磨粒加工技術(shù)的快速發(fā)展帶動了磨粒工具技術(shù)的不斷進(jìn)步。發(fā)展高性能的磨粒工具對提高生產(chǎn)效率、提升加工精度有著重要的意義。從加工中磨粒工具的失效形式入手，分析了不同加工目標(biāo)下磨粒與工件材料加工界面之間的力作用、溫度作用、化學(xué)作用對磨粒工具失效的影響機制；概述了基于界面作用機理調(diào)控的磨粒工具設(shè)計及制造技術(shù)；歸納了現(xiàn)有磨粒工具的表面狀態(tài)測量與評價技術(shù)；總結(jié)了磨粒工具使用過程中的界面作用調(diào)控技術(shù)；結(jié)合智能磨粒加工技術(shù)的發(fā)展對磨粒工具的未來趨勢提出了展望。

       0前言

       磨粒加工是一種利用磨料顆粒進(jìn)行材料去除的高效精密加工技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天、光電信息等現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)。隨著新型高硬度和大脆性材料的不斷出現(xiàn)，磨粒加工在脆性金屬材料產(chǎn)品制造中扮演著關(guān)鍵角色。現(xiàn)代磨粒加工分為高效和高精兩類，前者側(cè)重材料的高效去除，后者追求高品質(zhì)的加工效果。

       隨著產(chǎn)業(yè)需求的提升，磨粒工具面臨新的挑戰(zhàn)。本文從失效分析、制備調(diào)控和使用調(diào)控三個方面，總結(jié)了近年來磨粒工具的研究進(jìn)展。失效分析揭示了磨粒工具磨損、脫落和破裂等問題；制備調(diào)控探討了通過優(yōu)化磨粒、結(jié)合劑和基體材料來改善工具性能的方法；使用調(diào)控強調(diào)了調(diào)整加工參數(shù)和使用方式的重要性。

       未來，磨粒工具的發(fā)展將趨向智能化、高性能化和綠色化。智能化工具將采用人工智能技術(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測和自動控制，提高加工效率和質(zhì)量。高性能化工具將針對新型材料開發(fā)，提升硬度、韌性和熱穩(wěn)定性。綠色化工具將使用環(huán)保材料和工藝，減少環(huán)境影響。這些趨勢將使磨粒工具更好地滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求，推動精密加工技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。

       01磨削加工發(fā)展對磨粒工具帶來的挑戰(zhàn)

       磨削加工技術(shù)的進(jìn)步對磨粒工具提出了新的挑戰(zhàn)。磨粒加工是由單個磨粒與工件材料相互作用的過程，這些相互作用包括力、溫度和化學(xué)效應(yīng)，決定了加工質(zhì)量和工具的失效。為了實現(xiàn)可控的磨粒加工，需要提供滿足界面作用需求的磨粒工具，并確保工具按預(yù)期設(shè)計失效。這涉及到三個關(guān)鍵方面：磨粒工具的失效和界面作用分析、制備調(diào)控以及使用調(diào)控。通過深入理解這些界面作用，可以設(shè)計和制造出能夠承受極端溫度和應(yīng)力梯度的磨粒工具，從而提高磨削加工的效率和質(zhì)量。

