多場(chǎng)輔助解決精密加工難題
——訪國(guó)家“千人計(jì)劃”專(zhuān)家，南方科技大學(xué)講座教授吳勇波

本刊記者 李 丹

吳勇波：制造業(yè)，尤其是高端制造業(yè)中，精密加工是為了使零部件在形狀、尺寸精度和表面完整性方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求的極為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的精密加工以切削、磨削、研磨等機(jī)械加工為主，輔以激光、電火花、電解等特種加工，它們的共同點(diǎn)是將毛坯中不需要的部分去除，得到所需形狀和尺寸精度及表面完整性的零部件。機(jī)械加工中材料的去除以刀具對(duì)工件的強(qiáng)制性幾何干涉引起的材料塑性撕裂或脆性破碎為基本原理，而特種加工則主要基于材料的熱融化和電化學(xué)溶解或者分子鍵斷裂的原理。這兩者各有利弊：前者有較高的加工效率和精度，適合于精密零部件的低成本批量加工，但由于刀刃鋒利度和刀具材料硬度方面的制約，微納尺度加工很困難且受制于工件材料；后者幾乎不受工件材料的限制，也較容易實(shí)現(xiàn)微納尺度的加工，但效率低，精度不高，不適合精密零部件的大量低成本加工。因而，精密加工的大部分環(huán)節(jié)由機(jī)械加工來(lái)完成。但隨著機(jī)械零部件、光電元器件性能要求的逐步提高，對(duì)加工精度的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，使得材料的最小去除尺度趨于納米級(jí)，甚至原子大小，這對(duì)刀具切削刃鋒利度的要求就變得極為苛刻，同時(shí)加工裝置要有原子大小的極微小進(jìn)給分辨率。另一方面，隨著高性能但極難加工的新型材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，傳統(tǒng)的機(jī)械加工往往加工力大、溫度高，導(dǎo)致工具磨損大、加工效率低、精度不達(dá)標(biāo)以及成本高的問(wèn)題出現(xiàn)，如何高效精密地加工這些材料又是個(gè)全新的挑戰(zhàn)。

為了突破傳統(tǒng)精密機(jī)械加工技術(shù)在新形勢(shì)下遇到的瓶頸，基于超聲振動(dòng)、電/磁流變、激光、等離子體、電化學(xué)、固相化學(xué)反應(yīng)、電致塑性等物理化學(xué)現(xiàn)象在特種加工中去除材料的有效性，并結(jié)合自己在此領(lǐng)域近20年的實(shí)踐，提出了將這些物理化學(xué)場(chǎng)引入機(jī)械加工的所謂多場(chǎng)輔助精密加工的概念。這里主要介紹3種方法的基本原理和優(yōu)勢(shì)。

（1）超聲輔助加工。切削、磨削加工中，在工件和工具之間附加超聲振動(dòng)，產(chǎn)生超聲潤(rùn)滑效果，大幅度降低工具與工件間摩擦力，從而減小加工力和降低加工熱，同時(shí)刀刃或磨粒的超聲振動(dòng)又加速了切/磨屑的疲勞破壞，提高斷屑效果。特別是工具的超聲振動(dòng)加速度最大可達(dá)重力加速度的數(shù)萬(wàn)倍，產(chǎn)生的慣性力使切/磨屑極難黏附于刀刃或砂輪上，可避免積屑瘤的產(chǎn)生和砂輪的堵塞。

（2）固相化學(xué)反應(yīng)/超聲復(fù)合輔助拋光。傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是目前廣泛應(yīng)用于單晶硅、藍(lán)寶石等光電材料的納米精度無(wú)亞表面損傷研拋的化學(xué)場(chǎng)輔助機(jī)械加工技術(shù)，但需要使用大量的環(huán)境不友好拋光液，加工效率又低。如果用內(nèi)含與工件材料有固相化學(xué)反應(yīng)效果的磨粒和結(jié)合劑的固結(jié)磨具代替?zhèn)鹘y(tǒng)CMP拋光液和拋光墊，在一定的壓力和溫度下，磨具與工件材料間即可產(chǎn)生固相化學(xué)反應(yīng)，其生成物非常軟脆，極易被機(jī)械去除，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、納米精度且加工效率較高的固結(jié)磨粒CMP。但此方法由于磨具-加工面間屬無(wú)間隙接觸，排屑不暢，磨具易堵塞，限制了加工效率和精度的進(jìn)一步提高。此時(shí)在磨具和加工面之間附加橢圓超聲微振動(dòng)，不僅磨具-工件表面會(huì)周期性地形成微小間隙，而且由于磨具的踢踏作用，磨屑很容易被排出加工區(qū)域，實(shí)現(xiàn)硬脆光電材料的高效納米精度、環(huán)境友好研拋。

