材料加工損傷嚴(yán)重影響加工后零件的性能、壽命和可靠性，一直是機(jī)械制造領(lǐng)域必須面對(duì)的問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)零件加工表面完整性的要求越來(lái)越高。如何實(shí)現(xiàn)材料，尤其是難加工材料的高效低損傷加工是機(jī)械制造領(lǐng)域亟需克服的挑戰(zhàn)。

1、硬脆難材料加工的磨削

大型空間光學(xué)鏡面、先進(jìn)陶瓷、硅鍺半導(dǎo)體、藍(lán)寶石玻璃、碳化硅、金剛石等一些具有優(yōu)良性能的硬脆難加工材料在電子、光學(xué)、儀器儀表、航空航天和民用等行業(yè)的需求量很大，用來(lái)制造高技術(shù)產(chǎn)品的前景十分廣闊。

通常，硬脆材料具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、高溫下蠕變小等獨(dú)特的物理和力學(xué)性能，可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴(yán)酷工作環(huán)境；另一方面，硬脆材料的高脆性、高硬度、微裂紋、低塑性等缺點(diǎn)成為它的軟肋，使得其加工比一般材料要困難得多。在傳統(tǒng)的切削、銑削、磨削等制造加工技術(shù)中，刀具作用力大，加工工件表面完整性差，亞表面損傷嚴(yán)重，很難保證對(duì)硬脆材料的高加工精度要求。特別地，盡管近凈成形技術(shù)已經(jīng)取得了積極進(jìn)展，磨削作為最高效的加工手段，仍然被廣泛應(yīng)用在脆性材料加工的最后一道工序中。

但是，由于硬脆材料的特殊屬性，普通磨削過(guò)程中大多會(huì)產(chǎn)生變質(zhì)層、表面/亞表面裂紋、殘余應(yīng)力、表面微破碎、相變區(qū)域等多種類型的損傷。

通常，硬脆材料的磨削主要有脆性斷裂、破碎去除、晶界微破碎等脆性去除方式。磨削加工誘發(fā)的損傷主要有兩種形式：一種是由徑向裂紋在磨削表面上形成的可見(jiàn)的表面損傷，另一種是由中徑裂紋和側(cè)向裂紋在受影響的磨削區(qū)下方形成的不可見(jiàn)的亞表面損傷。尤其是在對(duì)硬脆材料進(jìn)行宏觀尺度加工時(shí)，若施加的載荷超過(guò)了材料的強(qiáng)度極限，工件便傾向于遭受基于解理的斷裂，最終以裂紋的形核和擴(kuò)展形式失效，導(dǎo)致加工工件出現(xiàn)不可見(jiàn)的損傷。這些損傷將嚴(yán)重影響硬脆材料的表面特性和加工質(zhì)量，使得工件的疲勞/斷裂強(qiáng)度、抗磨損、抗腐蝕等使用性能顯著降低，甚至發(fā)生災(zāi)難性故障。

為了使得磨削后的硬脆工件具有較高的表面質(zhì)量、較少的亞表面損傷和超高的加工精度，深刻理解硬脆材料的去除機(jī)理并評(píng)估加工參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的重要性是很有必要的。因此，深入研究和揭示硬脆材料的磨削加工機(jī)理，研究先進(jìn)的加工工藝，預(yù)測(cè)和控制硬脆材料在磨削過(guò)程中引入的磨削損傷，以提高加工效率、降低成本、改善表面質(zhì)量、大幅度提高加工零件的可靠性，已成為硬脆難加工材料推廣應(yīng)用中亟待解決的難題之一。

2、超高速磨削技術(shù)

高速超高速磨削是磨削技術(shù)的飛躍，它突破了傳統(tǒng)磨削概念，具有生產(chǎn)效率高、砂輪使用壽命長(zhǎng)、磨削表面精度和質(zhì)量好、磨削力和工件受力變形小、磨削區(qū)溫度較低等特點(diǎn)，可集粗、精加工于一體，而且易于實(shí)現(xiàn)硬脆材料的延性域磨削，在帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、社會(huì)效應(yīng)和廣闊的綠色特性的同時(shí)，也帶來(lái)了諸多新機(jī)理研究和對(duì)傳統(tǒng)磨削機(jī)理的突破性挑戰(zhàn)。

磨削加工在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，在汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用尤其重要，根據(jù)其工藝不同可以分為多種形式。為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和高性能科技產(chǎn)品對(duì)機(jī)械零件加工精度、表面粗糙度與完整性、加工效率和批量化質(zhì)量穩(wěn)定性的要求，近年，磨削技術(shù)正朝高速、高效、精密、智能等方向發(fā)展。

