多场辅助精密机械加工技术现状与展望

吴勇波，郭子睿

（南方科技大学机械与能源工程系，广东深圳518055 ）

在高端制造业中，精密加工是实现零部件形状、尺寸精度和表面完整性要求的关键环节。传统精密加工以切削、磨削、研磨等机械加工为主，辅以激光、电火花、电解等特种加工工艺，其共同点是将不需要的毛坯部分去除，以得到所需形状、尺寸精度及表面完整性的零部件。机械加工去除材料是以刀具对工件的强制性几何干涉引起的材料塑性撕裂或脆性破碎为基本原理，而特种加工主要基于材料热融化、电化学溶解或分子键断裂原理。二者各有利弊，前者的加工效率和精度较高，适于精密零部件的低成本批量加工，但受刀刃锋利度、机床精度、刀具材料特性及工件材料可加工性等制约，在微纳尺度加工方面较困难；后者几乎不受工件材料限制，较易实现微纳尺度加工，但效率低、精度不高，不适合零部件的批量化、低成本精密制造。因此精密加工的大部分环节仍由机械加工完成。

但是，一方面随着人们对机械零部件、光电元器件性能要求的逐步提高，加工精度要求也越来越高，材料最小去除尺度趋于纳米级甚至原子级，对刀具切削刃锋利度的要求变得严苛，同时还要求加工装置具有原子级的极微小进给分辨率；另一方面随着高性能的极难加工新型材料的开发和应用，由于传统机械加工的加工力大、温度高，存在工具磨损严重、加工效率低、精度差、成本高等问题，如何实现该类材料的高效精密加工成为全新挑战。

为突破传统精密机械加工技术在新形势下遇到的前述瓶颈，考虑到超声振动、电/磁流变、激光、等离子体、电化学、固相化学反应等物理化学能场在特种加工中去除材料方面的有效性（图1），近年来包括作者在内的国内外许多科研人员将声、电、磁、化、光等物理化学能场引入机械加工，开展了一系列多能场辅助机械加工研究，验证了上述能场在提升加工精度与效率以及刀具寿命等方面的有效性。本文基于对多能场辅助机械加工基本概念的说明，介绍了各方法的基本加工原理、特性及最新进展，并总结了研究现状、展望了未来发展趋势。

图1 多场辅助精密机械加工概念图

1 多场辅助切削加工

1.1 超声辅助

超声辅助加工是在切削加工中于工件和刀具之间附加超声振动，由此产生超声润滑效果，可大幅度降低刀具与工件间摩擦力，从而减小加工力和降低加工热，同时刀刃的超声振动又可加速切屑的疲劳破坏，提高了断屑效果。尤其是刀具的超声振动加速度最大可达重力加速度的数万倍，所产生的惯性力使切屑极难粘附于刀刃上，可避免积屑瘤的产生和刀具的粘着磨损。

当前，超声辅助多用于车削[1]、铣削[2]和钻削[3]等。辅助加工时，超声既可作用于某一个方向，也可同时作用于某两个方向甚至三个方向，分别被称作一维、二维和三维超声辅助加工。二维时，在两方向之间设一个相位差即可合成得到一个椭圆超声。

图2 是不同超声作用方向时的一维超声辅助车削加工示意。当超声作用于工件径向时（图2a），切深以超声频率做周期性变化；当超声作用于工件切向时（图2b），切削速度V 是工件线速度Vc和振动速度Vu之和，以超声频率做周期性变化；当超声作用于刀具进给方向时（图2c），进给速率Vf以超声频率做周期性变化。其中，当超声作用于工件切向且最大振动速度>Vc时，刀具的前刀面与切屑之间会产生周期性间隙[4]，有利于切削液进入，可减小切削力和提高加工精度[5]。

图2 不同超声作用方向时的车削加工

另外，超声作用方向不同时的加工面形貌不同。图3 所示铝合金实验结果表明，作用于工件切向的超声对表面形貌有一定的影响，但对表面粗糙度影响很小；作用于径向和进给方向的超声对表面形貌影响较大，同时Vc对表面形貌的影响也较显著。这说明，通过附加径向或进给方向的超声及控制工件转速，可加工出相应的表面微织结构。

