国际磨粒技术研究进展及趋势——ISAAT 2017会议综述

第二十届国际磨粒技术进展研讨会(the 20th International Symposium on Advances in Abrasive Technology，简称ISAAT 2017)于 2017年12月3日至6日在日本冲绳举行。会议由国际磨料技术委员会(International Committee for Abrasive Technology，ICAT)和日本磨料技术学会(JSAT)主办，日本中部大学和冲绳科学技术大学承办。

会议围绕磨粒加工技术、切削加工技术、特种加工及微纳加工技术、加工工具及装备、加工质量检测技术等方面最新研究与应用成果展开了学术交流。来自中国、日本、韩国、美国、澳大利亚、英国、德国、巴西等国家的专家学者，以及国际磨料技术知名企业界专家250多人参加了本次研讨会，其中中国代表近90人。本次会议共组织大会报告6个，分会场报告182个，另有张贴论文60多篇，其中近2/3的论文来自日本和中国。

华侨大学制造工程研究院的9名参会代表根据会议报告及会议论文集，对本次会议的相关内容进行了整理，主要可分为以下几个部分：

1 磨粒加工技术

将各种能量场引入传统磨粒加工是提高加工效率和表面质量的有效方法，也成为本届会议的研究热点。

研究人员展示了紫外光辅助磨削SiC的新技术，利用紫外光谱激发磨料的活性，与SiC等难加工材料发生化学反应，降低加工难度。采用氧化铈(CeO2)、 二氧化钛(TiO2)和磷光粒子为抛光粒子，磷光粒子用作发光剂，在Hg-Se灯照射下，磷光粒子发出的光能激发抛光垫和SiC间的TiO2粒子，促进OH-基的生成。结果表明：在紫外光辅助下，SiC材料去除率将增大6倍。另外，采用紫外光辅助固结磨粒抛光CVD金刚石，可提高材料去除效率，获得镜面表面。

SiC加工还引入了其他加工工艺。采用电化学氧化抛光技术加工单晶SiC表面，先对SiC表面进行阳极氧化，真空环境下在抛光垫上镀一层铈薄膜(可减少稀土材料的使用)，利用该薄膜层与SiC表面的氧化膜的化学反应实现材料的去除，可实现单晶SiC的高效、无划伤加工。采用CMP工艺与等离子改性技术结合，先在SiC表面形成Si-O键，在后续CMP工艺中可以提高材料去除率，加工表面粗糙度值小于1 nm。发展多年的电化学辅助磨削技术在电解液的选择上也有一定创新，可以提升加工效率20%以上。

采用射频等离子技术增加CeO2与SiO2间的化学活性，发现：采用H2等离子处理CeO2粒子，能增加其与SiO2间的化学活性，从而实现钠钙玻璃高效抛光。在石英玻璃盘的磨削过程中，还有专家采用冷冻销吸盘(freezing pin chuck)把持被加工工件，可以克服真空吸盘的缺点，以消除被加工表面扭曲的现象。

磁流变抛光的应用范围得到进一步扩展。研究人员对全口径望远镜光学零件的磁流变抛光工艺的表面创成原理、误差表征和轨迹控制技术进行研究，实现了特种光学玻璃的纳米精度磁流变抛光。针对以往磁流变抛光技术主要用于平面加工的情况，研究人员研发了环形抛光工具，采用6自由度机械手，实现对球形表面的磁流变抛光，可以获得纳米级表面粗糙度。另外，也可成功实现带螺旋槽工件的精密加工。

超声辅助加工方面，研究人员对超声辅助与钻削、锯切、磨削和抛光(包括磁流变抛光)等工艺的复合效果进行研究，涉及的材料包括不锈钢、玻璃、钛合金、聚晶金刚石、高硬钢、碳纤维增强复合材料和蓝宝石等典型难加工材料；振动模式包括超声扭转振动、超声径向振动、椭圆超声振动等。研究结果表明：超声辅助加工有助于降低切削力、减少刀具磨损、抑制工件表面晶格变形、提高材料去除率和避免热损伤等优势，从而提高工件表面加工质量。

日本长冈技术大学采用光弹法实现了超声振动辅助磨削下应力分布的可视化，构建了平面磨削的三维应力分布图，并与没有辅助超声振动磨削的情况进行了对比。发现由于金刚石颗粒在砂轮表面非连续分布，造成磨削表面应力的非连续分布。

磨粒加工对象的研究也由传统的钢铁类金属材料和常规脆性材料，扩展到高温合金、高速钢、晶体材料等加工难度更高、加工精度要求更高的材料，而且加工对象的材料力学特性，特别是在微纳米尺度、动态条件下的力学特性，越来越得到研究者的重视。使用的力学性能测试手段包括纳米压痕方法、微米压痕方法、Hopkinson压杆冲击测试方法等，这些力学特性被用于解释磨粒加工过程中的材料去除机理。

