2024CIRP年會G組磨粒加工方向報告速覽

關鍵詞修整；磨削；拋光；化學機械拋光；邊緣效應；電化學機械拋光中圖分類號 TG58;TG74;TQ164 文獻標志碼A文章編號 1006-852X（2025）02-0274-11DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.1020收稿日期 2024-12-14 修回日期2025-01-14

2024年8月18-24日，CIRP2024GeneralAssembly會議在希臘塞薩洛尼基召開。本次會議由國際生產工程科學院（The International Academy forProduction En-gineering，CIRP）主辦，主要討論國際制造領域的最新進展。多位磨粒加工領域的專家學者參加了此次會議，并發表交流了9篇磨粒加工領域的論文（G組），主題包括磨削模型、磨削加工性、拋光工具、內表面拋光、化學機械拋光、拋光邊緣效應以及電化學機械拋光等。

受《金剛石與磨料磨具工程》編輯部委托，依序對各論文的主要創新點及結論分別進行總結和介紹，供國內相關領域的學者學習交流。

G1：磨削模型1

Aunified approachtotraversedressingwithradiused diamond tools

該研究聚焦于使用弧形修整工具的磨具橫向修整金剛石。以往的方法通常采用等效金剛石接觸寬度來建立修整過程模型，但這種方法存在固有局限性，特別是在重疊比和修整深度方面。

使用弧形遍歷盤修整時主要面臨如下挑戰。首先，修整工具由一系列不連續的金剛石顆粒組成，修整輪的接觸是間歇性的，必須考慮速度比。其次，金剛石通常會在砂輪表面修整出一個形狀或半徑，這使得計算變得復雜。再次，弧形金剛石并不會在砂輪上修整出一個真正的圓柱體，而是形成一系列理論上的螺旋形凹槽。最后，由于砂輪的每個點理論上只與修整器接觸一次，傳統的重疊比定義并不適用。這意味著需要重新考慮如何量化修整過程中的接觸和重疊。

在使用弧形遍歷盤進行修整時，模型的復雜性和局限性主要體現在間歇性接觸、速度比、計算復雜性和重疊比等方面。這些挑戰需要在建模過程中予以克服，以更準確地反映修整效果。

針對上述問題，該研究提出了一種新的幾何模型（如圖1所示），將修整過程視為一系列波紋形狀，能夠更準確地反映弧形修整工具的實際工作狀態。修整鋒利度通過“攻擊性”的概念來量化，該參數將多個不同的參數統一為一個無量綱指標，從而簡化了分析過程。研究還提出存在一種“自然鋒利度”狀態，即在磨削過程中，磨具的表面光潔度和磨削功率保持穩定的狀態。這種自然鋒利度與特定的修整攻擊性數值存在對應關系。通過引入修整攻擊性數值和波紋模型，研究者希望能夠更準確地量化磨具的鋒利度，并通過實驗驗證了這一新模型的有效性。此外，探索自然鋒利度的概念為進一步研究提供了新的視角。圖2展示了36種修整條件下功率變化與修整攻擊性、修整次數之間的關系。研究者對不同修整條件下的磨削性能進行了全面的比較和分析。通過將功率變化與修整攻擊性相關聯，研究者揭示了在不同修整條件下，磨削功率隨攻擊性變化的動態響應特征，這一發現有助于理解磨削效率的變化規律及其影響因素。

修整本質上是一種加工過程，其中磨削輪作為工件。基于第一性原理建立的方程，將修整鋒利度量化為一個具有普適性的無量綱參數一一攻擊性，適用于所有弧形金剛石修整操作。實驗結果表明，該攻擊性參數能夠準確量化旋轉橫向盤修整的弧形鋒利度，驗證了該方法在實際應用中的有效性。

G2：磨削模型2

Rotarydressingandcylindrical grindingsimulation for leadpatternprediction

該文建立了用于預測導程圖案的旋轉修整-圓柱磨削運動學模型。該模型系統分析了修整和磨削參數、修整力以及砂輪不平衡效應的相互關系及其對最終導程圖案的影響。為了驗證該模型，進行了一系列實驗測試，并對工件表面形貌和模擬導程進行了表征。實驗結果驗證了模型的有效性，并表明其可作為選擇最佳修整和磨削參數的有效工具，從而實現最小化或消除導程的特定表面質量。

