2023CIRP 年會 G 組磨粒加工方向報告速覽

摘要 為促進國際磨料磨具領域前沿技術交流，特選2023年 CIRP Annals - Manufacturing Technology 期刊中 G 組（磨料加工）論文進行介紹。該專題共有9篇論文發表，按投稿先后順序分別編號為 G1～ G9，研究主題包含單磨粒磨削特性（G1/G2）、超聲振動輔助磨削（ G3）、低溫納米潤滑（ G4）、砂輪修整（ G5）、自適應磨削/拋光（G6/G7）、拋光墊設計（ G8）以及新型拋光液研制（ G9）等。本文依序對各論文主要創新點及結論分別進行總結和介紹，供相關領域學者學習交流。

關鍵詞 磨削；潤滑；修整；拋光

中圖分類號 TG58; TG74 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2024）02-0267-11

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0020

收稿日期 2024-01-21 修回日期 2024-03-28

2023年8月20日?26日，CIRP 2023 General As- sembly 會議在愛爾蘭都柏林召開，主要討論現代生產 科學和技術領域的最新進展。其中磨削分會場（ G 組）交流了9篇磨粒加工領域的論文（ G 組），主題包括 單磨粒磨削特性、超聲振動輔助磨削、低溫納米潤滑、砂輪修整、自適應磨削/拋光、拋光墊設計及新型拋光 液研制等。

受《金剛石與磨料磨具工程》編輯部委托，依序對各論文的主要創新點及結論分別進行總結和介紹，供國內相關領域的學者學習交流。

1 G1：單磨粒磨削特性

Effect of single-grit wear on surface integrity of hardened stainless steel in dry grinding

文章首次從單磨粒磨損與材料去除機理的角度出發，分別對氧化鋁陶瓷磨粒和 cBN 磨粒在高速干式磨削過程中的熱機械變化及表面完整性進行了研究，進而能夠更好地了解磨削機理。該成果推進了對微觀磨削機理的研究與理解，填補了單磨粒磨削領域在熱機械性能與磨損機理方面的空白。

作為一種精細加工工藝，磨削常用于改善工件的尺寸精度和表面完整性。然而，磨削過程中產生的高溫會對加工表面造成熱損傷，影響工件加工表面的性能。盡管利用磨削液與冷卻液能夠在一定程度上減少上述問題的發生，但同時帶來了較高的能源損耗與環境污染問題。采用干式磨削的方式有助于解決上述問題，實現加工過程的綠色生產，但目前干式磨削加工過程中對單顆磨粒熱機械性能和材料去除特性缺乏足夠的認識，材料去除機理仍尚不明確，因此如何減少干式磨削過程中的熱損傷是當前研究的熱點問題。

針對上述問題，文章介紹了一種可用于檢測高速 磨削過程中瞬時溫度與力的新型集成化傳感器系統，進而探究了不同磨粒在熱機械作用下對工件表面完整 性的影響。高速單磨粒磨削實驗在如圖1所示的精密 磨齒機床上開展，單個磨粒安裝于專門設計的支架中，以確保磨粒的非對稱特征與磨削方向保持一致。此外，針對不同磨削距離下氧化鋁陶瓷磨粒和 cBN 磨粒的表 面形貌進行了觀測，如圖1d 所示。

研究結果如圖2所示。從圖2中可以看出：（1）在比磨削力方面，氧化鋁陶瓷磨粒和 cBN 磨粒的比切向力和比法向力均隨磨削距離的增大而增大，但 cBN 磨粒的比磨削力增大趨勢較為平穩，如圖2a 所示。（2）隨著磨削距離的逐漸增大，單顆磨粒的磨損加劇，磨削溫度也逐漸升高。其中氧化鋁陶瓷磨粒的瞬時最高溫度相比 cBN 磨粒更高，實驗結果如圖2b 所示。當磨粒磨損逐漸加劇時，溫升持續時間變短，切削深度降低，從而影響磨粒與熱傳感器間的接觸時間。（3）在表面完整性方面，微切削刃映射出的劃痕隨磨削距離的增大而變化，具體變化特性如圖2c 所示。隨著磨削距離的增加，磨削表面出現了因耕犁效應產生的表面撕裂。當磨粒磨損進一步加劇時，磨粒將發生斷裂并在新形成的溝槽表面留下清晰的劃痕。

