國(guó)際磨粒技術(shù)研究進(jìn)展及趨勢(shì)
——ISAAT 2017會(huì)議綜述

第二十屆國(guó)際磨粒技術(shù)進(jìn)展研討會(huì)(the 20th International Symposium on Advances in Abrasive Technology，簡(jiǎn)稱(chēng)ISAAT 2017)于 2017年12月3日至6日在日本沖繩舉行。會(huì)議由國(guó)際磨料技術(shù)委員會(huì)(International Committee for Abrasive Technology，ICAT)和日本磨料技術(shù)學(xué)會(huì)(JSAT)主辦，日本中部大學(xué)和沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)承辦。

會(huì)議圍繞磨粒加工技術(shù)、切削加工技術(shù)、特種加工及微納加工技術(shù)、加工工具及裝備、加工質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)等方面最新研究與應(yīng)用成果展開(kāi)了學(xué)術(shù)交流。來(lái)自中國(guó)、日本、韓國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)、德國(guó)、巴西等國(guó)家的專(zhuān)家學(xué)者，以及國(guó)際磨料技術(shù)知名企業(yè)界專(zhuān)家250多人參加了本次研討會(huì)，其中中國(guó)代表近90人。本次會(huì)議共組織大會(huì)報(bào)告6個(gè)，分會(huì)場(chǎng)報(bào)告182個(gè)，另有張貼論文60多篇，其中近2/3的論文來(lái)自日本和中國(guó)。

華僑大學(xué)制造工程研究院的9名參會(huì)代表根據(jù)會(huì)議報(bào)告及會(huì)議論文集，對(duì)本次會(huì)議的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了整理，主要可分為以下幾個(gè)部分：

1 磨粒加工技術(shù)

將各種能量場(chǎng)引入傳統(tǒng)磨粒加工是提高加工效率和表面質(zhì)量的有效方法，也成為本屆會(huì)議的研究熱點(diǎn)。

研究人員展示了紫外光輔助磨削SiC的新技術(shù)，利用紫外光譜激發(fā)磨料的活性，與SiC等難加工材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低加工難度。采用氧化鈰(CeO2)、 二氧化鈦(TiO2)和磷光粒子為拋光粒子，磷光粒子用作發(fā)光劑，在Hg-Se燈照射下，磷光粒子發(fā)出的光能激發(fā)拋光墊和SiC間的TiO2粒子，促進(jìn)OH-基的生成。結(jié)果表明：在紫外光輔助下，SiC材料去除率將增大6倍。另外，采用紫外光輔助固結(jié)磨粒拋光CVD金剛石，可提高材料去除效率，獲得鏡面表面。

SiC加工還引入了其他加工工藝。采用電化學(xué)氧化拋光技術(shù)加工單晶SiC表面，先對(duì)SiC表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化，真空環(huán)境下在拋光墊上鍍一層鈰薄膜(可減少稀土材料的使用)，利用該薄膜層與SiC表面的氧化膜的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料的去除，可實(shí)現(xiàn)單晶SiC的高效、無(wú)劃傷加工。采用CMP工藝與等離子改性技術(shù)結(jié)合，先在SiC表面形成Si-O鍵，在后續(xù)CMP工藝中可以提高材料去除率，加工表面粗糙度值小于1 nm。發(fā)展多年的電化學(xué)輔助磨削技術(shù)在電解液的選擇上也有一定創(chuàng)新，可以提升加工效率20%以上。

采用射頻等離子技術(shù)增加CeO2與SiO2間的化學(xué)活性，發(fā)現(xiàn)：采用H2等離子處理CeO2粒子，能增加其與SiO2間的化學(xué)活性，從而實(shí)現(xiàn)鈉鈣玻璃高效拋光。在石英玻璃盤(pán)的磨削過(guò)程中，還有專(zhuān)家采用冷凍銷(xiāo)吸盤(pán)(freezing pin chuck)把持被加工工件，可以克服真空吸盤(pán)的缺點(diǎn)，以消除被加工表面扭曲的現(xiàn)象。

