激光加工工艺在先进制造技术课程中的应用探讨

朱福栋　朱必云

摘 要：激光加工工艺作为当前机械制造行业的重要技术，在职业学院先进制造技术课程中具有十分重要的地位。基于此，文章简要介绍了激光加工工艺，分析了当前职业院校激光加工实训教学中存在的主要問题，以及激光加工工艺实际操作流程，探讨了激光加工工艺实训课程，以期为相关教育工作者提供参考。

关键词：激光加工;制造技术;课程

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2022）03-216-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.073

在新时期教育发展背景下，职业教育理念逐渐发生改变，更加强调实践教育的重要性。作为先进制造技术课程中的重要内容，激光加工工艺是实践操作课程的重要部分，其教学方法和课程设计直接影响教学质量效果，以及学生对于激光加工工艺技术的应用。因此，加强对于激光加工工艺在先进制造技术课程中的应用探讨是十分必要的。

1 激光加工工艺

激光加工工艺是借助激光束直接加工工件，属于一种非接触式加工技术，其主要原理是借助光学系统，将激光束聚集成直径几十微米甚至几微米的极小激光束，再将高能量密度传送到指定的加工位置上。在高能量传输下，工件表面会产生极高的温度，而这部分能量会被工件吸收，导致被激光束照射到的材料位置发生一定的变化，进而实现高精度加工处理。

激光加工中，操作人员可通过控制激光照射时间、照射角度以及能量、密度等方面，实现工件的多样化加工处理。当前，激光加工工艺主要分为激光热处理、化学反应处理两种类型。其中，激光热处理就是利用激光与材料表面接触后的热效应进行工件加工，常见的激光热处理技术包括激光焊接、激光钻孔等几种类型。化学反应处理则是在激光照射到加工位置后，在高密度能量的作用下引发化学反应的激光加工，其主要加工技术包括化学沉积、激光雕刻等。

激光加工工艺设备主要包括电源、激光器、光学系统以及冷却系统等部分。激光加工中，激光器会在电源的作用下发出激光束，经过光缆、反射镜以及聚焦镜，投射到工作台上的工件上，并通过控制激光强度、时间以及位置、角度等，实现对于工件的加工处理。常见的激光加工设备有激光打标机、雕刻机、切割机、热处理机等。

激光加工工艺在当前制造行业得到广泛应用的主要原因有：第一，激光加工工艺能够实现对于硬度、熔点较高材料的加工，而且对于陶瓷等脆性较大的材料也能够保障加工处理的质量效果;第二，由于激光加工工艺为无接触加工，不会出现切削应力等，因此能够对厚度较薄的工件或弹性工件进行加工处理;第三，由于无须使用各种刀具等，激光加工工艺不存在零部件的损耗和更换，在计算机技术的支持下实现自动加工，保障生产质量和效率[1]。

2 激光加工教学中存在的主要问题

激光加工教学的主要目的是培养学生的实操能力，该课程的内容以实际操作为主。由于激光加工教学课程的技术性、先进性、趣味性，使得学生对于该门课程有着极大的热情。但与此同时，由于激光加工教学的特殊需求，结合当前激光加工工艺教学的实际情况，在实际教学中还暴露出很多问题。

首先，由于激光加工工艺教学其本身的操作要求和教学目标，导致很多学校的教学设备不足，不仅数量相对较少，存在多个学生使用同一台设备的情况，而且设备种类相对较为单一，难以满足不同激光加工技术的实际需求和融合使用，影响了激光加工工艺教学的质量和效果。

其次，激光加工工艺教学模式相对单一，学校开设的课程较为单一，多为激光内雕课程，学生得到的激光加工教学和实际操作机会十分有限，影响了学生对于激光加工工艺课程的学习。

最后，由于激光加工工艺种类繁多，适用范围也十分广泛，但是实际教学时长有限，学生课程安排较为紧密，导致实际开展激光加工工艺操作练习的时间相对较少，而且内容相对较为单一，学生对于激光加工工艺的了解只是停留在表面，教学质量难以得到保障，学生的操作熟练度相对较差，无法充分发挥激光加工工艺教学的作用。

3 激光加工工艺实际操作流程

以某零件加工工艺实际操作流程为例。该零件加工的主要技术要求包括三个方面：第一，要求棱角倒钝;第二，要求弯折成型;第三，要求零件激光刻字为宋体，字体高度为5 mm，字体位置为零件边缘处，具体定位可按照实际加工工艺确定。其实际操作流程和步骤如下：