本研究從單粒層面上揭示了磨削過程中的熱機械性能與磨損機理，有利于綜合研究磨粒磨損對工件表面完整性的影響，為后續干式磨削提供理論指導。

SHU L， FANG Z， WANG C， et al. Effect of single-grit wear on surface integrity of hardened stainless steel in dry grinding [J]. CIRP Annals， 2023， 72（1）：259-262. DOI：10.1016/j.cirp.2023.04.083

2 G2：單磨粒磨削特性

Experiment and smooth particle hydrodynamic model- ing of single-graindia-mondscribing of silicon carbide fiber reinforced siliconcarbide （SiCf/SiC）

論文首次采用平滑粒子流體動力學（smoothed particle hydrodynamics，SPH ）對碳化硅纖維增強碳化硅（SiCf/SiC）的單晶金剛石劃切過程進行建模，并在 SiCf/SiC 上從纖維取向、切削深度、切削速度角度進行金剛石單磨粒磨削實驗，測量了金剛石尖端的劃線力和三維形狀并驗證了模型準確性。通過比較 SPH 預測的力和實驗測量的力，確定了 JH-2工作材料的參數和SiCf/SiC 的 SPH 模型，以準確預測金剛石劃線力。

SiCf/SiC 是輕質高溫陶瓷基復合材料，在1000℃以上具有比鈦基和鎳基高溫合金更高的比強度，在航空發動機、發電渦輪機以及核反應堆的關鍵熱端部件中具有良好的高溫斷裂韌性和蠕變性能。金剛石磨削是 SiCf/SiC 零件精密加工的關鍵技術，對此過程中材料去除和表面損傷機理的研究具有重要意義。單磨粒磨削是研究磨削過程中受力和材料去除機理的基礎。然而，目前尚未建立預測 SiCf/SiC 金剛石劃切力的模型。

文章采用單磨粒劃片實驗和 SPH 仿真相結合的方式對金剛石劃線力進行了研究。實驗采用金剛石在平坦的拋光工件表面劃擦出幾個等距的、不同切削深度 dc 的劃痕，并對其形貌進行了表征。此外，采用 SPH 模型對法向力 Fn 進行了預測，很好地區分了劃線速度、切割深度和纖維取向效應。

本研究確定了 SPH 模型中的 JH-2材料特性和參數，以預測 SiCf/SiC 金剛石劃片實驗中的法向力 Fn；其實驗結果具有較高的一致性。結果表明：（1）橫向纖維取向表現出不同的失效機制（圖3）并導致法向力 Fn 較低（圖4）；（2）切削深度與法向力 Fn 呈線性相關；（3）高速劃片（40 m/s）使得法向力 Fn 增大，且這種速度效應非常顯著。可通過在 SiCf/SiC 材料的 JH-2模型中選擇應變率效應參數準確預測這一點。

此外，文章通過有效塑性應變的分布（圖5）來揭示工件內部的裂紋擴展情況。在橫向和法向這2種 纖維取向下，裂紋都通過纖維和基體之間的界面傳播。圖5a 中的俯視圖顯示了接觸區域外高塑性應變的傳播，這與圖3b 中橫向劃片中觀察到的纖維拉出相匹配。在法向劃線條件下（圖5b），金剛石下方出現高塑性應變，這解釋了圖3c 中 SiCf 纖維和 SiC 基體之間出現的彌散現象。此示例展示了 SPH 建模在可視化工件內部的變形和材料去除機制方面的優勢，有利于驗證 SiC 和 SiCf 的材料特性，并為模擬 SiCf/SiC 的金剛石磨削提供了基礎。

LI Hansen， PRINZ S， LIU Y， et al. Experiment and smooth particle hydrodynamic modeling of single-grain dia- mond scribing of silicon carbide fiber reinforced silicon carbide （SiCf/SiC）[J]. CIRP Annals， 2023， 72（1）：263-266.

