木工圓鋸片激光衝擊適張裝置的工作原理設計

近年來，提高木材加工利用率及減少木材資源浪費已成為我國的基本國策[1]。木工圓鋸片是木材加工的基本刀具，具有效率高、使用簡單、移動方便等優點，在所有木材切削刀具中佔有30%～40%的比例[2-3]。降低圓鋸片厚度及增加其穩定性已被國內外公認為是提高木材利用率最直接最有效的方法。

圓鋸片在高速迴轉時會產生離心應力，並且伴隨切削過程其外緣會產生熱應力，如圖1所示。隨著切削過程的進行，熱應力在鋸片外緣分解產生的切向壓應力會不斷增大，並逐漸超過離心應力在鋸片外緣分解產生的切向拉應力，導致圓鋸片外緣總的切嚮應力呈現壓應力的狀態。在這種不良的應力狀態下，圓鋸片在很小的橫向力作用下就會由於壓曲變形而失穩，導致出現鋸切精度和表面加工質量下降、鋸路損失增大、切削髮熱進一步加劇，以及鋸片壽命縮短等許多問題。

為避免出現上述問題，圓鋸片適張工藝應運而生，即通過機械或物理的手段，使鋸片局部區域產生一定程度的塑性變形，進而在鋸片內部引入數值大小適當、分布合理的適張應力場，以補償圓鋸片在切削過程中由於切削熱應力導致的變形，從而達到提高鋸片穩定性和鋸切質量的目的。

圖1 圓鋸片工作狀態下的應力分布

目前國內外針對圓鋸片的適張方法主要有錘擊法和輥壓法。錘擊適張時錘擊力、錘擊點難以精確控制，自動化程度低、重複性和可控性差、生產效率低、鋸片質量不穩定，現已很少採用；輥壓適張是目前應用最為廣泛的適張方法，但輥壓適張時輥壓帶外側的切向拉應力隨著半徑的增加而減小，這種適張應力場也不理想，並且反覆輥壓同一輥壓帶會使鋸片的強度和剛度大大降低，這對於超薄圓鋸片的適張非常不利[4-5]。

圓鋸片的適張從根本上講是一種金屬塑性成形方法，而激光衝擊是新型的金屬塑性成形方法，因此，本文提出了圓鋸片激光衝擊適張方法。下面重點闡述圓鋸片激光衝擊適張的原理及激光衝擊適張裝置的設計構想和工作原理。

1 圓鋸片激光衝擊適張原理

圓鋸片激光衝擊適張工藝的關鍵是激光衝擊技術，其利用高功率密度(GW/cm2量級)、納秒(ns)量級脈衝的激光束對圓鋸片正反兩個表面的多個局部區域進行同步輻照，使預先貼附於圓鋸片表面的吸收保護層吸收激光能量後發生爆炸蒸發汽化，產生的高壓等離子體衝擊波對圓鋸片多個局部區域進行高壓衝擊，使得圓鋸片多個局部區域產生塑性變形進而生成適張應力場，產生適張效果。

文獻資料顯示，利用激光衝擊技術能夠使諸如鎳基高溫合金等難變形金屬產生塑性變形進而生成殘餘應力場，一次衝擊過後，衝擊區域的應變層深度可達1～2 mm，衝擊區域的凹坑深度在幾微米到幾十微米之間，凹坑內的壓應力可達上百兆帕，凹坑外側一定區域內生成的拉應力可達幾十甚至上百兆帕[6-11]。

圓鋸片激光衝擊適張原理如圖2所示。其中，吸收保護層的作用主要是保護工件不被激光灼傷並增強對激光能量的吸收，針對激光衝擊適張工藝，吸收保護層的材料主要採用鋁箔。約束層除了能約束等離子體的膨脹從而提高衝擊波的峰值壓力外，還能通過對衝擊波的反射延長其作用時間，針對激光衝擊適張，約束層的材料主要採用流水。

圓鋸片激光衝擊適張的衝擊區域分布如圖3所示，根據不同尺寸規格的圓鋸片，衝擊區域的分布疏密可進行調整。激光能量、衝擊次數、光斑直徑及衝擊區域分布是圓鋸片激光衝擊適張最主要的工藝參數。

圓鋸片激光衝擊適張具有以下優點：

(1)圓鋸片表面的激光衝擊區域和衝擊波壓力可精確調控，能夠實現對圓鋸片雙面進行對稱同步衝擊，具有精度高、易於自動化控制、效率高等優勢，能夠彌補錘擊、輥壓等現有適張方法的不足。