3、超高速加工機(jī)理的研究

實(shí)現(xiàn)超高速加工并不困難，然而有關(guān)超高速加工機(jī)理的研究卻陷入“瓶頸”，未取得重大突破。傳統(tǒng)加工基于改良思想，采用盲人摸象手法，往往究其一點(diǎn)，不及其余，所解決的是局部問(wèn)題。

張璧教授基于原始創(chuàng)新思想，采用綱舉目張手法，在“材料脆化”和“損傷趨膚”兩大理論的指導(dǎo)下，探究材料的物理力學(xué)本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)共性規(guī)律，研究開(kāi)發(fā)超高速磨削裝備與工藝，解決難加工材料的加工問(wèn)題。因此，采用超高速加工誘發(fā)加工區(qū)材料脆化，改變材料的加工性能，抑制加工損傷，成為高效率、高質(zhì)量加工的重要技術(shù)途徑。在超高速加工條件下，加工損傷深度可以降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

高速加工中材料亞表面損傷的“趨膚效應(yīng)”

張璧教授發(fā)現(xiàn)，超高速加工中，材料加工亞表面損傷深度隨著加工應(yīng)變率的提高而降低，表現(xiàn)出加工損傷“趨膚效應(yīng)”。超高速加工能夠提高加工區(qū)材料的應(yīng)變率，降低加工損傷深度，提高加工表面完整性，同時(shí)極大地提高材料加工效率。因此深入研究超高速加工理論和技術(shù)，對(duì)我國(guó)由制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變具有重要的戰(zhàn)略意義。

高應(yīng)變率下的材料脆化機(jī)理

難加工材料如硬脆材料、鈦合金及各種復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、空間探測(cè)、軌道交通、生物醫(yī)療、半導(dǎo)體和汽車(chē)等行業(yè)。如何實(shí)現(xiàn)難加工材料的高效低損傷加工一直是制造業(yè)研究的重點(diǎn)。張璧教授提出，通過(guò)提高加工過(guò)程中材料應(yīng)變率，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中的“材料脆化”，進(jìn)而降低亞表面損傷深度，實(shí)現(xiàn)“損傷趨膚”。超高速加工提高材料加工應(yīng)變率，可以大幅提高加工效率，同時(shí)減少加工損傷。相關(guān)研究對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)由制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變具有重要的戰(zhàn)略意義。

4、特邀嘉賓

基于此，2021年11月18-20日，由DT新材料&中國(guó)超硬材料網(wǎng)聯(lián)合主辦的第六屆國(guó)際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)——金剛石論壇將在上?？鐕?guó)采購(gòu)會(huì)展中心拉開(kāi)帷幕。特邀南方科技大學(xué)工學(xué)院副院長(zhǎng)張璧教授，分享主旨報(bào)告《超高速磨削加工難加工材料表面完整性研究》，將針對(duì)鈦合金（Ti6Al4V）和鋁基碳化硅（AlSiC）兩種截然不同的典型難加工材料，基于“材料脆化”與“損傷趨膚”理論，研究其在 30 m/s-300 m/s 速度區(qū)間內(nèi)磨削加工的材料變形行為，包括表面形貌和表面粗糙度等表面變形特征，以及塑性變形、晶粒細(xì)化和晶型轉(zhuǎn)變等亞表面變形特征。結(jié)合 EBSD、TEM 和 FIB 等多種材料表征手段，考察加工速度對(duì)難加工材料表面完整性的影響規(guī)律，揭示塑性難加工材料在高應(yīng)變率條件下的塑脆轉(zhuǎn)變機(jī)制，明確材料的可加工性（Grindability）與加工速度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

張璧教授，南方科技大學(xué)講席教授、工學(xué)院副院長(zhǎng)，長(zhǎng)期致力于高速精密加工研究，研究?jī)?nèi)容涉及理論分析、多尺度建模仿真、加工工藝、過(guò)程監(jiān)控和材料表征等，使用超高速加工設(shè)備、高應(yīng)變率霍普金森拉伸和壓縮設(shè)備、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等技術(shù)以及有限元方法和分子動(dòng)力學(xué)等多尺度模擬仿真手段，探索材料加工中表面完整性的演化規(guī)律，為企業(yè)提供高效優(yōu)質(zhì)加工方案。

1988年獲得東京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位之后，赴美國(guó)俄克拉荷馬州立大學(xué)做博士后研究。1992年起，受聘為美國(guó)康涅狄格大學(xué)助理教授、副教授與終身教授，同時(shí)兼任康涅狄格大學(xué)精密機(jī)床中心主任、管理與工程制造學(xué)科主任、機(jī)械工程系本科教學(xué)主任，以及大連理工大學(xué)“精密與特種加工”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、湖南大學(xué)科技部“國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心”總工程師。張璧是教育部特聘教授、廣東省杰出人才、國(guó)際生產(chǎn)工程科學(xué)院會(huì)士（CIRP Fellow）、美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)會(huì)士（ASME Fellow）。