超聲輔助技術(shù)制備微結(jié)構(gòu)的原理與應(yīng)用概述

0 引 言

近年來，隨著超聲輔助技術(shù)在各領(lǐng)域的成熟運(yùn)用，超聲輔助技術(shù)已成為表面微結(jié)構(gòu)制備的一種新方法

。微結(jié)構(gòu)是具有一定分布規(guī)則的微觀拓?fù)湫螤畋砻妫珲忯~皮膚表面分布著間隔排列的盾鱗結(jié)構(gòu)

。研究發(fā)現(xiàn)，鯊魚皮膚表面的微溝槽形狀能夠減小鯊魚在水中的運(yùn)動(dòng)阻力，某公司根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)將微溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)用到泳衣的設(shè)計(jì)中，研發(fā)減阻性能優(yōu)越的鯊魚皮泳衣。同樣，蜣螂的表面分布不同形狀且具有減阻效果的微小凹坑結(jié)構(gòu)，將微小凹坑結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高爾夫球的表面設(shè)計(jì)中，能減小高爾夫球在空中飛行時(shí)的阻力

。研究微結(jié)構(gòu)的重要意義在于改進(jìn)產(chǎn)品的性能，提高產(chǎn)品的實(shí)用性。隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，制備表面微結(jié)構(gòu)方式越來越多，現(xiàn)有的微結(jié)構(gòu)表面制備方法主要有激光加工、電解加工、超精密加工、光化刻蝕、化學(xué)氣相沉積、表面噴丸、壓印、超聲輔助等，不同的制備方式有各自不同的特點(diǎn)

。

超聲輔助技術(shù)作為微結(jié)構(gòu)制備的一種方法，依靠機(jī)械波的傳播產(chǎn)生粒子的劇烈機(jī)械振動(dòng)而引起介質(zhì)間的相互作用

。超聲技術(shù)的理論基礎(chǔ)主要有空化作用、熱效應(yīng)和機(jī)械作用，空化作用指超聲波的高頻機(jī)械振動(dòng)通過介質(zhì)進(jìn)行傳播，介質(zhì)在負(fù)壓的過強(qiáng)作用下使分子距離達(dá)到上限，破壞結(jié)構(gòu)的完整性，形成空穴，產(chǎn)生微小的空氣泡。持續(xù)不斷的超聲波正壓區(qū)讓泡內(nèi)的壓力差增大，可產(chǎn)生高達(dá)幾百個(gè)大氣壓力差。熱效應(yīng)是指超聲波在介質(zhì)間的傳播中，粒子之間會(huì)發(fā)生摩擦和碰撞，超聲波產(chǎn)生的機(jī)械能通過介質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)換成熱能，促使介質(zhì)的溫度升高。機(jī)械作用通過機(jī)械振動(dòng)破壞介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的改變。目前，超聲技術(shù)在輔助提取、物理改性、輔助加工等方面都有廣泛應(yīng)用，在輔助加工方面，將超聲輔助技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)如車、銑、磨、鉆、拋光、刻劃相結(jié)合，利用超聲波的高頻振動(dòng)在工件表面產(chǎn)生典型的微結(jié)構(gòu)，在濕潤性、摩擦特性、生物學(xué)特性上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)改變。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境檢測領(lǐng)域包括行業(yè)獨(dú)立的環(huán)境檢測公司（或監(jiān)測站）和相近行業(yè)的監(jiān)測站，全國與本項(xiàng)目有關(guān)的檢測公司（或監(jiān)測站）有7 430余家[1]．檢測行業(yè)的需求源于“認(rèn)知”，是社會(huì)發(fā)展催生的新興服務(wù)業(yè)．2014年，國家提出在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域開展第三方監(jiān)測后，全國各地檢測、監(jiān)測公司迅速發(fā)展，之后的2年內(nèi)全國成立了約1 500家第三方檢測公司．

