磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)加(jia)工技(ji)術(shu)的(de)(de)快速發展(zhan)帶動了磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)工具(ju)(ju)(ju)技(ji)術(shu)的(de)(de)不(bu)斷進(jin)步。發展(zhan)高(gao)性(xing)能的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)工具(ju)(ju)(ju)對(dui)提(ti)高(gao)生產效率、提(ti)升加(jia)工精度有著重要的(de)(de)意義。從加(jia)工中磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)工具(ju)(ju)(ju)的(de)(de)失效形式入(ru)手，分析了不(bu)同加(jia)工目標下(xia)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)與(yu)工件(jian)材(cai)料(liao)加(jia)工界(jie)面(mian)(mian)之間的(de)(de)力作(zuo)用(yong)、溫(wen)度作(zuo)用(yong)、化學(xue)作(zuo)用(yong)對(dui)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)工具(ju)(ju)(ju)失效的(de)(de)影響機(ji)(ji)制(zhi)；概述了基于界(jie)面(mian)(mian)作(zuo)用(yong)機(ji)(ji)理(li)調控的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)工具(ju)(ju)(ju)設計(ji)及制(zhi)造技(ji)術(shu)；歸納了現(xian)有磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)工具(ju)(ju)(ju)的(de)(de)表面(mian)(mian)狀態測量與(yu)評價技(ji)術(shu)；總結了磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)工具(ju)(ju)(ju)使用(yong)過程中的(de)(de)界(jie)面(mian)(mian)作(zuo)用(yong)調控技(ji)術(shu)；結合智能磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)加(jia)工技(ji)術(shu)的(de)(de)發展(zhan)對(dui)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)(li)工具(ju)(ju)(ju)的(de)(de)未來趨勢提(ti)出了展(zhan)望。

       0前言

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

       隨著產(chan)業需求(qiu)的提(ti)升，磨(mo)粒(li)工具面臨新的挑戰。本文從失(shi)效分(fen)析、制(zhi)備(bei)(bei)調(diao)(diao)控(kong)(kong)和(he)使(shi)用調(diao)(diao)控(kong)(kong)三(san)個方(fang)面，總結了(le)近年(nian)來磨(mo)粒(li)工具的研究進展。失(shi)效分(fen)析揭示了(le)磨(mo)粒(li)工具磨(mo)損(sun)、脫(tuo)落和(he)破裂等問題(ti)；制(zhi)備(bei)(bei)調(diao)(diao)控(kong)(kong)探討了(le)通過優化磨(mo)粒(li)、結合劑(ji)和(he)基體(ti)材料(liao)來改善工具性能的方(fang)法；使(shi)用調(diao)(diao)控(kong)(kong)強調(diao)(diao)了(le)調(diao)(diao)整加(jia)工參數和(he)使(shi)用方(fang)式的重(zhong)要性。

       未來(lai)，磨粒工(gong)(gong)(gong)具(ju)的發展將趨(qu)向智能(neng)化、高性(xing)能(neng)化和(he)綠色(se)化。智能(neng)化工(gong)(gong)(gong)具(ju)將采用(yong)人工(gong)(gong)(gong)智能(neng)技術進行在線監測和(he)自動控制，提(ti)高加工(gong)(gong)(gong)效率和(he)質量。高性(xing)能(neng)化工(gong)(gong)(gong)具(ju)將針(zhen)對新(xin)型材料開發，提(ti)升(sheng)硬(ying)度、韌性(xing)和(he)熱穩定性(xing)。綠色(se)化工(gong)(gong)(gong)具(ju)將使用(yong)環保材料和(he)工(gong)(gong)(gong)藝，減(jian)少環境影響。這(zhe)些趨(qu)勢(shi)將使磨粒工(gong)(gong)(gong)具(ju)更(geng)好地滿(man)足現代工(gong)(gong)(gong)業的需(xu)求，推(tui)動精密加工(gong)(gong)(gong)技術的創新(xin)與發展。

