激光加工工藝在先進制造技術課程中的應用探討

朱福棟　朱必云

摘 要：激光加工工藝作為當前機械制造行業的重要技術，在職業學院先進制造技術課程中具有十分重要的地位。基于此，文章簡要介紹了激光加工工藝，分析了當前職業院校激光加工實訓教學中存在的主要問題，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課程，以期為相關教育工作者提供參考。

關鍵詞：激光加工;制造技術;課程

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

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.073

在新時期教育發展背景下，職業教育理念逐漸發生改變，更加強調實踐教育的重要性。作為先進制造技術課程中的重要內容，激光加工工藝是實踐操作課程的重要部分，其教學方法和課程設計直接影響教學質量效果，以及學生對于激光加工工藝技術的應用。因此，加強對于激光加工工藝在先進制造技術課程中的應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，其主要原理是借助光學系統，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，工件表面會產生極高的溫度，而這部分能量會被工件吸收，導致被激光束照射到的材料位置發生一定的變化，進而實現高精度加工處理。

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，實現工件的多樣化加工處理。當前，激光加工工藝主要分為激光熱處理、化學反應處理兩種類型。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進行工件加工，常見的激光熱處理技術包括激光焊接、激光鉆孔等幾種類型。化學反應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化學反應的激光加工，其主要加工技術包括化學沉積、激光雕刻等。

激光加工工藝設備主要包括電源、激光器、光學系統以及冷卻系統等部分。激光加工中，激光器會在電源的作用下發出激光束，經過光纜、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，實現對于工件的加工處理。常見的激光加工設備有激光打標機、雕刻機、切割機、熱處理機等。

激光加工工藝在當前制造行業得到廣泛應用的主要原因有：第一，激光加工工藝能夠實現對于硬度、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量效果;第二，由于激光加工工藝為無接觸加工，不會出現切削應力等，因此能夠對厚度較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，在計算機技術的支持下實現自動加工，保障生產質量和效率[1]。

2 激光加工教學中存在的主要問題

激光加工教學的主要目的是培養學生的實操能力，該課程的內容以實際操作為主。由于激光加工教學課程的技術性、先進性、趣味性，使得學生對于該門課程有著極大的熱情。但與此同時，由于激光加工教學的特殊需求，結合當前激光加工工藝教學的實際情況，在實際教學中還暴露出很多問題。

首先，由于激光加工工藝教學其本身的操作要求和教學目標，導致很多學校的教學設備不足，不僅數量相對較少，存在多個學生使用同一臺設備的情況，而且設備種類相對較為單一，難以滿足不同激光加工技術的實際需求和融合使用，影響了激光加工工藝教學的質量和效果。

其次，激光加工工藝教學模式相對單一，學校開設的課程較為單一，多為激光內雕課程，學生得到的激光加工教學和實際操作機會十分有限，影響了學生對于激光加工工藝課程的學習。

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

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，明確相應技術參數，并根據技術要求構建激光切割程序，然后進行程序上傳、切割零件，為保障零件加工質量，必須加強對于零件尺寸的控制。

其次，操作人員使用相應的工具或者設備，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備上進行校平處理，確保其平面誤差在1 mm以內。

再次，壓邊修型處理，將下模安裝在數控折彎機上并調整，設置壓型參數，按照零件加工藍圖和相應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標準范圍內，保障零件加工質量。

最后，完成上述加工處理修整工作后，采用激光刻字機，將設計圖紙中要求的漢字或者數字、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，為充分發揮該課程的特點和優勢，必須結合實際情況以及教學內容，明確教學目標、教學設備，合理開展教學設計，選擇科學的教學方法，在保障教學質量效果的同時，確保教學目標順利達成。

4.1 教學目標

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

結合激光加工工藝課程的設置目的以及制造專業學生的培養目標等，該課程的主要教學目標在于幫助學生充分了解激光加工先進制造技術的理論基礎、基本原理、優勢特點和實際應用，確保學生熟練應用激光加工工藝，具備一定的實踐操作能力。

具體教學目標和相應要求包括：第一，理論基礎方面，通過激光加工工藝課程，使學生了解并熟悉激光加工的基本原理、主要類型、工藝特點、應用方向以及當前發展情況等基礎內容;第二，工具設備方面，確保學生充分了解典型激光加工設備的種類、樣式以及組成結構，和相應儀器配置;第三，實際操作方面，通過激光加工工藝教學，確保學生充分掌握激光加工工藝和相應技術，明確圖形設計要點、相應程序設置流程、設備相關工藝參數的設置調節以及相應零件的加工處理，熟練應用各種加工技術方法，獨立、安全地完成相應加工處理操作，掌握激光加工工藝技能。

4.2 教學設備

激光加工工藝課程具有一定的實踐性，格外重視對于學生實踐操作能力的培養，培養學生操作能力的最好方法就是讓學生親自動手實踐，而教學設備是保障教學質量效果的最基礎要求。因此，學校要結合實際激光加工工藝情況，為學生配備相應教學設備，確保學生進行實際動手操作。