DOI：10.1016/j.cirp.2023.04.067

3 G3：超聲振動輔助磨削

Assessment of advanced process configurations for im- provingworkpiece surface finish in point grinding

論文研究了電鍍 cBN砂輪點磨淬硬鋼時工藝參數對加工質量和砂輪磨損的影響。研究發現，增加工件的傾斜角度可以顯著降低加工表面的粗糙度，但對砂輪磨損的影響較小；引入超聲振動可以進一步降低加工表面的粗糙度，但會加劇砂輪的磨損。此外，研究指出磨料的直徑、體積等砂輪的初始幾何特征對加工質量和加工精度也存在較大影響。

點磨是指使用小直徑（通常為15 mm）砂輪進行磨削加工的過程。一般來說，點磨常用于去毛刺或加工倒角等后處理工序，但近年來點磨技術已被廣泛用于航空航天領域，用于加工翼型件、葉輪、轉子等具有復雜幾何特征的部件，這些部件具有較高的尺寸精度要求，這是傳統的大直徑砂輪無法實現的。

砂輪點磨后工件表面形貌圖和輪廓圖如圖6所示，工件表面粗糙度隨磨削材料去除量的變化如圖7所示。實驗結果表明：超聲振動和工件傾斜可以顯著改善工件的表面質量。根據工件傾斜角度的不同，超聲輔助磨削操作可以使表面粗糙度降低11%～25%。然而，超聲振動磨削會加劇 B30和 B15砂輪的磨損并增大磨削力。相比之下，使用 B54砂輪超聲振動點磨時砂輪的磨損與普通點磨時砂輪的磨損幾乎一致，但超聲振動的引入會降低磨削力。此外研究指出，在所選取的工藝條件下點磨淬硬鋼時，工件表面的未出現熱軟化或加工硬化等現象。

從圖6可以看出，當傳統磨削（ US OFF ）工件不傾斜（0°）時，工件表面呈現出與切削速度方向一致的線性溝槽。同樣，在工件傾斜的情況下進行點磨加工時，磨削軌跡的方向與傾斜角平行，但形成的磨削形貌卻是不連續的針狀凹痕。

從圖7可看出：表面粗糙度在初始階段表現出逐漸下降的趨勢，然后在磨削材料去除量大于500 mm3時趨于穩定；增加工件傾斜比引入超聲振動更能降低表面粗糙度；與工件傾角為0°的試驗相比，工件傾角為30°的所有試驗產生的 Ra/Rz 值更低。

AGUIRRE F M， GONZALEZ L S， HOOD R， et al. As-sessment of advanced process configurations for improving workpiece surface finish in point grinding [J]. CIRP Annals， 2023， 72（1）：267-272. DOI：10.1016/j.cirp.2023.04.078

4 G4：低溫納米潤滑

A lowtemperature nano-lubrication method for enhan- cingmachin-ability in ultra-precision grinding of binderless tungsten carbide （WC）

文章提出了一種低溫納米潤滑劑微量潤滑碳化鎢 超精密磨削工藝，利用渦流管產生低溫氣體提升磨削 區換熱性能，同時利用混合納米材料制備納米潤滑劑 以減少摩擦。結果表明，該方法顯著降低了表面粗糙 度，提高了工件表面的完整性。相比傳統微量潤滑，Sa和 Sz 分別降低了50.8%和65.3%，砂輪磨損降低了57.8%，表面缺陷得到了明顯抑制。

無黏結劑碳化鎢（ WC ）是制造模具和刀具的關鍵材料，其硬度和膨脹系數接近金剛石，然而這也為 WC 模具制造的超精密加工帶來了挑戰。冷卻潤滑是提高 WC 磨削性能的有效途徑，微量潤滑（minimalquantity lubrication，MQL）、納米流體微量潤滑（ nano- fluid minimal quantity lubrication，NMQL）、低溫氣體冷卻 等成為近年來的研究熱點。由于超精密機床嚴苛的使用環境要求，MQL 成為超精密磨削的主流方法。然而， MQL 的減磨抗磨和傳熱能力不足，并不能完全解決 WC 的磨削難題，迫切需要一種合適的潤滑方法。

為解決現有問題，提出了低溫納米潤滑劑微量潤滑的方法，利用 MoS2/Fe3O4納米顆粒的混合物作為添加劑制備納米潤滑劑，減少界面摩擦和砂輪磨損，進而減小摩擦角和臨界切深，抑制工件表面脆性斷裂裂紋和碎屑的產生。利用渦流管產生低至?20℃的低溫氣體以增加散熱效果，最大限度地減少由碎屑黏附引起的表面缺陷，進一步提高了 WC 的超精密磨削質量。其磨削裝置如圖8所示，不同工藝條件下的 WC 表面形貌如圖9所示。