（3）等離子體/超聲復(fù)合輔助磨削。等離子體輔助磨削也是物理場(chǎng)輔助加工技術(shù)，它是在磨削金屬材料時(shí)，以工件為陽(yáng)極、砂輪為陰極，兩極之間加高頻脈沖電壓使得砂輪-工件間產(chǎn)生等離子體放電并電離磨削液產(chǎn)生大量的OH-離子。由于OH-離子的強(qiáng)氧化作用，工件表面快速生成一層亞微米厚度軟脆氧化膜。此時(shí)若將砂輪磨粒切深控制在氧化膜厚度以下，僅氧化層被切除，可大幅度降低磨削力和熱，極大地提高加工效率和延長(zhǎng)砂輪壽命，進(jìn)而將超聲振動(dòng)附加于砂輪會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)OH-離子的產(chǎn)生，增加氧化層的厚度，結(jié)果就是進(jìn)一步提高了加工效率，延長(zhǎng)了砂輪壽命。

吳勇波：多場(chǎng)輔助精密加工這一概念的提出有個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，并非一蹴而就。我攻讀博士期間師從日本著名的磨削加工專(zhuān)家莊司克雄教授，從事無(wú)心磨削技術(shù)研究。畢業(yè)后去了尼康公司從事超聲馬達(dá)的研發(fā)工作，開(kāi)始對(duì)超聲振動(dòng)的原理、方法及應(yīng)用有了比較深入的理解和實(shí)踐?；氐酱髮W(xué)工作后，首先將超聲應(yīng)用于自己比較熟悉的無(wú)心磨削，開(kāi)發(fā)出一種利用超聲控制工件回轉(zhuǎn)的新型無(wú)心磨削技術(shù)。它是借鑒超聲馬達(dá)中定子以其橢圓超聲運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)行摩擦驅(qū)動(dòng)的原理，用一個(gè)橢圓超聲機(jī)構(gòu)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)輪系統(tǒng)來(lái)控制工件回轉(zhuǎn)速度。此技術(shù)能較容易地實(shí)現(xiàn)無(wú)心磨床的小型化和直徑數(shù)十微米微細(xì)軸類(lèi)零部件的精密加工制造，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了在平面磨床上進(jìn)行無(wú)心磨削的技術(shù)。后來(lái)又發(fā)明了螺旋超聲輔助磨粒加工法，加工中磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡為一空間螺旋線(xiàn)，此方法不僅可以提高加工表面質(zhì)量，還可以大幅度提高加工效率和磨具工作壽命。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)而提出了前面介紹過(guò)的超聲輔助固結(jié)磨粒CMP，并成功地應(yīng)用于單晶硅、石英玻璃的高效超精密干式拋光加工上?；诖思夹g(shù)研發(fā)成功了應(yīng)用于大口徑晶圓片邊緣的鏡面加工處理設(shè)備，該樣機(jī)在2015年?yáng)|京國(guó)際半導(dǎo)體展覽會(huì)上受到了廣泛關(guān)注。

為了解決鈦合金、鎳基高溫合金等航空難加工材料切削時(shí)刀具磨損快、加工效率低的問(wèn)題，提出了一種利用超聲潤(rùn)滑效果的新型橢圓超聲輔助切削法，可大幅降低刀具與切屑及工件待加工面間的摩擦力，同時(shí)刀刃對(duì)切屑的高頻振動(dòng)加速其疲勞破壞，促進(jìn)斷屑。試驗(yàn)證明此方法在減小切削力、降低切削熱、提高刀具壽命、改善加工質(zhì)量上效果顯著。在磨削方面，又開(kāi)發(fā)出了等離子體/超聲復(fù)合輔助磨削技術(shù)，可大幅度減小Ti-6Al-4V和Inconel 718的磨削力，延長(zhǎng)磨具壽命。后來(lái)基于導(dǎo)電材料的電塑性效應(yīng)，即在高頻大電流脈沖的作用下，金屬等導(dǎo)電材料會(huì)呈現(xiàn)出塑性大幅度提高的現(xiàn)象，提出了電塑性輔助機(jī)械加工的方法。Ti-6Al-4V的切削試驗(yàn)表明可大幅度降低切削力、提高表面質(zhì)量，但同時(shí)因?yàn)轲ば缘脑黾?，出現(xiàn)斷屑不暢、粘刀的現(xiàn)象，將超聲引入加工過(guò)程就能夠較好地解決此類(lèi)問(wèn)題。