图3 超声方向和切削速度不同时的加工表面形貌

模具钢的切削实验结果还表明超声频率越高，工件表面越好[1]。超声辅助不仅对表面形貌和粗糙度有较大影响[6]，还可减轻刀具磨损[7]，促进断屑[2]。钛合金车削加工中，Muhammad 等[8]在超声辅助的基础上同时对切削区域施加热，通过软化工件材料来降低其剪切强度，进一步减小切削力和提高表面光洁度。He 等[9]尝试将超声作用于工件切向来车削螺纹，获得了较好的表面质量。

在二维（椭圆）超声辅助切削中，椭圆面方位不同加工特性也不同。Shamoto 等[10]提出如图4 所示的椭圆超声辅助切削加工原理，可知在切削速度方向和切深方向的二维超声合成一个椭圆，并且加工时切削速度方向上的超声振动速度Vu-T最大值大于Vc，使前刀面和切屑之间产生周期性间隙，这有利于切削液进入切削区域，促进冷却和降低刀具-工件间摩擦力，尤其是在顺时针方向的椭圆运动会向上提拉切屑，促进排屑、降低切削力、减轻刀具磨损。Zhang 等[11]成功地将这一方法用于圆柱体外圆面上的沟槽加工。Sajjady 等[12]利用该方法通过端面车削制备出各种微织结构。

图4 椭圆超声辅助切削

但在“切削速度<超声速度”这一条件限制下，高速切削难以实现。为此，Lu 等[13]提出了如图5 所示的基平面（XY 平面）内椭圆超声辅助车削法，即对刀具施加一个基平面内的椭圆超声，可大幅度降低刀具前刀面与工件间摩擦力。镍基高温合金的车削实验表明可大幅度降低切削力和热，减少切屑在工件上的残留，拟制积屑瘤的产生，减轻后刀面磨损，但难以改善表面粗糙度，这些特性非常有利于难加工材料的高效加工。

图5 基平面内的椭圆超声辅助车削

针对三维超声辅助切削加工，Wei 等[14]设计制作了一套实验装置，刀具运动轨迹为一条三维空间曲线（图6），通过304 不锈钢车削实验对比无超声、一维超声、二维超声和三维超声作用下的加工特性发现，三维超声时的加工表面质量最高（图7）。

图6 三维超声辅助切削刀具轨迹

图7 无超声与不同超声辅助作用下的车削表面形貌

Jung 等[15]提出了一种独特的多模态超声辅助加工方法去制备微织结构（图8），对刀具同时施加纵向一次（频率f1）和纵向三次（频率f3）的超声振动，刀具沿切削速度Vc方向的运动轨迹是周期分别为λ1=1/f1和λ3=1/f3的两个正弦曲线的合成，通过调整二者的振幅A1与A3以及Vc等，即可获得具有所需断面形状的微织结构。

图8 多模态超声辅助切削制备微织结构示意图

在超声辅助钻孔加工中，作用于钻头轴线方向的超声可大幅减小钻削力，促进断屑和排屑[16]。Heisel 等[3]研究了超声振幅对电解铜深孔加工钻削力的影响，发现振幅越大，力越小，并且相比于无超声的降幅最大超过85%。超声辅助钻孔加工技术还被用于钛合金[17]、镍基高温合金[18]、石材[19]、金属基复合材料[20]、玻璃[21]、CFRP[22]及骨组织[23]等方面的制孔加工，由此发现超声在钻削力/热下降、粗糙度改善、孔口毛刺拟制、断屑效果提升和刀具磨损减轻等方面的作用明显。在微孔加工方面，超声也发挥了重要作用[24]。Sarwade 等[25]成功进行了骨组织的超声辅助微孔加工。Hu 等[26]研究了超声辅助作用下的单晶硅、碳化硅、玻璃等不同材料的微孔加工特性，发现材料去除率随着材料断裂韧性的降低而增大。Tsuboi 等[27]进而尝试将超声同时作用于刀具和切削液，以便延长碳化硅微孔加工时的刀具寿命。高航等[28]为解决叠层复合材料制孔质量差和加工效率低的问题，提出了超声辅助螺旋铣削制孔的新工艺，其实验结果表明切削力/热和孔质量等加工特性均获较大幅度提高。