1 超聲輔助切削技術(shù)簡介

與傳統(tǒng)切削加工方式相比，超聲輔助切削技術(shù)使切削性能與加工質(zhì)量得到改善

。在超聲的作用下，刀具或工件沿著一定方向進(jìn)行可控制、有規(guī)律的振動(dòng)，使加工后的工件表面形成特定形貌的微結(jié)構(gòu)。依據(jù)振動(dòng)頻率的不同，振動(dòng)輔助切削主要有2種形式，一種為低頻振動(dòng)切削（20～150 Hz），另一種為高頻振動(dòng)切削（15 kHz及以上）。目前，高頻率振動(dòng)切削中使用高于20 kHz以上的振動(dòng)頻率在超聲輔助切削領(lǐng)域應(yīng)用較多。超聲輔助切削的加工方式主要有超聲振動(dòng)輔助車削、銑削、磨削等。

超聲振動(dòng)系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、換能器以及變幅桿構(gòu)成，其工作原理是超聲波發(fā)生器將220 V、50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換成高頻電振蕩信號(hào)，通過換能器將高頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，在通過變幅桿的作用將機(jī)械振動(dòng)放大，然后傳給刀具或工件，使刀具或工件沿著某個(gè)方向進(jìn)行振動(dòng)，加工后的工件在表面會(huì)形成特定形貌的微結(jié)構(gòu)。

2 超聲輔助切削的工作原理

2.1 超聲輔助車削

根據(jù)切削深度和超聲振幅之間的大小關(guān)系，沿切深方向的加工方式分為斷續(xù)型和連續(xù)型，如圖5所示。當(dāng)初始背吃刀量

a

小于超聲振動(dòng)振幅

時(shí)，為斷續(xù)型切削加工方式，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡有一部分遠(yuǎn)離工件表面；當(dāng)初始背吃刀量

a

大于超聲振動(dòng)振幅

時(shí)，為連續(xù)型切削加工方式，刀具軌跡一直處于工件表面以下。

故對于C-C鏈形成的自由旋轉(zhuǎn)鏈,以蠕蟲狀鏈計(jì)算所得均方末端距為3nl2.再根據(jù)L=nele,而h2=nel2e,由方程式(17)可算得a相當(dāng)于鏈段長度le的一半.而以方程式(2)計(jì)算的均方末端距結(jié)果為2nl2,與蠕蟲狀鏈結(jié)果相差1.5倍,這就說明蠕蟲狀鏈在模擬柔性鏈時(shí)與自由旋轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)遣灰恢碌?盡管差別不是很大,但是數(shù)學(xué)上的不嚴(yán)密是蠕蟲狀鏈模型在推導(dǎo)均方末端距時(shí)的一處“硬傷”.

在我國不存在第一類情況，少數(shù)邊遠(yuǎn)地區(qū)可短期存在第二類情況，但長期存在的強(qiáng)烈的需求將使新發(fā)現(xiàn)的油田很快就能被探明并創(chuàng)造條件投入開發(fā)。地處西北邊陲大沙漠中的塔里木盆地中部油田群就是例證。因而我國諸多盆地長期存在的大量未開發(fā)儲(chǔ)量多屬于第三類情況。

沿進(jìn)給方向施加超聲振動(dòng)，如圖2所示，其原理是將工件固定在主軸上，由主軸帶動(dòng)工件以特定轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具固定在超聲振動(dòng)系統(tǒng)的變幅桿上，超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的超聲波發(fā)生器發(fā)出正弦激勵(lì)信號(hào)，通過變幅桿帶動(dòng)刀具沿進(jìn)給方向進(jìn)行超聲頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，施加超聲振動(dòng)后的進(jìn)給量變化為：

