过装夹工作台进行移动，以实现不同区域的激光冲击。圆锯片在激光冲击适张过程中的运动方式如图4所示。

图4 圆锯片运动方式

激光束平行于圆锯片中心孔的轴线方向并位于圆锯片中心孔轴线的正上方，圆锯片两侧激光束光路方向固定不变，通过圆锯片自身的旋转运动，圆锯片最外环的冲击区域依次被激光冲击。当完成对圆锯片最外环冲击区域的冲击后，圆锯片沿垂直方向向上移动，使得激光束正对中间环的某一冲击区域，圆锯片旋转，激光束依次完成中间环所有冲击区域的激光冲击。以此类推，圆锯片通过自转和向上移动的方式，最终实现圆锯片表面多个指定冲击区域的激光冲击。

圆锯片装夹工作台工作原理示意图如图5所示，其主要部件包括圆锯片安装轴、传动机构、伺服电机及电控移动滑轨。圆锯片安装轴用于安装圆锯片，安装圆锯片时需根据圆锯片中心孔的不同尺寸定制不同规格的安装轴；伺服电机是驱动机构，主要用于使电机输出轴能够按照指定的角度旋转；传动机构主要通过链条传动或其他传动方式将输入端的旋转运动传递到输出端，使输出轴按照指定的角度旋转，最终能够精确控制圆锯片的旋转角度；电控移动滑轨的主要作用是使圆锯片能够按照指定的位移向上移动，行程为0～100 mm。

图5 圆锯片装夹工作台工作原理示意图

3 结束语

(1)阐述了圆锯片激光冲击适张工艺的原理与特点。

(2)根据圆锯片激光冲击适张工艺自身的特点，对激光冲击适张装置的工作原理进行了设计。介绍了圆锯片激光冲击适张装置主要组成部分(激光器、外光路以及圆锯片装夹工作台)的工作原理，其可为后续的样机研制提供技术支持。

[1] 吕建雄.关于木材资源保护与利用的辨证思考[J].林业科技管理，2002(4)：3-7.

[2] 张楷，张占宽，李伟光，等.木材低切削量锯切中圆锯片组在线冷却系统的研制[J].林业机械与木工设备，2014(11)：24-26+30.

[3] 张楷，张占宽，李伟光.圆锯片组在线冷却喷头设计与内部流场仿真分析研究[J].林业机械与木工设备，2015(8)：22-24.

[4] 张占宽，习宝田，程放.球面多点加压适张圆锯片残余应力的研究[J].北京林业大学学报，2005，27(2)：111-113.

[5] 李博，张占宽，李伟光，等.圆锯片多点加压适张工艺压点分布对适张效果的影响[J].木材加工机械，2015，26(4)：19-23.

[6] Huang S，Zhou J Z，Sheng J，et al.Effects of laser peening with different coverage areas on fatigue crack growth properties of 6061-T6 aluminum alloy [J].International Journal of Fatigue，2013，47(2)：292-299.

[7] Leap M J，Rankin J，Harrison J，et al.Effects of laser peening on fatigue life in an arrestment hook shank application for naval aircraft [J].International Journal of Fatigue，2011，33(6)：788-799.

[8] See D W，Dulaney J L，Clauer A H.The air force manufacturing technology laser peening initiative [J].Surface Engineering，2002，18(1)：32-36.

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[12] 李应红.激光冲击强化理论与技术[M].北京：科学出版社，2013.

[13] 杨春梅，杨博，宋文龙.人工林小型履带采伐机切削力与切削功率的研究[J].森林工程，2015，31(5)：78-81+85.

(责任编辑 张雅芳)

Design of Working Principle of Laser Shock Tensioning Device ofWoodworking Circular Saw Blades

LI Bo1，2，ZHANG Zhan-kuan1，2

(1.Forestry New Technology Research Institute，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China；2.Research Institute of Wood Industry，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China)

Based on the laser shock technology，a laser shock tensioning method，also known as a laser shock tensioning method is proposed for woodworking circular saw blades.This method involves applying the high pressure plasma shock wave generated by high-power density laser beam to the local surface area of a circular saw blade to cause local plastic deformation，followed by the generation of a tensioning stress field and the formation of a tensioning effect.The three main components of the laser shock tensioning device of woodworking circular saw blades，i.e.laser，reflector path and clamping worktable，are introduced，with the their working principles and design ideas introduced，which can provide technical support for subsequent prototype research and development.

circular saw blade；tensioning；laser shock；working principle

2017-03-10

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目“超薄木工圆锯片激光冲击适张技术研究”(CAFYBB2017SY039)；国家自然科学基金青年科学基金项目“木工超薄圆锯片激光冲击适张预应力场的生成与调控机理”(31600458)

李 博(1986-)，男，北京人，中国林业科学研究院木材工业研究所助理研究员，工学博士，研究方向为木材切削理论与刀具，E-mail：libohongxing@sina.com。

TS642

A

2095-2953(2017)06-0015-04