       02磨粒工具失效及界面作用研究

       NO.1磨粒工具的失效形式

       磨粒的失效形式： 

         - 通過實驗觀察磨粒形貌變化研究磨粒失效。

         - 磨粒失效形式包括微觀破碎、宏觀破碎、脫落、磨平。

         - 單顆磨粒磨損形貌變化路徑分析。

         - 磨粒磨損狀態(tài)對工具性能的影響。

       結(jié)合劑的失效形式：

       - 結(jié)合劑失效涉及磨蝕、裂紋破碎、氧化分解等。

       NO.2磨粒工具的失效機理

       磨粒失效機理： 

       - 磨粒失效由力、溫度及可能的化學(xué)反應(yīng)決定。

       - 磨削力、高溫及化學(xué)反應(yīng)對磨粒失效的影響。

       - 利用化學(xué)反應(yīng)增強加工效率的策略。

       結(jié)合劑對磨粒失效的影響：

       - 結(jié)合劑的磨損速度和失效影響磨粒的把持力。

       NO.3磨粒與工件界面行為的仿真研究

       - 總結(jié)了磨粒工具界面行為仿真的幾種典型方法。

       - 有限元法、離散元法和分子動力學(xué)法在模擬界面行為中的應(yīng)用。

       - 分子動力學(xué)法在模擬高精磨粒加工行為中的優(yōu)勢。

       NO.4小結(jié)

       - 當(dāng)前研究在揭示磨粒工具失效機制方面取得的進(jìn)展。

       - 指出實驗條件和仿真技術(shù)的限制。

       - 提出未來研究方向：在線檢測技術(shù)和跨尺度仿真研究。

       03基于界面作用機制的磨粒工具制備

       NO.1磨粒把持力

       - 磨粒把持力是結(jié)合劑對磨粒固結(jié)能力的度量。

       - 量化評價方法包括單晶立方推剪、單顆磨粒剪切、彎曲試驗、拉伸試驗等。

       - 磨粒把持方式分為四類，包括流場作用下的弱把持力、機械包鑲力、化學(xué)冶金結(jié)合以及釬焊法提供的強把持力。

       NO.2磨粒工具界面作用的調(diào)控設(shè)計力作用的調(diào)控設(shè)計：

       - 通過磨粒的有序排布調(diào)控力作用，實現(xiàn)磨具界面力作用的調(diào)控。

       - 結(jié)合劑的柔性退讓調(diào)節(jié)磨粒的退讓能力，適應(yīng)高精密低損傷加工需求。

       溫度作用的調(diào)控設(shè)計：

       - 通過磨粒工具表面圖案化、設(shè)計專門的散熱結(jié)構(gòu)、添加固體潤滑劑等方法調(diào)控溫度作用。

       化學(xué)作用的調(diào)控設(shè)計：

       - 選擇對工件材料具有惰性或弱親和性的磨料，避免不必要的化學(xué)反應(yīng)。

       NO.3多層磨粒工具的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備

       - 對于多層磨粒工具，需要從三維結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)整體設(shè)計與制備。

       - 利用模板法、3D打印技術(shù)等方法實現(xiàn)磨粒在三維上的均勻排布和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備。

       NO.4小結(jié)

       - 隨著新型難加工材料的出現(xiàn)，對磨粒工具的制備及性能提出更高要求。

       - 數(shù)字化設(shè)計及先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用有望實現(xiàn)磨粒工具的按需設(shè)計、精確制造。

       - 未來可能依據(jù)被加工材料發(fā)展全周期數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)對加工過程的精確調(diào)控。