在磁場(chǎng)利用方面，借鑒磁流體和磁流變液各自的長(zhǎng)處和短處開(kāi)發(fā)出一種稱(chēng)作MCF（Magnetic Compound Fluid）的新型磁流變拋光液，并發(fā)明了作用于此拋光液的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在此磁場(chǎng)作用下，MCF拋光液內(nèi)部形成眾多沿磁力線(xiàn)分布的微米級(jí)柔性?huà)伖馑?，并能自?dòng)整形和恢復(fù)形狀，既可用于平面及曲面的納米精度拋光，又適用于微細(xì)溝槽的超精密拋光。試驗(yàn)表明，此技術(shù)不僅對(duì)非磁性材料很有效，對(duì)無(wú)電解Ni-P鍍層等磁性材料也能發(fā)揮很好的作用，可用于大型半導(dǎo)體和光學(xué)基板的超平滑高效高質(zhì)拋光及非球面光學(xué)透鏡、反射鏡及太陽(yáng)光聚光用菲涅耳透鏡的超精密自動(dòng)制造工程。后來(lái)又發(fā)明了MCF拋光輪，利用楔形效果實(shí)現(xiàn)平面或曲面的高效鏡面拋光。此技術(shù)是在圓盤(pán)形磁鐵外周面上磁力吸附一層MCF拋光液，以此作為砂輪狀的磨具，實(shí)現(xiàn)基于楔形效果的拋光。試驗(yàn)和理論表明材料去除主要是依靠剪切力作用下的微切削和塑性流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高效超精密加工。

實(shí)際上，很早就有科技人員將兩種以上機(jī)械的、物理的或化學(xué)的加工方法復(fù)合到一起解決精密加工中的問(wèn)題。2014年CIRP年會(huì)上題為Hybrid Processes in Manufacturing的“Keynote Paper”在“Assisted hybrid processes”這一部分介紹了（超聲）振動(dòng)、激光、介質(zhì)流、磁場(chǎng)輔助機(jī)械加工。在引用的66篇文獻(xiàn)中，65%（43篇）集中在（超聲）振動(dòng)方面，其次是激光占24%（16篇），介質(zhì)流12%（8篇）和磁場(chǎng)3%（2篇）。文獻(xiàn)作者所屬?lài)?guó)家地區(qū)方面，超聲輔助德國(guó)最多，其次是中國(guó)、日本、美國(guó)和比利時(shí)等；激光主要是德國(guó)和美國(guó)，其次有加拿大和澳大利亞；介質(zhì)流也是德國(guó)和美國(guó)比較多，其次有英國(guó)、瑞典、西班牙等；而磁場(chǎng)2篇均來(lái)自日本?？梢?jiàn)高端制造業(yè)越發(fā)達(dá)的國(guó)家，對(duì)多場(chǎng)輔助精密加工技術(shù)研發(fā)越重視。但是等離子體、電塑性、固相化學(xué)反應(yīng)等其他物理化學(xué)場(chǎng)輔助方面未有文獻(xiàn)被引用，我相信對(duì)多場(chǎng)輔助精密加工的重要性的認(rèn)識(shí)會(huì)越來(lái)越深，相關(guān)研究論文也會(huì)越來(lái)越多。

吳勇波：是的，在日本生活工作了27年，許多生活和工作習(xí)慣已經(jīng)在自己身上留下了很深的烙印，比如日本的法規(guī)健全、規(guī)章制度也很完善和透明、計(jì)劃性又強(qiáng)，因而習(xí)慣了做事有章可循、照計(jì)劃按部就班的行事模式，這些是我回國(guó)后首先遇到的挑戰(zhàn)。還有相比于日本的小改革、慢節(jié)奏，中國(guó)幾乎相反，必須盡快適應(yīng)這些是我遇到的第二個(gè)挑戰(zhàn)。另外，回國(guó)后經(jīng)常碰到鋪天蓋地的各種表格要填，如何將這些繁瑣的事務(wù)性工作與繁忙的科研教學(xué)工作有機(jī)地處理好是我面對(duì)的第三個(gè)挑戰(zhàn)。