超声辅助铣削因刀具与工件之间的运动学关系较复杂，目前的实际应用相对较少。Chen 等[29]就超声辅助铣削加工原理、装置及应用等进行了介绍并进行了展望。值得关注的是，Xing 等[30]在超声辅助铣削加工铝合金时发现工件表面形成清晰的三维形貌，改善了工件表面的摩擦学特性；Ostasevicius等[31]发现在不锈钢和钛合金的铣削加工施加超声能改善表面粗糙度；Jin 等[32]在微铣加工玻璃时施加超声能增强脆塑性转换、提高加工质量，特别是在切深方向施加超声更易获得高的加工质量。与超声辅助车削一样，超声辅助铣削也能制备出微织结构表面。Tao 等[33]在铝合金沟槽铣削加工中对工件在双刃小径铣刀进给方向施加超声，在沟槽底面成功制备出了鱼鳞状表面（图9）。另有许多学者针对不同工件材料在不同方向或方位施加一维或多维超声，以理论解析、仿真计算及试验等手法系统研究了超声对材料去除机理、加工力/热、加工质量、刀具磨损等的影响规律，发现超声与其他加工在参数合理组合时将能有效提高加工特性和减轻刀具磨损[34-40]。

图9 超声辅助铣削获得的鱼鳞状沟槽底面

迄今为止，许多科研人员研发出多种超声加工装置[41]。这些装置根据致动器不同分作压电式和磁致伸缩式，根据振动轨迹不同有一维、二维和三维的区别。其中，基于压电陶瓷的三维超声装置如图10 所示，通过三组对称分布的压电陶瓷分别产生一个纵向振动和两个弯曲振动，三者合成即在刀尖处形成一个空间三维振动。Zhang 等[42]开发了一种既可产生一维超声，也可产生二维（椭圆）甚至三维超声的所谓维度可变超声制孔装置，在CFRP 制孔时能有效拟制孔入出口毛刺的产生及提高排屑能力，实现高质量制孔加工。

图10 三维超声振子结构尺寸

1.2 激光辅助

激光辅助切削加工原理如图11 所示[43]，将激光束直接照射到刀具前方的工件表面，使工件材料受热软化而较易被去除，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匀性，特别是能产生更大的轴向残余压应力。在钛合金和镍基高温合金等难加工金属材料的激光辅助切削方面，Attia 等[44]通过分析加工面的微观组织结构发现工件表面完整性得到了改善，相较于无激光辅助的传统加工面，其塑性变形层更深、更均匀；Brecher等[45]也在报告中指出，激光辅助切削镍基高温合金时的切削力降幅达40%～60%，刀具寿命得到提高，从而适应更高的切削速度。

图11 激光辅助切削加工原理

激光辅助在陶瓷材料车削加工中也起到较好效果（图12）[46]。You 等[47]通过激光辅助车削成功加工出玻璃光学镜头模压成形用无结合剂硬质合金模具。Przestacki 等[46]开展A359/20SiCP 金属基复合材料的激光辅助车削加工研究时发现，激光作用下的工件表面粗糙度降低32%、刀具寿命增长27%。

图12 氮化硅陶瓷的激光辅助车削

激光辅助也能应用于铣削加工（图13）[48]。Zah等[49]研究发现，激光辅助钛合金铣削加工时切削力降低21%、材料去除率提高34%。在激光辅助微铣削加工淬火钢时[50]，由于具有较低的切削力、较小的刀具变形以及较轻的刀具磨损，能获得较高的尺寸精度，但没观察到对粗糙度的影响。Tagliaferri 等[51]和Zah 等[52]分别通过正交实验法和热仿真建模研究了钛合金激光辅助铣削加工中激光功率、扫描速度、散焦、温度对表面粗糙度的影响，发现激光辅助能获得更好加工特性。此方法在结构陶瓷、功能晶体材料、玻璃、硬质合金等硬脆材料的加工中也取得良好的效果。Lei 等[53]开展了针对氮化硅陶瓷的激光辅助切削，发现除了出现切屑的塑性变形现象之外，还发生了氧化、熔融及汽化等现象；Chang 等[54]发现氧化铝陶瓷铣削加工中的激光辅助能有效改善表面粗糙度。近年来，其他硬脆材料方面也吸引了大量科研人员开展相关研究[55]。