       01磨削加工發展對磨粒工具帶來的挑戰

       磨(mo)(mo)削(xue)加(jia)工(gong)(gong)技術的(de)進步對(dui)磨(mo)(mo)粒(li)(li)(li)工(gong)(gong)具(ju)(ju)提(ti)出(chu)(chu)了新的(de)挑戰。磨(mo)(mo)粒(li)(li)(li)加(jia)工(gong)(gong)是由單個磨(mo)(mo)粒(li)(li)(li)與工(gong)(gong)件材料相互作(zuo)用的(de)過程(cheng)，這些(xie)相互作(zuo)用包括力(li)、溫度(du)和(he)化學(xue)效應，決(jue)定了加(jia)工(gong)(gong)質量和(he)工(gong)(gong)具(ju)(ju)的(de)失(shi)效。為了實現可控的(de)磨(mo)(mo)粒(li)(li)(li)加(jia)工(gong)(gong)，需(xu)要提(ti)供滿足界(jie)面(mian)作(zuo)用需(xu)求的(de)磨(mo)(mo)粒(li)(li)(li)工(gong)(gong)具(ju)(ju)，并(bing)確保(bao)工(gong)(gong)具(ju)(ju)按預期設計失(shi)效。這涉及到三個關鍵(jian)方面(mian)：磨(mo)(mo)粒(li)(li)(li)工(gong)(gong)具(ju)(ju)的(de)失(shi)效和(he)界(jie)面(mian)作(zuo)用分(fen)析、制備調控以及使用調控。通(tong)過深入理(li)解(jie)這些(xie)界(jie)面(mian)作(zuo)用，可以設計和(he)制造出(chu)(chu)能夠(gou)承受極端溫度(du)和(he)應力(li)梯度(du)的(de)磨(mo)(mo)粒(li)(li)(li)工(gong)(gong)具(ju)(ju)，從而提(ti)高(gao)磨(mo)(mo)削(xue)加(jia)工(gong)(gong)的(de)效率(lv)和(he)質量。

       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(guan)察磨粒形貌(mao)變(bian)化(hua)研究磨粒失效。

         - 磨粒失效形式包(bao)括微觀破(po)碎、宏觀破(po)碎、脫落(luo)、磨平。

         - 單顆(ke)磨粒磨損(sun)形貌變(bian)化路徑(jing)分析。

         - 磨(mo)粒磨(mo)損(sun)狀態對工具性能的影響。

       結合劑的失效形式：

       - 結合劑失效涉及磨蝕、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、溫度及可能的化學反應決(jue)定。

       - 磨削力、高溫及化學(xue)反應對磨粒失效的影(ying)響(xiang)。

       - 利用化學反應增強加工(gong)效率的策略(lve)。

       結合劑對磨粒失效的影響：

       - 結(jie)合劑(ji)的磨(mo)損(sun)速度(du)和(he)失效影響磨(mo)粒(li)的把持力(li)。

       NO.3磨粒與工件界面行為的仿真研究

       - 總結(jie)了磨粒(li)工具界面行為仿真(zhen)的幾種典型方(fang)法。

       - 有限元法(fa)、離散元法(fa)和分子動力學法(fa)在(zai)模擬界面行為中(zhong)的應用。

       - 分子(zi)動力學法在模擬(ni)高精磨粒加工行為中的(de)優勢。

       NO.4小結

       - 當前研究在揭示磨粒工具失效機制方面取得的進展。

       - 指出實驗條(tiao)件(jian)和仿真技(ji)術的限制。

       - 提(ti)出未來研(yan)究方向：在線(xian)檢測技術和(he)跨尺度仿真研(yan)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(mo)粒把持力是結合劑對磨(mo)粒固結能力的度量。

       - 量(liang)化評價方(fang)法包括單晶立方(fang)推剪、單顆磨粒剪切、彎(wan)曲試驗(yan)、拉伸試驗(yan)等。

       - 磨粒把(ba)持方式分(fen)為四(si)類，包(bao)括流場作(zuo)用下的弱把(ba)持力、機(ji)械包(bao)鑲(xiang)力、化學冶金結合以(yi)及釬焊法提供的強把(ba)持力。

       NO.2磨粒工具界面作用的調控設計力作用的調控設計：

       - 通過磨粒的有序排布調控力作用，實現磨具界面力作用的調控。

       - 結合劑的(de)柔性退(tui)讓調節磨(mo)粒的(de)退(tui)讓能(neng)力，適應高精密低損(sun)傷加工需求(qiu)。

       溫(wen)度作用(yong)的調控設計(ji)：

       - 通過磨粒(li)工具表面圖案化、設(she)計(ji)專門的散(san)熱結構、添(tian)加固體(ti)潤滑劑等方法調控溫度作用。

       化學(xue)作(zuo)用的調(diao)控設計：

       - 選擇對工(gong)件材(cai)料(liao)具有惰性(xing)或弱(ruo)親(qin)和性(xing)的磨料(liao)，避免不(bu)必要(yao)的化學反應(ying)。

