激光原位辅助切削刀具设计及其应用验证OA

针对硬脆材料激光原位辅助超精密切削过程中,激光辐照后刀面易引发热累积、加剧刀具磨损、导致加工稳定性和表面质量下降的问题,设计一种激光仅从前刀面出射的新型金刚石刀具,以提升长距离加工过程中的表面质量与刀具耐磨性能。基于光学折射与全反射理论,建立激光在金刚石刀具内的传播模型,分析激光入射角、刀具前角和后角之间的几何约束关系,并通过刀具结构设计实现激光出射位置的精准调控。结合光学仿真与激光功率标定,对新型刀具与传统刀具的光束传递特性进行对比分析。在相同切削参数条件下,开展熔石英端面激光原位辅助切削对比实验,系统研究不同切削距离下的加工表面粗糙度及刀具磨损行为。结果表明,在相同输入激光功率下,新型刀具的出射激光功率整体高于传统刀具,表明其光束传递效率得到改善。在切削距离为1.0 km时,两种刀具加工所得表面粗糙度Sa差异较小,而当切削距离达到3.0 km时,新型刀具加工表面粗糙度Sa为31.19 nm,传统刀具为49.91 nm,表面粗糙度降低幅度约为37.5%。刀具磨损形貌分析显示,两种刀具均以后刀面沟槽磨损为主要形式,但新型刀具对应的后刀面磨损宽度相对较小。通过刀具结构设计实现激光仅从前刀面出射,可有效抑制后刀面热累积,减缓刀具磨损,在一定切削距离范围内显著提升熔石英激光原位辅助切削的加工稳定性和表面质量,为硬脆材料的高质量、长距离超精密加工提供了一种有效的刀具设计思路。