激光加工工藝在先進制造技術(shù)課程中的應(yīng)用探討

朱福棟　朱必云

摘 要：激光加工工藝作為當(dāng)前機械制造行業(yè)的重要技術(shù)，在職業(yè)學(xué)院先進制造技術(shù)課程中具有十分重要的地位?；诖?，文章簡要介紹了激光加工工藝，分析了當(dāng)前職業(yè)院校激光加工實訓(xùn)教學(xué)中存在的主要問題，以及激光加工工藝實際操作流程，探討了激光加工工藝實訓(xùn)課程，以期為相關(guān)教育工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：激光加工;制造技術(shù);課程

中圖分類號：G71 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03-216-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.073

在新時期教育發(fā)展背景下，職業(yè)教育理念逐漸發(fā)生改變，更加強調(diào)實踐教育的重要性。作為先進制造技術(shù)課程中的重要內(nèi)容，激光加工工藝是實踐操作課程的重要部分，其教學(xué)方法和課程設(shè)計直接影響教學(xué)質(zhì)量效果，以及學(xué)生對于激光加工工藝技術(shù)的應(yīng)用。因此，加強對于激光加工工藝在先進制造技術(shù)課程中的應(yīng)用探討是十分必要的。

1 激光加工工藝

激光加工工藝是借助激光束直接加工工件，屬于一種非接觸式加工技術(shù)，其主要原理是借助光學(xué)系統(tǒng)，將激光束聚集成直徑幾十微米甚至幾微米的極小激光束，再將高能量密度傳送到指定的加工位置上。在高能量傳輸下，工件表面會產(chǎn)生極高的溫度，而這部分能量會被工件吸收，導(dǎo)致被激光束照射到的材料位置發(fā)生一定的變化，進而實現(xiàn)高精度加工處理。

激光加工中，操作人員可通過控制激光照射時間、照射角度以及能量、密度等方面，實現(xiàn)工件的多樣化加工處理。當(dāng)前，激光加工工藝主要分為激光熱處理、化學(xué)反應(yīng)處理兩種類型。其中，激光熱處理就是利用激光與材料表面接觸后的熱效應(yīng)進行工件加工，常見的激光熱處理技術(shù)包括激光焊接、激光鉆孔等幾種類型?；瘜W(xué)反應(yīng)處理則是在激光照射到加工位置后，在高密度能量的作用下引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的激光加工，其主要加工技術(shù)包括化學(xué)沉積、激光雕刻等。

激光加工工藝設(shè)備主要包括電源、激光器、光學(xué)系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等部分。激光加工中，激光器會在電源的作用下發(fā)出激光束，經(jīng)過光纜、反射鏡以及聚焦鏡，投射到工作臺上的工件上，并通過控制激光強度、時間以及位置、角度等，實現(xiàn)對于工件的加工處理。常見的激光加工設(shè)備有激光打標(biāo)機、雕刻機、切割機、熱處理機等。

激光加工工藝在當(dāng)前制造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的主要原因有：第一，激光加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)對于硬度、熔點較高材料的加工，而且對于陶瓷等脆性較大的材料也能夠保障加工處理的質(zhì)量效果;第二，由于激光加工工藝為無接觸加工，不會出現(xiàn)切削應(yīng)力等，因此能夠?qū)穸容^薄的工件或彈性工件進行加工處理;第三，由于無須使用各種刀具等，激光加工工藝不存在零部件的損耗和更換，在計算機技術(shù)的支持下實現(xiàn)自動加工，保障生產(chǎn)質(zhì)量和效率[1]。

2 激光加工教學(xué)中存在的主要問題

激光加工教學(xué)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的實操能力，該課程的內(nèi)容以實際操作為主。由于激光加工教學(xué)課程的技術(shù)性、先進性、趣味性，使得學(xué)生對于該門課程有著極大的熱情。但與此同時，由于激光加工教學(xué)的特殊需求，結(jié)合當(dāng)前激光加工工藝教學(xué)的實際情況，在實際教學(xué)中還暴露出很多問題。

首先，由于激光加工工藝教學(xué)其本身的操作要求和教學(xué)目標(biāo)，導(dǎo)致很多學(xué)校的教學(xué)設(shè)備不足，不僅數(shù)量相對較少，存在多個學(xué)生使用同一臺設(shè)備的情況，而且設(shè)備種類相對較為單一，難以滿足不同激光加工技術(shù)的實際需求和融合使用，影響了激光加工工藝教學(xué)的質(zhì)量和效果。