該研究開發的模型如圖3所示。為了更加真實地模擬修整過程，模型加入了修整力和砂輪不平衡效應的影響。在獲得修整后的砂輪形貌后，基于已定義的工藝參數，并考慮砂輪不平衡效應進一步模擬磨削過程。該模型使用MATLAB開發，在砂輪和工件上的周向離散度為 0.001^° ，軸向離散度為 5μm 。

為了分析修整和磨削參數對導程圖案生成的影響，需要對不同修整條件下的修整軌跡特征進行分析，并闡明這些軌跡在磨削過程中的轉移規律。為了覆蓋工業環境中鋁土礦砂輪的典型修整條件的最廣泛范圍，模擬了正負修整速度比 q_d 以及廣泛的重疊比 U_do 在磨削操作方面，模擬了不同的磨削速度比 q_ns 以及有無火花磨削的條件。圖4展示了不同修整和磨削參數組合下的砂輪形貌和磨削工件表面的仿真結果，同時也顯示了相應的理論導程特征。

圖5展示了數值模型模擬的工件導程特征與實際工件導程測量結果之間的比較，涵蓋了不同的修整和磨削參數組合。結果表明， U_d，q_d 和 q_ns 對導程特征的影響具有明顯規律。可以觀察到， q_d 對導程深度的影響受法向修整力的影響。當 q_d 值處于連續修整軌跡區域時，生成的導程圖案保持不變；一旦 q_d 值進入過渡區或不連續修整軌跡區域，生成的導程圖案便開始變化。這可能是由于相鄰修整尖端軌跡在砂輪上生成了不同的導程，也可能是由于導程深度減小導致砂輪不平衡的影響更加顯著，或者二者的協同作用。

該研究開發的旋轉修整-圓柱磨削運動學模型能

夠預測不同修整和磨削參數組合下的導程圖案，同時考慮了修整力和砂輪不平衡效應的影響，為選擇最合適的工藝條件以實現特定表面質量（最小化或消除導程）提供了有用的工具。在未來的研究中，提高對切削點位移控制的精確度將是一個重要的方向，以進一步提高模型在更廣泛修整-磨削條件下的預測精度。

G3：磨削加工性1

Effect of alloy-specific case-hardening layers on the grindability of gears

過往研究表明，表面硬化導致的不同亞表面微觀結構對齒輪磨削加工性有顯著影響。然而，合金系統的影響尚未被詳細考慮。為了填補這一空白，選用6種不同合金體系的表面硬化鋼，對其表面硬化層進行分析，并比較它們在齒輪不連續輪廓磨削過程中的加工性。結果表明，最外層亞表層區域（深度約為 30μm ））對磨削加工性具有顯著影響。

該文研究了不同滲碳鋼對間斷齒形磨削加工性及其技術極限的影響。研究表明，在相同條件下，不同滲碳鋼在發生磨削燒傷前的材料去除體積相差5倍以上。對比分析發現，亞表層的主要差異僅集中在表面以下約 30μm 的區域內（磨削余量為 150μm ），如圖6所示。在這一最外層亞表層中，原材料中錳含量與氧化物形成之間呈顯著相關性：錳含量較高時，氧化物形成明顯增加，導致磨削加工性顯著下降，如圖7所示。此外，該效應還受到表面附近合金成分貧化的疊加影響。這種合金成分貧化會因具體合金體系的不同而降低最外層亞表層的淬硬性，從而進一步惡化磨削加工性。

圖8展示了不同合金體系的磨削性能對比。通過對所有研究的滲碳鋼在相同條件下應用間斷齒形磨削的參考工藝，對比分析了在未發生磨削燒傷時去除的材料體積與主軸功率的平均增加量。研究發現，17NiCrMo6-4的磨削加工性最佳，而20CrMnMoH和26MnCrNiMo6-5-4的磨削加工性最差。

研究結果表明，通過優化合金體系和滲碳鋼的選擇，以及熱處理與磨削工藝參數的調控，可以顯著改善齒輪的磨削加工性。這項研究的齒輪樣本均在常壓條件下進行熱處理。在未來，將通過對低壓滲碳變體的對比研究進一步擴展相關發現。低壓滲碳工藝能夠有效防止內部氧化，有望通過消除內部氧化的影響，進一步揭示最外層亞表層對磨削加工性的影響機制，并擴展合金體系影響的理論基礎。