       NO.3多層磨粒工具的整體結構設計及制備

       - 對于多層磨粒工具(ju)，需要(yao)從三維結構上實現整體設計與制備。

       - 利用模板法、3D打(da)印技術等(deng)方法實現(xian)磨粒在三維(wei)上的均勻排布(bu)和復雜(za)結構的制備。

       NO.4小結

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

       - 數字化設(she)計(ji)及先進制造技術的應用有望(wang)實現磨粒工(gong)具的按(an)需設(she)計(ji)、精確制造。

       - 未(wei)來可能依據被加工(gong)材料發展(zhan)全(quan)周(zhou)期數字化技(ji)術，實現對(dui)加工(gong)過程(cheng)的精(jing)確調控。

       04磨粒工具在線狀態調控

       NO.1工具表面磨粒狀態的測量和評價 

       工具表面(mian)磨(mo)粒狀態的測量：

       - 磨(mo)(mo)粒狀態測(ce)量(liang)需(xu)滿足(zu)單顆磨(mo)(mo)粒測(ce)量(liang)精(jing)度、全場測(ce)量(liang)及實際工況(kuang)下的在線測(ce)量(liang)要(yao)求。

       - 使用掃描電子顯微鏡(jing)、輪廓儀、坐標(biao)測量(liang)儀、超景深顯微鏡(jing)、激光共聚焦測頭等(deng)設備(bei)進(jin)行(xing)測量(liang)。

       - 非(fei)接觸式光(guang)學測量技術(shu)為研究(jiu)重(zhong)點，包括聚焦(jiao)合(he)成算法、激(ji)光(guang)位移傳(chuan)感器、彩色(se)共焦(jiao)傳(chuan)感探頭等(deng)。

       工具(ju)表面(mian)磨粒狀態的評(ping)價：

        - 單顆磨(mo)粒評價參數包括出露(lu)高度、幾何(he)尺寸(cun)等。

       - 全場磨粒評價參數涵蓋磨粒數、分(fen)布(bu)密度、磨粒間距等(deng)。

       NO.2磨粒加工界面作用的調控力作用的調控：

       - 通過調整工藝參(can)數（如磨(mo)削(xue)速度(du)、深度(du)、進給速度(du)）控(kong)制單顆磨(mo)粒(li)(li)最大(da)切削(xue)厚度(du)，進而調控(kong)磨(mo)粒(li)(li)受力。

       - 采用能場輔助(zhu)磨(mo)粒加工（如超聲、激(ji)光(guang)、化學輔助(zhu)）降低(di)磨(mo)粒受力(li)。

       - 利用磨削液的(de)潤滑作用減小磨粒與工件的(de)摩擦(ca)，降低磨粒受力。

       溫度作用的調控：

       - 開(kai)發新型(xing)磨削(xue)液和采(cai)用微量潤滑技術（MQL）改(gai)善(shan)磨削(xue)弧區摩擦行為(wei)和散熱效率(lv)。

       化學作用的調控：

       - 通(tong)過調控加工條件減少或避免(mian)磨粒化學(xue)反應(ying)，或促(cu)進化學(xue)反應(ying)以(yi)增強材料去(qu)除效率。

       NO.3磨粒工具修整

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

       - 修(xiu)(xiu)整(zheng)方法有機械修(xiu)(xiu)整(zheng)、特種修(xiu)(xiu)整(zheng)（激光、電火花、電解、水射流修(xiu)(xiu)整(zheng)）、復合修(xiu)(xiu)整(zheng)及(ji)生物修(xiu)(xiu)整(zheng)。

       - 在(zai)(zai)線(xian)電解(jie)修(xiu)整(ELID)和生物修(xiu)整為細粒度磨粒工(gong)具提供有效的在(zai)(zai)線(xian)主動調(diao)控手段。

       NO.4小結

       - 磨粒加工界面行為(wei)的調(diao)控涉及力、溫(wen)度和化學的綜合作用。

       - 針對不(bu)同加工需求，調控重(zhong)(zhong)點有所不(bu)同：強力(li)磨(mo)削(xue)側(ce)(ce)重(zhong)(zhong)力(li)作(zuo)用調控，高速磨(mo)削(xue)側(ce)(ce)重(zhong)(zhong)溫度調控，高精加工側(ce)(ce)重(zhong)(zhong)力(li)作(zuo)用調控抑制表面損傷。

       - 界面化學作(zuo)用的(de)(de)調控旨在抑制加速工具失效(xiao)的(de)(de)化學反(fan)應(ying)，同(tong)時強化有利于材料去除的(de)(de)化學反(fan)應(ying)。

