多場輔助精密機(jī)械加工技術(shù)現(xiàn)狀與展望

吳勇波，郭子睿

（南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系，廣東深圳518055 ）

在高端制造業(yè)中，精密加工是實(shí)現(xiàn)零部件形狀、尺寸精度和表面完整性要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)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、電解等特種加工工藝，其共同點(diǎn)是將不需要的毛坯部分去除，以得到所需形狀、尺寸精度及表面完整性的零部件。機(jī)械加工去除材料是以刀具對工件的強(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，而特種加工主要基于材料熱融化、電化學(xué)溶解或分子鍵斷裂原理。二者各有利弊，前者的加工效率和精度較高，適于精密零部件的低成本批量加工，但受刀刃鋒利度、機(jī)床精度、刀具材料特性及工件材料可加工性等制約，在微納尺度加工方面較困難；后者幾乎不受工件材料限制，較易實(shí)現(xiàn)微納尺度加工，但效率低、精度不高，不適合零部件的批量化、低成本精密制造。因此精密加工的大部分環(huán)節(jié)仍由機(jī)械加工完成。

但是，一方面隨著人們對機(jī)械零部件、光電元器件性能要求的逐步提高，加工精度要求也越來越高，材料最小去除尺度趨于納米級甚至原子級，對刀具切削刃鋒利度的要求變得嚴(yán)苛，同時(shí)還要求加工裝置具有原子級的極微小進(jìn)給分辨率；另一方面隨著高性能的極難加工新型材料的開發(fā)和應(yīng)用，由于傳統(tǒng)機(jī)械加工的加工力大、溫度高，存在工具磨損嚴(yán)重、加工效率低、精度差、成本高等問題，如何實(shí)現(xiàn)該類材料的高效精密加工成為全新挑戰(zhàn)。

為突破傳統(tǒng)精密機(jī)械加工技術(shù)在新形勢下遇到的前述瓶頸，考慮到超聲振動、電/磁流變、激光、等離子體、電化學(xué)、固相化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)能場在特種加工中去除材料方面的有效性（圖1），近年來包括作者在內(nèi)的國內(nèi)外許多科研人員將聲、電、磁、化、光等物理化學(xué)能場引入機(jī)械加工，開展了一系列多能場輔助機(jī)械加工研究，驗(yàn)證了上述能場在提升加工精度與效率以及刀具壽命等方面的有效性。本文基于對多能場輔助機(jī)械加工基本概念的說明，介紹了各方法的基本加工原理、特性及最新進(jìn)展，并總結(jié)了研究現(xiàn)狀、展望了未來發(fā)展趨勢。

圖1 多場輔助精密機(jī)械加工概念圖

1 多場輔助切削加工

1.1 超聲輔助

超聲輔助加工是在切削加工中于工件和刀具之間附加超聲振動，由此產(chǎn)生超聲潤滑效果，可大幅度降低刀具與工件間摩擦力，從而減小加工力和降低加工熱，同時(shí)刀刃的超聲振動又可加速切屑的疲勞破壞，提高了斷屑效果。尤其是刀具的超聲振動加速度最大可達(dá)重力加速度的數(shù)萬倍，所產(chǎn)生的慣性力使切屑極難粘附于刀刃上，可避免積屑瘤的產(chǎn)生和刀具的粘著磨損。

當(dāng)前，超聲輔助多用于車削[1]、銑削[2]和鉆削[3]等。輔助加工時(shí)，超聲既可作用于某一個(gè)方向，也可同時(shí)作用于某兩個(gè)方向甚至三個(gè)方向，分別被稱作一維、二維和三維超聲輔助加工。二維時(shí)，在兩方向之間設(shè)一個(gè)相位差即可合成得到一個(gè)橢圓超聲。

圖2 是不同超聲作用方向時(shí)的一維超聲輔助車削加工示意。當(dāng)超聲作用于工件徑向時(shí)（圖2a），切深以超聲頻率做周期性變化；當(dāng)超聲作用于工件切向時(shí)（圖2b），切削速度V 是工件線速度Vc和振動速度Vu之和，以超聲頻率做周期性變化；當(dāng)超聲作用于刀具進(jìn)給方向時(shí)（圖2c），進(jìn)給速率Vf以超聲頻率做周期性變化。其中，當(dāng)超聲作用于工件切向且最大振動速度>Vc時(shí)，刀具的前刀面與切屑之間會產(chǎn)生周期性間隙[4]，有利于切削液進(jìn)入，可減小切削力和提高加工精度[5]。

圖2 不同超聲作用方向時(shí)的車削加工

另外，超聲作用方向不同時(shí)的加工面形貌不同。圖3 所示鋁合金實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，作用于工件切向的超聲對表面形貌有一定的影響，但對表面粗糙度影響很??；作用于徑向和進(jìn)給方向的超聲對表面形貌影響較大，同時(shí)Vc對表面形貌的影響也較顯著。這說明，通過附加徑向或進(jìn)給方向的超聲及控制工件轉(zhuǎn)速，可加工出相應(yīng)的表面微織結(jié)構(gòu)。