首先，按照零件蓝图绘制展开图，明确相应技术参数，并根据技术要求构建激光切割程序，然后进行程序上传、切割零件，为保障零件加工质量，必须加强对于零件尺寸的控制。

其次，操作人员使用相应的工具或者设备，例如砂纸、角磨机等，对切割好的零件进行去毛刺处理，确保零件无毛刺、锐边等，然后将零件放置在校平设备上进行校平处理，确保其平面误差在1 mm以内。

再次，压边修型处理，将下模安装在数控折弯机上并调整，设置压型参数，按照零件加工蓝图和相应展开图进行压边处理，然后修正零件角度，确保其误差处于相应标准范围内，保障零件加工质量。

最后，完成上述加工处理修整工作后，采用激光刻字机，将设计图纸中要求的汉字或者数字、字母等雕刻在零件指定位置上，完成激光加工处理。

4 激光加工工艺课程探讨

激光加工工艺课程具有一定的独特性和极强的可操作性，为充分发挥该课程的特点和优势，必须结合实际情况以及教学内容，明确教学目标、教学设备，合理开展教学设计，选择科学的教学方法，在保障教学质量效果的同时，确保教学目标顺利达成。

4.1 教学目标

教学目标是开展教学活动的最终目的，对于整个教学活动具有重要的指导意义和作用。为保障激光加工工艺课程质量和效果，在实际开展课程前要明确教学目标，确保教学目标制定的科学性、合理性。

结合激光加工工艺课程的设置目的以及制造专业学生的培养目标等，该课程的主要教学目标在于帮助学生充分了解激光加工先进制造技术的理论基础、基本原理、优势特点和实际应用，确保学生熟练应用激光加工工艺，具备一定的实践操作能力。

具體教学目标和相应要求包括：第一，理论基础方面，通过激光加工工艺课程，使学生了解并熟悉激光加工的基本原理、主要类型、工艺特点、应用方向以及当前发展情况等基础内容;第二，工具设备方面，确保学生充分了解典型激光加工设备的种类、样式以及组成结构，和相应仪器配置;第三，实际操作方面，通过激光加工工艺教学，确保学生充分掌握激光加工工艺和相应技术，明确图形设计要点、相应程序设置流程、设备相关工艺参数的设置调节以及相应零件的加工处理，熟练应用各种加工技术方法，独立、安全地完成相应加工处理操作，掌握激光加工工艺技能。

4.2 教学设备

激光加工工艺课程具有一定的实践性，格外重视对于学生实践操作能力的培养，培养学生操作能力的最好方法就是让学生亲自动手实践，而教学设备是保障教学质量效果的最基础要求。因此，学校要结合实际激光加工工艺情况，为学生配备相应教学设备，确保学生进行实际动手操作。

常用的激光加工教学设备主要包括金属光纤激光切割机、3D雕刻切割机、激光焊接机、激光打标机等几种，不同激光设备的主要功能、操作方法等存在较大差异，先进的、种类齐全、数量充足的教学设备，能够更好地保障实训教学的开展质量和效果。学校可以根据专业学生、班级的数量，以及相应教学设备的实际情况，合理规划课程，调整相应教学设计和方法，充分发挥教学设备的功能和作用，确保教学设备的利用率。

4.3 教学设计

为保障激光加工工艺教学的质量效果，确保学生在先进制造技术课程中学习激光加工工艺，保障达成教学目标，确保教学质量，就要结合实际教学内容、学生特点以及教学目标等，合理进行教学设计。合理进行教学课程体系的设置，针对不同年级，合理规划课型以及授课方式。

对于刚入学的学生而言，课程设计应由易到难逐步递进，此时要优先开展认知型课程，通过讲授和演示的方式授课，避免学生在不了解实际操作要点的情况下，因贸然进行设备操作而引发安全事故。此阶段的主要教学内容包括激光加工技术的基本原理、类型、技术特点以及实际应用等，以理论讲解为主，并配以相应演示过程，可以以剪纸、书签作品等为例为学生演示加工过程。

对于已经充分了解激光加工技术基本原理和相应理论知识的学生而言，应开展创新制作型课程，引导学生亲自设计加工零件和操作激光加工技术。该课程的主要教学内容包括：其一，讲解激光加工技术以及相关设备基础知识，介绍设备使用操作方法、流程、规范和注意事项;其二，相应图形设计软件的教学，要求学生利用图形设计软件，独立进行相应产品的设计;其三，加工工艺和设备操作技术的实践应用训练，促使学生掌握激光加工操作方法，独立完成简单工件的加工处理。

