多场辅助解决精密加工难题——访国家“千人计划”专家，南方科技大学讲座教授吴勇波

本刊记者 李 丹

吴勇波：制造业，尤其是高端制造业中，精密加工是为了使零部件在形状、尺寸精度和表面完整性方面达到设计要求的极为关键的一个环节。传统的精密加工以切削、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，它们的共同点是将毛坯中不需要的部分去除，得到所需形状和尺寸精度及表面完整性的零部件。机械加工中材料的去除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，而特种加工则主要基于材料的热融化和电化学溶解或者分子键断裂的原理。这两者各有利弊：前者有较高的加工效率和精度，适合于精密零部件的低成本批量加工，但由于刀刃锋利度和刀具材料硬度方面的制约，微纳尺度加工很困难且受制于工件材料；后者几乎不受工件材料的限制，也较容易实现微纳尺度的加工，但效率低，精度不高，不适合精密零部件的大量低成本加工。因而，精密加工的大部分环节由机械加工来完成。但随着机械零部件、光电元器件性能要求的逐步提高，对加工精度的要求也越来越严格，使得材料的最小去除尺度趋于纳米级，甚至原子大小，这对刀具切削刃锋利度的要求就变得极为苛刻，同时加工装置要有原子大小的极微小进给分辨率。另一方面，随着高性能但极难加工的新型材料的开发和应用，传统的机械加工往往加工力大、温度高，导致工具磨损大、加工效率低、精度不达标以及成本高的问题出现，如何高效精密地加工这些材料又是个全新的挑战。

为了突破传统精密机械加工技术在新形势下遇到的瓶颈，基于超声振动、电/磁流变、激光、等离子体、电化学、固相化学反应、电致塑性等物理化学现象在特种加工中去除材料的有效性，并结合自己在此领域近20年的实践，提出了将这些物理化学场引入机械加工的所谓多场辅助精密加工的概念。这里主要介绍3种方法的基本原理和优势。

（1）超声辅助加工。切削、磨削加工中，在工件和工具之间附加超声振动，产生超声润滑效果，大幅度降低工具与工件间摩擦力，从而减小加工力和降低加工热，同时刀刃或磨粒的超声振动又加速了切/磨屑的疲劳破坏，提高断屑效果。特别是工具的超声振动加速度最大可达重力加速度的数万倍，产生的惯性力使切/磨屑极难黏附于刀刃或砂轮上，可避免积屑瘤的产生和砂轮的堵塞。

（2）固相化学反应/超声复合辅助抛光。传统的化学机械抛光（CMP）是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的化学场辅助机械加工技术，但需要使用大量的环境不友好抛光液，加工效率又低。如果用内含与工件材料有固相化学反应效果的磨粒和结合剂的固结磨具代替传统CMP抛光液和抛光垫，在一定的压力和温度下，磨具与工件材料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、纳米精度且加工效率较高的固结磨粒CMP。但此方法由于磨具-加工面间属无间隙接触，排屑不畅，磨具易堵塞，限制了加工效率和精度的进一步提高。此时在磨具和加工面之间附加椭圆超声微振动，不仅磨具-工件表面会周期性地形成微小间隙，而且由于磨具的踢踏作用，磨屑很容易被排出加工区域，实现硬脆光电材料的高效纳米精度、环境友好研抛。

（3）等离子体/超声复合辅助磨削。等离子体辅助磨削也是物理场辅助加工技术，它是在磨削金属材料时，以工件为阳极、砂轮为阴极，两极之间加高频脉冲电压使得砂轮-工件间产生等离子体放电并电离磨削液产生大量的OH-离子。由于OH-离子的强氧化作用，工件表面快速生成一层亚微米厚度软脆氧化膜。此时若将砂轮磨粒切深控制在氧化膜厚度以下，仅氧化层被切除，可大幅度降低磨削力和热，极大地提高加工效率和延长砂轮寿命，进而将超声振动附加于砂轮会进一步促进OH-离子的产生，增加氧化层的厚度，结果就是进一步提高了加工效率，延长了砂轮寿命。