G4：磨削加工性2

Aninvestigationintothegrindabilityofadditivelymanufactured 42CrMo4steel

該研究旨在探討增材制造42CrMo4鋼在磨削加工中的表現，并評估其與傳統制造鋼材的磨削加工性差異，特別關注磨削過程中可能出現的砂輪磨損情況。這對于深入了解增材制造材料在實際應用中的加工適用性和加工效率具有重要意義。

圖9展示了材料去除過程中（未進行重新修整）傳統材料與增材制造材料的磨削力及力比的變化。兩種材料均表現出典型的初始力較小（由磨輪磨合所致），隨后法向力和切向力緩慢且穩定增大的現象。其中，切向力增大較為緩慢，而法向力增大相對明顯。在兩種材料的對比中，增材制造材料的磨削力增速明顯較快，尤其是法向力的上升趨勢更為突出。法向力的快速增大表明磨粒層的磨損正在加劇，導致砂輪逐漸變鈍，并且砂輪與工件之間的接觸面積逐步增大。增材制造材料表現出較大的法向力，表明其磨輪磨損速率較高。在圖9b中，隨著磨削時間的延長，較低的力比也反映出砂輪的逐步鈍化，這一現象在增材制造材料中尤為明顯。

該研究填補了增材制造低合金結構鋼在磨削精加工操作方面的研究空白，特別是針對通過激光粉末床熔融工藝生產的鋼材。研究評估了該材料的磨削加工性，并與傳統材料進行了比較。盡管二者在微觀結構和機械性能上存在差異，但在大多數磨削加工性評估標準（如特定磨削能量和表面完整性）方面，磨削過程的特征是相似的。然而，由于夾雜物特性的不利影響，增材制造材料的砂輪磨損更為嚴重，磨削加工性更差。可能需要對磨削過程進行調整，例如改變修整間隔，以適應不同的砂輪磨損率。盡管如此，磨削仍是激光粉末床熔融低合金結構鋼可行的精加工方法。未來的研究將探討表面改性和熱處理對馬氏體特性和晶粒大小的影響，及其對磨削加工性和疲勞壽命的影響，重點關注齒輪磨削等應用。

G5：拋光工具

Abrasive finishing of surface structures with diamondcoated foams

功能性表面的微觀結構對高負載零件的性能和耐磨性至關重要。然而，常見的高進給銑削工藝會在加工表面產生毛刺和粗糙缺陷，降低零件的功能性表現。傳統拋光方法在去除這些缺陷時往往會破壞表面宏觀結構。因此，開發具有柔性和彈性的拋光工具具有重要意義，此類工具能夠在保留表面結構的同時顯著提高表面質量。該研究提出使用金剛石涂層泡沫工具，通過柔性磨削工藝改善高進給銑削的表面質量，去除微毛刺并降低表面粗糙度，同時最大程度保留功能性結構。

文章首次從單磨粒磨損與材料去除機理的角度，對氧化鋁陶瓷磨粒和cBN磨粒在高速干式磨削過程中的熱機械響應及表面完整性進行了研究，進而闡述了磨削機理。該成果推進了微觀磨削機理研究，填補了單磨粒磨削領域在熱機械性能與磨損機制的研究空白。

該研究使用涂覆有D12級金剛石顆粒的聚氨酯泡沫作為柔性磨削工具。該泡沫具有可調的硬度和彈性，能夠適應不同加工條件下工件表面的凹凸結構。圖11展示了金剛石涂層泡沫工具的顯微結構，其表面的多孔結構顯著增強了材料去除的柔性與適應性。在拋光過程中，工具表面的金剛石顆粒深嵌于聚氨酯基體中，確保了較強的磨削力與長時間的穩定性。這種設計有效地減少了表面毛刺，但不會導致表面結構的平坦化。圖12顯示了不同加工條件下表面粗糙度 S_q 的變化情況。在初始銑削時，表面粗糙度 S_q 為 0.47μm ；經過金剛石涂層泡沫拋光處理后，最低表面粗糙度降至 0.20μm 結果表明，較低的進給速度和較大的切削深度實現了更顯著的表面粗糙度降低。這是由于較高的表面壓力和較長的接觸時間促使毛刺和微觀凸起被有效去除。圖13展示了不同接觸條件下的材料分離變化情況。從圖13中可以看出，工具旋轉方向決定了表面峰頂的圓化方向。在進給方向下游，表面結構的峰頂出現了輕微圓化現象，但沒有形成平坦臺面。這種去除機制源于金剛石涂層泡沫的彈性變形特征，使其能夠適應工件表面復雜的幾何結構，從而在峰頂和谷底實現選擇性材料去除。