其次，激光加工工藝教學(xué)模式相對單一，學(xué)校開設(shè)的課程較為單一，多為激光內(nèi)雕課程，學(xué)生得到的激光加工教學(xué)和實際操作機會十分有限，影響了學(xué)生對于激光加工工藝課程的學(xué)習(xí)。

最后，由于激光加工工藝種類繁多，適用范圍也十分廣泛，但是實際教學(xué)時長有限，學(xué)生課程安排較為緊密，導(dǎo)致實際開展激光加工工藝操作練習(xí)的時間相對較少，而且內(nèi)容相對較為單一，學(xué)生對于激光加工工藝的了解只是停留在表面，教學(xué)質(zhì)量難以得到保障，學(xué)生的操作熟練度相對較差，無法充分發(fā)揮激光加工工藝教學(xué)的作用。

3 激光加工工藝實際操作流程

以某零件加工工藝實際操作流程為例。該零件加工的主要技術(shù)要求包括三個方面：第一，要求棱角倒鈍;第二，要求彎折成型;第三，要求零件激光刻字為宋體，字體高度為5 mm，字體位置為零件邊緣處，具體定位可按照實際加工工藝確定。其實際操作流程和步驟如下：

首先，按照零件藍圖繪制展開圖，明確相應(yīng)技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)技術(shù)要求構(gòu)建激光切割程序，然后進行程序上傳、切割零件，為保障零件加工質(zhì)量，必須加強對于零件尺寸的控制。

其次，操作人員使用相應(yīng)的工具或者設(shè)備，例如砂紙、角磨機等，對切割好的零件進行去毛刺處理，確保零件無毛刺、銳邊等，然后將零件放置在校平設(shè)備上進行校平處理，確保其平面誤差在1 mm以內(nèi)。

再次，壓邊修型處理，將下模安裝在數(shù)控折彎機上并調(diào)整，設(shè)置壓型參數(shù)，按照零件加工藍圖和相應(yīng)展開圖進行壓邊處理，然后修正零件角度，確保其誤差處于相應(yīng)標(biāo)準范圍內(nèi)，保障零件加工質(zhì)量。

最后，完成上述加工處理修整工作后，采用激光刻字機，將設(shè)計圖紙中要求的漢字或者數(shù)字、字母等雕刻在零件指定位置上，完成激光加工處理。

4 激光加工工藝課程探討

激光加工工藝課程具有一定的獨特性和極強的可操作性，為充分發(fā)揮該課程的特點和優(yōu)勢，必須結(jié)合實際情況以及教學(xué)內(nèi)容，明確教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)設(shè)備，合理開展教學(xué)設(shè)計，選擇科學(xué)的教學(xué)方法，在保障教學(xué)質(zhì)量效果的同時，確保教學(xué)目標(biāo)順利達成。

4.1 教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是開展教學(xué)活動的最終目的，對于整個教學(xué)活動具有重要的指導(dǎo)意義和作用。為保障激光加工工藝課程質(zhì)量和效果，在實際開展課程前要明確教學(xué)目標(biāo)，確保教學(xué)目標(biāo)制定的科學(xué)性、合理性。

結(jié)合激光加工工藝課程的設(shè)置目的以及制造專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)等，該課程的主要教學(xué)目標(biāo)在于幫助學(xué)生充分了解激光加工先進制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)、基本原理、優(yōu)勢特點和實際應(yīng)用，確保學(xué)生熟練應(yīng)用激光加工工藝，具備一定的實踐操作能力。

具體教學(xué)目標(biāo)和相應(yīng)要求包括：第一，理論基礎(chǔ)方面，通過激光加工工藝課程，使學(xué)生了解并熟悉激光加工的基本原理、主要類型、工藝特點、應(yīng)用方向以及當(dāng)前發(fā)展情況等基礎(chǔ)內(nèi)容;第二，工具設(shè)備方面，確保學(xué)生充分了解典型激光加工設(shè)備的種類、樣式以及組成結(jié)構(gòu)，和相應(yīng)儀器配置;第三，實際操作方面，通過激光加工工藝教學(xué)，確保學(xué)生充分掌握激光加工工藝和相應(yīng)技術(shù)，明確圖形設(shè)計要點、相應(yīng)程序設(shè)置流程、設(shè)備相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)置調(diào)節(jié)以及相應(yīng)零件的加工處理，熟練應(yīng)用各種加工技術(shù)方法，獨立、安全地完成相應(yīng)加工處理操作，掌握激光加工工藝技能。