試驗先后采用了螺旋槽磨削和表面磨削2種加工方式。在螺旋槽磨削試驗中，從路徑起點至終點設置磨削深度由0μm增加至10μm，以探索磨削深度對磨削質量的影響。同時設置不同的潤滑、冷卻條件，以材料去除量、表面完整性和表面缺陷為評價指標對磨 削參數進行優化。將優化后的參數用于表面磨削試驗，對納米顆粒配比和低溫氣體溫度進行優化，以砂輪磨 損量、表面粗糙度和表面完整性作為表征參數，獲得 了 WC 低溫納米潤滑磨削最優工藝參數。

從圖9中可以看出，所提出的 NMQL 磨削工藝能顯著提升 WC 超精密磨削性能。使用低溫氣體冷卻有助于增加傳熱、減少磨屑黏附。納米潤滑劑能有效減少摩擦，減少斷裂裂紋和塑性流動。低溫氣體冷卻和納米潤滑劑之間呈現出了良好的協同效應。MoS2/ Fe3O4配比（1∶2）和較低的磨削溫度（?20℃）顯著提升了 WC 超精密磨削表面質量，其 Sa 和 Sz 分別降低了50.8%和65.3%，砂輪磨損降低了57.8%。

ZHANG F， ZHANG Y， CHEUNG C F， et al. A low temperature nano-lubrication method for enhancing machin- ability in ultra-precision grinding of binderless tungsten carbide （WC）[J]. CIRP Annals， 2023， 72（1）：273-276. DOI：10.1016/j.cirp.2023.04.075

5 G5：砂輪修整

On mechanics and monitoring of plunge-roll rotary dressing of grinding wheels

論文中建立修整過程的運動學模型，并制備金屬陶瓷結合劑的多層金剛石滾輪，研究修整過程中滾輪旋轉切入砂輪時的修整機理與狀態監測。研究認為磨削/修整比能與論文提出修整數 Aggrd 之間的基本關系存在顯著的尺寸效應；研磨和修整比能之間呈近似線性關系，修整比能與聲發射信號成正比關系。 SEM 結果表明，較小的 Aggrd 系數產生的磨粒鈍化現象不同于磨削時的磨粒鈍化現象，后者是源于工件材料的快速黏附導致的磨粒磨損。這些都有利于研究修整條件對砂輪性能和工件表面粗糙度的影響。

磨削一段時間后，砂輪磨粒逐漸磨鈍并出現磨粒堵塞砂輪氣孔的現象，磨鈍后的砂輪會導致磨削力增大，磨削溫度上升，影響磨削性能從而使工件的表面質量下降，因此應對砂輪進行及時修整以保證磨削質量。常規的砂輪修整方法有車削修整法、金剛石滾輪修整法等。金剛石滾輪修整是金剛石滾輪與待修整砂輪旋轉相對運動，滾輪對待修整砂輪的表面進行擠壓破碎和修磨，去除黏附在磨鈍砂輪上的磨屑、磨粒及結合劑，使待修整砂輪達到最佳磨削狀態，如圖10所示。

為研究修整條件對砂輪性能和磨削工件表面粗糙度的影響，作者采用合成研磨液在平面磨床上進行修整和研磨試驗，記錄修整時的聲發射信號（ Accretech SBS 主軸內聲發射傳感器，250 Hz ）和砂輪、滾輪的主軸功率（25 Hz ）。作者首先建立分析金剛石滾輪修整中的幾何與運動學關系，將修整力理論應用于修整過程中，并將各種磨料修整參數的組合統一化為一個與磨削比能密切相關的單一無量綱參數 Aggrd。通過磨削平均維氏硬度為217 HV5的鐵素體-珠光體碳鋼工件來評價相應的不同條件下修整得到砂輪性能。混有陶瓷-金屬結合劑的金剛石修整滾輪的修整特性與標準的反向電鍍金剛石滾輪相似，都具有更強的修整能力，并能產生更低的磨削比能。

不同條件下的鈍化和尖銳磨粒如圖11所示。修整或磨削過程中磨粒鈍化的機理不同。修整輪上的鈍化磨料仍保持鋸齒狀，而磨削鈍化的磨料則是平整的表面。這是由于修整是純機械作用，而磨削多是機械化學作用。工件材料與磨粒之間的黏著在磨鈍的砂輪上表現得更為嚴重。

在滾輪正向和反向運動模式下，滾輪旋轉修整的聲發射信號強度與修整比能量成正比，如圖12所示。通過引入了聲發射比能這個新的參數，測量修整比能量（修整輪主軸功率）或聲發射比能量，為在線監測砂輪銳度提供了可能。

JEFFREY B， PHILIPP H， STEFANO V， et al. On mechanics and monitoring of plunge-roll rotary dressing of grinding wheels [J]. CIRP Annals， 2023， 72（1）：277-280.