圖3 超聲方向和切削速度不同時(shí)的加工表面形貌

模具鋼的切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明超聲頻率越高，工件表面越好[1]。超聲輔助不僅對表面形貌和粗糙度有較大影響[6]，還可減輕刀具磨損[7]，促進(jìn)斷屑[2]。鈦合金車削加工中，Muhammad 等[8]在超聲輔助的基礎(chǔ)上同時(shí)對切削區(qū)域施加熱，通過軟化工件材料來降低其剪切強(qiáng)度，進(jìn)一步減小切削力和提高表面光潔度。He 等[9]嘗試將超聲作用于工件切向來車削螺紋，獲得了較好的表面質(zhì)量。

在二維（橢圓）超聲輔助切削中，橢圓面方位不同加工特性也不同。Shamoto 等[10]提出如圖4 所示的橢圓超聲輔助切削加工原理，可知在切削速度方向和切深方向的二維超聲合成一個(gè)橢圓，并且加工時(shí)切削速度方向上的超聲振動速度Vu-T最大值大于Vc，使前刀面和切屑之間產(chǎn)生周期性間隙，這有利于切削液進(jìn)入切削區(qū)域，促進(jìn)冷卻和降低刀具-工件間摩擦力，尤其是在順時(shí)針方向的橢圓運(yùn)動會向上提拉切屑，促進(jìn)排屑、降低切削力、減輕刀具磨損。Zhang 等[11]成功地將這一方法用于圓柱體外圓面上的溝槽加工。Sajjady 等[12]利用該方法通過端面車削制備出各種微織結(jié)構(gòu)。

圖4 橢圓超聲輔助切削

但在“切削速度<超聲速度”這一條件限制下，高速切削難以實(shí)現(xiàn)。為此，Lu 等[13]提出了如圖5 所示的基平面（XY 平面）內(nèi)橢圓超聲輔助車削法，即對刀具施加一個(gè)基平面內(nèi)的橢圓超聲，可大幅度降低刀具前刀面與工件間摩擦力。鎳基高溫合金的車削實(shí)驗(yàn)表明可大幅度降低切削力和熱，減少切屑在工件上的殘留，擬制積屑瘤的產(chǎn)生，減輕后刀面磨損，但難以改善表面粗糙度，這些特性非常有利于難加工材料的高效加工。

圖5 基平面內(nèi)的橢圓超聲輔助車削

針對三維超聲輔助切削加工，Wei 等[14]設(shè)計(jì)制作了一套實(shí)驗(yàn)裝置，刀具運(yùn)動軌跡為一條三維空間曲線（圖6），通過304 不銹鋼車削實(shí)驗(yàn)對比無超聲、一維超聲、二維超聲和三維超聲作用下的加工特性發(fā)現(xiàn)，三維超聲時(shí)的加工表面質(zhì)量最高（圖7）。

圖6 三維超聲輔助切削刀具軌跡

圖7 無超聲與不同超聲輔助作用下的車削表面形貌

Jung 等[15]提出了一種獨(dú)特的多模態(tài)超聲輔助加工方法去制備微織結(jié)構(gòu)（圖8），對刀具同時(shí)施加縱向一次（頻率f1）和縱向三次（頻率f3）的超聲振動，刀具沿切削速度Vc方向的運(yùn)動軌跡是周期分別為λ1=1/f1和λ3=1/f3的兩個(gè)正弦曲線的合成，通過調(diào)整二者的振幅A1與A3以及Vc等，即可獲得具有所需斷面形狀的微織結(jié)構(gòu)。

圖8 多模態(tài)超聲輔助切削制備微織結(jié)構(gòu)示意圖

在超聲輔助鉆孔加工中，作用于鉆頭軸線方向的超聲可大幅減小鉆削力，促進(jìn)斷屑和排屑[16]。Heisel 等[3]研究了超聲振幅對電解銅深孔加工鉆削力的影響，發(fā)現(xiàn)振幅越大，力越小，并且相比于無超聲的降幅最大超過85%。超聲輔助鉆孔加工技術(shù)還被用于鈦合金[17]、鎳基高溫合金[18]、石材[19]、金屬基復(fù)合材料[20]、玻璃[21]、CFRP[22]及骨組織[23]等方面的制孔加工，由此發(fā)現(xiàn)超聲在鉆削力/熱下降、粗糙度改善、孔口毛刺擬制、斷屑效果提升和刀具磨損減輕等方面的作用明顯。在微孔加工方面，超聲也發(fā)揮了重要作用[24]。Sarwade 等[25]成功進(jìn)行了骨組織的超聲輔助微孔加工。Hu 等[26]研究了超聲輔助作用下的單晶硅、碳化硅、玻璃等不同材料的微孔加工特性，發(fā)現(xiàn)材料去除率隨著材料斷裂韌性的降低而增大。Tsuboi 等[27]進(jìn)而嘗試將超聲同時(shí)作用于刀具和切削液，以便延長碳化硅微孔加工時(shí)的刀具壽命。高航等[28]為解決疊層復(fù)合材料制孔質(zhì)量差和加工效率低的問題，提出了超聲輔助螺旋銑削制孔的新工藝，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明切削力/熱和孔質(zhì)量等加工特性均獲較大幅度提高。