研究結果表明，金剛石涂層泡沫能夠在不破壞表面結構的情況下顯著降低表面粗糙度和減少毛刺，提高表面質量。實驗表明，加工參數（如進給速度和切削深度）與泡沫硬度顯著影響去除效果。該研究為復雜功能性表面結構的精密加工提供了新思路，為實際工業應用中的高精度制造奠定了重要基礎。

G6：內表面拋光

Anewinternal surfacepolishingmethod forsub-millimeterslendertubewithvaryingdiameters

變口徑細長管道結構廣泛應用于航空航天、汽車工業以及生物醫療等領域的關鍵零部件，如發動機噴嘴、進氣歧管以及穿刺針等。為保證內部流體等介質輸運的穩定性，這類零件對內表面質量有嚴格的要求。然而，由于大長徑比流道往往采用拉拔、增材制造等工藝成型，零件口徑越小，內壁粗糙度越大，難以滿足工業需求，亟須進行拋光處理。

現有的內表面拋光技術（如電化學拋光、磁力研磨以及磨粒流等）在拋光毫米至亞毫米級口徑的大長徑比細長管時，存在管內電極難制造、磨粒易堵塞以及拋光均勻性差的問題。現有拋光方法普遍存在工具可達性、可控性差以及拋光效率低等缺陷，難以滿足亞毫米級細長管內表面的拋光需求。

該文提出了一種磁力輔助化學磨料沖刷拋光方法，其原理如圖14所示。該方法利用含化學成分的低黏度拋光液實現亞毫米級細長管道內壁的拋光可達，通過高壓高速流體沖刷對管內壁進行材料去除。如圖14b所示，通過在管內設置導磁阻塞來調節拋光流體在流道內的流通面積，控制工件軸向上各點拋光液的壓力和速度，根據Preston方程調控各點的材料去除率。其中導磁阻塞由永磁體吸附固定于管內壁，通過工件旋轉實現管內壁徑向上的均勻拋光。此外，如圖14c所示，根據工件材料選擇合適的氧化劑與催化劑，可以降低工件表面硬度，進一步提高材料去除率與表面質量。基于磁性阻塞尺寸與拋光材料去除率的數學模型，該研究計算了內徑 0.7mm 縮至 0.3mm 的變徑醫用穿刺針（初始粗糙度 S_a=600～1100nm ）各點所需的材料去除量與磁性阻塞尺寸。經過 80min 的拋光，實現針管內各點粗糙度均 lt;40nm ，且管內流阻降低，流體流速從 36m/s 上升至 43m/s 。實驗裝置和變徑醫用穿刺針拋光前后對比分別如圖15和圖16所示。

藝的靈活性。為降低成本并提高過程控制的精度，該文提出了一種基于實時扭矩數據和數字孿生模型的MRR預測方法。該方法可以在不依賴EPD設備的情況下實現實時過程控制，提高生產效率和產品質量。

文中，CMP模型采用修正的 Preston方程 d_MRR= k_pp^1.01ν^0.74 來估算材料去除率。其中， d_MRR 為材料去除率，p 為拋光壓力， k_p 為通過實驗擬合的比例常數， u 為相對速度。通過引入與拋光扭矩相關的摩擦系數模型，采用批量最小二乘法（BLS）和卡爾曼濾波器（KF）進行實時估計。

圖17為CMP裝置的運動示意圖。實驗過程中，通過監測拋光過程中的扭矩變化，建立了摩擦系數和d_MRR 的關聯模型。圖18所示為不同拋光條件的 d_MRR 下預測與實際測量結果對比。結果顯示， d_MRR 隨拋光壓力和相對速度的變化呈現非線性特征。預測結果與實驗數據高度吻合，證明了模型的準確性。圖19顯示了拋光墊使用1和 5h 后 d_MRR 的預測與實際測量結果，隨著拋光墊磨損， d_MRR 在晶圓中心區域顯著降低，表現出典型的中心減速現象。這是由于長時間拋光導致墊表面磨損，改變了漿料分布和磨削效率。利用BLS和KF進行實時估算，結果顯示該方法能有效預測 d_MRR 分布和摩擦力變化。

