碳化鎢是玻璃透鏡精密模壓生產中重要的模芯材料，具有高強度、高耐磨性與熱穩定性。金剛石超精密切削是獲得光學級表面（尤其是復雜曲面）的重要加工方法，能夠實現納米級表面粗糙度與亞微米級形狀精度。由于碳化鎢屬于典型硬脆性材料，嚴重的刀具磨損與表面碎裂使得其金剛石切削難度極大。已有研究表明，采用超聲振動輔助技術能夠提高脆性材料的加工性能、減輕刀具刃口磨損；也有報導指出對于某些材料振動的引入反而會帶來負面效果。為了獲得更好的使用性能，模芯材料從含金屬相（如鈷、鎳）發展為無金屬相碳化鎢(binderless WC)，其硬度與彈性模量的進一步增加對金剛石切削帶來更大挑戰。天津大學微納制造實驗室(MNMT)針對無金屬相碳化鎢研究了超聲振動輔助與離子注入表面改性(NiIM)兩種輔助手段對加工性能與表面質量的影響，并通過數值模擬揭示內在機制。不同于超聲切削對刀具運動軌跡的調控，離子注入表面改性則是采用高能離子束轟擊工件以改變其表層晶格結構，從而降低材料的機械強度與脆性。該方法的有效性已經在單晶硅、鍺等光學晶體上得到驗證，本文通過高能金離子注入，使碳化鎢表層發生非晶化，納米壓痕硬度從28.6 GPa降低至19.9 GPa。這種材料性能的改變顯著降低了切削過程中的表面裂紋尺度與分布密度，切屑表面出現的剪切帶證明了離子注入后材料塑性的提高，最終實現了刃口磨損的降低。采用橢圓超聲振動后，研究表明未注入與注入碳化鎢的切削表面碎裂與刀具磨損均加重。分子動力學分析揭示其原因在于高頻振動會導致材料的沿晶斷裂及切削力尖峰，因此對于諸如無金屬相碳化鎢這樣的超硬材料，表面軟化是更為有效的途徑；此外，超聲切削的優勢仍可能隨著機械強度的降低而體現出來，兩種輔助加工方法的結合是解決此類材料加工難題的潛在途徑。

       作者簡介

       房豐洲，天津大學精密儀器與光電子工程學院教授，長期從事精密制造、微納制造、超精密加工及檢測的研究，在納米機械加工基礎理論、方法、及技術領域開展了一系列開拓性研究工作。國際納米制造學會(International Society for Nanomanufacturing)發起人和第一任主席；納米制造與計量(Nanomanufacturing and Metrology)主編；國際生產工程院(International Academy for Production Engineering)Fellow、制造工程師學會(Society  for Manufacturing Engineers)Fellow、國際納米制造學會Fellow。