图13 耐热钢材料的激光辅助铣削

由于铣削加工零部件的形状结构通常较复杂，针对不同零部件形状结构的激光辅助加工装置也不同。Lee 等[56]介绍了近年开发的不同装置，图14是一款适用于复杂走刀路径的三维激光辅助铣削装置的外观结构示意图。

图14 三维激光辅助铣削装置结构示意图

1.3 介质流辅助

切削加工时通过内藏于刀具的喷嘴向切削区域供给高压切削液（图15），会极大改变加工区域温度和润滑状态，从而对切屑的形成和刀具的磨损以及工件的金相组织产生很大的影响[57]，如Dahlman[58]发现高压切屑液会使切削温度降低50%，很适合塑性较差材料的切削加工；Lacalle[59]发现钛合金和镍基高温合金车、铣加工时高压切削液允许更高的切削速度，表面完整性更好。此外在镍基高温合金的精密切削中，Ezugwu 等[60]发现高压切削液能使刀具磨损减轻350%；Sharman 等[61]发现高压切削液的较强冷却作用能有效降低工件亚表面的残余拉应力。采用该方法能促进断屑，有效避免高危缠屑现象[62]。在合金钢的铣削加工中，Kovacevic 等[63]发现提高切削液的压力能有效改善表面粗糙度。

图15 高压射流切削

利用液态氮或二氧化碳的极低温冷却技术被广泛应用于镍基、钛基合金的精密加工[64]（图16）。Wang 等[65]证实在钛基、镍基高温合金切削加工中采用液态氮冷却可稳定获得较低的表面粗糙度值；Pusavec 等[66]发现采用低温冷却技术可在镍基高温合金工件亚表面获得较厚的压缩层。在钢材的低温冷却车削加工中，较低的加工温度减轻了刀具磨损、改善了表面粗糙度[67]。除了针对上述难加工金属材料方面的研究，Wang 等[68]还尝试用PCBN 刀具对氮化硅陶瓷进行极低温车削加工，大幅改善了工件表面粗糙度且刀具磨损并不严重。针对极低温冷却作用的PCB 钻孔加工也有尝试，比如Lin 等[69]对其加工原理和特性进行了系统的介绍和分析。

图16 极低温冷却切削

Wang 等[70]还尝试了极低温冷却与等离子体加热软化工件材料的复合辅助车削加工，结果表明：与传统切削加工相比，工件表面粗糙度改善250%、切削力减少30%～50%、刀具寿命提升170%。“液态氮冷却+微流量润滑” 的方式被应用于钛合金车削加工。研究发现，即使切削液供给极少，也能提高表面质量、减轻积屑瘤、延长刀具寿命[71]。Behera 等[72]比较了高压射流、极低温冷却、微流润滑对镍基高温合金车削加工特性的影响，发现极低温冷却能获得较好的加工面完整性和较长的刀具寿命。

2 多场辅助磨削加工

2.1 超声辅助

在磨削加工中，超声辅助的作用与切削加工类似。超声润滑效果能大幅度降低砂轮与工件间的摩擦力，从而减小磨削力与热。特别是极高超声振动加速度所产生的惯性力，使磨屑极难粘附于砂轮上，可极大减轻甚至避免砂轮堵塞。

2.1.1 一维超声辅助

超声辅助磨削中常采用对砂轮施加轴向超声的方式，这通常被称作旋转超声磨削。如图17 所示，砂轮一边围绕自身轴线以速度ntool高速旋转，一边沿其轴向以频率fus、振幅Xa做超声振动，磨粒轨迹在砂轮轴线进给端面磨削中为自左上至右下的正弦曲线，在砂轮径向进给的圆周磨削中为水平方向的正弦曲线。前者多用于硬质合金和陶瓷等硬脆材料的孔加工，可使加工力降低10%～50%，并能获得较好的加工质量[73-74]，其原理在于超声能促进磨粒自锐，这在钛合金的磨削中也能看到类似效果[75]；后者主要用于2D、2.5D 或3D 复杂结构的成形加工，超声在其中发挥的作用与前者类似，都在磨削力和砂轮寿命方面具有良好效果[73]。但要注意的是，当以圆周磨削方式加工沟槽时，超声作用并非总是正面的，砂轮的超声锤击作用有时会导致工件表面裂纹产生[76]。