       - 磨(mo)粒(li)加工界(jie)面(mian)調控的深入研究(jiu)面(mian)臨(lin)挑戰，尤其是在極(ji)硬(ying)材(cai)料加工中，需(xu)融(rong)合更(geng)多能量形式和復雜反應(ying)機理(li)。

       05磨粒工具的發展展望

       磨粒工具的數字化設計：

       - 基礎(chu)問(wen)題解決(jue)：解決(jue)計算機(ji)結(jie)構強度(du)設(she)計、輔助工程制圖等(deng)數字(zi)化設(she)計基礎(chu)問(wen)題。

       - 一(yi)體化(hua)設計(ji)：實現設計(ji)-制造-應(ying)用一(yi)體化(hua)的主流趨勢，融合行業標準、約束(shu)規則(ze)、設計(ji)經驗，以及(ji)面向加工過程的多因素影(ying)響(xiang)設計(ji)。

       磨(mo)粒工具的數字化制造：

       - 技(ji)術(shu)突破(po)：突破(po)傳統制(zhi)造方(fang)法的局限，將自動化、數字(zi)化技(ji)術(shu)更有效地(di)應用于磨(mo)粒工具制(zhi)備。

       - 融合(he)先進技(ji)(ji)術(shu)(shu)：與激(ji)光燒(shao)結、3D打印等技(ji)(ji)術(shu)(shu)融合(he)，實現形(xing)性可控的精確(que)制造，解決規模(mo)化生產難題。

       磨粒工(gong)具的數字化(hua)表征：

       - 技術挑(tiao)戰：突破當前離線(xian)、局部形貌(mao)表(biao)征的局限(xian)，融(rong)合(he)機器(qi)視(shi)覺等新型傳感技術，實現(xian)在線(xian)、精準、快(kuai)速表(biao)征。

       - 間接表(biao)(biao)征技術(shu)：發(fa)展間接表(biao)(biao)征技術(shu)，為數字(zi)化表(biao)(biao)征提供新途徑(jing)。

       磨粒工(gong)具使用場(chang)景(jing)的(de)數字孿生：

       - 基礎(chu)(chu)：以加工過程的數據(ju)、信息、知識的數字(zi)化表達(da)為基礎(chu)(chu)，運用數字(zi)化建模、仿真、預(yu)測、優化等手段。

       - 發展方向(xiang)：構建虛實結合、互通(tong)的數字孿生體系，融合加(jia)工機理、多場(chang)耦合仿(fang)真、數據驅動模型及隱性參量的可視化集(ji)成表達(da)。

       06結 論

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

       面(mian)對磨(mo)(mo)粒(li)加工(gong)(gong)(gong)智(zhi)(zhi)能(neng)化(hua)帶(dai)來的挑(tiao)戰(zhan)，未(wei)來的研(yan)究需(xu)聚焦(jiao)于(yu)深入揭示多種作用耦合下的磨(mo)(mo)粒(li)失效機制(zhi)，發(fa)展(zhan)(zhan)有效的磨(mo)(mo)粒(li)工(gong)(gong)(gong)具數字化(hua)優化(hua)設計模(mo)型(xing)，突(tu)破形性可控的磨(mo)(mo)粒(li)工(gong)(gong)(gong)具制(zhi)造技(ji)術(shu)，并解決智(zhi)(zhi)能(neng)化(hua)加工(gong)(gong)(gong)中的關鍵(jian)科學(xue)與技(ji)術(shu)難題。這要求科研(yan)人員不僅要深化(hua)對磨(mo)(mo)粒(li)工(gong)(gong)(gong)具失效機理的理解，還需(xu)探索先進的制(zhi)備技(ji)術(shu)，以支(zhi)撐磨(mo)(mo)粒(li)加工(gong)(gong)(gong)技(ji)術(shu)的智(zhi)(zhi)能(neng)化(hua)發(fa)展(zhan)(zhan)。通過這些努(nu)力，可望顯著提升磨(mo)(mo)粒(li)工(gong)(gong)(gong)具的性能(neng)，推動磨(mo)(mo)粒(li)加工(gong)(gong)(gong)技(ji)術(shu)向(xiang)更高效率、更高精度和更高智(zhi)(zhi)能(neng)化(hua)的方向(xiang)發(fa)展(zhan)(zhan)。