       04磨粒工具在線狀態(tài)調(diào)控

       NO.1工具表面磨粒狀態(tài)的測量和評價 

       工具表面磨粒狀態(tài)的測量：

       - 磨粒狀態(tài)測量需滿足單顆磨粒測量精度、全場測量及實際工況下的在線測量要求。

       - 使用掃描電子顯微鏡、輪廓儀、坐標(biāo)測量儀、超景深顯微鏡、激光共聚焦測頭等設(shè)備進(jìn)行測量。

       - 非接觸式光學(xué)測量技術(shù)為研究重點，包括聚焦合成算法、激光位移傳感器、彩色共焦傳感探頭等。

       工具表面磨粒狀態(tài)的評價：

        - 單顆磨粒評價參數(shù)包括出露高度、幾何尺寸等。

       - 全場磨粒評價參數(shù)涵蓋磨粒數(shù)、分布密度、磨粒間距等。

       NO.2磨粒加工界面作用的調(diào)控力作用的調(diào)控：

       - 通過調(diào)整工藝參數(shù)（如磨削速度、深度、進(jìn)給速度）控制單顆磨粒最大切削厚度，進(jìn)而調(diào)控磨粒受力。

       - 采用能場輔助磨粒加工（如超聲、激光、化學(xué)輔助）降低磨粒受力。

       - 利用磨削液的潤滑作用減小磨粒與工件的摩擦，降低磨粒受力。

       溫度作用的調(diào)控：

       - 開發(fā)新型磨削液和采用微量潤滑技術(shù)（MQL）改善磨削弧區(qū)摩擦行為和散熱效率。

       化學(xué)作用的調(diào)控：

       - 通過調(diào)控加工條件減少或避免磨粒化學(xué)反應(yīng)，或促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)以增強材料去除效率。

       NO.3磨粒工具修整

       - 磨粒工具修整包括整形和修銳，旨在恢復(fù)磨具的幾何形狀精度和表面形貌。

       - 修整方法有機械修整、特種修整（激光、電火花、電解、水射流修整）、復(fù)合修整及生物修整。

       - 在線電解修整(ELID)和生物修整為細(xì)粒度磨粒工具提供有效的在線主動調(diào)控手段。

       NO.4小結(jié)

       - 磨粒加工界面行為的調(diào)控涉及力、溫度和化學(xué)的綜合作用。

       - 針對不同加工需求，調(diào)控重點有所不同：強力磨削側(cè)重力作用調(diào)控，高速磨削側(cè)重溫度調(diào)控，高精加工側(cè)重力作用調(diào)控抑制表面損傷。

       - 界面化學(xué)作用的調(diào)控旨在抑制加速工具失效的化學(xué)反應(yīng)，同時強化有利于材料去除的化學(xué)反應(yīng)。

       - 磨粒加工界面調(diào)控的深入研究面臨挑戰(zhàn)，尤其是在極硬材料加工中，需融合更多能量形式和復(fù)雜反應(yīng)機理。

       05磨粒工具的發(fā)展展望

       磨粒工具的數(shù)字化設(shè)計：

       - 基礎(chǔ)問題解決：解決計算機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計、輔助工程制圖等數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)問題。

       - 一體化設(shè)計：實現(xiàn)設(shè)計-制造-應(yīng)用一體化的主流趨勢，融合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、約束規(guī)則、設(shè)計經(jīng)驗，以及面向加工過程的多因素影響設(shè)計。

       磨粒工具的數(shù)字化制造：

       - 技術(shù)突破：突破傳統(tǒng)制造方法的局限，將自動化、數(shù)字化技術(shù)更有效地應(yīng)用于磨粒工具制備。

       - 融合先進(jìn)技術(shù)：與激光燒結(jié)、3D打印等技術(shù)融合，實現(xiàn)形性可控的精確制造，解決規(guī)模化生產(chǎn)難題。

       磨粒工具的數(shù)字化表征：

       - 技術(shù)挑戰(zhàn)：突破當(dāng)前離線、局部形貌表征的局限，融合機器視覺等新型傳感技術(shù)，實現(xiàn)在線、精準(zhǔn)、快速表征。

       - 間接表征技術(shù)：發(fā)展間接表征技術(shù)，為數(shù)字化表征提供新途徑。

       磨粒工具使用場景的數(shù)字孿生：

       - 基礎(chǔ)：以加工過程的數(shù)據(jù)、信息、知識的數(shù)字化表達(dá)為基礎(chǔ)，運用數(shù)字化建模、仿真、預(yù)測、優(yōu)化等手段。

       - 發(fā)展方向：構(gòu)建虛實結(jié)合、互通的數(shù)字孿生體系，融合加工機理、多場耦合仿真、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型及隱性參量的可視化集成表達(dá)。

