本刊記者 李 丹

吳勇波：制造業(yè)，尤其是高端制造業(yè)中，精密加工是為了使零部件在形狀、尺寸精度和表面完整性方面達到設(shè)計要求的極為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的精密加工以切削、磨削、研磨等機械加工為主，輔以激光、電火花、電解等特種加工，它們的共同點是將毛坯中不需要的部分去除，得到所需形狀和尺寸精度及表面完整性的零部件。機械加工中材料的去除以刀具對工件的強制性幾何干涉引起的材料塑性撕裂或脆性破碎為基本原理，而特種加工則主要基于材料的熱融化和電化學(xué)溶解或者分子鍵斷裂的原理。這兩者各有利弊：前者有較高的加工效率和精度，適合于精密零部件的低成本批量加工，但由于刀刃鋒利度和刀具材料硬度方面的制約，微納尺度加工很困難且受制于工件材料；后者幾乎不受工件材料的限制，也較容易實現(xiàn)微納尺度的加工，但效率低，精度不高，不適合精密零部件的大量低成本加工。因而，精密加工的大部分環(huán)節(jié)由機械加工來完成。但隨著機械零部件、光電元器件性能要求的逐步提高，對加工精度的要求也越來越嚴格，使得材料的最小去除尺度趨于納米級，甚至原子大小，這對刀具切削刃鋒利度的要求就變得極為苛刻，同時加工裝置要有原子大小的極微小進給分辨率。另一方面，隨著高性能但極難加工的新型材料的開發(fā)和應(yīng)用，傳統(tǒng)的機械加工往往加工力大、溫度高，導(dǎo)致工具磨損大、加工效率低、精度不達標(biāo)以及成本高的問題出現(xiàn)，如何高效精密地加工這些材料又是個全新的挑戰(zhàn)。

為了突破傳統(tǒng)精密機械加工技術(shù)在新形勢下遇到的瓶頸，基于超聲振動、電/磁流變、激光、等離子體、電化學(xué)、固相化學(xué)反應(yīng)、電致塑性等物理化學(xué)現(xiàn)象在特種加工中去除材料的有效性，并結(jié)合自己在此領(lǐng)域近20年的實踐，提出了將這些物理化學(xué)場引入機械加工的所謂多場輔助精密加工的概念。這里主要介紹3種方法的基本原理和優(yōu)勢。

（1）超聲輔助加工。切削、磨削加工中，在工件和工具之間附加超聲振動，產(chǎn)生超聲潤滑效果，大幅度降低工具與工件間摩擦力，從而減小加工力和降低加工熱，同時刀刃或磨粒的超聲振動又加速了切/磨屑的疲勞破壞，提高斷屑效果。特別是工具的超聲振動加速度最大可達重力加速度的數(shù)萬倍，產(chǎn)生的慣性力使切/磨屑極難黏附于刀刃或砂輪上，可避免積屑瘤的產(chǎn)生和砂輪的堵塞。

（2）固相化學(xué)反應(yīng)/超聲復(fù)合輔助拋光。傳統(tǒng)的化學(xué)機械拋光（CMP）是目前廣泛應(yīng)用于單晶硅、藍寶石等光電材料的納米精度無亞表面損傷研拋的化學(xué)場輔助機械加工技術(shù)，但需要使用大量的環(huán)境不友好拋光液，加工效率又低。如果用內(nèi)含與工件材料有固相化學(xué)反應(yīng)效果的磨粒和結(jié)合劑的固結(jié)磨具代替?zhèn)鹘y(tǒng)CMP拋光液和拋光墊，在一定的壓力和溫度下，磨具與工件材料間即可產(chǎn)生固相化學(xué)反應(yīng)，其生成物非常軟脆，極易被機械去除，從而實現(xiàn)環(huán)境友好、納米精度且加工效率較高的固結(jié)磨粒CMP。但此方法由于磨具-加工面間屬無間隙接觸，排屑不暢，磨具易堵塞，限制了加工效率和精度的進一步提高。此時在磨具和加工面之間附加橢圓超聲微振動，不僅磨具-工件表面會周期性地形成微小間隙，而且由于磨具的踢踏作用，磨屑很容易被排出加工區(qū)域，實現(xiàn)硬脆光電材料的高效納米精度、環(huán)境友好研拋。

（3）等離子體/超聲復(fù)合輔助磨削。等離子體輔助磨削也是物理場輔助加工技術(shù)，它是在磨削金屬材料時，以工件為陽極、砂輪為陰極，兩極之間加高頻脈沖電壓使得砂輪-工件間產(chǎn)生等離子體放電并電離磨削液產(chǎn)生大量的OH-離子。由于OH-離子的強氧化作用，工件表面快速生成一層亞微米厚度軟脆氧化膜。此時若將砂輪磨粒切深控制在氧化膜厚度以下，僅氧化層被切除，可大幅度降低磨削力和熱，極大地提高加工效率和延長砂輪壽命，進而將超聲振動附加于砂輪會進一步促進OH-離子的產(chǎn)生，增加氧化層的厚度，結(jié)果就是進一步提高了加工效率，延長了砂輪壽命。