超聲輔助銑削因刀具與工件之間的運(yùn)動學(xué)關(guān)系較復(fù)雜，目前的實(shí)際應(yīng)用相對較少。Chen 等[29]就超聲輔助銑削加工原理、裝置及應(yīng)用等進(jìn)行了介紹并進(jìn)行了展望。值得關(guān)注的是，Xing 等[30]在超聲輔助銑削加工鋁合金時(shí)發(fā)現(xiàn)工件表面形成清晰的三維形貌，改善了工件表面的摩擦學(xué)特性；Ostasevicius等[31]發(fā)現(xiàn)在不銹鋼和鈦合金的銑削加工施加超聲能改善表面粗糙度；Jin 等[32]在微銑加工玻璃時(shí)施加超聲能增強(qiáng)脆塑性轉(zhuǎn)換、提高加工質(zhì)量，特別是在切深方向施加超聲更易獲得高的加工質(zhì)量。與超聲輔助車削一樣，超聲輔助銑削也能制備出微織結(jié)構(gòu)表面。Tao 等[33]在鋁合金溝槽銑削加工中對工件在雙刃小徑銑刀進(jìn)給方向施加超聲，在溝槽底面成功制備出了魚鱗狀表面（圖9）。另有許多學(xué)者針對不同工件材料在不同方向或方位施加一維或多維超聲，以理論解析、仿真計(jì)算及試驗(yàn)等手法系統(tǒng)研究了超聲對材料去除機(jī)理、加工力/熱、加工質(zhì)量、刀具磨損等的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超聲與其他加工在參數(shù)合理組合時(shí)將能有效提高加工特性和減輕刀具磨損[34-40]。

圖9 超聲輔助銑削獲得的魚鱗狀溝槽底面

迄今為止，許多科研人員研發(fā)出多種超聲加工裝置[41]。這些裝置根據(jù)致動器不同分作壓電式和磁致伸縮式，根據(jù)振動軌跡不同有一維、二維和三維的區(qū)別。其中，基于壓電陶瓷的三維超聲裝置如圖10 所示，通過三組對稱分布的壓電陶瓷分別產(chǎn)生一個(gè)縱向振動和兩個(gè)彎曲振動，三者合成即在刀尖處形成一個(gè)空間三維振動。Zhang 等[42]開發(fā)了一種既可產(chǎn)生一維超聲，也可產(chǎn)生二維（橢圓）甚至三維超聲的所謂維度可變超聲制孔裝置，在CFRP 制孔時(shí)能有效擬制孔入出口毛刺的產(chǎn)生及提高排屑能力，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量制孔加工。

圖10 三維超聲振子結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 激光輔助

激光輔助切削加工原理如圖11 所示[43]，將激光束直接照射到刀具前方的工件表面，使工件材料受熱軟化而較易被去除，既能提高材料去除率，又能改善表面粗糙度，并能提高表面硬度分布均勻性，特別是能產(chǎn)生更大的軸向殘余壓應(yīng)力。在鈦合金和鎳基高溫合金等難加工金屬材料的激光輔助切削方面，Attia 等[44]通過分析加工面的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)工件表面完整性得到了改善，相較于無激光輔助的傳統(tǒng)加工面，其塑性變形層更深、更均勻；Brecher等[45]也在報(bào)告中指出，激光輔助切削鎳基高溫合金時(shí)的切削力降幅達(dá)40%～60%，刀具壽命得到提高，從而適應(yīng)更高的切削速度。

圖11 激光輔助切削加工原理

激光輔助在陶瓷材料車削加工中也起到較好效果（圖12）[46]。You 等[47]通過激光輔助車削成功加工出玻璃光學(xué)鏡頭模壓成形用無結(jié)合劑硬質(zhì)合金模具。Przestacki 等[46]開展A359/20SiCP 金屬基復(fù)合材料的激光輔助車削加工研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，激光作用下的工件表面粗糙度降低32%、刀具壽命增長27%。

圖12 氮化硅陶瓷的激光輔助車削

激光輔助也能應(yīng)用于銑削加工（圖13）[48]。Zah等[49]研究發(fā)現(xiàn)，激光輔助鈦合金銑削加工時(shí)切削力降低21%、材料去除率提高34%。在激光輔助微銑削加工淬火鋼時(shí)[50]，由于具有較低的切削力、較小的刀具變形以及較輕的刀具磨損，能獲得較高的尺寸精度，但沒觀察到對粗糙度的影響。Tagliaferri 等[51]和Zah 等[52]分別通過正交實(shí)驗(yàn)法和熱仿真建模研究了鈦合金激光輔助銑削加工中激光功率、掃描速度、散焦、溫度對表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)激光輔助能獲得更好加工特性。此方法在結(jié)構(gòu)陶瓷、功能晶體材料、玻璃、硬質(zhì)合金等硬脆材料的加工中也取得良好的效果。Lei 等[53]開展了針對氮化硅陶瓷的激光輔助切削，發(fā)現(xiàn)除了出現(xiàn)切屑的塑性變形現(xiàn)象之外，還發(fā)生了氧化、熔融及汽化等現(xiàn)象；Chang 等[54]發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷銑削加工中的激光輔助能有效改善表面粗糙度。近年來，其他硬脆材料方面也吸引了大量科研人員開展相關(guān)研究[55]。