图17 旋转超声辅助磨削

还有研究者将一维超声附加在砂轮或工件上进行平面磨削，此时超声要么作用于砂轮径向，要么作用于砂轮轴向。超声作用于砂轮轴向时，能有效改善加工表面质量，但磨削力的下降幅度有限[77]，而作用于砂轮径向时的磨削力下降幅度较大，并能促进砂轮的自锐，但难以获得较高的表面质量[78]。Yang 等[79]研究了轴向超声辅助磨削氧化锆陶瓷的表面形貌生成机理，通过实验和理论分析建立了表面粗糙度预测模型。Qiao 等[80]将砂轮沿着曲面按一定轨迹走刀，尝试了氧化锆陶瓷的轴向超声辅助曲面镜面磨削，获得了Sa73 nm 的镜面（图18）。

图18 氧化锆陶瓷轴向超声辅助曲面镜面磨削[80]

Huang 等[81]对轴向超声辅助平面磨削氮化镓的材料去除进行了分子动力学仿真研究，发现超声振动金刚石磨粒周围材料塑性流动方向的周期性变化（图19），并提高其流动性，使亚表面损伤层变得更薄。Cao 等[82]通过碳化硅陶瓷的轴向超声辅助单磨粒划痕试验，研究了超声对划痕深度及脆塑性转换临界切深的影响，发现超声大幅增加了划痕深度，尤其是临界切深增幅达50%以上。Li 等[83]针对镍基高温合金进行了轴向超声辅助平面磨削研究，发现通过超声对电镀CBN 砂轮表面状态及磨屑形态与大小的影响，可降低磨削力、提高加工精度及延长砂轮寿命。Chen 等[84]从表面功能参数的角度研究了轴向超声辅助平面磨削软钢时的振幅对工件表面形貌的影响规律，发现振幅与功能参数具有正相关的关系。

图19 轴向超声作用下磨粒周围材料的塑性流动

针对轴向超声辅助磨削的另一种应用形式，Zhao 等[85]尝试对纳米复合陶瓷开展了轴向超声辅助ELID（电解在线修整）内圆磨削，发现超声能有效提高表面质量；Cao 等[86]开展了碳化硅陶瓷轴向超声辅助内圆磨削，发现超声作用下的磨削力减少，使微粒金刚石砂轮不易堵塞且较易获得镜面。

2.1.2 二维（椭圆）超声辅助

结合轴向和径向超声辅助平面磨削各自的优势，Liang 等[87]提出了椭圆超声辅助磨削法（图20），对工件同时施加砂轮轴向（Y 方向）和径向（Z 方向）的超声，使二者之间有相位差，从而合成YZ 面内的一个椭圆运动。针对蓝宝石及单晶硅等的磨削实验及建模分析[88-89]发现，在宏观上，椭圆超声可大幅减轻砂轮堵塞，有效降低磨削力及提高加工质量；在微观上，可通过调整两向相位差及振幅来调节椭圆形状与大小，可有效增大脆塑性转换临界未变形切屑厚度，从而更易实现材料的塑性域去除。

图20 椭圆超声辅助平面磨削原理

2.1.3 超声调速式无心磨削

Wu 等[90]借鉴线性超声马达的工作原理提出一种超声调速式无心磨削的新方法（图21），用一个椭圆超声振子替代原本位于图中工件左边的调整轮，并与工件下方的托板一起支撑工件，再利用其右端面的椭圆运动来控制工件回转；利用制作的实验装置开展了直径5 mm 低碳钢的磨削试验，成功加工出圆度达到亚微米级的高精度工件[91]，进而加工出直径0.06 mm、长度15 mm（长径比高达250）的硬质合金微棒[92]。Wu 等[93]还基于椭圆超声控制工件回转这一相同原理，提出了基于平面磨床的新型无心磨削法（图22），以椭圆超声振子与托板为主要构件的无心磨削单元被搭载到平面磨床工作台上，在工作台的左右运动或砂轮的上下运动中实现无心磨削，其团队还通过直径5 mm 低碳钢工件磨削试验成功加工出亚微米级圆度的高精圆柱体[94]以及更细、长径比更大（直径0.042 mm、长度13 mm）的钨合金棒（图23）[95]，甚至还加工出直径4.8 mm、圆度达亚微米级的氮化硅陶瓷球（图24）[96]。