吳勇波：多場輔助精密加工這一概念的提出有個循序漸進的過程，并非一蹴而就。我攻讀博士期間師從日本著名的磨削加工專家莊司克雄教授，從事無心磨削技術(shù)研究。畢業(yè)后去了尼康公司從事超聲馬達的研發(fā)工作，開始對超聲振動的原理、方法及應(yīng)用有了比較深入的理解和實踐。回到大學(xué)工作后，首先將超聲應(yīng)用于自己比較熟悉的無心磨削，開發(fā)出一種利用超聲控制工件回轉(zhuǎn)的新型無心磨削技術(shù)。它是借鑒超聲馬達中定子以其橢圓超聲運動對轉(zhuǎn)子實行摩擦驅(qū)動的原理，用一個橢圓超聲機構(gòu)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)輪系統(tǒng)來控制工件回轉(zhuǎn)速度。此技術(shù)能較容易地實現(xiàn)無心磨床的小型化和直徑數(shù)十微米微細軸類零部件的精密加工制造，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了在平面磨床上進行無心磨削的技術(shù)。后來又發(fā)明了螺旋超聲輔助磨粒加工法，加工中磨粒的運動軌跡為一空間螺旋線，此方法不僅可以提高加工表面質(zhì)量，還可以大幅度提高加工效率和磨具工作壽命。在此基礎(chǔ)上，進而提出了前面介紹過的超聲輔助固結(jié)磨粒CMP，并成功地應(yīng)用于單晶硅、石英玻璃的高效超精密干式拋光加工上?；诖思夹g(shù)研發(fā)成功了應(yīng)用于大口徑晶圓片邊緣的鏡面加工處理設(shè)備，該樣機在2015年東京國際半導(dǎo)體展覽會上受到了廣泛關(guān)注。

為了解決鈦合金、鎳基高溫合金等航空難加工材料切削時刀具磨損快、加工效率低的問題，提出了一種利用超聲潤滑效果的新型橢圓超聲輔助切削法，可大幅降低刀具與切屑及工件待加工面間的摩擦力，同時刀刃對切屑的高頻振動加速其疲勞破壞，促進斷屑。試驗證明此方法在減小切削力、降低切削熱、提高刀具壽命、改善加工質(zhì)量上效果顯著。在磨削方面，又開發(fā)出了等離子體/超聲復(fù)合輔助磨削技術(shù)，可大幅度減小Ti-6Al-4V和Inconel 718的磨削力，延長磨具壽命。后來基于導(dǎo)電材料的電塑性效應(yīng)，即在高頻大電流脈沖的作用下，金屬等導(dǎo)電材料會呈現(xiàn)出塑性大幅度提高的現(xiàn)象，提出了電塑性輔助機械加工的方法。Ti-6Al-4V的切削試驗表明可大幅度降低切削力、提高表面質(zhì)量，但同時因為黏性的增加，出現(xiàn)斷屑不暢、粘刀的現(xiàn)象，將超聲引入加工過程就能夠較好地解決此類問題。

在磁場利用方面，借鑒磁流體和磁流變液各自的長處和短處開發(fā)出一種稱作MCF（Magnetic Compound Fluid）的新型磁流變拋光液，并發(fā)明了作用于此拋光液的空間旋轉(zhuǎn)磁場。在此磁場作用下，MCF拋光液內(nèi)部形成眾多沿磁力線分布的微米級柔性拋光刷，并能自動整形和恢復(fù)形狀，既可用于平面及曲面的納米精度拋光，又適用于微細溝槽的超精密拋光。試驗表明，此技術(shù)不僅對非磁性材料很有效，對無電解Ni-P鍍層等磁性材料也能發(fā)揮很好的作用，可用于大型半導(dǎo)體和光學(xué)基板的超平滑高效高質(zhì)拋光及非球面光學(xué)透鏡、反射鏡及太陽光聚光用菲涅耳透鏡的超精密自動制造工程。后來又發(fā)明了MCF拋光輪，利用楔形效果實現(xiàn)平面或曲面的高效鏡面拋光。此技術(shù)是在圓盤形磁鐵外周面上磁力吸附一層MCF拋光液，以此作為砂輪狀的磨具，實現(xiàn)基于楔形效果的拋光。試驗和理論表明材料去除主要是依靠剪切力作用下的微切削和塑性流動，從而實現(xiàn)高效超精密加工。

