国内国际磨粒技术发展趋势——CCAT & ISAAT2019 会议总结

第二十届中国磨粒技术学术会议(CCAT2019)与第二十二届先进磨粒技术国际会议(ISAAT2019)于2019年12月5—9日在南方科技大学举行。

1 CCAT会议总结

12月5—6日，CCAT2019在南方科技大学举行。会议由中国机械工程学会生产工程分会(磨粒技术领域)主办，南方科技大学机械与能源工程系与华侨大学脆性材料产品智能制造技术国家地方联合工程研究中心共同承办。大会共有来自全国各地的二百六十余位相关领域专业人员参加。内地、香港、澳门三地专家学者与企业家在大会上分享了12个邀请报告。

香港理工大学杜雪教授、澳门科技大学伍乃琪教授、广东工业大学王成勇教授分别代表港、澳、粤作了大会主题报告。他们的报告主题分别是“硬脆材料的超精加工”、“严格工艺约束下晶圆制造组合设备最优调度和控制”以及“骨折治疗中的骨螺钉钻攻与钢板紧固系统研究”。杜教授在报告中介绍了超精加工的基本概念、应用领域以及发展趋势，以及通过分子动力学模型模拟从硬脆材料到柔性材料的转化过程和转化机理，并在SiC材料上进行试验验证。伍教授的报告更多的是侧重晶圆制造组合设备的选择与控制。他的报告以计算模拟和函数为主，从整体对设备工艺和参数进行分析和研究。王教授的报告主要内容包括骨螺钉系统研究以及3D打印零件设计。其侧重点在于解决骨折治疗中内固定术常见问题，研究了骨螺钉在手术时的钻削机理以及工作过程；分析不同种类的骨螺钉在针对不同种类的骨加工时所起到的作用以及最终的结果。

来自哈工大的李琛老师介绍了稀土氧化物激光晶体(ROLC)超精密磨削机理及工艺。在ROLC表面进行压痕/划痕实验，从理论和试验的角度分析了材料的表面形貌和力学性能的变化，研究其内部机理并建立相关的模型来进行深度分析，探究了不同材料在不同磨削加工条件下的加工效果。

来自天津大学的任成祖教授介绍了轴承滚子精度进化式研磨技术。在报告中，任教授分析了滚子加工的难点，并提出了解决办法，变精度退化为精度进化；提出了滚子高形位精度创成理论与技术以及滚子高尺寸一致性创成理论与技术。

来自湖南大学的尹韶辉教授介绍了大抛光模磁流变抛光工艺损伤研究。报告介绍了模磁抛光技术，阐述其在磨削加工中所起到的作用。通过TEM,SEM等表征手段证明了该技术在测量以及减少表面损伤等方面的效果；还提出理论模型来分析模磁抛光技术在减少表面损伤时的内在机理。

来自厦门大学的彭云峰教授介绍了大口径光学非球面超精密磨削技术与装备。彭教授在报告中介绍了光学超精密磨削机床的设计以及光学磨削加工工艺与控制；分析了光学磨削加工工具与修整机理以及效果；利用智能临控系统对光学加工进行测量与监控。报告中特别介绍了UPG80光学超精密磨床，在多次光学非球元件圆弧金刚石砂轮加工试验中得到的PV值稳定在3.1401 μm/530 mm×530 mm水平。

来自中北大学的祝锡晶教授介绍了高性能表面超声复合磨削加工的研究。报告介绍了超声复合磨削加工的基本原理、自身优势以及未来发展趋势。利用在SiCp/Al材料的磨削试验，证明了二维超声振动磨削加工对磨削力和表面质量都有明显的改善。

来自华侨大学的黄辉教授介绍了金属结合剂金刚石砂轮的生物在线修整技术研究。报告介绍了生物去除加工的机理与方法。在铜钴烧结剂上面进行试验并提出一种新的金属结合剂的精密可控修整方法——生物在线修整法。