該研究證明了基于扭矩數據的 d_MRR 實時預測方法的有效性。該方法能夠準確預測CMP過程中 d_MRR 的動態變化，有助于提高晶圓內非均勻性（WIWNU）和晶圓間非均勻性（WTWNU）的控制精度。該研究為

CMP的智能化過程控制和預測模型的開發提供了重要的理論和實驗基礎。未來研究將引人溫度和漿料分布等更多動態變量，開發集成預測模型的實時過程控制系統，并在金屬CMP和多層結構平坦化等更復雜的應用場景中進行實驗驗證。

G8：拋光邊緣效應

Changesin edgeshape duringsiliconwafer polishing： Roll-offandroll-upformation

硅片邊緣形狀在半導體制造中至關重要，直接影響器件制造的質量和良率。拋光過程中，邊緣形狀變化通常表現為“滾降”（Roll-off）或“滾升”（Roll-up）。傳統拋光方法往往導致滾降現象，降低了邊緣晶粒的成品率。然而，某些應用場景中需要形成滾升形狀，以補償后續加工中的去除不均。本研究通過實驗與理論模型，揭示了拋光過程中邊緣形狀的變化機制，提出了調節邊緣形狀的方法。

圖20展示了典型硅片邊緣的三段結構，包括內平坦區、邊緣滾降區和倒角區。為量化邊緣形狀，采用曲率作為評價指標，負值表示滾降，正值表示滾升。圖20b和圖20c展示了典型的晶圓厚度與曲率分布曲線，反映了邊緣滾降程度和角部銳度。由圖可知，滾降區域寬度和角部銳度顯著影響邊緣的加工質量。

圖21展示了不同初始邊緣形狀拋光前后的輪廓。實驗結果表明，初始滾降較小的硅片在拋光過程中更容易產生滾降現象，主要受邊緣去除量的徑向增長控制；相比之下，具有較大初始滾降的硅片表現出更穩定的邊緣變化。

實驗結果表明，邊緣形狀變化受初始形狀與拋光過程中接觸深度的雙重影響。通過優化拋光墊表面紋理和使用特定設計的保持環，可以在不犧牲表面質量的情況下調節邊緣形狀。圖22展示了3種不同紋理的拋光墊，其表面凸部參數顯著影響拋光效果：較小的平坦區寬度和較大的凸部間距能夠減小滾降，甚至產生滾升。這種設計顯著提高了拋光過程中邊緣形狀的可控性，展現出了良好的工業應用潛力。

該研究為硅片拋光過程中的邊緣形狀控制與精密

制造提供了重要的理論支持與實踐指導。未來研究將著重于開發能精確表征接觸應力分布的分析模型，實現基于實時反饋的自動化邊緣形狀調控，并在更大直徑的晶圓和多步加工流程中驗證該方法的適用性。

G9：電化學機械拋光

Oxidation mechanism of 4H-SiC in slurry-less ECMP withweak alkaline electrolyte

該研究揭示了弱堿性KOH電解液中，4H-SiC（0001）晶圓在無拋光液電化學機械拋光（slurry-lessECMP）過程中的氧化機制。使用KOH電解液代替傳統的中性NaC1電解液，利用陽極氧化層與OH之間的蝕刻反應，有效抑制了氧化層的破裂，從而在不犧牲氧化速率的同時，避免了SiC表面粗糙度的惡化。該研究成果為4H-SiC的高效ECMP工藝提供了理論支持，具有重要的工業應用前景。

4H-SiC因其高介電擊穿強度、寬禁帶以及高熱導率，成為高溫高功率半導體器件的重要材料。然而，其高硬度、強化學惰性導致傳統的化學機械拋光（CMP）技術效率低下，加工時間長且成本高。而無拋光液ECMP工藝解決了這一問題，該工藝通過陽極氧化反應在SiC表面形成更易拋光的氧化層，同時使用固定磨粒代替自由磨粒，以提高材料去除率。通過交替進行陽極氧化和機械去除，最終實現了4H-SiC的原子級表面拋光。