图21 超声调速式无心磨削原理

图22 基于平面磨床的无心磨削装置

图23 极大长径比微棒加工示例

图24 陶瓷球加工示例

2.2 超声/等离子体氧化复合辅助磨削及制孔

钛合金具有优越的机械物理特性，被广泛应用在航空航天、医疗等领域，但同时具有较低的热传导系数和较高的高温强度，导致加工温度高、刀具磨损快。前述超声、激光、介质流辅助切削加工能较大幅度提高钛合金的可加工性，但仍难满足人们在加工效率、精度、刀具寿命方面日益严苛的要求。因此，Li 等[97]提出超声/等离子体氧化复合辅助磨削新方法（图25），在磨削时以工件为阳极、砂轮为阴极，在两极之间加入高频脉冲直流电压，使砂轮与工件之间产生等离子体放电，使磨削液电离产生大量的OH-离子。由于OH-离子的强氧化作用，工件表面快速生成了亚微米厚的软脆氧化层（图26），此时若将砂轮磨粒切深控制在氧化层厚度以下，仅氧化层被切除，可大幅降低磨削力和热，极大地提高了加工效率和砂轮寿命，进而在砂轮轴向附加超声会促进OH-离子产生并加速氧化，并且在超声作用下进一步降低磨削力，促进排屑和防止砂轮堵塞[98]。后续研究[99]基于该加工原理，利用直径1 mm 的金属结合剂CBN 球头砂轮开展微小孔加工（图27），在厚度为1 mm 的钛合金平板上成功加工出高精度通孔。

图25 等离子体/超声复合辅助磨削原理

图26 钛合金等离子体氧化层

图27 等离子体/超声复合辅助磨削制孔

2.3 介质流辅助

与切削加工一样，高压磨削液与极低温冷却在磨削加工中也产生了明显效果。Venables[100]利用CBN 砂轮对镍基高温合金进行大用量磨削加工，通过主轴和喷嘴向加工区域供给高压磨削液，其材料去除效率比铣削加工高10 倍。还有研究表明，低温冷却能延长砂轮寿命、改善工件表面质量[101]。Zhang等[102]利用离子液辅助磨削法成功获得聚氨基葡糖功能化MoS2纳米片。

3 多场辅助研抛加工

3.1 超声辅助研磨

超声在研抛加工中也具有良好的辅助效应。Zhang 等[103]系统介绍了硬脆材料微结构的超声辅助研磨技术。Suzuki 等[104]以研磨头在水平面做一维或二维超声振动的超声辅助非球面研磨方法（图28），对硬质合金微小非球面进行研磨，获得了表面粗糙度为Rz8 nm 的镜面。Beaucamp 等[105]在超声空化辅助射流抛光玻璃时发现材料去除率提高了380%。

图28 超声辅助非球面研磨

虽然在超声辅助加工中，一般是将超声施加到工具上，但有时也施加给工件或抛光液。Zhao 等[106]及Han 等[107]分别对碳化硅陶瓷和不锈钢工件施加超声振动进行研磨，大幅提高了加工效率和表面质量。Li 等[108]在硅晶圆化学机械抛光（CMP）加工中将兆赫兹纳米振幅的超声辐射到抛光液，再传递给工件，将磨粒集中到抛光区域，提高了有效磨粒数量，并且频率越高该现象越明显。Yu 等对抛光工具和抛光液喷嘴同时施加轴向超声（图29），对镍基高温合金[109]和光学玻璃[110]进行研磨，显著改变了磨粒的运动状态和轨迹，使镍基高温合金研磨效率提高约2 倍、表面粗糙度得到明显改善，光学玻璃表面粗糙度达到Ra2 nm。

图29 抛光工具/抛光液喷嘴同时轴向超声辅助抛光

李庚卓等[111]提出了一种椭圆超声辅助固结磨粒抛光技术（图30）。固定在超声抛光头下端面的金刚石等磨粒磨块，同时做纵向（垂直）和切向（水平）的超声振动，二者合成得到一个椭圆超声运动。此时，对抛光头施加一压力使磨块与工件接触，并让工件旋转及左右往复运动，即可实现椭圆超声辅助固结磨粒抛光。针对氮化铝的抛光实验成功加工出表面粗糙度Ra28 nm 的光滑表面，超声的赋予可将材料去除率提高42%以上。