實際上，很早就有科技人員將兩種以上機械的、物理的或化學(xué)的加工方法復(fù)合到一起解決精密加工中的問題。2014年CIRP年會上題為Hybrid Processes in Manufacturing的“Keynote Paper”在“Assisted hybrid processes”這一部分介紹了（超聲）振動、激光、介質(zhì)流、磁場輔助機械加工。在引用的66篇文獻中，65%（43篇）集中在（超聲）振動方面，其次是激光占24%（16篇），介質(zhì)流12%（8篇）和磁場3%（2篇）。文獻作者所屬國家地區(qū)方面，超聲輔助德國最多，其次是中國、日本、美國和比利時等；激光主要是德國和美國，其次有加拿大和澳大利亞；介質(zhì)流也是德國和美國比較多，其次有英國、瑞典、西班牙等；而磁場2篇均來自日本?？梢姼叨酥圃鞓I(yè)越發(fā)達的國家，對多場輔助精密加工技術(shù)研發(fā)越重視。但是等離子體、電塑性、固相化學(xué)反應(yīng)等其他物理化學(xué)場輔助方面未有文獻被引用，我相信對多場輔助精密加工的重要性的認識會越來越深，相關(guān)研究論文也會越來越多。

吳勇波：是的，在日本生活工作了27年，許多生活和工作習(xí)慣已經(jīng)在自己身上留下了很深的烙印，比如日本的法規(guī)健全、規(guī)章制度也很完善和透明、計劃性又強，因而習(xí)慣了做事有章可循、照計劃按部就班的行事模式，這些是我回國后首先遇到的挑戰(zhàn)。還有相比于日本的小改革、慢節(jié)奏，中國幾乎相反，必須盡快適應(yīng)這些是我遇到的第二個挑戰(zhàn)。另外，回國后經(jīng)常碰到鋪天蓋地的各種表格要填，如何將這些繁瑣的事務(wù)性工作與繁忙的科研教學(xué)工作有機地處理好是我面對的第三個挑戰(zhàn)。

我在日本的大學(xué)里作為終身教授主持實驗室工作10余年，工作壓力不大、生活也安逸，可以輕輕松松干到退休。但總覺得缺少點什么，細究起來原因有二：一是不是自己的祖國，主人翁意識淡薄，加之日本是個極為成熟也極為保守的社會，自己的教學(xué)科研成果很難有立竿見影的成效，成就感不高；二是日本已步入老齡化社會，經(jīng)濟停滯不前，導(dǎo)致科研經(jīng)費越來越少，有一種有勁使不上的無奈。這些是我決定放棄日本的大學(xué)終身教職全職回國的最基本考量。

現(xiàn)任職的南方科技大學(xué)確實是一所非常年輕、知名度還不高的大學(xué)。然而我決定全職加盟南科大最重要的考量因素恰恰是：深圳和南科大（SUSTech）。深圳是中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)最為活躍的地方，是中國的科技之都，然而高等教育不大不強的短板又是制約深圳更加快速、高水平發(fā)展的瓶頸。SUSTech是在這樣的背景下深圳聚全市之力創(chuàng)辦的一所高起點的瞄準(zhǔn)國際一流的研究型大學(xué)，并被教育部賦予中國高等教育改革試驗校的使命。其全新的辦學(xué)體制、豐厚的資金支持、優(yōu)秀的學(xué)生資源吸引了許多國際高端人才義無反顧地加盟進來。我認為許多專家學(xué)者放棄國外優(yōu)厚的工作、生活條件來到南科大，正是看中了它植根于充滿活力及科技創(chuàng)新力的深圳，而且與國際緊密接軌。這幾年的實踐也證明了南科大理念與體制的生命力：國際視野高水平教師越來越多、生源越來越優(yōu)秀、科研成果越來越豐碩、國內(nèi)外聲譽越來越高。

毛主席說過世界怕就怕“認真”二字，日本大概是世界上最講認真的民族，精益求精、敬業(yè)、細心，這些優(yōu)點非常值得我們學(xué)習(xí)。比如，日程安排、教學(xué)計劃制定一般會提前很久就做好，并通知相關(guān)人員做好準(zhǔn)備，以后不會因為管理者的情況而輕易更改，因為他們也有不能隨意給人添麻煩的意識；還有例會一般會把其日程固定下來，別的日程就會避開例會時間來安排?？蒲杏幸环N耗時和不確定性的特質(zhì)，對這些行政主管部門也較了解，不會在內(nèi)容進展和經(jīng)費使用方面過多限制，研究者相對自由，這些是值得我們借鑒的地方。

日本的大學(xué)教育值得借鑒的是“實踐”和“自主”，努力給學(xué)生創(chuàng)造“動手”與“體驗”的機會和條件，在大的框架下給學(xué)生充分的自由。此外，人才培養(yǎng)的每一個環(huán)節(jié)教授都緊密參與其中，行政人員的職責(zé)就是負責(zé)相關(guān)的具體行政事務(wù)。這些是我個人的體會和認識，歡迎共同探討。