来自湖南大学的陈根余教授介绍了超硬磨料砂轮激光复合自动修整技术与装备。在报告中介绍了超硬磨料对激光吸收系数的测定，分析了脉冲激光烧蚀超硬磨料砂轮机理，利用短脉冲激光修整成形砂轮；利用超短脉冲激光修锐超硬磨料砂轮，测试了激光修整砂轮磨削性能，并阐述了激光复合自动修整技术与装备。最终，激光脉冲复合砂轮修整机可达到定位精度和重复定位精度不高于4 μm，可适应直径90～250 mm, 厚度不高于90 mm范围内的砂轮高效修整，且已走向产业的应用。

来自超硬材料磨具国家重点实验室的黎克楠高工介绍了超薄砂轮高速动态行为与新型结合剂设计研究。在高速磨削中提出了动态硬度及动态硬度差的概念，通过建立相关模型描述了超薄砂轮动态直径、应变速率和结合剂弹性模量、密度、泊松比等参数之间的函数关系，为新型结合剂的开发提供理论指导。

来自东莞金研精密研磨机械制造有限公司的洪志清总经理介绍了先进磨粒在精密研磨抛光加工中的应用。报告介绍了超精密加工需求趋势，分析了研磨抛光工艺方式及原理。并具体分享了金研kizi精密研磨抛光解决方案及应用案例，对超精密研磨抛光中的先进磨料进行了展望。

2 ISAAT2019会议总结

12月7日，ISAAT2019在南方科技大学拉开帷幕。大会由国际磨粒技术委员会(International Committee for Abrasive Technology，ICAT)，中国磨粒技术委员会(Chinese Committee of Abrasive Technology，CCAT)及南方科技大学机械与能源工程系共同主办，日本磨粒技术学会(Japan Society of Abrasive Technology, JSAT)与华侨大学脆性材料产品智能制造技术国家地方联合工程研究中心共同协办。来自中国、日本、德国、澳大利亚等国家的专家学者，以及国际磨料技术知名企业界专家三百多人参加了本次研讨会，其中中国代表超过200人。本次会议共组织大会报告4个，邀请报告24个，分会场报告120个。

ISAAT2019会议邀请了4位专家学者作了大会主题报告。主要介绍了光学元器件的自动化生产，磨粒加工技术的发展，无黏结剂的纳米多晶金刚石与立方氮化硼等创新性超硬工具材料，振动辅助加工及其应用等领域最新的研究进展。

来自University of Huddersfield的Prof. David Walker带来了题为《The bumpy road toward autonomous manufacture of optics》的报告，介绍了目前精密光学元件制造遇到的挑战，阐述了自动化生产面临的困难和原因。在他的报告中，重点介绍了如何在实际生产中去解决光学元器件自动化生产的困难。

来自Okayama University的Prof. Kazuhito Ohashi带来了题为《Change in thinking about abrasive machining technology》的报告，介绍了磨削加工技术在磨料、磨具以及加工工具等领域的进展，并预测了未来的发展方向。

来自日本住友电气工业株式会社总工Hitoshi Sumiya博士带来了题为《Innovative ultra-hard tool materials: binderless nano-polycrystalline diamond and cBN》的报告，重点介绍了该公司推出的无黏结剂的纳米多晶金刚石与立方氮化硼等材料的优良性能。与传统的PCD和PCBN相比，无黏结剂的纳米多晶金刚石与立方氮化硼具有更高的硬度和强度。此外，由于没有加入黏结剂，这些创新性超硬材料具有优异的热稳定性和可加工性，可用于新一代高精度高效率的切削工具和磨削工具。从成本的角度考虑，无黏结剂纳米多晶超硬材料的成本低于单晶金刚石和氮化硼，高于传统PCD和PCBN。