研究者提出了通过控制磨削加工过程温度，来调节碳钢中奥氏体相变，从而达到“磨削硬化”的效果；同时，提出一种不基于正交实验数据，直接预测切削力的解析解模型，并利用Johnson-Cook模型整合Inconel 718合金材料参数进行预测，其计算与实验结果吻合良好。东京电机大学采用金刚石结合氧化铝的研磨-抛光工艺，可以对钒、钽等中子源金属靶材加工出纳米级的表面粗糙度。

另外，有学者提出了一种干冰喷丸修整砂轮新工艺，这种工艺有可能直接对零部件进行光整加工；常规的磨料流加工通过夹具的改进，被应用于3D打印零件的光整加工，实现增材-减材复合制造的新思路。

2 切削加工技术

切削加工虽是一种传统加工方法，但在本次会议上却涌现了一批切削加工的新方法和新技术。采用局部静压辅助切削方法减小切削表面毛刺的形成；金刚石刀具在CO2气体保护下，实现了对碳钢的超精密切削，可有效减小刀具磨损，提高切削表面质量；采用碳化钨刀具切削淬硬钢，通过提高切削系统的刚度，控制切削过程中产生的颤振，获得较好的表面质量，同时避免了刀具快速磨损；采用液氮冷冻方法对铁基形状记忆合金进行冷冻外圆车削加工，获得较好表面质量；采用超声辅助切削方法在工件表面制备微结构，以提高工件表面的摩擦磨损性能；在刀具刃口制备微刃刀具，用于切割弹性体材料，减少切割变形，提高切割表面质量。通过FIB技术在金刚石车刀表面加工出纳米级微织构，用其对Ni-P合金进行加工，发现微织构的存在，可以有效地减小切削力，提高表面质量。这些新的切削技术能够很好地提高切削加工的效果，实现一些难加工材料的加工。

随着航空航天技术的快速发展，航空航天材料，如：碳纤维增强聚合物(CFRP)、高温合金、钛合金以及硬铝等难加工材料的切削加工成为研究热点。研究人员从切削力、切削温度、切削表面质量以及刀具磨损等角度对这些难加工材料的可切削性进行评价，并通过切削工艺参数优化，达到提高切削质量和切削效率的目的。另外，CFRP材料切削加工中，容易出现分层和毛刺缺陷，通过采用倾斜螺旋铣削方法，设计电镀CBN磨粒铣刀以及制定合理切削工序等手段，可有效抑制材料分层和毛刺缺陷的产生。上海航空控制技术研究院对CFRP的精密加工进行了试验研究，发现：在切削速度超过200 m/min，切削深度略大于碳纤维边界半径的条件下，沿碳纤维方向0°～45°和 90°进行切削，有利于保证工件加工精度。

山东大学提出一种耦合切削热和切削力预测残余应力的解析模型，其应力分布与实验结果相吻合。华侨大学通过恒载荷划痕试验研究了蓝宝石C面在划擦过程中的裂纹扩展形式，在低载荷条件下，在压头中心位置观察到赫兹拖尾裂纹并伴随晶面滑移现象的出现。新南威尔士大学通过有限元分析模拟了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的切削去除过程，发现：加工表面缺陷主要受碳化硅增强颗粒的断裂和脱落影响，硬质增强颗粒与刀具的相互冲击会产生亚表面裂纹。

刀具材料对刀具性能至关重要，涂层刀具是本次会议报告的重点，尤其是金刚石涂层刀具更是研究的热点，包括了各类涂层刀具的制备工艺及其切削性能和磨损特性。其中，上海交通大学采用双层或多层纳米金刚石涂层刀具，涂层与基体的结合力强，涂层的耐磨性好；日本富山大学在金刚石涂层中加入硼掺杂，制备成EC-PCD刀具，用于干切削钛合金，其前刀面的摩擦系数减小了约20%，后刀面磨损宽度减小了30%；山东大学通过添加金属粉末固体润滑剂制备的具有自润滑性的陶瓷切削刀具，有效提高了刀具的切削性能和抗疲劳特性。

3 特种加工及微纳加工技术

电加工是特种加工的典型工艺，研究人员介绍了用电火花线切割方法制作微电极的工艺，用该方法制作的电极具有较好的表面质量，没有起脊和弯曲现象；在微电极电火花加工中，采用喷嘴喷雾来帮助排屑，可以提高加工效率和精度。采用线切割电火花加工聚晶金刚石来制作工具，在边缘存在厚度约100 μm的损伤层，需要在后续磨削工艺中将损伤层去除。还有学者研究采用脉冲激光铣削高硬度模具钢时的表面质量与扫描间隔的关系，分析了激光铣削工艺条件下的热影响区域。日本京都科技大学利用放电加工制备了多晶金刚石磨头，并在氧化铝上打出没有切屑堆积以及裂纹的φ6 μm微孔。