磁流變拋光的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)展。研究人員對(duì)全口徑望遠(yuǎn)鏡光學(xué)零件的磁流變拋光工藝的表面創(chuàng)成原理、誤差表征和軌跡控制技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了特種光學(xué)玻璃的納米精度磁流變拋光。針對(duì)以往磁流變拋光技術(shù)主要用于平面加工的情況，研究人員研發(fā)了環(huán)形拋光工具，采用6自由度機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)對(duì)球形表面的磁流變拋光，可以獲得納米級(jí)表面粗糙度。另外，也可成功實(shí)現(xiàn)帶螺旋槽工件的精密加工。

超聲輔助加工方面，研究人員對(duì)超聲輔助與鉆削、鋸切、磨削和拋光(包括磁流變拋光)等工藝的復(fù)合效果進(jìn)行研究，涉及的材料包括不銹鋼、玻璃、鈦合金、聚晶金剛石、高硬鋼、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和藍(lán)寶石等典型難加工材料；振動(dòng)模式包括超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、超聲徑向振動(dòng)、橢圓超聲振動(dòng)等。研究結(jié)果表明：超聲輔助加工有助于降低切削力、減少刀具磨損、抑制工件表面晶格變形、提高材料去除率和避免熱損傷等優(yōu)勢(shì)，從而提高工件表面加工質(zhì)量。

日本長(zhǎng)岡技術(shù)大學(xué)采用光彈法實(shí)現(xiàn)了超聲振動(dòng)輔助磨削下應(yīng)力分布的可視化，構(gòu)建了平面磨削的三維應(yīng)力分布圖，并與沒(méi)有輔助超聲振動(dòng)磨削的情況進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)由于金剛石顆粒在砂輪表面非連續(xù)分布，造成磨削表面應(yīng)力的非連續(xù)分布。

磨粒加工對(duì)象的研究也由傳統(tǒng)的鋼鐵類(lèi)金屬材料和常規(guī)脆性材料，擴(kuò)展到高溫合金、高速鋼、晶體材料等加工難度更高、加工精度要求更高的材料，而且加工對(duì)象的材料力學(xué)特性，特別是在微納米尺度、動(dòng)態(tài)條件下的力學(xué)特性，越來(lái)越得到研究者的重視。使用的力學(xué)性能測(cè)試手段包括納米壓痕方法、微米壓痕方法、Hopkinson壓桿沖擊測(cè)試方法等，這些力學(xué)特性被用于解釋磨粒加工過(guò)程中的材料去除機(jī)理。

研究者提出了通過(guò)控制磨削加工過(guò)程溫度，來(lái)調(diào)節(jié)碳鋼中奧氏體相變，從而達(dá)到“磨削硬化”的效果；同時(shí)，提出一種不基于正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直接預(yù)測(cè)切削力的解析解模型，并利用Johnson-Cook模型整合Inconel 718合金材料參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。東京電機(jī)大學(xué)采用金剛石結(jié)合氧化鋁的研磨-拋光工藝，可以對(duì)釩、鉭等中子源金屬靶材加工出納米級(jí)的表面粗糙度。

另外，有學(xué)者提出了一種干冰噴丸修整砂輪新工藝，這種工藝有可能直接對(duì)零部件進(jìn)行光整加工；常規(guī)的磨料流加工通過(guò)夾具的改進(jìn)，被應(yīng)用于3D打印零件的光整加工，實(shí)現(xiàn)增材-減材復(fù)合制造的新思路。

2 切削加工技術(shù)

