導(dǎo)讀：拋光加工是保證表面質(zhì)量不可或缺的技術(shù)手段。本文提出了一種基于各向同性刻蝕輪廓包絡(luò)原理的拋光技術(shù)，可獲得納米級(jí)超光滑表面，而且適用于多種常見(jiàn)金屬材料，具有普適性和顯著的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值?？梢约庸ぞ哂袕?fù)雜外形和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的金屬零件，加工效率高且加工后表面無(wú)殘余應(yīng)力。

       近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系助理教授鄧輝研究團(tuán)隊(duì)在機(jī)械制造領(lǐng)域頂級(jí)期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上發(fā)表最新研究成果，提出了一種基于電化學(xué)各向同性刻蝕輪廓包絡(luò)原理的金屬材料普適性拋光加工技術(shù)。

       拋光是一種常見(jiàn)的表面加工技術(shù)，主要目的是降低表面粗糙度、去除損傷層，最終獲得光滑且無(wú)損傷的高質(zhì)量表面。無(wú)論是日常生活中的消費(fèi)用品還是制造技術(shù)高度集成的半導(dǎo)體芯片，拋光加工都是保證表面質(zhì)量不可或缺的技術(shù)手段。近年來(lái)，在金屬材料超精密加工領(lǐng)域，具有復(fù)雜外形和內(nèi)腔的金屬零件的拋光一直是工業(yè)界所面臨的技術(shù)難題。傳統(tǒng)的諸如化學(xué)機(jī)械拋光、激光拋光以及磁流變拋光，都存在“刀具干涉”問(wèn)題。如何在不破壞金屬零件的面形精度的前提下，高效率獲得納米級(jí)光滑表面，是目前亟待解決的技術(shù)難題。

圖1. 各向同性刻蝕輪廓包絡(luò)拋光原理圖

       受單點(diǎn)金剛石超精密車削加工的刀尖軌跡包絡(luò)原理啟發(fā)，課題組提出了一種基于各向同性刻蝕輪廓包絡(luò)原理的拋光技術(shù)（圖1）：在拋光液的鈍化作用下，金屬表面生成一層鈍化膜；在電場(chǎng)的作用下，鈍化膜的薄弱位置優(yōu)先發(fā)生擊穿放電；通過(guò)阿倫尼烏斯公式優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，擊穿位點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)密度可控的各向同性刻蝕反應(yīng)；隨著各向同性刻蝕的進(jìn)行，刻蝕坑不斷擴(kuò)展并相互融合完成包絡(luò)；最終原始粗糙表面被超光滑表面取代。

圖2. 拋光過(guò)程的建模分析

       根據(jù)上述拋光原理，課題組對(duì)拋光過(guò)程中材料表面的形貌變化以及粗糙度變化進(jìn)行了建模分析，其結(jié)果如圖2所示。拋光開(kāi)始階段，由于刻蝕坑的形成，表面粗糙度逐漸增加；隨著拋光的進(jìn)行，表面刻蝕位點(diǎn)互相融合取代了原始粗糙表面，表面粗糙度迅速降低；最后，初始表面被完全取代，轉(zhuǎn)變?yōu)槌饣砻?。從該模型可知，基于提出的包絡(luò)拋光原理，理論上可獲得亞納米級(jí)超光滑表面。

圖3. 鈦的刻蝕輪廓包絡(luò)拋光過(guò)程的輪廓與形貌演變

       以鈦（TA2）的超精密拋光為例（圖3），課題組通過(guò)對(duì)電解液和擊穿電壓等參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了材料表面的各向同性刻蝕。拋光所形成的刻蝕坑呈現(xiàn)規(guī)則的半球形，密度可控，內(nèi)表面具有納米級(jí)粗糙度（Sa=1.13nm）。研究結(jié)果表明，此方法對(duì)TA2可實(shí)現(xiàn)15.1m/min的高效率去除，在拋光3分鐘后表面粗糙度Sa從64.1nm迅速降低到1.23nm，高效率獲得了納米級(jí)表面。

圖4. 各種金屬材料的拋光效果圖

       同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)也將這一拋光技術(shù)應(yīng)用到了其他典型金屬材料，如鎳磷合金、鎳鈦合金、304不銹鋼、6063鋁合金、Inconel718合金等。如圖4所示，拋光后的樣品表面都具備了鏡面效果，也都獲得了納米級(jí)表面粗糙度。這一結(jié)果表明：研究團(tuán)隊(duì)提出的各向同性刻蝕輪廓包絡(luò)拋光技術(shù)可作為一種普適性拋光加工手段應(yīng)用于常見(jiàn)金屬材料，具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

       鄧輝介紹，此項(xiàng)研究所提出的刻蝕輪廓包絡(luò)拋光技術(shù)避免了使用傳統(tǒng)拋光工藝所不可或缺的剛性工具，因此該技術(shù)不存在“刀具干涉”問(wèn)題，可以加工具有復(fù)雜外形和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的金屬零件，加工效率高且加工后表面無(wú)殘余應(yīng)力。此外，由該技術(shù)的加工原理可知，這一技術(shù)適用于絕大部分的金屬材料，具有較強(qiáng)的通用性。未來(lái)，這一技術(shù)有望在航空航天和汽車零部件等領(lǐng)域投入應(yīng)用，也可解決3D打印金屬零件的后處理難題。

       鄧輝課題組2019級(jí)博士生易蓉為文章第一作者，鄧輝為文章通訊作者，南方科技大學(xué)為通訊單位。該研究獲得了深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)國(guó)際合作項(xiàng)目和深圳市海外高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的資助。

       論文鏈接：

       https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2020.103517