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)，可獲得納米級超光滑表面，而且適用于多種常見金屬材料，具有普適性和顯著的工業(yè)應(yīng)用價值?？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殘余應(yīng)力。

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近日，南方科技大學(xué)機械與能源工程系助理教授鄧輝研究團隊在機械制造領(lǐng)域頂級期刊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，最終獲得光滑且無損傷的高質(zhì)量表面。無論是日常生活中的消費用品還是制造技術(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，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)機械拋光、激光拋光以及磁流變拋光，都存在“刀具干涉”問題。如何在不破壞金屬零件的面形精度的前提下，高效率獲得納米級光滑表面，是目前亟待解決的技術(shù)難題。

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受單點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)（）：在拋光液的鈍化作用下，金屬表面生成一層鈍化膜；在電場的作用下，鈍化膜的薄弱位置優(yōu)先發(fā)生擊穿放電；通過阿倫尼烏斯公式優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，擊穿位點可實現(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行，刻蝕坑不斷擴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。

根據(jù)上述拋光原理，課題組對拋光過程中材料表面的形貌變化以及粗糙度變化進行了建模分析，其結(jié)果如所示。拋光開始階段，由于刻蝕坑的形成，表面粗糙度逐漸增加；隨著拋光的進行，表面刻蝕位點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超光滑表面。

以鈦（TA2）的超精密拋光為例（），課題組通過對電解液和擊穿電壓等參數(shù)的優(yōu)化，實現(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)表面具有納米級粗糙度（Sa=1.13nm）。研究結(jié)果表明，此方法對TA2可實現(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表面。

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同時，研究團隊也將這一拋光技術(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，也都獲得了納米級表面粗糙度。這一結(jié)果表明：研究團隊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)用于常見金屬材料，具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價值。

鄧輝介紹，此項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，具有較強的通用性。未來，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)新委員會國際合作項目和深圳市海外高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的資助。

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

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