吴勇波：多场辅助精密加工这一概念的提出有个循序渐进的过程，并非一蹴而就。我攻读博士期间师从日本著名的磨削加工专家庄司克雄教授，从事无心磨削技术研究。毕业后去了尼康公司从事超声马达的研发工作，开始对超声振动的原理、方法及应用有了比较深入的理解和实践。回到大学工作后，首先将超声应用于自己比较熟悉的无心磨削，开发出一种利用超声控制工件回转的新型无心磨削技术。它是借鉴超声马达中定子以其椭圆超声运动对转子实行摩擦驱动的原理，用一个椭圆超声机构取代传统的导轮系统来控制工件回转速度。此技术能较容易地实现无心磨床的小型化和直径数十微米微细轴类零部件的精密加工制造，并在此基础上实现了在平面磨床上进行无心磨削的技术。后来又发明了螺旋超声辅助磨粒加工法，加工中磨粒的运动轨迹为一空间螺旋线，此方法不仅可以提高加工表面质量，还可以大幅度提高加工效率和磨具工作寿命。在此基础上，进而提出了前面介绍过的超声辅助固结磨粒CMP，并成功地应用于单晶硅、石英玻璃的高效超精密干式抛光加工上。基于此技术研发成功了应用于大口径晶圆片边缘的镜面加工处理设备，该样机在2015年东京国际半导体展览会上受到了广泛关注。

为了解决钛合金、镍基高温合金等航空难加工材料切削时刀具磨损快、加工效率低的问题，提出了一种利用超声润滑效果的新型椭圆超声辅助切削法，可大幅降低刀具与切屑及工件待加工面间的摩擦力，同时刀刃对切屑的高频振动加速其疲劳破坏，促进断屑。试验证明此方法在减小切削力、降低切削热、提高刀具寿命、改善加工质量上效果显著。在磨削方面，又开发出了等离子体/超声复合辅助磨削技术，可大幅度减小Ti-6Al-4V和Inconel 718的磨削力，延长磨具寿命。后来基于导电材料的电塑性效应，即在高频大电流脉冲的作用下，金属等导电材料会呈现出塑性大幅度提高的现象，提出了电塑性辅助机械加工的方法。Ti-6Al-4V的切削试验表明可大幅度降低切削力、提高表面质量，但同时因为黏性的增加，出现断屑不畅、粘刀的现象，将超声引入加工过程就能够较好地解决此类问题。

在磁场利用方面，借鉴磁流体和磁流变液各自的长处和短处开发出一种称作MCF（Magnetic Compound Fluid）的新型磁流变抛光液，并发明了作用于此抛光液的空间旋转磁场。在此磁场作用下，MCF抛光液内部形成众多沿磁力线分布的微米级柔性抛光刷，并能自动整形和恢复形状，既可用于平面及曲面的纳米精度抛光，又适用于微细沟槽的超精密抛光。试验表明，此技术不仅对非磁性材料很有效，对无电解Ni-P镀层等磁性材料也能发挥很好的作用，可用于大型半导体和光学基板的超平滑高效高质抛光及非球面光学透镜、反射镜及太阳光聚光用菲涅耳透镜的超精密自动制造工程。后来又发明了MCF抛光轮，利用楔形效果实现平面或曲面的高效镜面抛光。此技术是在圆盘形磁铁外周面上磁力吸附一层MCF抛光液，以此作为砂轮状的磨具，实现基于楔形效果的抛光。试验和理论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动，从而实现高效超精密加工。