圖13 耐熱鋼材料的激光輔助銑削

由于銑削加工零部件的形狀結(jié)構(gòu)通常較復(fù)雜，針對不同零部件形狀結(jié)構(gòu)的激光輔助加工裝置也不同。Lee 等[56]介紹了近年開發(fā)的不同裝置，圖14是一款適用于復(fù)雜走刀路徑的三維激光輔助銑削裝置的外觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖14 三維激光輔助銑削裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 介質(zhì)流輔助

切削加工時(shí)通過內(nèi)藏于刀具的噴嘴向切削區(qū)域供給高壓切削液（圖15），會極大改變加工區(qū)域溫度和潤滑狀態(tài)，從而對切屑的形成和刀具的磨損以及工件的金相組織產(chǎn)生很大的影響[57]，如Dahlman[58]發(fā)現(xiàn)高壓切屑液會使切削溫度降低50%，很適合塑性較差材料的切削加工；Lacalle[59]發(fā)現(xiàn)鈦合金和鎳基高溫合金車、銑加工時(shí)高壓切削液允許更高的切削速度，表面完整性更好。此外在鎳基高溫合金的精密切削中，Ezugwu 等[60]發(fā)現(xiàn)高壓切削液能使刀具磨損減輕350%；Sharman 等[61]發(fā)現(xiàn)高壓切削液的較強(qiáng)冷卻作用能有效降低工件亞表面的殘余拉應(yīng)力。采用該方法能促進(jìn)斷屑，有效避免高危纏屑現(xiàn)象[62]。在合金鋼的銑削加工中，Kovacevic 等[63]發(fā)現(xiàn)提高切削液的壓力能有效改善表面粗糙度。

圖15 高壓射流切削

利用液態(tài)氮或二氧化碳的極低溫冷卻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鎳基、鈦基合金的精密加工[64]（圖16）。Wang 等[65]證實(shí)在鈦基、鎳基高溫合金切削加工中采用液態(tài)氮冷卻可穩(wěn)定獲得較低的表面粗糙度值；Pusavec 等[66]發(fā)現(xiàn)采用低溫冷卻技術(shù)可在鎳基高溫合金工件亞表面獲得較厚的壓縮層。在鋼材的低溫冷卻車削加工中，較低的加工溫度減輕了刀具磨損、改善了表面粗糙度[67]。除了針對上述難加工金屬材料方面的研究，Wang 等[68]還嘗試用PCBN 刀具對氮化硅陶瓷進(jìn)行極低溫車削加工，大幅改善了工件表面粗糙度且刀具磨損并不嚴(yán)重。針對極低溫冷卻作用的PCB 鉆孔加工也有嘗試，比如Lin 等[69]對其加工原理和特性進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹和分析。

圖16 極低溫冷卻切削

Wang 等[70]還嘗試了極低溫冷卻與等離子體加熱軟化工件材料的復(fù)合輔助車削加工，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)切削加工相比，工件表面粗糙度改善250%、切削力減少30%～50%、刀具壽命提升170%?！耙簯B(tài)氮冷卻+微流量潤滑” 的方式被應(yīng)用于鈦合金車削加工。研究發(fā)現(xiàn)，即使切削液供給極少，也能提高表面質(zhì)量、減輕積屑瘤、延長刀具壽命[71]。Behera 等[72]比較了高壓射流、極低溫冷卻、微流潤滑對鎳基高溫合金車削加工特性的影響，發(fā)現(xiàn)極低溫冷卻能獲得較好的加工面完整性和較長的刀具壽命。

2 多場輔助磨削加工

2.1 超聲輔助

在磨削加工中，超聲輔助的作用與切削加工類似。超聲潤滑效果能大幅度降低砂輪與工件間的摩擦力，從而減小磨削力與熱。特別是極高超聲振動加速度所產(chǎn)生的慣性力，使磨屑極難粘附于砂輪上，可極大減輕甚至避免砂輪堵塞。

2.1.1 一維超聲輔助

超聲輔助磨削中常采用對砂輪施加軸向超聲的方式，這通常被稱作旋轉(zhuǎn)超聲磨削。如圖17 所示，砂輪一邊圍繞自身軸線以速度ntool高速旋轉(zhuǎn)，一邊沿其軸向以頻率fus、振幅Xa做超聲振動，磨粒軌跡在砂輪軸線進(jìn)給端面磨削中為自左上至右下的正弦曲線，在砂輪徑向進(jìn)給的圓周磨削中為水平方向的正弦曲線。前者多用于硬質(zhì)合金和陶瓷等硬脆材料的孔加工，可使加工力降低10%～50%，并能獲得較好的加工質(zhì)量[73-74]，其原理在于超聲能促進(jìn)磨粒自銳，這在鈦合金的磨削中也能看到類似效果[75]；后者主要用于2D、2.5D 或3D 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形加工，超聲在其中發(fā)揮的作用與前者類似，都在磨削力和砂輪壽命方面具有良好效果[73]。但要注意的是，當(dāng)以圓周磨削方式加工溝槽時(shí)，超聲作用并非總是正面的，砂輪的超聲錘擊作用有時(shí)會導(dǎo)致工件表面裂紋產(chǎn)生[76]。

