碳化鎢是玻璃透鏡精密模壓生產(chǎn)中重要的模芯材料，具有高強(qiáng)度、高耐磨性與熱穩(wěn)定性。金剛石超精密切削是獲得光學(xué)級(jí)表面（尤其是復(fù)雜曲面）的重要加工方法，能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)表面粗糙度與亞微米級(jí)形狀精度。由于碳化鎢屬于典型硬脆性材料，嚴(yán)重的刀具磨損與表面碎裂使得其金剛石切削難度極大。已有研究表明，采用超聲振動(dòng)輔助技術(shù)能夠提高脆性材料的加工性能、減輕刀具刃口磨損；也有報(bào)導(dǎo)指出對(duì)于某些材料振動(dòng)的引入反而會(huì)帶來負(fù)面效果。為了獲得更好的使用性能，模芯材料從含金屬相（如鈷、鎳）發(fā)展為無金屬相碳化鎢(binderless WC)，其硬度與彈性模量的進(jìn)一步增加對(duì)金剛石切削帶來更大挑戰(zhàn)。天津大學(xué)微納制造實(shí)驗(yàn)室(MNMT)針對(duì)無金屬相碳化鎢研究了超聲振動(dòng)輔助與離子注入表面改性(NiIM)兩種輔助手段對(duì)加工性能與表面質(zhì)量的影響，并通過數(shù)值模擬揭示內(nèi)在機(jī)制。不同于超聲切削對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的調(diào)控，離子注入表面改性則是采用高能離子束轟擊工件以改變其表層晶格結(jié)構(gòu)，從而降低材料的機(jī)械強(qiáng)度與脆性。該方法的有效性已經(jīng)在單晶硅、鍺等光學(xué)晶體上得到驗(yàn)證，本文通過高能金離子注入，使碳化鎢表層發(fā)生非晶化，納米壓痕硬度從28.6 GPa降低至19.9 GPa。這種材料性能的改變顯著降低了切削過程中的表面裂紋尺度與分布密度，切屑表面出現(xiàn)的剪切帶證明了離子注入后材料塑性的提高，最終實(shí)現(xiàn)了刃口磨損的降低。采用橢圓超聲振動(dòng)后，研究表明未注入與注入碳化鎢的切削表面碎裂與刀具磨損均加重。分子動(dòng)力學(xué)分析揭示其原因在于高頻振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致材料的沿晶斷裂及切削力尖峰，因此對(duì)于諸如無金屬相碳化鎢這樣的超硬材料，表面軟化是更為有效的途徑；此外，超聲切削的優(yōu)勢仍可能隨著機(jī)械強(qiáng)度的降低而體現(xiàn)出來，兩種輔助加工方法的結(jié)合是解決此類材料加工難題的潛在途徑。

       作者簡介

       房豐洲，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院教授，長期從事精密制造、微納制造、超精密加工及檢測的研究，在納米機(jī)械加工基礎(chǔ)理論、方法、及技術(shù)領(lǐng)域開展了一系列開拓性研究工作。國際納米制造學(xué)會(huì)(International Society for Nanomanufacturing)發(fā)起人和第一任主席；納米制造與計(jì)量(Nanomanufacturing and Metrology)主編；國際生產(chǎn)工程院(International Academy for Production Engineering)Fellow、制造工程師學(xué)會(huì)(Society  for Manufacturing Engineers)Fellow、國際納米制造學(xué)會(huì)Fellow。