4.2 教學(xué)設(shè)備

激光加工工藝課程具有一定的實踐性，格外重視對于學(xué)生實踐操作能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生操作能力的最好方法就是讓學(xué)生親自動手實踐，而教學(xué)設(shè)備是保障教學(xué)質(zhì)量效果的最基礎(chǔ)要求。因此，學(xué)校要結(jié)合實際激光加工工藝情況，為學(xué)生配備相應(yīng)教學(xué)設(shè)備，確保學(xué)生進行實際動手操作。

常用的激光加工教學(xué)設(shè)備主要包括金屬光纖激光切割機、3D雕刻切割機、激光焊接機、激光打標(biāo)機等幾種，不同激光設(shè)備的主要功能、操作方法等存在較大差異，先進的、種類齊全、數(shù)量充足的教學(xué)設(shè)備，能夠更好地保障實訓(xùn)教學(xué)的開展質(zhì)量和效果。學(xué)?？梢愿鶕?jù)專業(yè)學(xué)生、班級的數(shù)量，以及相應(yīng)教學(xué)設(shè)備的實際情況，合理規(guī)劃課程，調(diào)整相應(yīng)教學(xué)設(shè)計和方法，充分發(fā)揮教學(xué)設(shè)備的功能和作用，確保教學(xué)設(shè)備的利用率。

4.3 教學(xué)設(shè)計

為保障激光加工工藝教學(xué)的質(zhì)量效果，確保學(xué)生在先進制造技術(shù)課程中學(xué)習(xí)激光加工工藝，保障達成教學(xué)目標(biāo)，確保教學(xué)質(zhì)量，就要結(jié)合實際教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生特點以及教學(xué)目標(biāo)等，合理進行教學(xué)設(shè)計。合理進行教學(xué)課程體系的設(shè)置，針對不同年級，合理規(guī)劃課型以及授課方式。

對于剛?cè)雽W(xué)的學(xué)生而言，課程設(shè)計應(yīng)由易到難逐步遞進，此時要優(yōu)先開展認知型課程，通過講授和演示的方式授課，避免學(xué)生在不了解實際操作要點的情況下，因貿(mào)然進行設(shè)備操作而引發(fā)安全事故。此階段的主要教學(xué)內(nèi)容包括激光加工技術(shù)的基本原理、類型、技術(shù)特點以及實際應(yīng)用等，以理論講解為主，并配以相應(yīng)演示過程，可以以剪紙、書簽作品等為例為學(xué)生演示加工過程。

對于已經(jīng)充分了解激光加工技術(shù)基本原理和相應(yīng)理論知識的學(xué)生而言，應(yīng)開展創(chuàng)新制作型課程，引導(dǎo)學(xué)生親自設(shè)計加工零件和操作激光加工技術(shù)。該課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括：其一，講解激光加工技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備基礎(chǔ)知識，介紹設(shè)備使用操作方法、流程、規(guī)范和注意事項;其二，相應(yīng)圖形設(shè)計軟件的教學(xué)，要求學(xué)生利用圖形設(shè)計軟件，獨立進行相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計;其三，加工工藝和設(shè)備操作技術(shù)的實踐應(yīng)用訓(xùn)練，促使學(xué)生掌握激光加工操作方法，獨立完成簡單工件的加工處理。

教學(xué)過程中，常見的激光加工作品通常有激光雕刻切割3D立體拼插設(shè)計、激光打標(biāo)名片等多種類型。其中，3D立體拼插設(shè)計是當(dāng)前受到廣大先進制造技術(shù)課程教師和廣大學(xué)生歡迎的教學(xué)內(nèi)容，該類型作品的設(shè)計制作，不僅有著極大的自主發(fā)揮空間，對培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、思維能力、空間想象能力以及提高加工意識和動手實操能力等方面都有積極作用。

在此基礎(chǔ)上，為進一步培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和設(shè)計能力，還要開設(shè)拓展應(yīng)用型課程，對學(xué)生進行提高型教學(xué)，以小組合作為主要形式，以項目設(shè)計為引導(dǎo)，實施開放主題式的創(chuàng)新制作項目。教師要充分明確自身的引導(dǎo)地位和角色定位，減少對項目創(chuàng)作過程的干預(yù)和影響，幫助學(xué)生自行組織創(chuàng)新作品的設(shè)計和制作。