我在日本的大學(xué)里作為終身教授主持實(shí)驗(yàn)室工作10余年，工作壓力不大、生活也安逸，可以輕輕松松干到退休。但總覺(jué)得缺少點(diǎn)什么，細(xì)究起來(lái)原因有二：一是不是自己的祖國(guó)，主人翁意識(shí)淡薄，加之日本是個(gè)極為成熟也極為保守的社會(huì)，自己的教學(xué)科研成果很難有立竿見(jiàn)影的成效，成就感不高；二是日本已步入老齡化社會(huì)，經(jīng)濟(jì)停滯不前，導(dǎo)致科研經(jīng)費(fèi)越來(lái)越少，有一種有勁使不上的無(wú)奈。這些是我決定放棄日本的大學(xué)終身教職全職回國(guó)的最基本考量。

現(xiàn)任職的南方科技大學(xué)確實(shí)是一所非常年輕、知名度還不高的大學(xué)。然而我決定全職加盟南科大最重要的考量因素恰恰是：深圳和南科大（SUSTech）。深圳是中國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)最為活躍的地方，是中國(guó)的科技之都，然而高等教育不大不強(qiáng)的短板又是制約深圳更加快速、高水平發(fā)展的瓶頸。SUSTech是在這樣的背景下深圳聚全市之力創(chuàng)辦的一所高起點(diǎn)的瞄準(zhǔn)國(guó)際一流的研究型大學(xué)，并被教育部賦予中國(guó)高等教育改革試驗(yàn)校的使命。其全新的辦學(xué)體制、豐厚的資金支持、優(yōu)秀的學(xué)生資源吸引了許多國(guó)際高端人才義無(wú)反顧地加盟進(jìn)來(lái)。我認(rèn)為許多專(zhuān)家學(xué)者放棄國(guó)外優(yōu)厚的工作、生活條件來(lái)到南科大，正是看中了它植根于充滿(mǎn)活力及科技創(chuàng)新力的深圳，而且與國(guó)際緊密接軌。這幾年的實(shí)踐也證明了南科大理念與體制的生命力：國(guó)際視野高水平教師越來(lái)越多、生源越來(lái)越優(yōu)秀、科研成果越來(lái)越豐碩、國(guó)內(nèi)外聲譽(yù)越來(lái)越高。

毛主席說(shuō)過(guò)世界怕就怕“認(rèn)真”二字，日本大概是世界上最講認(rèn)真的民族，精益求精、敬業(yè)、細(xì)心，這些優(yōu)點(diǎn)非常值得我們學(xué)習(xí)。比如，日程安排、教學(xué)計(jì)劃制定一般會(huì)提前很久就做好，并通知相關(guān)人員做好準(zhǔn)備，以后不會(huì)因?yàn)楣芾碚叩那闆r而輕易更改，因?yàn)樗麄円灿胁荒茈S意給人添麻煩的意識(shí)；還有例會(huì)一般會(huì)把其日程固定下來(lái)，別的日程就會(huì)避開(kāi)例會(huì)時(shí)間來(lái)安排?？蒲杏幸环N耗時(shí)和不確定性的特質(zhì)，對(duì)這些行政主管部門(mén)也較了解，不會(huì)在內(nèi)容進(jìn)展和經(jīng)費(fèi)使用方面過(guò)多限制，研究者相對(duì)自由，這些是值得我們借鑒的地方。

日本的大學(xué)教育值得借鑒的是“實(shí)踐”和“自主”，努力給學(xué)生創(chuàng)造“動(dòng)手”與“體驗(yàn)”的機(jī)會(huì)和條件，在大的框架下給學(xué)生充分的自由。此外，人才培養(yǎng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)教授都緊密參與其中，行政人員的職責(zé)就是負(fù)責(zé)相關(guān)的具體行政事務(wù)。這些是我個(gè)人的體會(huì)和認(rèn)識(shí)，歡迎共同探討。