Para o processo de usinagem ultraprecisa assistida por laser in situ de materiais duros e frágeis, onde a irradiação laser na face frontal da ferramenta tende a causar acúmulo de calor, aumentar o desgaste da ferramenta e levar à redução da estabilidade do processo e da qualidade superficial, foi projetada uma nova ferramenta de diamante que emite o laser apenas pela face frontal, com o objetivo de melhorar a qualidade superficial e a resistência ao desgaste da ferramenta durante o processamento em longas distâncias. Com base nas teorias de refração óptica e reflexão total interna, foi estabelecido um modelo de propagação do laser dentro da ferramenta de diamante, analisando as restrições geométricas entre o ângulo de incidência do laser, o ângulo frontal e o ângulo traseiro da ferramenta, e alcançando um controle preciso da posição de saída do laser por meio do design estrutural da ferramenta. Combinando simulações ópticas e calibração de potência do laser, foi realizada uma análise comparativa das características de transmissão do feixe entre a nova ferramenta e as tradicionais. Sob as mesmas condições de corte, foram conduzidos experimentos comparativos de usinagem assistida por laser in situ na face de extremidade de quartzo fundido, estudando sistematicamente a rugosidade da superfície e o comportamento de desgaste da ferramenta em diferentes distâncias de corte. Os resultados mostram que, com a mesma potência de entrada do laser, a potência de saída do laser da nova ferramenta é geralmente maior do que a da ferramenta tradicional, indicando uma melhora na eficiência de transmissão do feixe. A uma distância de corte de 1,0 km, a diferença na rugosidade da superfície S_a entre as duas ferramentas era pequena, enquanto que a 3,0 km, a rugosidade da superfície S_a da nova ferramenta foi de 31,19 nm, comparada a 49,91 nm da ferramenta tradicional, representando uma redução de aproximadamente 37,5%. A análise da morfologia do desgaste da ferramenta mostrou que ambas as ferramentas apresentaram desgaste em sulco na face traseira como principal forma, mas a largura do desgaste na face traseira da nova ferramenta foi relativamente menor. Através do design estrutural da ferramenta para que o laser emita apenas pela face frontal, é possível suprimir efetivamente o acúmulo de calor na face traseira, retardar o desgaste da ferramenta e melhorar significativamente a estabilidade do processo e a qualidade da superfície da usinagem assistida por laser in situ do quartzo fundido dentro de uma determinada distância de corte, fornecendo uma abordagem eficaz de design de ferramenta para usinagem ultraprecisa de alta qualidade e longo alcance de materiais duros e frágeis.

Quartzo fundido; usinagem assistida por laser in situ; qualidade da superfície; desgaste da ferramenta