常用的激光加工教學設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、激光打標機等幾種，不同激光設備的主要功能、操作方法等存在較大差異，先進的、種類齊全、數量充足的教學設備，能夠更好地保障實訓教學的開展質量和效果。學校可以根據專業學生、班級的數量，以及相應教學設備的實際情況，合理規劃課程，調整相應教學設計和方法，充分發揮教學設備的功能和作用，確保教學設備的利用率。

4.3 教學設計

為保障激光加工工藝教學的質量效果，確保學生在先進制造技術課程中學習激光加工工藝，保障達成教學目標，確保教學質量，就要結合實際教學內容、學生特點以及教學目標等，合理進行教學設計。合理進行教學課程體系的設置，針對不同年級，合理規劃課型以及授課方式。

對于剛入學的學生而言，課程設計應由易到難逐步遞進，此時要優先開展認知型課程，通過講授和演示的方式授課，避免學生在不了解實際操作要點的情況下，因貿然進行設備操作而引發安全事故。此階段的主要教學內容包括激光加工技術的基本原理、類型、技術特點以及實際應用等，以理論講解為主，并配以相應演示過程，可以以剪紙、書簽作品等為例為學生演示加工過程。

對于已經充分了解激光加工技術基本原理和相應理論知識的學生而言，應開展創新制作型課程，引導學生親自設計加工零件和操作激光加工技術。該課程的主要教學內容包括：其一，講解激光加工技術以及相關設備基礎知識，介紹設備使用操作方法、流程、規范和注意事項;其二，相應圖形設計軟件的教學，要求學生利用圖形設計軟件，獨立進行相應產品的設計;其三，加工工藝和設備操作技術的實踐應用訓練，促使學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立體拼插設計、激光打標名片等多種類型。其中，3D立體拼插設計是當前受到廣大先進制造技術課程教師和廣大學生歡迎的教學內容，該類型作品的設計制作，不僅有著極大的自主發揮空間，對培養學生的設計能力、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。

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

應用激光加工工藝，可應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，也可以選用多種激光加工技術進行組合加工。這種課型的設計，不僅幫助學生在實踐設計和操作中實現對于所學知識的鞏固和復習。同時還通過實踐，明確相應設計和操作要點內容，進一步提高學生的創新能力、實操能力，小組合作方式還有助于培養學生的合作能力、溝通能力、思維能力和解決問題的能力，對于提高教學質量效果具有積極意義和作用。

4.4 教學方法

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

第一，結合學生特點，激發學習興趣。在理論知識以及認知型課程教學中，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，學生實際操作的機會相對較少。對此，教師要充分發揮激光加工工藝其本身趣味性、多樣化特點，采取綜合教學方法，盡可能激發學生的學習興趣，而不是單純借助PPT課件等進行理論講解。教師可以從網上下載視頻、動畫等教學資源，并將激光加工技術制成的作品展示給學生傳閱，同時可以帶領學生到實驗室進行現場加工演示。此外，還可以把激光加工制成的相應作品作為禮物，進一步激發學生對于激光加工技術的學習興趣。

第二，任務驅動教學，強化教學目的。激光加工工藝實踐教學中，教師可以引導學生進行激光加工作品的設計，并將其作為任務，驅動學生應用激光加工技術，開展作品的創造和制作，解決各種影響作品成型的問題，以此提高學生的實踐能力。同時，為實現對學生的良性引導，教師還可以適當地提出問題，引發學生思考，并通過問題的提出，給學生提供一定的思路和啟發，在潛移默化中幫助學生掌握激光加工技術。

第三，小組教學模式，實現綜合培養。先進制造技術課程中的激光加工工藝具有一定的綜合性，學生不僅要掌握相應激光加工操作技術，而且要具備設計能力和思考能力。通過小組合作教學的模式，不僅從作品的設計、加工和裝配全過程，實現對于學生的綜合訓練，有助于培養學生的團隊合作能力等，對于提高教學質量、實現學生的綜合培養等方面都有積極作用[2]。

5 結語

綜上所述，激光加工工藝目前已形成較為完整的工業配套體系和加工工藝，是高職院校機械制造專業必須掌握的一種高新技術。在先進制造技術課程中，開展激光加工工藝教學更強調培養學生專業實操能力和激光加工技術。學校在教學中要明確教學目標，加大對于教學設備的投入力度，為教學工作的開展提供良好環境基礎。同時，要結合學生特點和教學內容合理進行教學設計，科學選擇教學方法，引導學生從被動學習轉變為主動學習，進一步提高激光加工工藝教學的質量和效果。

參考文獻

[1] 戴明華，張紅哲，姜英，等.多層次激光加工實訓教學的探索與實踐[J].實驗科學與技術，2021，19（4）：141-144.

[2] 程錦澤.大尺寸金屬3D打印制造裝備激光加工工藝技術研究與探討[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。