教学过程中，常见的激光加工作品通常有激光雕刻切割3D立体拼插设计、激光打标名片等多种类型。其中，3D立体拼插设计是当前受到广大先进制造技术课程教师和广大学生欢迎的教学内容，该类型作品的设计制作，不仅有着极大的自主发挥空间，对培养学生的设计能力、思维能力、空间想象能力以及提高加工意识和动手实操能力等方面都有积极作用。

在此基础上，为进一步培养学生的实践能力和设计能力，还要开设拓展应用型课程，对学生进行提高型教学，以小组合作为主要形式，以项目设计为引导，实施开放主题式的创新制作项目。教师要充分明确自身的引导地位和角色定位，减少对项目创作过程的干预和影响，帮助学生自行组织创新作品的设计和制作。

应用激光加工工艺，可应用的材料包括金属板材、螺丝、螺母等，可以使用一种激光加工技术，也可以选用多种激光加工技术进行组合加工。这种课型的设计，不仅帮助学生在实践设计和操作中实现对于所学知识的巩固和复习。同时还通过实践，明确相应设计和操作要点内容，进一步提高学生的创新能力、实操能力，小组合作方式还有助于培养学生的合作能力、沟通能力、思维能力和解决问题的能力，对于提高教学质量效果具有积极意义和作用。

4.4 教学方法

在新时期教育背景下，职业教育着重强调学生的操作能力和知识运用能力，尤其是对于先进制造技术这种实践性较强的课程而言。课程教学中，必须明确学生的主体地位，充分突出以学生为中心的教学原则，加大实践操作教学在整个课程教学中的比例，让学生切身感受和体验激光加工工艺的操作和相应要点内容，而不是单纯地进行理论知识方面的教学和操作演示。

第一，结合学生特点，激发学习兴趣。在理论知识以及认知型课程教学中，由于此类课程多以理论知识的讲解为主，穿插教师的演示操作，在课时限制以及课堂安全的考量之下，学生实际操作的机会相对较少。对此，教师要充分发挥激光加工工艺其本身趣味性、多样化特点，采取综合教学方法，尽可能激发学生的学习兴趣，而不是单纯借助PPT课件等进行理论讲解。教师可以从网上下载视频、动画等教学资源，并将激光加工技术制成的作品展示给学生传阅，同时可以带领学生到实验室进行现场加工演示。此外，还可以把激光加工制成的相应作品作为礼物，进一步激发学生对于激光加工技术的学习兴趣。

第二，任务驱动教学，强化教学目的。激光加工工艺实践教学中，教师可以引导学生进行激光加工作品的设计，并将其作为任务，驱动学生应用激光加工技术，开展作品的创造和制作，解决各种影响作品成型的问题，以此提高学生的实践能力。同时，为实现对学生的良性引导，教师还可以适当地提出问题，引发学生思考，并通过问题的提出，给学生提供一定的思路和启发，在潜移默化中帮助学生掌握激光加工技术。

第三，小组教学模式，实现综合培养。先进制造技术课程中的激光加工工艺具有一定的综合性，学生不仅要掌握相应激光加工操作技术，而且要具备设计能力和思考能力。通过小组合作教学的模式，不仅从作品的设计、加工和装配全过程，实现对于学生的综合训练，有助于培养学生的团队合作能力等，对于提高教学质量、实现学生的综合培养等方面都有积极作用[2]。

5 结语

综上所述，激光加工工艺目前已形成较为完整的工业配套体系和加工工艺，是高职院校机械制造专业必须掌握的一种高新技术。在先进制造技术课程中，开展激光加工工艺教学更强调培养学生专业实操能力和激光加工技术。学校在教学中要明确教学目标，加大对于教学设备的投入力度，为教学工作的开展提供良好环境基础。同时，要结合学生特点和教学内容合理进行教学设计，科学选择教学方法，引导学生从被动学习转变为主动学习，进一步提高激光加工工艺教学的质量和效果。

参考文献

[1] 戴明华，张红哲，姜英，等.多层次激光加工实训教学的探索与实践[J].实验科学与技术，2021，19（4）：141-144.

[2] 程锦泽.大尺寸金属3D打印制造装备激光加工工艺技术研究与探讨[J].金属加工（热加工），2021（8）：6-8，13.

作者简介：朱福栋（1982—），男，山东德州人，研究生，副教授，研究方向：激光表面强化。