来自Taiwan University的Prof. Yunn-Shiuan Liao带来了题为《Vibration assisted machining and its application》的报告，介绍了一种将在传统工艺中有害的振动应用于蓝宝石的抛光，表面磨削以及牙齿的加工的新方法，并证明了这种超声振动的加工方式对于最终的结果有正向促进的作用。

除了主题报告，ISAAT会议还设置了4个分会场进行学术交流。4个分会场的报告主题包括：(1)磨粒加工技术与磨粒射流加工(34个报告)；(2)切削技术(35个报告)；(3)机床与系统以及刀具加工(34个报告)；(4)表面完整性与表面技术(34个报告)。其部分论文的具体内容如下：

2.1 磨粒加工技术与磨粒射流加工

磁性混合流体(MCF)抛光作为一种精准加工手段可应用于多种材料，包括光学高分子材料和硬质陶瓷。科研人员研究了超声雾化水对MCF使用寿命的影响。在研究过程中，科研人员通过观察MCF在抛光过程中的干燥现象，依据超声雾化机理，设计出全新的供水系统。该系统可实现抛光区域的局部润湿。经过实验证明，新的供水系统可以大幅度提高MCF的使用寿命。

为应对日趋老龄化的社会发展，研究人员研发了一种动力射流沉积技术。利用该技术，可以在沉积区形成具有一定厚度的薄膜。该技术可应用于牙齿修复领域。经过试验证明，该技术可以在人类牙齿上形成完整的羟基磷灰石薄膜。

超声辅助加工作为一种新型的加工方法，将传统加工与超声加工结合在一起，已经被应用于高效率高精度的加工环境中。超声加工具有降低磨削应力，提高表面质量以及减少工具磨损等优点。该方法具体可应用于精细陶瓷、光学玻璃、人造晶体以及各种复合材料等材料的加工领域。作为一种高效加工方法，高速超声振动切削可用来加工难以切削的金属。一方面，这种方法突破了传统切削过程中切削速度的限制。另一方面，这种高效加工方法突破了传统切削中难以切削的金属范围限制，可用来加工更多的金属类型。在加工过程中，超声振动会产生周期性分离现象，起到冷却刀具与工件接触面的作用。这种分离规律可以应用于车削、磨削、切削以及挤出加工等领域。

有报道研究了金属结合剂金刚石砂轮加工单晶蓝宝石的磨损机理。具体包括加工量、砂轮损耗、表面粗糙度以及砂轮和金刚石磨粒表面形貌变化。此外，研究人员还建立模型来模拟砂轮磨损对塑料或者脆性材料表面粗糙度的影响。 实验结果证明：(1)砂轮磨损由4个步骤组成，包括慢速磨损、快速磨损、慢速稳定磨损和快速稳定磨损；(2)随着加工量的增加，塑性材料的去除量会增加，表面粗糙度先减小后增大；(3)金刚石磨粒的磨损形式包括探头损耗以及磨粒损耗。

有科研人员采用化学增强的切向增厚抛光(C-STP)技术来提高抛光效率并得到高表面质量的铝合金锥形反射镜。研究分析了CeO2磨粒含量以及切向增厚抛光浆(STPS) pH值对C-STP效果的影响。工件的表面质量以及表面粗糙度作为评价指标。实验研究了最佳的抛光条件。基于3D模拟实验的结果，表面质量最佳时，CeO2磨粒质量分数达到4.4% (8000#CeO270%, 200nm CeO230%)，抛光速度66 r/min，STPS的pH值为5.0。经过20 min的抛光，表面粗糙度从15 nm降至8 nm。试验结果证明了机械作用和化学作用之间的平衡在材料去除的过程起到了主要作用。

2.2 切削技术

钛合金难以被钻孔。另外，由于钻孔中可使用的润滑油有限，钻头在使用过程中必须经常更换，增加了使用成本。科研人员研究了Ti-6Al-4V的钻孔过程，发现在350～400 ℃范围内，产生的毛刺高度迅速增加。