DOI：10.1016/j.cirp.2023.04.077

6 G6：自適應磨削

Hybrid toolcombining stiff and elastic grinding

論文利用形狀自適應磨削（ SAG ）工具的彈性特性，提出了一種融合剛性磨削工具和 SAG 工具的混合工具，提高加工效率從而縮短加工時間。文章揭示了影響混合工具性能的工藝參數，并提出高進給量、小粒度和低壓縮偏移可以產生光滑平坦的表面。在相同工藝參數下，使用混合工具加工后工件表面平均粗糙度為 Ra 0.0017μm，而使用傳統工具加工后的表面粗糙度為 Ra 0.21μm。

在相機鏡頭、照明系統、光學計量等多種應用領 域，制造高精度的表面至關重要。通常，這些精細的表 面是通過車削、銑削、磨削、精磨和拋光等多步驟操作 完成的。然而，過長的處理流程不僅降低了生產效率，還迫切需要通過縮短流程鏈和提升加工效率來提高生產能力。為此，現行策略包括省去其中一個或多個處 理階段，或者將多個階段整合為一個單獨的步驟。

為了解決現有的問題，提出了創新的混合加工工具，其材料去除原理如圖13所示：結合了剛性磨削 （圖13a）和 SAG 磨削（圖13b）的優點。該方案通過將傳統磨削工具與 SAG 工具相結合，并省去了精磨步驟，從而有效減少了加工時間。如圖13c 和圖14所示，SAG 工具被嵌入杯形磨削工具中。材料去除的原理如圖13d 所示，其中磨削工具首先去除設定深度的材料，隨后 SAG 工具以一定的壓縮偏移量跟進，并在同一加工步驟中實現表面的平滑處理。

設計使用不同磨削工藝的對照實驗，其加工結果如圖15所示，其中圖15a 中的插圖為原測量表面。結 果表明混合工具獲得的表面質量（ Ra 0.025μm ）略優于研磨+SAG 兩步法獲得的表面質量（ Ra 0.031μm ），且混合工具的總加工時間減半。

論文中還探討了混合工具在單一因素影響下的去除率和表面形狀與工藝參數之間的關系，如圖16所示。實驗結果表明，較大的進給量、較細的磨料粒度和較小的壓縮偏移量共同作用下，可以獲得光滑且平坦的表面，其平均粗糙度達到了 Ra 0.017μm。相比之下，在相同的加工時間內，采用傳統方法得到的表面粗糙度為 Ra 0.21μm，顯示出混合工具技術在改善表面質量方面的顯著優勢。

PRATAP A， YAMATO S， BEAUCAMP. Hybrid tool combining stiff and elastic grinding [J]. CIRP Annals， 2023， 72（1）：281-284. DOI：10.1016/j.cirp.2023.04.087

7 G7：自適應拋光

Compliant polishing of thin-walled freeform workpiece

論文建立了柔性刀具在任意壓力分布下薄壁自由曲面的接觸力學通用模型，基于預測變形和應力，提出了自適應刀具偏移和自適應速度的2種自適應策略，并通過可控材料去除實驗驗證了該模型的精度。通過使用自適應策略，在薄壁離軸橢圓工件上，材料去除不一致性可以控制在0.5μm 以下，而在沒有自適應控制 的情況下，材料去除不一致性的控制量在6μm 以下。

具有復雜自由幾何形狀的薄壁工件因重量輕、裝配 質量高、結構功能好等特點，在 X 射線光學、航空航天、照明、生物醫學工程等領域有著廣闊的應用前景。然而 由于薄壁自由曲面工件剛度低、容易變形，如何得到嚴格的尺寸和均勻的表面成為當前制造技術的一個主要挑戰。

為解決現有問題，使用柔性刀具拋光薄壁自由曲面工件，采用自適應偏移量保證自由曲面上壓力分布一致和根據標稱偏移量預測實際壓力分布，并通過反卷積算法設計自適應刀具進給速度2種策略，實現給定目標的材料去除，如圖17所示。有無自適應偏離的移除縱斷面和去除輪廓分別如圖18、圖19所示。