圖17 旋轉(zhuǎn)超聲輔助磨削

還有研究者將一維超聲附加在砂輪或工件上進(jìn)行平面磨削，此時(shí)超聲要么作用于砂輪徑向，要么作用于砂輪軸向。超聲作用于砂輪軸向時(shí)，能有效改善加工表面質(zhì)量，但磨削力的下降幅度有限[77]，而作用于砂輪徑向時(shí)的磨削力下降幅度較大，并能促進(jìn)砂輪的自銳，但難以獲得較高的表面質(zhì)量[78]。Yang 等[79]研究了軸向超聲輔助磨削氧化鋯陶瓷的表面形貌生成機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)和理論分析建立了表面粗糙度預(yù)測模型。Qiao 等[80]將砂輪沿著曲面按一定軌跡走刀，嘗試了氧化鋯陶瓷的軸向超聲輔助曲面鏡面磨削，獲得了Sa73 nm 的鏡面（圖18）。

圖18 氧化鋯陶瓷軸向超聲輔助曲面鏡面磨削[80]

Huang 等[81]對軸向超聲輔助平面磨削氮化鎵的材料去除進(jìn)行了分子動力學(xué)仿真研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動金剛石磨粒周圍材料塑性流動方向的周期性變化（圖19），并提高其流動性，使亞表面損傷層變得更薄。Cao 等[82]通過碳化硅陶瓷的軸向超聲輔助單磨粒劃痕試驗(yàn)，研究了超聲對劃痕深度及脆塑性轉(zhuǎn)換臨界切深的影響，發(fā)現(xiàn)超聲大幅增加了劃痕深度，尤其是臨界切深增幅達(dá)50%以上。Li 等[83]針對鎳基高溫合金進(jìn)行了軸向超聲輔助平面磨削研究，發(fā)現(xiàn)通過超聲對電鍍CBN 砂輪表面狀態(tài)及磨屑形態(tài)與大小的影響，可降低磨削力、提高加工精度及延長砂輪壽命。Chen 等[84]從表面功能參數(shù)的角度研究了軸向超聲輔助平面磨削軟鋼時(shí)的振幅對工件表面形貌的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)振幅與功能參數(shù)具有正相關(guān)的關(guān)系。

圖19 軸向超聲作用下磨粒周圍材料的塑性流動

針對軸向超聲輔助磨削的另一種應(yīng)用形式，Zhao 等[85]嘗試對納米復(fù)合陶瓷開展了軸向超聲輔助ELID（電解在線修整）內(nèi)圓磨削，發(fā)現(xiàn)超聲能有效提高表面質(zhì)量；Cao 等[86]開展了碳化硅陶瓷軸向超聲輔助內(nèi)圓磨削，發(fā)現(xiàn)超聲作用下的磨削力減少，使微粒金剛石砂輪不易堵塞且較易獲得鏡面。

2.1.2 二維（橢圓）超聲輔助

結(jié)合軸向和徑向超聲輔助平面磨削各自的優(yōu)勢，Liang 等[87]提出了橢圓超聲輔助磨削法（圖20），對工件同時(shí)施加砂輪軸向（Y 方向）和徑向（Z 方向）的超聲，使二者之間有相位差，從而合成YZ 面內(nèi)的一個(gè)橢圓運(yùn)動。針對藍(lán)寶石及單晶硅等的磨削實(shí)驗(yàn)及建模分析[88-89]發(fā)現(xiàn)，在宏觀上，橢圓超聲可大幅減輕砂輪堵塞，有效降低磨削力及提高加工質(zhì)量；在微觀上，可通過調(diào)整兩向相位差及振幅來調(diào)節(jié)橢圓形狀與大小，可有效增大脆塑性轉(zhuǎn)換臨界未變形切屑厚度，從而更易實(shí)現(xiàn)材料的塑性域去除。

圖20 橢圓超聲輔助平面磨削原理

2.1.3 超聲調(diào)速式無心磨削

Wu 等[90]借鑒線性超聲馬達(dá)的工作原理提出一種超聲調(diào)速式無心磨削的新方法（圖21），用一個(gè)橢圓超聲振子替代原本位于圖中工件左邊的調(diào)整輪，并與工件下方的托板一起支撐工件，再利用其右端面的橢圓運(yùn)動來控制工件回轉(zhuǎn)；利用制作的實(shí)驗(yàn)裝置開展了直徑5 mm 低碳鋼的磨削試驗(yàn)，成功加工出圓度達(dá)到亞微米級的高精度工件[91]，進(jìn)而加工出直徑0.06 mm、長度15 mm（長徑比高達(dá)250）的硬質(zhì)合金微棒[92]。Wu 等[93]還基于橢圓超聲控制工件回轉(zhuǎn)這一相同原理，提出了基于平面磨床的新型無心磨削法（圖22），以橢圓超聲振子與托板為主要構(gòu)件的無心磨削單元被搭載到平面磨床工作臺上，在工作臺的左右運(yùn)動或砂輪的上下運(yùn)動中實(shí)現(xiàn)無心磨削，其團(tuán)隊(duì)還通過直徑5 mm 低碳鋼工件磨削試驗(yàn)成功加工出亞微米級圓度的高精圓柱體[94]以及更細(xì)、長徑比更大（直徑0.042 mm、長度13 mm）的鎢合金棒（圖23）[95]，甚至還加工出直徑4.8 mm、圓度達(dá)亞微米級的氮化硅陶瓷球（圖24）[96]。