       06結(jié) 論

       本文深入探討了磨粒工具的發(fā)展脈絡(luò)及其在磨粒加工技術(shù)中的核心作用。隨著磨粒加工技術(shù)需求的演進(jìn)，磨粒工具技術(shù)亦經(jīng)歷了顯著的發(fā)展，兩者相互牽引、共同進(jìn)步。磨粒加工界面上的力、溫度和化學(xué)作用是影響磨粒工具失效的關(guān)鍵因素，這些因素在高效與高精磨粒加工中展現(xiàn)出不同程度的影響，從而對磨粒工具的制備和使用提出了特定的要求。

       面對磨粒加工智能化帶來的挑戰(zhàn)，未來的研究需聚焦于深入揭示多種作用耦合下的磨粒失效機制，發(fā)展有效的磨粒工具數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計模型，突破形性可控的磨粒工具制造技術(shù)，并解決智能化加工中的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)難題。這要求科研人員不僅要深化對磨粒工具失效機理的理解，還需探索先進(jìn)的制備技術(shù)，以支撐磨粒加工技術(shù)的智能化發(fā)展。通過這些努力，可望顯著提升磨粒工具的性能，推動磨粒加工技術(shù)向更高效率、更高精度和更高智能化的方向發(fā)展。

       07團隊介紹

       團隊以“高性能工具”全國重點實驗、“脆性材料產(chǎn)品智能制造技術(shù)”國家地方聯(lián)合工程研究中心、“脆性材料加工技術(shù)”教育部工程中心、“石材產(chǎn)業(yè)高端制造技術(shù)及裝備”省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心為依托，長期致力于脆性材料加工技術(shù)及裝備的開發(fā)與研究。并在全球最大的石材加工基地（福建省南安市）建立了石材產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院。團隊成員以機械制造為基礎(chǔ)，匯聚材料科學(xué)、儀器科學(xué)、控制科學(xué)及物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科人才組建交叉創(chuàng)新團隊，擁有國家級人才計劃入選者8人次。團隊入選科技部重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊、教育部“長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”并獲得滾動支持，入選“全國高校黃大年式教師團隊”，所在支部為“全國黨建工作樣板支部”。團隊先后建設(shè)完成了完整的光電材料切、磨、拋加工全流程生產(chǎn)平臺；石材平面加工及異形面機器人加工平臺；超硬材料工具制備平臺以及加工檢測平臺。形成了脆性材料加工裝備、工具、工藝一體化的完整研發(fā)體系。承擔(dān)了包括國家杰出青年科學(xué)基金項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、國家科技支撐計劃、國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金等在內(nèi)的百余項國家及省部級科研項目。獲國家科技進(jìn)步二等獎，教育部科技進(jìn)步一等獎，自然科學(xué)一等獎，福建省科學(xué)技術(shù)獎一等獎，福建省技術(shù)發(fā)明一等獎等在內(nèi)的多項科研獎勵。

       08團隊帶頭人

       徐西鵬  華僑大學(xué)

       徐西鵬教授，脆性材料產(chǎn)品智能制造技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心主任、石材產(chǎn)業(yè)高端制造技術(shù)及裝備省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心主任、脆性材料加工教育部工程技術(shù)研究中心主任。國家科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、“國家杰出青年科學(xué)基金”獲得者，入選首批國家級“新世紀(jì)百千萬人才工程”。曾任國際磨料技術(shù)委員會(ICAT)主席(2017-2019)、中國機械工程學(xué)會(CMES)生產(chǎn)工程分會(PEI)全國磨料技術(shù)委員會主任、福建省機械工程學(xué)會理事長。《International Journal of Abrasive Technology》國際期刊副主編和《機械工程學(xué)報》英文版編委會副主任。長期從事硬脆材料先進(jìn)加工科學(xué)與技術(shù)的研究工作。發(fā)表論文400余篇，總他引超過5600次。先后主持完成國家發(fā)改委重點研究項目、國家973計劃引導(dǎo)專項、國家杰出青年科學(xué)基金項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、國家支撐計劃項目等30余項。先后以第一完成人獲得包括國家科技進(jìn)步二等獎在內(nèi)的國家及省部級科研獎勵10余項。

       閱讀原文：http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2022.15.002