科研人员将氮掺杂金刚石涂于硬质合金表面，经过一系列的表征后发现，当氮含量达到质量分数0.9%时，金刚石涂层与合金之间的黏结力最强。与其他金刚石涂层相比，低氮含量的金刚石涂层的切削性能更强，使用寿命更长，侧面磨损更少。因此，低氮掺杂是一种提高金刚石涂层性能的有效手段。

科研人员采用纳秒脉冲激光技术对焊接金刚石砂轮进行精准修整。通过对激光参数的调整优化，得到的磨粒具有正常的表面形态(颗粒尺寸在415 μm)。实验证明，当能量密度达到11.9 J/cm2，扫描间距为0.001 mm时，激光对金刚石表面的黏结材料起到的清洁效果更好，但在凹槽处也会出现石墨化现象并产生少量的破裂。随着加工参数的优化，可以得到凹槽深度约为50 μm的金刚石粗磨粉。当金刚石砂轮的直径为4 mm时，粗磨粉之间的高度差大约为5 μm。

45CrNiMoVA是一种常见的扭力杆材料。有报道研究了不同的切削参数对工具寿命、工具磨损、探针形态以及切削力的影响并建立了切削力预估经验方程。结果证明碳化物涂覆工具的使用寿命较长并且磨损率较低。其磨损机理包括磨料磨损以及化学磨损。当切削参数较低时，随着数值的增加，会形成连续的探头；当切削速度超过一定值时，会出现锯齿状探头。此外，报道还介绍了切削力与切削参数之间的关系。

工具的表面粗糙度对于金属材料的剪切界面的状态有很大的影响。有限元不仅可以用来研究不用表面粗糙度工具和材料表面的接触面积和摩擦力，还可以用来分析工具表面粗糙度对于剪切界面状态的影响机理。通过对模拟结果的分析可以得出以下结论：在润滑条件下，工具的表面粗糙度数值合适时，对剪切界面的摩擦行为起到优化作用。然而，表面粗糙度太高或者太低，剪切界面的状态均得不到改善。

有报道介绍了清洗负载砂轮的方法。研究人员分析了这种方法用于加工高塑性成分金属合金的可能性，利用6061铝合金进行磨削测试。结果证明选择合适的压力负载对提高砂轮的磨削效果有明显的作用。选择0.5 V的电压，当切削深度达到50 μm时，表面粗糙度为0.83 μm。加工100次以后，并没有发现明显的砂轮堵塞现象。

2.3 机床与系统以及刀具加工

科研人员研究了利用过滤式电弧沉积法制得的氮化钒(VN)涂层薄膜和利用电弧离子电镀法制得的VN/AlCrN多层涂层薄膜的机械性能和摩擦性能以及2种涂层在切削领域的应用。VN涂层薄膜的表面光滑性更好，机械性能和摩擦性能更加优越，临界划痕载荷更低，摩擦系数更低。VN/AlCrN多层涂层薄膜的性能取决于VN和AlCrN薄膜的结合效果。与VN涂层相比，VN/AlCrN多层涂层薄膜的硬度低，临界划痕载荷高，摩擦系数高。

科研人员制备了3种水性冷却剂：带有SiO2纳米颗粒的冷却剂,带有氧化石墨烯(GO)纳米薄片的冷却剂以及二者混合的冷却剂。通过对GaAs基体的磨削和玻璃基体的抛光来研究冷却剂的效果。结果证明，第二种冷却剂和第三种冷却剂降低了界面摩擦力以及摩擦系数。带有氧化石墨烯(GO)纳米薄片的冷却剂在磨削过程中降低了切向磨削应力，可以起到提高表面质量的效果。与传统的抛光相比，第三种冷却剂降低了35%的表面粗糙度，但是材料去除率提高了36%。