圖21 超聲調(diào)速式無心磨削原理

圖22 基于平面磨床的無心磨削裝置

圖23 極大長徑比微棒加工示例

圖24 陶瓷球加工示例

2.2 超聲/等離子體氧化復(fù)合輔助磨削及制孔

鈦合金具有優(yōu)越的機(jī)械物理特性，被廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域，但同時(shí)具有較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)和較高的高溫強(qiáng)度，導(dǎo)致加工溫度高、刀具磨損快。前述超聲、激光、介質(zhì)流輔助切削加工能較大幅度提高鈦合金的可加工性，但仍難滿足人們在加工效率、精度、刀具壽命方面日益嚴(yán)苛的要求。因此，Li 等[97]提出超聲/等離子體氧化復(fù)合輔助磨削新方法（圖25），在磨削時(shí)以工件為陽極、砂輪為陰極，在兩極之間加入高頻脈沖直流電壓，使砂輪與工件之間產(chǎn)生等離子體放電，使磨削液電離產(chǎn)生大量的OH-離子。由于OH-離子的強(qiáng)氧化作用，工件表面快速生成了亞微米厚的軟脆氧化層（圖26），此時(shí)若將砂輪磨粒切深控制在氧化層厚度以下，僅氧化層被切除，可大幅降低磨削力和熱，極大地提高了加工效率和砂輪壽命，進(jìn)而在砂輪軸向附加超聲會促進(jìn)OH-離子產(chǎn)生并加速氧化，并且在超聲作用下進(jìn)一步降低磨削力，促進(jìn)排屑和防止砂輪堵塞[98]。后續(xù)研究[99]基于該加工原理，利用直徑1 mm 的金屬結(jié)合劑CBN 球頭砂輪開展微小孔加工（圖27），在厚度為1 mm 的鈦合金平板上成功加工出高精度通孔。

圖25 等離子體/超聲復(fù)合輔助磨削原理

圖26 鈦合金等離子體氧化層

圖27 等離子體/超聲復(fù)合輔助磨削制孔

2.3 介質(zhì)流輔助

與切削加工一樣，高壓磨削液與極低溫冷卻在磨削加工中也產(chǎn)生了明顯效果。Venables[100]利用CBN 砂輪對鎳基高溫合金進(jìn)行大用量磨削加工，通過主軸和噴嘴向加工區(qū)域供給高壓磨削液，其材料去除效率比銑削加工高10 倍。還有研究表明，低溫冷卻能延長砂輪壽命、改善工件表面質(zhì)量[101]。Zhang等[102]利用離子液輔助磨削法成功獲得聚氨基葡糖功能化MoS2納米片。

3 多場輔助研拋加工

3.1 超聲輔助研磨

超聲在研拋加工中也具有良好的輔助效應(yīng)。Zhang 等[103]系統(tǒng)介紹了硬脆材料微結(jié)構(gòu)的超聲輔助研磨技術(shù)。Suzuki 等[104]以研磨頭在水平面做一維或二維超聲振動的超聲輔助非球面研磨方法（圖28），對硬質(zhì)合金微小非球面進(jìn)行研磨，獲得了表面粗糙度為Rz8 nm 的鏡面。Beaucamp 等[105]在超聲空化輔助射流拋光玻璃時(shí)發(fā)現(xiàn)材料去除率提高了380%。

圖28 超聲輔助非球面研磨

雖然在超聲輔助加工中，一般是將超聲施加到工具上，但有時(shí)也施加給工件或拋光液。Zhao 等[106]及Han 等[107]分別對碳化硅陶瓷和不銹鋼工件施加超聲振動進(jìn)行研磨，大幅提高了加工效率和表面質(zhì)量。Li 等[108]在硅晶圓化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）加工中將兆赫茲納米振幅的超聲輻射到拋光液，再傳遞給工件，將磨粒集中到拋光區(qū)域，提高了有效磨粒數(shù)量，并且頻率越高該現(xiàn)象越明顯。Yu 等對拋光工具和拋光液噴嘴同時(shí)施加軸向超聲（圖29），對鎳基高溫合金[109]和光學(xué)玻璃[110]進(jìn)行研磨，顯著改變了磨粒的運(yùn)動狀態(tài)和軌跡，使鎳基高溫合金研磨效率提高約2 倍、表面粗糙度得到明顯改善，光學(xué)玻璃表面粗糙度達(dá)到Ra2 nm。

圖29 拋光工具/拋光液噴嘴同時(shí)軸向超聲輔助拋光

李庚卓等[111]提出了一種橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光技術(shù)（圖30）。固定在超聲拋光頭下端面的金剛石等磨粒磨塊，同時(shí)做縱向（垂直）和切向（水平）的超聲振動，二者合成得到一個(gè)橢圓超聲運(yùn)動。此時(shí)，對拋光頭施加一壓力使磨塊與工件接觸，并讓工件旋轉(zhuǎn)及左右往復(fù)運(yùn)動，即可實(shí)現(xiàn)橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光。針對氮化鋁的拋光實(shí)驗(yàn)成功加工出表面粗糙度Ra28 nm 的光滑表面，超聲的賦予可將材料去除率提高42%以上。