图30 椭圆超声辅助固结磨粒抛光

3.2 固相化学反应/超声复合辅助抛光

传统化学机械抛光（CMP）目前广泛应用于单晶硅、蓝宝石等光电材料的纳米精度无亚表面损伤研抛加工，但加工中大量使用了环境不友好的抛光液且加工效率较低。如果用内含与工件材料产生固相化学反应的CeO2等磨粒的固结磨具代替CMP 抛光液和抛光垫，在一定的压力和氛围下，磨具与工件材料之间即可产生固相化学反应，其生成物非常软脆，极易被机械去除，从而实现环境友好、纳米精度和加工效率均较高的固结磨粒CMP 加工。但该方法会因磨具和加工面之间的无间隙接触而导致排屑不畅并使磨具易堵塞。此时，将图30 所示磨粒磨块和AlN 工件分别用CeO2磨具和硅晶圆或其他光电材料基板置换，则会由于磨具的椭圆超声运动，在磨具与工件之间形成周期性微小间隙，再加上磨具的“踢踏”作用，使磨屑极易被排出加工区域，从而实现硬脆光电材料的高效、高纳米精度和环境友好的研抛。

Li 等[112]将上述方法应用于石英玻璃超精密加工，发现无论是否加入超声均可获得表面粗糙度小于Ra2 nm 的光滑表面，超声辅助还能将材料去除率提高3 倍以上。一项针对硅晶圆开展的固结磨粒CMP 实验[113]，获得Ra2 nm 以下的表面粗糙度，并且使硅晶圆残余压应力从初期的700 MPa 大幅降至抛光后的270 MPa，应力释放效果好。Wu 等[114]将该方法应用于硅晶圆边缘抛光（图31），成功获得表面粗糙度低于Ra3 nm 的无明显缺陷硅晶圆边缘，并发现超声辅助能将抛光效率提高20%以上。

3.3 电/磁场辅助抛光

电场辅助抛光方法如电解磨粒抛光，其加工原理见图32[115]。在传统的电解抛光中，工件表面由阳极氧化生成的氧化膜会被电解液中的化学成分溶解，并随着电解液的流动排出加工区域。而电解磨粒抛光，其电解液不含相应化学成分，是利用被粘弹性支撑在阴极上的磨粒以划擦方式去除氧化膜。该方法已在不锈钢、铝材、钛基材料、哈氏合金等金属材料构件的内外圆、沟槽、弧面、平面等的高效镜面抛光中获得成功应用。其他的电场辅助抛光方法还有用于CVD-SiC[116]、单晶金刚石[117]等离子体辅助抛光、用于石英玻璃的光化学辅助抛光[118]以及介电泳辅助高速磨粒流抛光[119]。

图32 电解磨粒抛光

常见磁场辅助抛光方法有磁流变光整（MRF）和磁粒研磨（MAF）。MRF 是将混有磨粒的磁流变液（由磁性颗粒、基液和稳定剂组成的悬浮液）作为抛光液，该抛光液的流变特性通过液体内部磁性颗粒在外部磁场作用下形成的磁链来体现，因此可通过调节外部磁场强弱来控制。陈逢军等[120]对MRF 的加工原理、装置、特性、应用等做了较为系统且详细的介绍。但MRF 抛光液中的磁链通常仅由羰基铁粉组成，磁链形态较粗、较短（图33a），在抛光沟槽等复杂结构时易被剪断，严重影响加工性能。对此，Wu 等[121]提出一种名为MCF（磁性混合流体）的新型磁流变抛光液，用磁性流体（MF）替代MRF 抛光液中的基液。MF 含有平均粒径10 nm 的铁氧体微粒。铁氧体微粒对羰基铁粉有粘结剂和润滑剂的双重作用（图33b），使磁链更细长、柔软且不易断裂（图33c），特别是在磁铁做偏心回转运动形成的空间旋转磁场作用下（图34），能具有自整形和形状自动恢复的特性，极其适用于复杂形状的超精密抛光。众多实验和理论分析[122-128]表明：MCF 抛光去除材料主要基于剪切力作用下的微切削和塑性流动，使其不仅可用于平面、曲面加工，还可用于沟槽及毛细管的高效镜面抛光，并且选用不同磨粒还可用于抛光亚克力之类的塑料材料和铜、铝、不锈钢等金属材料，以及光学玻璃、陶瓷、半导体等硬脆材料。