切削加工雖是一種傳統(tǒng)加工方法，但在本次會(huì)議上卻涌現(xiàn)了一批切削加工的新方法和新技術(shù)。采用局部靜壓輔助切削方法減小切削表面毛刺的形成；金剛石刀具在CO2氣體保護(hù)下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳鋼的超精密切削，可有效減小刀具磨損，提高切削表面質(zhì)量；采用碳化鎢刀具切削淬硬鋼，通過(guò)提高切削系統(tǒng)的剛度，控制切削過(guò)程中產(chǎn)生的顫振，獲得較好的表面質(zhì)量，同時(shí)避免了刀具快速磨損；采用液氮冷凍方法對(duì)鐵基形狀記憶合金進(jìn)行冷凍外圓車(chē)削加工，獲得較好表面質(zhì)量；采用超聲輔助切削方法在工件表面制備微結(jié)構(gòu)，以提高工件表面的摩擦磨損性能；在刀具刃口制備微刃刀具，用于切割彈性體材料，減少切割變形，提高切割表面質(zhì)量。通過(guò)FIB技術(shù)在金剛石車(chē)刀表面加工出納米級(jí)微織構(gòu)，用其對(duì)Ni-P合金進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)的存在，可以有效地減小切削力，提高表面質(zhì)量。這些新的切削技術(shù)能夠很好地提高切削加工的效果，實(shí)現(xiàn)一些難加工材料的加工。

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，航空航天材料，如：碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)、高溫合金、鈦合金以及硬鋁等難加工材料的切削加工成為研究熱點(diǎn)。研究人員從切削力、切削溫度、切削表面質(zhì)量以及刀具磨損等角度對(duì)這些難加工材料的可切削性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過(guò)切削工藝參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到提高切削質(zhì)量和切削效率的目的。另外，CFRP材料切削加工中，容易出現(xiàn)分層和毛刺缺陷，通過(guò)采用傾斜螺旋銑削方法，設(shè)計(jì)電鍍CBN磨粒銑刀以及制定合理切削工序等手段，可有效抑制材料分層和毛刺缺陷的產(chǎn)生。上海航空控制技術(shù)研究院對(duì)CFRP的精密加工進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)：在切削速度超過(guò)200 m/min，切削深度略大于碳纖維邊界半徑的條件下，沿碳纖維方向0°～45°和 90°進(jìn)行切削，有利于保證工件加工精度。

山東大學(xué)提出一種耦合切削熱和切削力預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的解析模型，其應(yīng)力分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。華僑大學(xué)通過(guò)恒載荷劃痕試驗(yàn)研究了藍(lán)寶石C面在劃擦過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展形式，在低載荷條件下，在壓頭中心位置觀察到赫茲拖尾裂紋并伴隨晶面滑移現(xiàn)象的出現(xiàn)。新南威爾士大學(xué)通過(guò)有限元分析模擬了碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的切削去除過(guò)程，發(fā)現(xiàn)：加工表面缺陷主要受碳化硅增強(qiáng)顆粒的斷裂和脫落影響，硬質(zhì)增強(qiáng)顆粒與刀具的相互沖擊會(huì)產(chǎn)生亞表面裂紋。

刀具材料對(duì)刀具性能至關(guān)重要，涂層刀具是本次會(huì)議報(bào)告的重點(diǎn)，尤其是金剛石涂層刀具更是研究的熱點(diǎn)，包括了各類(lèi)涂層刀具的制備工藝及其切削性能和磨損特性。其中，上海交通大學(xué)采用雙層或多層納米金剛石涂層刀具，涂層與基體的結(jié)合力強(qiáng)，涂層的耐磨性好；日本富山大學(xué)在金剛石涂層中加入硼摻雜，制備成EC-PCD刀具，用于干切削鈦合金，其前刀面的摩擦系數(shù)減小了約20%，后刀面磨損寬度減小了30%；山東大學(xué)通過(guò)添加金屬粉末固體潤(rùn)滑劑制備的具有自潤(rùn)滑性的陶瓷切削刀具，有效提高了刀具的切削性能和抗疲勞特性。

3 特種加工及微納加工技術(shù)