應(yīng)用激光加工工藝，可應(yīng)用的材料包括金屬板材、螺絲、螺母等，可以使用一種激光加工技術(shù)，也可以選用多種激光加工技術(shù)進行組合加工。這種課型的設(shè)計，不僅幫助學(xué)生在實踐設(shè)計和操作中實現(xiàn)對于所學(xué)知識的鞏固和復(fù)習(xí)。同時還通過實踐，明確相應(yīng)設(shè)計和操作要點內(nèi)容，進一步提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、實操能力，小組合作方式還有助于培養(yǎng)學(xué)生的合作能力、溝通能力、思維能力和解決問題的能力，對于提高教學(xué)質(zhì)量效果具有積極意義和作用。

4.4 教學(xué)方法

在新時期教育背景下，職業(yè)教育著重強調(diào)學(xué)生的操作能力和知識運用能力，尤其是對于先進制造技術(shù)這種實踐性較強的課程而言。課程教學(xué)中，必須明確學(xué)生的主體地位，充分突出以學(xué)生為中心的教學(xué)原則，加大實踐操作教學(xué)在整個課程教學(xué)中的比例，讓學(xué)生切身感受和體驗激光加工工藝的操作和相應(yīng)要點內(nèi)容，而不是單純地進行理論知識方面的教學(xué)和操作演示。

第一，結(jié)合學(xué)生特點，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在理論知識以及認知型課程教學(xué)中，由于此類課程多以理論知識的講解為主，穿插教師的演示操作，在課時限制以及課堂安全的考量之下，學(xué)生實際操作的機會相對較少。對此，教師要充分發(fā)揮激光加工工藝其本身趣味性、多樣化特點，采取綜合教學(xué)方法，盡可能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而不是單純借助PPT課件等進行理論講解。教師可以從網(wǎng)上下載視頻、動畫等教學(xué)資源，并將激光加工技術(shù)制成的作品展示給學(xué)生傳閱，同時可以帶領(lǐng)學(xué)生到實驗室進行現(xiàn)場加工演示。此外，還可以把激光加工制成的相應(yīng)作品作為禮物，進一步激發(fā)學(xué)生對于激光加工技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。

第二，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)，強化教學(xué)目的。激光加工工藝實踐教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進行激光加工作品的設(shè)計，并將其作為任務(wù)，驅(qū)動學(xué)生應(yīng)用激光加工技術(shù)，開展作品的創(chuàng)造和制作，解決各種影響作品成型的問題，以此提高學(xué)生的實踐能力。同時，為實現(xiàn)對學(xué)生的良性引導(dǎo)，教師還可以適當(dāng)?shù)靥岢鰡栴}，引發(fā)學(xué)生思考，并通過問題的提出，給學(xué)生提供一定的思路和啟發(fā)，在潛移默化中幫助學(xué)生掌握激光加工技術(shù)。

第三，小組教學(xué)模式，實現(xiàn)綜合培養(yǎng)。先進制造技術(shù)課程中的激光加工工藝具有一定的綜合性，學(xué)生不僅要掌握相應(yīng)激光加工操作技術(shù)，而且要具備設(shè)計能力和思考能力。通過小組合作教學(xué)的模式，不僅從作品的設(shè)計、加工和裝配全過程，實現(xiàn)對于學(xué)生的綜合訓(xùn)練，有助于培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力等，對于提高教學(xué)質(zhì)量、實現(xiàn)學(xué)生的綜合培養(yǎng)等方面都有積極作用[2]。

5 結(jié)語

綜上所述，激光加工工藝目前已形成較為完整的工業(yè)配套體系和加工工藝，是高職院校機械制造專業(yè)必須掌握的一種高新技術(shù)。在先進制造技術(shù)課程中，開展激光加工工藝教學(xué)更強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)實操能力和激光加工技術(shù)。學(xué)校在教學(xué)中要明確教學(xué)目標(biāo)，加大對于教學(xué)設(shè)備的投入力度，為教學(xué)工作的開展提供良好環(huán)境基礎(chǔ)。同時，要結(jié)合學(xué)生特點和教學(xué)內(nèi)容合理進行教學(xué)設(shè)計，科學(xué)選擇教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，進一步提高激光加工工藝教學(xué)的質(zhì)量和效果。

參考文獻

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[2] 程錦澤.大尺寸金屬3D打印制造裝備激光加工工藝技術(shù)研究與探討[J].金屬加工（熱加工），2021（8）：6-8，13.

作者簡介：朱福棟（1982—），男，山東德州人，研究生，副教授，研究方向：激光表面強化。