科研人员分别用十二烷基磺酸钠和甘油作为添加剂制备了带有二氧化钛纳米颗粒的水性润滑剂。结果表明，与普通的水性润滑剂相比，将甘油与二氧化钛结合可以使摩擦系数降低31.2%，使球磨损降低55.8%。然而，将十二烷基磺酸钠与二氧化钛结合起来可以进一步使摩擦系数降低70.5%，使球磨损降低84.3%。

连续抛光是获得高效高质量抛光效果的重要手段之一。科研人员建立一种数学模型，模拟了连续抛光的工作流程。通过对工具参数的调整，研究者发现速度越慢，测量结果的方差越小，证明了加工精度越高。经过实验证明，当工具的加工速度为35 mm/min，倾斜角为30°时，加工效果最好。

单晶4H-SiC具有优良的电学性能和热力学性能，被广泛应用于电子器件制造。然而其高硬度高脆性以及化学惰性使得其难以被高效加工得到超光滑表面。由于超声电化学机械抛光在应用于SiC时的高效加工以及低成本特性，科研人员利于这种抛光技术来加工金刚石折叠处理过的4H-SiC (0001)表面。经过处理后，表面粗糙度从1.971 nm降至0.836 nm，材料去除率达到3.0 μm/h，材料表面的划痕被完全去除。

2.4 表面完整性与表面技术

许多功能性材料，例如Si，SiC，α-Al2O3和GaN有很高的几何精度要求。自旋转磨削(RIG)可用于加工这种材料的晶圆。与传统加工不同的是，RIG由2个分别装有砂轮和晶圆的主轴组成。然而，由于传统的有线监控传感器并不适用于RIG，因此RIG的材料去除机理并不明确。研究人员在此前的报道中介绍了一种无线测力计。在这次的报告中，研究人员在无线测力计中安装一个温度计，可以同时测量接触区域的磨削温度与磨削力。测量范围分别为0～1 370 ℃和-80～80 N；测量精度分别为1 ℃和0.01 N。此外该装置还可以测量沿晶圆半径方向上的磨削温度与磨削力的变化。

微能束可用于制备高质量的镜头。研究者设计了一种基于介质阻挡放电的微等离子体模块用于光学镜头表面的抛光。经过试验证明，材料去除率最高可达450 nm/min。经过抛光处理后，材料的表面粗糙度并没有受到太大的影响。

6H-SiC具有优异的机械性能、化学性能、电学性能和热力学性能，可广泛应用于高温/高压环境。但是其本身的脆性以及高硬度阻碍了实际的应用。有研究证明，当切削深度足够小时，6H-SiC变得易于加工，但是脆性-柔性转换机理尚不清楚。科研人员对6H-SiC单晶的变形机理进行研究。结果表明，在硬度计压头的下方，单晶会立即无定形化，周围区域的平形剪切滑移会被立即激活。沿着滑移的方向，在塑性变形区及下方区域会产生大量裂缝。

科研人员研究了Ti-6Al-4V在不同载荷条件下的微结构、机械性能、摩擦系数以及磨损行为。试验证明：α-Ti相均匀分布于β-Ti基体表面。在室温条件下，Ti-6Al-4V合金的弹性模量达到107.3 GPa，微硬度达到324 HV；当温度升高到600 ℃时，合金的弹性模量下降30%。同时，在磨损痕迹的边缘，出现一定量的凹槽，造成黏着磨损。在低载荷条件下，磨损痕迹的下方出现微破裂。随着载荷量的增大，在磨损表面出现整体的塑性变形以及大量的微破裂现象。在摩擦热的作用下，基体也开始变软，提高了磨损率。

有报道研究了不同磨削参数对马氏钢3J33表面质量的影响。研究人员分析了不同磨削参对磨削烧伤的影响，以及不同程度的磨削烧伤对马氏钢表面质量的影响。结果证明：造成磨削烧伤加深的主要影响因素包括工件移动速度降低，磨削深度的增加，氧气含量的变化以及磨削区域的表面粗糙度。