電加工是特種加工的典型工藝，研究人員介紹了用電火花線切割方法制作微電極的工藝，用該方法制作的電極具有較好的表面質(zhì)量，沒(méi)有起脊和彎曲現(xiàn)象；在微電極電火花加工中，采用噴嘴噴霧來(lái)幫助排屑，可以提高加工效率和精度。采用線切割電火花加工聚晶金剛石來(lái)制作工具，在邊緣存在厚度約100 μm的損傷層，需要在后續(xù)磨削工藝中將損傷層去除。還有學(xué)者研究采用脈沖激光銑削高硬度模具鋼時(shí)的表面質(zhì)量與掃描間隔的關(guān)系，分析了激光銑削工藝條件下的熱影響區(qū)域。日本京都科技大學(xué)利用放電加工制備了多晶金剛石磨頭，并在氧化鋁上打出沒(méi)有切屑堆積以及裂紋的φ6 μm微孔。

水射流加工技術(shù)和機(jī)理仍然是磨粒加工技術(shù)的熱點(diǎn)。為解決CFRP加工成本高、質(zhì)量難控制等問(wèn)題，采用剛玉噴砂工藝加工CFRP，在切割和鉆孔加工中沒(méi)有發(fā)生分層現(xiàn)象，并研究了多個(gè)工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量和加工效率的影響；采用水射流成功地在0.2 mm厚的平板玻璃上，加工出了φ0.2～φ2.0 mm的微陣列孔，研究了磨粒大小、射流壓力和出口距離對(duì)材料去除率和孔的精度的影響，該技術(shù)可推廣到脆性材料表面加工中的微圖案加工上；采用磨粒射流技術(shù)在滑動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)子軸上加工魚(yú)骨形微溝槽，以提高動(dòng)壓潤(rùn)滑效果，研究了進(jìn)給速度、掩膜加工等因素對(duì)加工深度連續(xù)變化的微溝槽的影響。新南威爾士大學(xué)采用顆粒成像測(cè)速儀(PIV)和激光熒光技術(shù)相結(jié)合，研究水射流中磨粒的運(yùn)動(dòng)特性。當(dāng)噴嘴距離固定時(shí)，隨著水壓的增大，沿射流中線的磨粒速度會(huì)降低，而射流邊沿的磨粒速度將增加；試驗(yàn)還觀察到了磨粒離開(kāi)噴嘴后的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

4 加工工具及裝備

磨削加工工具與裝備技術(shù)依然是本次會(huì)議研討的熱點(diǎn)。在砂輪等磨削工具方面，多篇論文圍繞磨粒表面處理、結(jié)合劑、砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了報(bào)道。元素六公司全面回顧了超硬磨料砂輪在曲軸磨削加工中的應(yīng)用，并展示了最新一款面向曲軸磨削的復(fù)合磨料層CBN砂輪，該砂輪可實(shí)現(xiàn)曲軸多部位的一次性精確成型，同時(shí)還探討了砂輪的高效修整與方法。在磨料方面，主要圍繞磨粒表面金屬化處理的相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)深入交流，其中金剛石涂覆TiN的報(bào)告?zhèn)涫荜P(guān)注。釬焊金剛石技術(shù)還是磨料固結(jié)技術(shù)方面的研討主題，如何進(jìn)行釬焊砂輪的修整、提高釬焊砂輪的壽命仍是大家關(guān)注的重點(diǎn)。內(nèi)容主要涵蓋：釬焊過(guò)程中，連接界面形成機(jī)理，性能控制和高精度釬焊金剛石工具制備的溫度控制等。在砂輪結(jié)合劑選擇上，采用橡膠基砂輪，以其柔性結(jié)合劑的優(yōu)異退讓性，成為高光滑表面成型的新方向。使用不同粒度尺寸和形狀的混合磨料，也是提升加工工具性能的有效手段。在砂輪結(jié)合劑研究方面，有鍍鈦CBN陶瓷結(jié)合劑研究的相關(guān)報(bào)道。