其中，

為施加超聲振動(dòng)后的進(jìn)給量，μm/rev；

為初始進(jìn)給量，μm/rev；

為超聲振動(dòng)頻率，Hz；

為超聲振動(dòng)振幅，μm。

其中，

a

(

)為施加超聲振動(dòng)后的背吃刀量，μm；

a

為初始背吃刀量，μm；

為超聲振動(dòng)頻率，Hz；

為超聲振動(dòng)振幅，μm。

A SCHUBERT等

利用此原理進(jìn)行沿進(jìn)給方向的超聲振動(dòng)輔助車削試驗(yàn)和仿真，試驗(yàn)中使用的參數(shù)為：背吃刀量0.5 mm、進(jìn)給量0.1 mm、工件轉(zhuǎn)速50 m/min、超聲振動(dòng)頻率24 kHz，按照以上參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行表面微結(jié)構(gòu)制備，加工后的效果和仿真對比如圖3所示。

2.1.2 切深方向

切深方向超聲振動(dòng)輔助車削如圖4所示，其原理為：將工件固定在主軸上，工件以轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具安裝在變幅桿上，超聲波發(fā)生器發(fā)出正弦激勵(lì)信號(hào)，通過變幅桿帶動(dòng)刀具沿進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，沿切深方向正弦往復(fù)振動(dòng)，則在切深方向施加超聲振動(dòng)后的背吃刀量變化為：

如圖2所示，與普通車削加工過程相比，施加超聲振動(dòng)后，由于進(jìn)給量

sin(

)導(dǎo)致刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡變成隨時(shí)間變化的正弦曲線運(yùn)動(dòng)，沿進(jìn)給方向的運(yùn)動(dòng)軌跡變化成沿著工件表面呈正弦狀的軌跡。主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、振動(dòng)頻率等參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，將影響刀具的切削軌跡，能夠在工件表面制備分布特征迥異的微結(jié)構(gòu)。

在傳統(tǒng)車削方式下，沿進(jìn)給方向、徑向方向（切深方向）和切削速度方向（切向）分別施加超聲振動(dòng)，與原有刀具運(yùn)動(dòng)軌跡相比，施加超聲振動(dòng)后的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生較大變化，圖1顯示了超聲輔助車削的3種振動(dòng)形式。通過不同方向的振動(dòng)可以在工件表面形成特定形貌的微結(jié)構(gòu)。目前，在微結(jié)構(gòu)制備上最常見的是進(jìn)給方向和切深方向2種超聲振動(dòng)。

沿進(jìn)給方向施加超聲振動(dòng)原理是將超聲振動(dòng)系統(tǒng)的變幅桿與工件連接，刀具安裝在主軸上，超聲振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出正弦激勵(lì)信號(hào)傳遞給變幅桿，變幅桿將振動(dòng)傳遞給工件，加工過程中工件的運(yùn)動(dòng)包括振動(dòng)和切削2種形式，已加工表面的形貌由振動(dòng)和切削2種運(yùn)動(dòng)共同作用形成，如圖9所示。施加超聲振動(dòng)后，沿進(jìn)給方向中銑削刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡沿著

軸的方向（

軸為進(jìn)給方向）變化為：

A GRECO等

依據(jù)此原理沿切深方向采用斷續(xù)型切削的方式進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助切削試驗(yàn)，加工離散型凹坑微結(jié)構(gòu)，其中外圓表面的離散型凹坑微結(jié)構(gòu)如圖7所示。

斷續(xù)型切削方式可制備的圓柱表面凹坑形狀和分布特征如圖6（a）所示，在切削過程中，切削的深度、工件的轉(zhuǎn)速、振幅、頻率的變化影響圓柱表面凹坑微結(jié)構(gòu)的間距、分布等幾何參數(shù)。連續(xù)切削方式制備表面凹坑微結(jié)構(gòu)在某一切削速度方向下是連續(xù)的，如圖6（b）所示，凹坑的形狀和分布特征受切削刀具的幾何參數(shù)、振幅、轉(zhuǎn)速等參數(shù)影響。

錢穆曾說：“唐儒志在求善治即初期宋儒亦如此。而理學(xué)家興，則志在為真儒。志善治，必自孔子上溯之周公；為真儒，乃自孔子下究之孟軻。”[注]錢穆：《中國學(xué)術(shù)思想史論叢·周程朱子學(xué)脈論》，合肥：合肥安徽教育出版社，2004年，第199頁。 宋初古文學(xué)者正處于唐儒到理學(xué)家的轉(zhuǎn)變階段，他們從孟子思想中尋找理論資源來闡述“道”。