水射流加工技术和机理仍然是磨粒加工技术的热点。为解决CFRP加工成本高、质量难控制等问题，采用刚玉喷砂工艺加工CFRP，在切割和钻孔加工中没有发生分层现象，并研究了多个工艺参数对加工质量和加工效率的影响；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的微阵列孔，研究了磨粒大小、射流压力和出口距离对材料去除率和孔的精度的影响，该技术可推广到脆性材料表面加工中的微图案加工上；采用磨粒射流技术在滑动轴承的转子轴上加工鱼骨形微沟槽，以提高动压润滑效果，研究了进给速度、掩膜加工等因素对加工深度连续变化的微沟槽的影响。新南威尔士大学采用颗粒成像测速仪(PIV)和激光荧光技术相结合，研究水射流中磨粒的运动特性。当喷嘴距离固定时，随着水压的增大，沿射流中线的磨粒速度会降低，而射流边沿的磨粒速度将增加；试验还观察到了磨粒离开喷嘴后的旋转现象。

4 加工工具及装备

磨削加工工具与装备技术依然是本次会议研讨的热点。在砂轮等磨削工具方面，多篇论文围绕磨粒表面处理、结合剂、砂轮结构设计等内容进行了报道。元素六公司全面回顾了超硬磨料砂轮在曲轴磨削加工中的应用，并展示了最新一款面向曲轴磨削的复合磨料层CBN砂轮，该砂轮可实现曲轴多部位的一次性精确成型，同时还探讨了砂轮的高效修整与方法。在磨料方面，主要围绕磨粒表面金属化处理的相关问题展开深入交流，其中金刚石涂覆TiN的报告备受关注。钎焊金刚石技术还是磨料固结技术方面的研讨主题，如何进行钎焊砂轮的修整、提高钎焊砂轮的寿命仍是大家关注的重点。内容主要涵盖：钎焊过程中，连接界面形成机理，性能控制和高精度钎焊金刚石工具制备的温度控制等。在砂轮结合剂选择上，采用橡胶基砂轮，以其柔性结合剂的优异退让性，成为高光滑表面成型的新方向。使用不同粒度尺寸和形状的混合磨料，也是提升加工工具性能的有效手段。在砂轮结合剂研究方面，有镀钛CBN陶瓷结合剂研究的相关报道。

磨削过程的监控主要集中在磨削力、振动、工件变形等过程参量监测的新技术、新方法的开发应用上。捷太格特(JTEKT)公司针对曲轴外圆磨削变形问题，提出借助激光位移传感器和CCD技术在线测量工件变形和工件刚度，以达到优化磨削进给速度的目的。基于无线传输的集成式工装配件，成为磨削过程监控的新宠。其中，基于无线传输的振动监测功能的铣磨刀柄和测力装置备受关注，但是无线传输速率依然是瓶颈。

5 加工质量检测技术

日本茨城大学利用拉曼光谱分析加工后蓝宝石表面残余应力检测的可行性，通过对比TEM、拉曼光谱等结果，可以测出蓝宝石残余应力值，测量精度有可能达到10 MPa量级。大阪大学学者提出利用自旋霍尔效应，来检测表面粗糙度，但该方法主要适用于表面涂层结构。

材料表面改性研究中,日本东京城市大学研究了通过金属喷丸预处理提高铝表面吸附能力，并认为金属喷丸在基体中的扩散是镀镍后铝板界面结合力提高的主要原因。富山大学利用喷丸涂覆结合激光加热，对铝合金进行表面预处理，通过激光加热可以形成一层Fe-Al金属间化合物，改性铝合金表面。

6 发展趋势

本届会议的报告和论文主要集中在磨粒加工新工艺、新材料的实验研究，加工机理性研究主要偏向加工过程中材料-刀具交互作用与加工表面质量之间关系。在未来的研究中，有以下发展趋势值得关注：

(1)基于材料本构和动态力学特征的微观层面材料去除机理的研究；

(2)多场复合作用下，难加工材料磨粒加工新技术研究；

(3)快速表面质量检测以及加工过程实时监控新技术；将机器视觉及人工智能结合并用于磨粒工具表面工作状态的量化评价技术和新方法、新原理的研究；

(4)微纳尺度材料去除机理与微纳结构加工工艺间的关联性;

(5)以增强磨粒把持力为目的磨粒改性，以及相应的新工艺新方法，砂轮热疏导新结构研究；

(6)高效精密加工中，多场、多尺度数值模拟及工艺优化研究；

(7)加工表面完整性测试及表征新技术研究。

本次会议期间，ICAT召开了2017年度工作会议，中国磨粒加工技术委员会主任徐西鹏教授当选为ICAT新一任主席，清华大学(台湾)左培伦教授、日本茨城大学周立波教授任副主席。新一届委员会希望能借助ICAT这个国际化平台，充分发挥日本磨粒加工学会和中国磨粒加工学会的优势，使全球磨粒加工领域的专家、学者和企业精英们紧密团结，合作共赢，努力推动磨粒加工技术不断取得新突破，做出新贡献。

下一届国际磨粒技术进展研讨会(ISAAT 2018)将于2018年10月在加拿大多伦多举行。