圖30 橢圓超聲輔助固結(jié)磨粒拋光

3.2 固相化學(xué)反應(yīng)/超聲復(fù)合輔助拋光

傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）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亞表面損傷研拋加工，但加工中大量使用了環(huán)境不友好的拋光液且加工效率較低。如果用內(nèi)含與工件材料產(chǎn)生固相化學(xué)反應(yīng)的CeO2等磨粒的固結(jié)磨具代替CMP 拋光液和拋光墊，在一定的壓力和氛圍下，磨具與工件材料之間即可產(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、納米精度和加工效率均較高的固結(jié)磨粒CMP 加工。但該方法會因磨具和加工面之間的無間隙接觸而導(dǎo)致排屑不暢并使磨具易堵塞。此時(shí)，將圖30 所示磨粒磨塊和AlN 工件分別用CeO2磨具和硅晶圓或其他光電材料基板置換，則會由于磨具的橢圓超聲運(yùn)動，在磨具與工件之間形成周期性微小間隙，再加上磨具的“踢踏”作用，使磨屑極易被排出加工區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)硬脆光電材料的高效、高納米精度和環(huán)境友好的研拋。

Li 等[112]將上述方法應(yīng)用于石英玻璃超精密加工，發(fā)現(xiàn)無論是否加入超聲均可獲得表面粗糙度小于Ra2 nm 的光滑表面，超聲輔助還能將材料去除率提高3 倍以上。一項(xiàng)針對硅晶圓開展的固結(jié)磨粒CMP 實(shí)驗(yàn)[113]，獲得Ra2 nm 以下的表面粗糙度，并且使硅晶圓殘余壓應(yīng)力從初期的700 MPa 大幅降至拋光后的270 MPa，應(yīng)力釋放效果好。Wu 等[114]將該方法應(yīng)用于硅晶圓邊緣拋光（圖31），成功獲得表面粗糙度低于Ra3 nm 的無明顯缺陷硅晶圓邊緣，并發(fā)現(xiàn)超聲輔助能將拋光效率提高20%以上。

3.3 電/磁場輔助拋光

電場輔助拋光方法如電解磨粒拋光，其加工原理見圖32[115]。在傳統(tǒng)的電解拋光中，工件表面由陽極氧化生成的氧化膜會被電解液中的化學(xué)成分溶解，并隨著電解液的流動排出加工區(qū)域。而電解磨粒拋光，其電解液不含相應(yīng)化學(xué)成分，是利用被粘彈性支撐在陰極上的磨粒以劃擦方式去除氧化膜。該方法已在不銹鋼、鋁材、鈦基材料、哈氏合金等金屬材料構(gòu)件的內(nèi)外圓、溝槽、弧面、平面等的高效鏡面拋光中獲得成功應(yīng)用。其他的電場輔助拋光方法還有用于CVD-SiC[116]、單晶金剛石[117]等離子體輔助拋光、用于石英玻璃的光化學(xué)輔助拋光[118]以及介電泳輔助高速磨粒流拋光[119]。

圖32 電解磨粒拋光

常見磁場輔助拋光方法有磁流變光整（MRF）和磁粒研磨（MAF）。MRF 是將混有磨粒的磁流變液（由磁性顆粒、基液和穩(wěn)定劑組成的懸浮液）作為拋光液，該拋光液的流變特性通過液體內(nèi)部磁性顆粒在外部磁場作用下形成的磁鏈來體現(xiàn)，因此可通過調(diào)節(jié)外部磁場強(qiáng)弱來控制。陳逢軍等[120]對MRF 的加工原理、裝置、特性、應(yīng)用等做了較為系統(tǒng)且詳細(xì)的介紹。但MRF 拋光液中的磁鏈通常僅由羰基鐵粉組成，磁鏈形態(tài)較粗、較短（圖33a），在拋光溝槽等復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)易被剪斷，嚴(yán)重影響加工性能。對此，Wu 等[121]提出一種名為MCF（磁性混合流體）的新型磁流變拋光液，用磁性流體（MF）替代MRF 拋光液中的基液。MF 含有平均粒徑10 nm 的鐵氧體微粒。鐵氧體微粒對羰基鐵粉有粘結(jié)劑和潤滑劑的雙重作用（圖33b），使磁鏈更細(xì)長、柔軟且不易斷裂（圖33c），特別是在磁鐵做偏心回轉(zhuǎn)運(yùn)動形成的空間旋轉(zhuǎn)磁場作用下（圖34），能具有自整形和形狀自動恢復(fù)的特性，極其適用于復(fù)雜形狀的超精密拋光。眾多實(shí)驗(yàn)和理論分析[122-128]表明：MCF 拋光去除材料主要基于剪切力作用下的微切削和塑性流動，使其不僅可用于平面、曲面加工，還可用于溝槽及毛細(xì)管的高效鏡面拋光，并且選用不同磨粒還可用于拋光亞克力之類的塑料材料和銅、鋁、不銹鋼等金屬材料，以及光學(xué)玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體等硬脆材料。