实际上，很早就有科技人员将两种以上机械的、物理的或化学的加工方法复合到一起解决精密加工中的问题。2014年CIRP年会上题为Hybrid Processes in Manufacturing的“Keynote Paper”在“Assisted hybrid processes”这一部分介绍了（超声）振动、激光、介质流、磁场辅助机械加工。在引用的66篇文献中，65%（43篇）集中在（超声）振动方面，其次是激光占24%（16篇），介质流12%（8篇）和磁场3%（2篇）。文献作者所属国家地区方面，超声辅助德国最多，其次是中国、日本、美国和比利时等；激光主要是德国和美国，其次有加拿大和澳大利亚；介质流也是德国和美国比较多，其次有英国、瑞典、西班牙等；而磁场2篇均来自日本。可见高端制造业越发达的国家，对多场辅助精密加工技术研发越重视。但是等离子体、电塑性、固相化学反应等其他物理化学场辅助方面未有文献被引用，我相信对多场辅助精密加工的重要性的认识会越来越深，相关研究论文也会越来越多。

吴勇波：是的，在日本生活工作了27年，许多生活和工作习惯已经在自己身上留下了很深的烙印，比如日本的法规健全、规章制度也很完善和透明、计划性又强，因而习惯了做事有章可循、照计划按部就班的行事模式，这些是我回国后首先遇到的挑战。还有相比于日本的小改革、慢节奏，中国几乎相反，必须尽快适应这些是我遇到的第二个挑战。另外，回国后经常碰到铺天盖地的各种表格要填，如何将这些繁琐的事务性工作与繁忙的科研教学工作有机地处理好是我面对的第三个挑战。

我在日本的大学里作为终身教授主持实验室工作10余年，工作压力不大、生活也安逸，可以轻轻松松干到退休。但总觉得缺少点什么，细究起来原因有二：一是不是自己的祖国，主人翁意识淡薄，加之日本是个极为成熟也极为保守的社会，自己的教学科研成果很难有立竿见影的成效，成就感不高；二是日本已步入老龄化社会，经济停滞不前，导致科研经费越来越少，有一种有劲使不上的无奈。这些是我决定放弃日本的大学终身教职全职回国的最基本考量。

现任职的南方科技大学确实是一所非常年轻、知名度还不高的大学。然而我决定全职加盟南科大最重要的考量因素恰恰是：深圳和南科大（SUSTech）。深圳是中国创新创业最为活跃的地方，是中国的科技之都，然而高等教育不大不强的短板又是制约深圳更加快速、高水平发展的瓶颈。SUSTech是在这样的背景下深圳聚全市之力创办的一所高起点的瞄准国际一流的研究型大学，并被教育部赋予中国高等教育改革试验校的使命。其全新的办学体制、丰厚的资金支持、优秀的学生资源吸引了许多国际高端人才义无反顾地加盟进来。我认为许多专家学者放弃国外优厚的工作、生活条件来到南科大，正是看中了它植根于充满活力及科技创新力的深圳，而且与国际紧密接轨。这几年的实践也证明了南科大理念与体制的生命力：国际视野高水平教师越来越多、生源越来越优秀、科研成果越来越丰硕、国内外声誉越来越高。

毛主席说过世界怕就怕“认真”二字，日本大概是世界上最讲认真的民族，精益求精、敬业、细心，这些优点非常值得我们学习。比如，日程安排、教学计划制定一般会提前很久就做好，并通知相关人员做好准备，以后不会因为管理者的情况而轻易更改，因为他们也有不能随意给人添麻烦的意识；还有例会一般会把其日程固定下来，别的日程就会避开例会时间来安排。科研有一种耗时和不确定性的特质，对这些行政主管部门也较了解，不会在内容进展和经费使用方面过多限制，研究者相对自由，这些是值得我们借鉴的地方。

日本的大学教育值得借鉴的是“实践”和“自主”，努力给学生创造“动手”与“体验”的机会和条件，在大的框架下给学生充分的自由。此外，人才培养的每一个环节教授都紧密参与其中，行政人员的职责就是负责相关的具体行政事务。这些是我个人的体会和认识，欢迎共同探讨。