(2)激光衝擊適張過程中的衝擊波峰值壓力可達到吉帕(GPa)量級，乃至太帕(TPa)量級，遠遠超過常規的機械加工手段，適張效果好。

(3)激光束單脈衝能量可以達到幾十焦耳，峰值功率達到吉瓦(GW)量級，在10～20 ns內可將光能轉變成衝擊波機械能，實現了能量的高效利用，屬於低能耗加工方式。

圖2 激光衝擊適張原理示意圖

圖3 激光衝擊適張的衝擊區域分布

2 激光衝擊適張裝置工作原理設計

2.1 激光器及其參數設置

圓鋸片激光衝擊適張裝置的核心部件為高功率脈衝激光器，目前常用的激光器有摻釹的釔鋁石榴石(Nd：YAG)和釹玻璃(Nd：Glass)兩種。

釔鋁石榴石激光器(Nd：YAG)是目前最常用的一類固體激光器，該激光器參量有利於激光作用的產生，且釔鋁石榴石(YAG)基質硬、光學質量好、熱導率高，其立方結構也有利於窄的熒光譜線，從而可產生高增益、低閾值的激光作用[12-13]。

釹玻璃激光器(Nd：Glass)具有熒光譜線寬、製造工藝相對簡單等特點，容易製成大體積工作物質，適用於高功率激光器。但玻璃散熱性差，散熱不及時的熱應力容易引起材料的損壞，因此釹玻璃激光器的重複使用頻率難以提高。

針對圓鋸片激光衝擊適張工藝，其激光器的主要參數設置見表1。

表1 激光器的主要參數設置

2.2 外光路及相關技術

激光器出口至圓鋸片表面的光路稱為外光路，相關技術主要包括反射光抑制技術、光路污染防治技術和外光路導光技術。

(1)反射光抑制技術：為了避免激光束被吸收保護層反射，採用了添加波片隔離、新型吸收保護層和控制激光偏轉角度等方法對反射光加以抑制。

(2)光路污染防治技術：為避免衝擊過程中水及吸收保護層產生的碎渣污染激光器輸出鏡，採用隔離、輸出鏡保護裝置等方式，實現光路污染的防治。

(3)外光路導光技術：通過小型光纖導光激光頭，使激光器輸出的高能激光能夠到達圓鋸片的表面[12]。

2.3 圓鋸片裝夾工作台

圓鋸片激光衝擊適張過程中，激光光路固定不變。圓鋸片可通過裝夾工作台進行移動，以實現不同區域的激光衝擊。圓鋸片在激光衝擊適張過程中的運動方式如圖4所示。

圖4 圓鋸片運動方式

激光束平行於圓鋸片中心孔的軸線方向並位於圓鋸片中心孔軸線的正上方，圓鋸片兩側激光束光路方向固定不變，通過圓鋸片自身的旋轉運動，圓鋸片最外環的衝擊區域依次被激光衝擊。當完成對圓鋸片最外環衝擊區域的衝擊後，圓鋸片沿垂直方向向上移動，使得激光束正對中間環的某一衝擊區域，圓鋸片旋轉，激光束依次完成中間環所有衝擊區域的激光衝擊。以此類推，圓鋸片通過自轉和向上移動的方式，最終實現圓鋸片表面多個指定衝擊區域的激光衝擊。

圓鋸片裝夾工作台工作原理示意圖如圖5所示，其主要部件包括圓鋸片安裝軸、傳動機構、伺服電機及電控移動滑軌。圓鋸片安裝軸用於安裝圓鋸片，安裝圓鋸片時需根據圓鋸片中心孔的不同尺寸定製不同規格的安裝軸；伺服電機是驅動機構，主要用於使電機輸出軸能夠按照指定的角度旋轉；傳動機構主要通過鏈條傳動或其他傳動方式將輸入端的旋轉運動傳遞到輸出端，使輸出軸按照指定的角度旋轉，最終能夠精確控制圓鋸片的旋轉角度；電控移動滑軌的主要作用是使圓鋸片能夠按照指定的位移向上移動，行程為0～100 mm。

圖5 圓鋸片裝夾工作台工作原理示意圖

3 結束語

(1)闡述了圓鋸片激光衝擊適張工藝的原理與特點。

(2)根據圓鋸片激光衝擊適張工藝自身的特點，對激光衝擊適張裝置的工作原理進行了設計。介紹了圓鋸片激光衝擊適張裝置主要組成部分(激光器、外光路以及圓鋸片裝夾工作台)的工作原理，其可為後續的樣機研製提供技術支持。

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