圖33 磁性混合流體拋光液

圖34 空間旋轉(zhuǎn)磁場作用下的MCF 拋光

相較于MRF 或MCF 拋光，MAF 的原理相對簡單，是對磁性磨粒施加一個(gè)磁場，其產(chǎn)生的磁力能使磨粒以一定的壓力與工件表面接觸，此時(shí)在磨粒與工件之間施加一個(gè)相對運(yùn)動即可實(shí)現(xiàn)材料去除。有關(guān)MAF 的加工原理、磁性磨粒制備、應(yīng)用、加工裝置與加工特性等，陳燕等[129]做了系統(tǒng)的介紹。相較而言，MAF 的磨粒尺寸較大，磨粒通過磁力作用于工件表面的壓力也較大，使其適合加工效率要求較高的粗加工；而MRF 或MCF 的磨粒作用力間接來自微米級粒徑的羰基鐵粉，磨粒本身只有微米級甚至亞微米級大小，因此更適合于超精密拋光。

3.4 電-磁-超聲復(fù)合輔助拋光

為進(jìn)一步提高磁場輔助拋光效率，Wang 等[130]提出了介電泳輔助MCF 拋光的新方法（圖35），在MCF 載液盤與工件之間施加一定脈沖直流電壓，使MCF 拋光液中的不導(dǎo)電磨粒因介電泳力的作用向工件表面移動，使磨粒往拋光區(qū)域聚集，進(jìn)而增加參與材料去除的磨粒數(shù)，所開展的亞克力材料拋光實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：介電泳作用下的材料去除率提高近20%。Guo 等[131]提出了一種超聲輔助微溝槽MAF拋光的新方法，在研磨時(shí)沿溝槽寬度方向?qū)τ谰么盆F施加一定超聲振動，可在不影響溝槽形狀、尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)表面光整。在利用拋光輪的MCF加工中，Jiang 等[132]沿著拋光輪切向?qū)S銅工件施加超聲振動，結(jié)果表明，超聲輔助能有效減小拋光力并改善表面粗糙度。Zhai 等[133]在對藍(lán)寶石進(jìn)行MRF 拋光時(shí)，于工件垂直方向施加一超聲振動（圖36），使加工效率提高約3.4 倍，并獲得表面粗糙度為Ra0.442 nm 的超光滑表面。

圖35 介電泳輔助MCF 拋光

圖36 工件垂直超聲輔助磁流變拋光原理

4 總結(jié)與展望

數(shù)年前，筆者通過文獻(xiàn)調(diào)研并基于自身多年在相關(guān)領(lǐng)域的一系列科研工作發(fā)現(xiàn)，自上世紀(jì)60 年代起即有科技人員將一種或以上的機(jī)械、物理或化學(xué)能量場引入機(jī)械加工，以解決切削力大、刀具磨損快、精度提高難等問題，但幾乎沒有文獻(xiàn)對這些研究進(jìn)行歸納提煉，于是在2016 年初總結(jié)、歸納并提出了“多場輔助精密加工”這一概念[134]。本文為進(jìn)一步明確此概念并總結(jié)最新進(jìn)展，舉例介紹了超聲振動、電/磁場、化學(xué)場、激光、介質(zhì)流等輔助作用下的機(jī)械加工原理和基本特性。

但不同領(lǐng)域的研究熱度有所不同（圖37）。在筆者重點(diǎn)關(guān)注的近十年發(fā)表的214 篇相關(guān)文獻(xiàn)中（因篇幅限制，本文僅引用了其中的134 篇），有58.88%（126 篇）的研究集中在超聲輔助領(lǐng)域，其余依次是介質(zhì)流（占比17.76%，計(jì)38 篇）、激光（占比15.89%，計(jì)34 篇）、磁場（占比13.55%，計(jì)29 篇）以及數(shù)量占比僅為個(gè)位數(shù)的化學(xué)場和電場。另外，在相關(guān)文獻(xiàn)的作者所屬國家/地區(qū)方面，超聲輔助類文獻(xiàn)來源以中國最多，其次是日本、德國、美國、英國；介質(zhì)流類文獻(xiàn)主要來自中國和美國，其次是印度等發(fā)展中國家；激光類文獻(xiàn)主要來源于歐美，最近中國在該領(lǐng)域正在猛追；電/磁場及化學(xué)場相關(guān)的文獻(xiàn)主要來自中國和日本，歐美地區(qū)對此鮮有報(bào)道。

圖37 輔助加工不同領(lǐng)域的研究熱度比較

可見，隨著各國對先進(jìn)制造業(yè)的日益重視，不僅美、德、日等傳統(tǒng)發(fā)達(dá)國家，還有中國、印度等新興國家，特別是中國，對多場輔助精密加工技術(shù)越來越重視。隨著各國對多場輔助精密加工技術(shù)重要性的認(rèn)識加深，相關(guān)研究、開發(fā)成果會更加豐富，并最終在先進(jìn)產(chǎn)業(yè)中得到廣泛推廣和應(yīng)用，為社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。