圖17中，選取尺寸與厚度比為50：1的離軸橢圓工件，通過建立彈性刀具和薄壁自由曲面工件三維解析 模型，對柔性拋光過程中的應力和變形行為進行了理 論仿真和分析。所建立分析模型（0.0755 mm、6.4 MPa ）與 ANSYS 仿真（0.0749 mm、6.5 MPa ）工件變形量和最大應力結果具有較高的一致性，能準確預測力學性能，實現可控拋光。基于該分析模型，對離軸橢圓工件中心坐標7 mm ×7 mm 區域進行了拋光變形預測，確定了法向壓力為引起變形的主要因素。采用透明 PMMA 光學材料相同形狀的離軸橢圓工件，用橡膠基板和聚氨酯墊板為材料的夾具固定在七軸數控機床（ Zeeko IRP50）上，以有無自適應控制進行點拋光和線拋光驗證，結果表明所提出的模型和策略具有較高的準確性。

通過使用自適應策略，在薄壁離軸橢圓工件上，材料去除不一致性可以控制在0.5μm 以下，而在沒有自 適應控制的情況下，材料去除不一致性在6μm左右，如圖18、圖19所示。該研究為柔性刀具在薄壁自由曲面工件上的可控拋光奠定了基礎。

ZHU W， GAO W， HAN F， et al. Compliant polishing of thin-walled freeform workpiece [J]. CIRP Annals， 2023， 72（1）：285-288. DOI：10.1016/j.cirp.2023.04.086

8 G8：雙端面拋光中拋光墊設計

Polishing pad design foruniform removal distributions in double-sided polishing

論文研究了一種拋光墊設計方法，用于補償雙面拋光過程中不均勻的相對速度分布，提出了一種考慮壓力分布的材料去除分布分析模型，揭示了拋光墊設計對雙面拋光過程中壓力分布的影響，形成了拋光墊的設計準則，實現了雙面拋光中均勻的材料去除。

雙面拋光能夠獲得光滑低損傷的高質量表面，被廣泛應用于平板形工件的制造過程中，例如在12英寸（直徑約為300 mm）的硅晶圓加工中，雙面拋光具有不可替代的作用。雙面拋光過程中，工件夾在拋光墊之間，在游星輪的帶動下做行星運動，該運動使得工件與拋光墊之間的相對運動周期性重復變化，有利于拋光質量的提升。但是周期性的相對運動會加劇材料去除的不均勻性，降低工件的平面度。因此，在保證工件平面度的同時獲得高質量表面仍是雙面拋光中面臨的巨大挑戰。

為解決雙面拋光中由相對速度分布不均導致材料去除不均問題，提出了設計拋光墊面形控制工件表面 壓力分布的方法，如圖20所示。該方法的核心為控制上、下拋光墊表面之間的距離分布，通過修整使拋光 墊具有徑向不均勻但周向均勻的輪廓。加工過程中，上下拋光墊的總變形取決于二者間的距離，不同半徑 處的變形不同，造成工件表面壓力分布不同。此外，建立了考慮壓力分布的材料去除分布分析模型，用以評估所設計拋光墊的補償效果，如圖21所示。通過設計不同面形的拋光墊，驗證了該模型的有效性。

通過上述模型，提出了拋光墊的設計準則，并通過設計不同面形的拋光墊進行了驗證（圖22）。在非均勻相對速度補償設計中，由于工件在整個拋光墊表面上的位置是變化的，因此必須滿足上下拋光墊表面之間的距離分布向拋光墊的外邊緣單調增加，增加速率越大，對材料去除分布的補償效果越好。本研究有利于提升平板件的雙面拋光精度，推動雙面拋光工藝的應用及發展。

SATAKE U， ENOMOTO T. Polishing pad design for uniform removal distributions in double-sided polishing [J]. CIRP Annals， 2023， 72（1）：289-292. DOI： 10.1016/j.cirp.2023.04.072

9 G9：新型拋光液研制

A new chemo-mechanical slurry for close-to-atomic scale polishing ofLiNbO3 crystal

論文研制了一種添加氧化石墨烯的氫氧化鉀基二氧化硅拋光液，實現了鈮酸鋰晶體的近原子尺度拋光，揭示了在納米尺度下，材料去除過程中拋光液中各成 分的協同作用機制，獲得了超光滑無損傷鈮酸鋰晶體 表面（ Sa ≤0.15 nm ）和170.0 nm/min 的材料去除率。