現有的無拋光液ECMP工藝多采用中性NaC1電解液。在此過程中，SiC表面的陽極氧化反應會生成SiO₂ ，但當絕緣氧化層厚度超過臨界值時，電荷積累會導致局部破裂，進而形成氧化凸起，增加表面粗糙度。如圖23所示，在 ΔNaCl 電解液（NaC1質量分數為 1% ）中進行60s陽極氧化后，4H-SiC表面粗糙度顯著增大（ S_a=30.8nm ），并產生大量氧化凸起。為避免這種

情況，傳統方法通過降低氧化速率來抑制氧化層破裂。

此外， ΔNaCl 還容易導致設備腐蝕，限制了其工業應用。

為了解決上述問題，該文提出使用弱堿性的KOH電解液（KOH質量分數為 6% ）。如圖24所示，在KOH電解液中，樣品表面積累的電荷吸引 ，僅在樣品近表面形成高濃度OH層。通過 Ω_oH^- 與氧化層的蝕刻反應，維持氧化層的低厚度，從而防止破裂。通過合理選擇KOH的濃度和陽極氧化電流密度，調整蝕刻速率，可以在不降低氧化速率的前提下，獲得更低的表面粗糙度。

如圖25所示，在相同的 1mA/cm² 陽極氧化條件下，使用 ΔNaCl 電解液時，由于缺乏蝕刻作用，僅2s內氧化層表面電荷積累便導致膜層破裂并形成凸起，使表面粗糙度 S_a 從 0.1nm 惡化至 2.4nm 。而在使用KOH電解液時，氧化速率與蝕刻速率實現了良好平衡，避免了因氧化層破裂而產生的氧化凸起，最終樣品表面粗糙度穩定在 0.1nm ，同時維持較高的氧化速率。該研究闡述了在KOH電解液中4H-SiC的陽極氧化機制，證明了KOH電解液能夠有效替代 NaCl ，解決了氧化層破裂和設備腐蝕的問題，為4H-SiC的高效無拋光液ECMP工藝提供了理論基礎，有望在工業應用中推廣。

結語

國際生產工程科學院（CIRP）是世界頂尖的生產工程研究機構，也是機械工程領域學術地位最高的國際學術組織。其致力于機械和系統的設計、優化、控制和管理方面的研究，現擁有來自50個國家的600名學術及工業會員。

CIRPAnnals為國際生產工程科學院的會刊，是機械工程領域國際高水平期刊，年發表文章僅100余篇，主要發表工程技術及工業制造等領域的文章，內容涵蓋切削、設計、成形、表面處理、特種加工、生產系統和組織、精密工程和計量、生命周期工程、微系統技術、納米技術等方面。

（編輯：趙興昊）

Glimpse into reports on abrasive machining （Group G） during CIRP 2024 General Assembly

GUO Jiang1， SUN Rongyan2， ZHANG Zili3

（1.State Key Laboratory ofHigh-Performance Precision Manufacturing，School ofMechanical Engineering. Dalian University of Technology，Dalian 116ooo，Liaoning， China） （2.Research Center for Ultra-Precision Science and Technology，School/Graduate School of Engineering，University ofOsaka，Osaka 5650871，Japan） （3.State KeyLaboratory of Ultra-Precision Machining Technology，Department of Industrial and Systems Engineering，Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong 999077， China）

AbstractTo promote the international cutting-edge technical exchange in the fieldof abrasives，theGroupG （abrasive processing） papers in the 2024 CIRP Annals-Manufacturing Technology journal have been speciall selected for introduction.A total of9 paperson this topic have been published， numbered G1 to G9 in the order ofsubmission. The research topics of these papers include grinding models （G1/G2）， grinding machinability（G3/G4）， polishing tools （G5）， inner surface polishing （G6）， chemical mechanical polishing （G7）， polishing edge efects （G8），and electrochemical mechanical polishing （G9）. This paper summarizes and introduces the main inovations and conclusions of each study to facilitate learning and communication among scholars in related fields.

Key wordsfinishing; grinding; polishing;chemical mechanical polishing;edge effect; electrochemical mechanical polishing