2.2 超聲輔助銑削

超聲輔助銑削按照維度可分為一維、二維及三維超聲輔助銑削。一維超聲輔助銑削在

、

、

三個(gè)方向中某一個(gè)方向施加超聲振動(dòng)，主要包括軸向、進(jìn)給方向和垂直進(jìn)給方向（見圖8）。二維超聲輔助銑削的振動(dòng)方向與振動(dòng)軌跡在一個(gè)平面內(nèi)，振動(dòng)軌跡既可以是2條直線方向進(jìn)行復(fù)合振動(dòng)，也可以在平面內(nèi)進(jìn)行曲線振動(dòng)。三維超聲輔助銑削是在三維空間內(nèi)的各個(gè)方向上進(jìn)行振動(dòng)銑削加工，也可以在三個(gè)方向上進(jìn)行復(fù)合銑削加工，或是某個(gè)單方向內(nèi)與一個(gè)平面曲線振動(dòng)復(fù)合銑削加工。3種維度的超聲輔助銑削加工過程，利用一維超聲輔助銑削制備的微結(jié)構(gòu)具有分布特征較好的表面形貌，且大部分研究主要涉及一維超聲輔助銑削中的進(jìn)給方向施加超聲振動(dòng)。

一是要學(xué)習(xí)和實(shí)踐馬克思主義關(guān)于人類社會(huì)發(fā)展規(guī)律的思想。學(xué)習(xí)這一思想的現(xiàn)實(shí)意義在于堅(jiān)定共產(chǎn)黨人的理想信念，筑牢理論自信的根本。

②記m 為a,b,c,d四個(gè)數(shù)中最小值，對于由兩個(gè)數(shù)對(a,b),(c,d)組成的數(shù)對序列P(a,b),(c,d),和P′(c,d)，(a,b),試分別對m=a和m=b的兩種情況比較T2(P)和T2(P′) 的大小.

其中，

X

(

)為施加超聲振動(dòng)后

方向的位移，μm；

(

)為初始位移，μm；

為超聲振幅，μm。選擇合適的進(jìn)給速度、振幅、頻率、主軸轉(zhuǎn)速可以制備表面性能較好的微結(jié)構(gòu)。

2.1.1 進(jìn)給方向

在東莞石排鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上，建立東莞石排鎮(zhèn)各類企業(yè)之間的密切聯(lián)系，形成企業(yè)的核心價(jià)值。并在政府宏觀調(diào)控的政策下構(gòu)建核心服務(wù)體系，形成區(qū)域較高的核心能力。并構(gòu)建完善的培育機(jī)制，構(gòu)建石排鎮(zhèn)強(qiáng)大的核心團(tuán)隊(duì)。

劉憲福等

利用MATLAB軟件進(jìn)行超聲輔助銑削三維表面形貌仿真，仿真后又進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)，通過進(jìn)給方向的仿真分析和試驗(yàn)論證，加工出與仿真效果相似的表面形貌特征，如圖10所示，表面微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“肋條狀”和“鱗片狀”的形貌。

此外，陶國燦

通過超聲輔助銑削沿進(jìn)給方向的加工試驗(yàn)，制備與蜣螂頭部、扇貝貝殼具有相似形貌的微結(jié)構(gòu)表面，如11所示。

2.3 超聲振動(dòng)輔助磨削

目前，常見制備微結(jié)構(gòu)表面的加工方法是車削和銑削，超聲振動(dòng)輔助磨削在硬脆材料表面加工特定形貌的微結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢。如陶瓷、單晶硅、碳化鎢等硬脆材料硬度高、脆性強(qiáng)，采用磨削技術(shù)與超聲加工相配合可以降低材料加工難度