磨削過(guò)程的監(jiān)控主要集中在磨削力、振動(dòng)、工件變形等過(guò)程參量監(jiān)測(cè)的新技術(shù)、新方法的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上。捷太格特(JTEKT)公司針對(duì)曲軸外圓磨削變形問(wèn)題，提出借助激光位移傳感器和CCD技術(shù)在線測(cè)量工件變形和工件剛度，以達(dá)到優(yōu)化磨削進(jìn)給速度的目的。基于無(wú)線傳輸?shù)募墒焦ぱb配件，成為磨削過(guò)程監(jiān)控的新寵。其中，基于無(wú)線傳輸?shù)恼駝?dòng)監(jiān)測(cè)功能的銑磨刀柄和測(cè)力裝置備受關(guān)注，但是無(wú)線傳輸速率依然是瓶頸。

5 加工質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)

日本茨城大學(xué)利用拉曼光譜分析加工后藍(lán)寶石表面殘余應(yīng)力檢測(cè)的可行性，通過(guò)對(duì)比TEM、拉曼光譜等結(jié)果，可以測(cè)出藍(lán)寶石殘余應(yīng)力值，測(cè)量精度有可能達(dá)到10 MPa量級(jí)。大阪大學(xué)學(xué)者提出利用自旋霍爾效應(yīng)，來(lái)檢測(cè)表面粗糙度，但該方法主要適用于表面涂層結(jié)構(gòu)。

材料表面改性研究中,日本東京城市大學(xué)研究了通過(guò)金屬?lài)娡桀A(yù)處理提高鋁表面吸附能力，并認(rèn)為金屬?lài)娡柙诨w中的擴(kuò)散是鍍鎳后鋁板界面結(jié)合力提高的主要原因。富山大學(xué)利用噴丸涂覆結(jié)合激光加熱，對(duì)鋁合金進(jìn)行表面預(yù)處理，通過(guò)激光加熱可以形成一層Fe-Al金屬間化合物，改性鋁合金表面。

6 發(fā)展趨勢(shì)

本屆會(huì)議的報(bào)告和論文主要集中在磨粒加工新工藝、新材料的實(shí)驗(yàn)研究，加工機(jī)理性研究主要偏向加工過(guò)程中材料-刀具交互作用與加工表面質(zhì)量之間關(guān)系。在未來(lái)的研究中，有以下發(fā)展趨勢(shì)值得關(guān)注：

(1)基于材料本構(gòu)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特征的微觀層面材料去除機(jī)理的研究；

(2)多場(chǎng)復(fù)合作用下，難加工材料磨粒加工新技術(shù)研究；

(3)快速表面質(zhì)量檢測(cè)以及加工過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控新技術(shù)；將機(jī)器視覺(jué)及人工智能結(jié)合并用于磨粒工具表面工作狀態(tài)的量化評(píng)價(jià)技術(shù)和新方法、新原理的研究；

(4)微納尺度材料去除機(jī)理與微納結(jié)構(gòu)加工工藝間的關(guān)聯(lián)性;

(5)以增強(qiáng)磨粒把持力為目的磨粒改性，以及相應(yīng)的新工藝新方法，砂輪熱疏導(dǎo)新結(jié)構(gòu)研究；

(6)高效精密加工中，多場(chǎng)、多尺度數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化研究；

(7)加工表面完整性測(cè)試及表征新技術(shù)研究。

本次會(huì)議期間，ICAT召開(kāi)了2017年度工作會(huì)議，中國(guó)磨粒加工技術(shù)委員會(huì)主任徐西鵬教授當(dāng)選為ICAT新一任主席，清華大學(xué)(臺(tái)灣)左培倫教授、日本茨城大學(xué)周立波教授任副主席。新一屆委員會(huì)希望能借助ICAT這個(gè)國(guó)際化平臺(tái)，充分發(fā)揮日本磨粒加工學(xué)會(huì)和中國(guó)磨粒加工學(xué)會(huì)的優(yōu)勢(shì)，使全球磨粒加工領(lǐng)域的專(zhuān)家、學(xué)者和企業(yè)精英們緊密團(tuán)結(jié)，合作共贏，努力推動(dòng)磨粒加工技術(shù)不斷取得新突破，做出新貢獻(xiàn)。

下一屆國(guó)際磨粒技術(shù)進(jìn)展研討會(huì)(ISAAT 2018)將于2018年10月在加拿大多倫多舉行。