图33 磁性混合流体抛光液

图34 空间旋转磁场作用下的MCF 抛光

相较于MRF 或MCF 抛光，MAF 的原理相对简单，是对磁性磨粒施加一个磁场，其产生的磁力能使磨粒以一定的压力与工件表面接触，此时在磨粒与工件之间施加一个相对运动即可实现材料去除。有关MAF 的加工原理、磁性磨粒制备、应用、加工装置与加工特性等，陈燕等[129]做了系统的介绍。相较而言，MAF 的磨粒尺寸较大，磨粒通过磁力作用于工件表面的压力也较大，使其适合加工效率要求较高的粗加工；而MRF 或MCF 的磨粒作用力间接来自微米级粒径的羰基铁粉，磨粒本身只有微米级甚至亚微米级大小，因此更适合于超精密抛光。

3.4 电-磁-超声复合辅助抛光

为进一步提高磁场辅助抛光效率，Wang 等[130]提出了介电泳辅助MCF 抛光的新方法（图35），在MCF 载液盘与工件之间施加一定脉冲直流电压，使MCF 抛光液中的不导电磨粒因介电泳力的作用向工件表面移动，使磨粒往抛光区域聚集，进而增加参与材料去除的磨粒数，所开展的亚克力材料抛光实验的结果表明：介电泳作用下的材料去除率提高近20%。Guo 等[131]提出了一种超声辅助微沟槽MAF抛光的新方法，在研磨时沿沟槽宽度方向对永久磁铁施加一定超声振动，可在不影响沟槽形状、尺寸的情况下实现表面光整。在利用抛光轮的MCF加工中，Jiang 等[132]沿着抛光轮切向对黄铜工件施加超声振动，结果表明，超声辅助能有效减小抛光力并改善表面粗糙度。Zhai 等[133]在对蓝宝石进行MRF 抛光时，于工件垂直方向施加一超声振动（图36），使加工效率提高约3.4 倍，并获得表面粗糙度为Ra0.442 nm 的超光滑表面。

图35 介电泳辅助MCF 抛光

图36 工件垂直超声辅助磁流变抛光原理

4 总结与展望

数年前，笔者通过文献调研并基于自身多年在相关领域的一系列科研工作发现，自上世纪60 年代起即有科技人员将一种或以上的机械、物理或化学能量场引入机械加工，以解决切削力大、刀具磨损快、精度提高难等问题，但几乎没有文献对这些研究进行归纳提炼，于是在2016 年初总结、归纳并提出了“多场辅助精密加工”这一概念[134]。本文为进一步明确此概念并总结最新进展，举例介绍了超声振动、电/磁场、化学场、激光、介质流等辅助作用下的机械加工原理和基本特性。

但不同领域的研究热度有所不同（图37）。在笔者重点关注的近十年发表的214 篇相关文献中（因篇幅限制，本文仅引用了其中的134 篇），有58.88%（126 篇）的研究集中在超声辅助领域，其余依次是介质流（占比17.76%，计38 篇）、激光（占比15.89%，计34 篇）、磁场（占比13.55%，计29 篇）以及数量占比仅为个位数的化学场和电场。另外，在相关文献的作者所属国家/地区方面，超声辅助类文献来源以中国最多，其次是日本、德国、美国、英国；介质流类文献主要来自中国和美国，其次是印度等发展中国家；激光类文献主要来源于欧美，最近中国在该领域正在猛追；电/磁场及化学场相关的文献主要来自中国和日本，欧美地区对此鲜有报道。

图37 辅助加工不同领域的研究热度比较

可见，随着各国对先进制造业的日益重视，不仅美、德、日等传统发达国家，还有中国、印度等新兴国家，特别是中国，对多场辅助精密加工技术越来越重视。随着各国对多场辅助精密加工技术重要性的认识加深，相关研究、开发成果会更加丰富，并最终在先进产业中得到广泛推广和应用，为社会经济的发展做出更大的贡献。