       07團隊介紹

       團隊以“高性能工具”全國重點實驗、“脆性材料產品智能制造技術”國家地方聯合工程研究中心、“脆性材料加工技術”教育部工程中心、“石材產業高端制造技術及裝備”省部共建協同創新中心為依托，長期致力于脆性材料加工技術及裝備的開發與研究。并在全球最大的石材加工基地（福建省南安市）建立了石材產業技術研究院。團隊成員以機械制造為基礎，匯聚材料科學、儀器科學、控制科學及物理、數學等學科人才組建交叉創新團隊，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域創新團隊、教育部“長江學者和創新團隊發展計劃”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”。團隊先后建設完成了完整的光電材料切、磨、拋加工全流程生產平臺；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體系。承擔了包括國家杰出青年科學基金項目、國家自然科學基金重點項目、國家科技支撐計劃、國家科技重大專項、國家自然科學基金等在內的百余項國家及省部級科研項目。獲國家科技進步二等獎，教育部科技進步一等獎，自然科學一等獎，福建省科學技術獎一等獎，福建省技術發明一等獎等在內的多項科研獎勵。

       08團隊帶頭人

       徐西鵬(peng)  華僑大學

       徐西鵬教授，脆(cui)性材(cai)料(liao)(liao)產品(pin)智能制造技(ji)術國(guo)(guo)(guo)家(jia)地方聯合工(gong)(gong)程(cheng)研(yan)究(jiu)中(zhong)(zhong)心(xin)主(zhu)(zhu)任(ren)(ren)(ren)、石材(cai)產業高端制造技(ji)術及裝備省(sheng)部(bu)共(gong)建協同創(chuang)新(xin)中(zhong)(zhong)心(xin)主(zhu)(zhu)任(ren)(ren)(ren)、脆(cui)性材(cai)料(liao)(liao)加工(gong)(gong)教育部(bu)工(gong)(gong)程(cheng)技(ji)術研(yan)究(jiu)中(zhong)(zhong)心(xin)主(zhu)(zhu)任(ren)(ren)(ren)。國(guo)(guo)(guo)家(jia)科(ke)技(ji)創(chuang)新(xin)領(ling)軍(jun)人(ren)才(cai)、“國(guo)(guo)(guo)家(jia)杰(jie)出(chu)青年科(ke)學(xue)基金”獲(huo)得者，入(ru)選首批國(guo)(guo)(guo)家(jia)級(ji)(ji)“新(xin)世紀(ji)百千萬(wan)人(ren)才(cai)工(gong)(gong)程(cheng)”。曾任(ren)(ren)(ren)國(guo)(guo)(guo)際磨(mo)(mo)料(liao)(liao)技(ji)術委員(yuan)(yuan)會(ICAT)主(zhu)(zhu)席(2017-2019)、中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)機械(xie)工(gong)(gong)程(cheng)學(xue)會(CMES)生產工(gong)(gong)程(cheng)分會(PEI)全國(guo)(guo)(guo)磨(mo)(mo)料(liao)(liao)技(ji)術委員(yuan)(yuan)會主(zhu)(zhu)任(ren)(ren)(ren)、福建省(sheng)機械(xie)工(gong)(gong)程(cheng)學(xue)會理事長(chang)。《International Journal of Abrasive Technology》國(guo)(guo)(guo)際期(qi)刊(kan)副(fu)主(zhu)(zhu)編和(he)《機械(xie)工(gong)(gong)程(cheng)學(xue)報(bao)》英文版編委會副(fu)主(zhu)(zhu)任(ren)(ren)(ren)。長(chang)期(qi)從事硬(ying)脆(cui)材(cai)料(liao)(liao)先進加工(gong)(gong)科(ke)學(xue)與技(ji)術的研(yan)究(jiu)工(gong)(gong)作。發表(biao)論文400余篇，總他引超過5600次。先后主(zhu)(zhu)持完成(cheng)國(guo)(guo)(guo)家(jia)發改委重點研(yan)究(jiu)項(xiang)(xiang)目(mu)、國(guo)(guo)(guo)家(jia)973計劃引導專項(xiang)(xiang)、國(guo)(guo)(guo)家(jia)杰(jie)出(chu)青年科(ke)學(xue)基金項(xiang)(xiang)目(mu)、國(guo)(guo)(guo)家(jia)自然科(ke)學(xue)基金重點項(xiang)(xiang)目(mu)、國(guo)(guo)(guo)家(jia)支撐計劃項(xiang)(xiang)目(mu)等(deng)30余項(xiang)(xiang)。先后以第一完成(cheng)人(ren)獲(huo)得包括國(guo)(guo)(guo)家(jia)科(ke)技(ji)進步(bu)二(er)等(deng)獎在內的國(guo)(guo)(guo)家(jia)及省(sheng)部(bu)級(ji)(ji)科(ke)研(yan)獎勵10余項(xiang)(xiang)。

       閱讀原(yuan)文：//www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2022.15.002