鈮酸鋰晶體被譽為“光學硅”，由于其優異的電光、聲光和光學非線性效應，已被廣泛用于制備電光調制 器、光波導、光陀螺和信息存儲等器件。隨著鈮酸鋰 晶體在光通信、光量子計算、量子通信等諸多領域的 應用，鈮酸鋰基器件對晶體表面質量的要求越來越高。然而，鈮酸鋰晶體的力學各向異性強、硬度及斷裂韌 性低，為獲得超光滑無損傷表面帶來了很大挑戰。

為解決現有問題，文章首次將氧化石墨烯添加到 氫氧化鉀基二氧化硅拋光液中。拋光液配制過程中，檸檬酸用于調節拋光液 pH，以免拋光液堿性過高影響 氧化石墨烯性能。氫氧化鉀對氧化石墨烯/二氧化硅 混合物的去質子化作用會使混合物表面帶有更多負電荷，這進一步增加了拋光液中納米顆粒之間的排斥力，從而提高了拋光液的分散性和穩定性。如圖23所示，材料去除過程中，氫氧化鉀首先與鈮酸鋰晶體反應生成由氫氧化鋰和鈮酸鉀組成的軟質層，軟質層隨后會被二氧化硅磨粒機械去除。檸檬酸與氫氧化鉀反應生成的檸檬酸根離子會與軟質層溶解產生的鋰離子、鉀離子發生絡合反應以加速軟質層的分解。氫氧化鉀去質子化氧化石墨烯/二氧化硅混合物會堆積在局部拋光區域逐漸形成摩擦潤滑膜，自適應地降低鈮酸鋰晶體表面與拋光盤之間的摩擦系數，保護晶體表面避免因機械作用過強而引入劃痕、麻點等缺陷。在這種機制下，裸露的新鈮酸鋰晶體表面將繼續逐層接近原子尺度地被去除。

優化后的拋光液配方被用于鈮酸鋰0.5 mm 厚度的4英寸晶圓（直徑約100 mm）和三棱鏡，如圖24所示，拋光后晶圓和三棱鏡全局均獲得了粗糙度 Sa＜0.15 nm 的超光滑無損傷表面。該研究有利于促進未來軟脆材料原子和近原子尺度加工技術的發展。

GUO J， SHI H， TONG Z， et al. A new chemo-mechan- ical slurry for close-to-atomic scale polishing of LiNbO3 crystal [J]. CIRP Annals， 2023， 72（1）：293-296. DOI：10.1016/ j.cirp.2023.04.076

10 結束語

國際生產工程科學院（ The International Academy for Production Engineering，CIRP ）是世界頂尖的生產工程研究機構，也是機械工程領域學術地位最高的國際學術組織。其致力于機械和系統的設計、優化、控制和管理方面的研究，現擁有來自50個國家約600名學術及工業會員。

CIRP Annals - Manufacturing Technology 為國際生 產工程科學院的院刊，是機械工程領域國際高水平期 刊，年發表文章僅140余篇，主要發表工程技術及工業 制造等領域的文章，內容涵蓋切削、設計、成形、表面 處理、特種加工、生產系統和組織、精密工程和計量、生命周期工程、微系統技術、納米技術等方面。

致謝

感謝大連理工大學舒利明教授、青島理工大學張彥彬教授、浙江大學朱吳樂教授等相關論文作者在本文的撰寫與校核方面提出的寶貴建議。

特約專家介紹

黃輝教授

黃輝，2003獲南京航空航天大學博士學位，現任華僑大學教授、博導、副校長，長期從事硬脆性材料高效智能加工研究，兼任國家地方聯合工程研究中心副主任、廈門市重點實驗室主任、教育部創新團隊負責人；國際磨粒技術委員會委員、中國機械工業金屬切削刀具技術協會切削先進技術研究分會副理事長、中國機械工程學會生產工程分會光整加工專業委員會委員及《金剛石與磨料磨具工程》雜志主編等。入選國家科技創新領軍人才、享受國務院特殊津貼、獲福建省五一勞動獎章等榮譽。主持完成包括國家自然科學基金聯合基金重點項目在內的省級及以上科研項目20余項；獲國家科學技術進步獎二等獎、福建省教學成果獎特等獎在內的多項科研及教學獎項；發表高水平科研論文200余篇；授權發明專利60余項；培養學生獲福建省優秀博士學位論文、上銀優秀機械博士論文獎等。