，保證加工后的微結(jié)構(gòu)形貌特征。圖12所示為采用磨削方法在玻璃基板表面加工微溝槽原理，通過帶有溝槽的磨輪在玻璃基板等間距的正反運(yùn)動(dòng)，制備直線微溝槽結(jié)構(gòu)

。

超聲振動(dòng)輔助磨削按照維度分為一維超聲振動(dòng)和二維超聲振動(dòng)

。一維超聲振動(dòng)類型包括沿砂輪軸向振動(dòng)、徑向振動(dòng)及切向振動(dòng)，如圖13所示。二維超聲振動(dòng)是沿砂輪軸向、切向同時(shí)振動(dòng)或沿砂輪軸向、徑向同時(shí)振動(dòng)。在超聲正弦信號(hào)激勵(lì)下，砂輪的磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡不再是直線運(yùn)動(dòng)，磨粒的軌跡互相交錯(cuò)，整體分布較均勻。如圖14所示，超聲振動(dòng)磨削后的微結(jié)構(gòu)表面形貌呈“魚鱗狀”分布。

在應(yīng)用方面，BING G等

研究了超聲振動(dòng)參數(shù)和傾斜角對微結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲振動(dòng)能夠改善表面質(zhì)量（粗糙度從

136 nm減小到

78 nm），特別是在保證微結(jié)構(gòu)的邊緣清晰度方面。通過增加傾斜角度，可以將表面粗糙度進(jìn)一步減小至

56 nm，使總粗糙度提高59%，如圖15所示。

3 超聲振動(dòng)輔助刻劃

刻劃是利用金剛石刻刀在工件表面進(jìn)行擠壓和摩擦以制備V形槽表面微結(jié)構(gòu)的工藝方法。如圖16所示，金剛石刻刀固定安裝在彈性刀架的卡塊上，2個(gè)垂直的彈簧片螺紋連接主刀架、副刀架

。在2個(gè)垂直的彈簧片作用下，刻劃過程中刻刀-彈性刀架系統(tǒng)受到外力作用時(shí)，由于彈簧片的存在，刻刀可沿

、

、

軸某一方向振動(dòng)。基于此，現(xiàn)提供一種利用傳統(tǒng)的刻劃，通過主動(dòng)施加超聲振動(dòng)實(shí)現(xiàn)表面微結(jié)構(gòu)制備的新方法。沿刻刀軸線（

軸方向）施加超聲振動(dòng)，刻劃過程中，刻刀的運(yùn)動(dòng)軌跡變?yōu)?/p>

平面內(nèi)的正弦運(yùn)動(dòng)軌跡，可以在工件表面刻出波紋狀或凹坑形式的結(jié)構(gòu)；當(dāng)對副刀架或卡塊施加沿

軸方向的超聲振動(dòng)時(shí)，刻刀的運(yùn)動(dòng)軌跡變?yōu)檠?/p>

平面內(nèi)的正弦運(yùn)動(dòng)軌跡，可刻出附著在工件表面的正弦狀結(jié)構(gòu)。將振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率設(shè)置為低頻振動(dòng)時(shí)，利用低頻振動(dòng)和刻刀-彈性刀架系統(tǒng)固有頻率實(shí)現(xiàn)共振也是制備表面微結(jié)構(gòu)的一種新方法。關(guān)于利用超聲振動(dòng)輔助刻劃制備表面微結(jié)構(gòu)相關(guān)的理論研究、試驗(yàn)工作還在進(jìn)行中，利用超聲振動(dòng)輔助刻劃最大的優(yōu)勢在于可以使用傳統(tǒng)的刻劃制備V形槽結(jié)構(gòu)，也可以主動(dòng)施加高頻或低頻共振以制備其他不同形貌特征的表面微結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

介紹了超聲輔助技術(shù)與傳統(tǒng)的車削、銑削、磨削相結(jié)合以制備微結(jié)構(gòu)的原理和應(yīng)用，同時(shí)還介紹了利用超聲輔助刻劃制備表面微結(jié)構(gòu)的新方法。國內(nèi)目前對應(yīng)用超聲輔助技術(shù)制備表面微觀結(jié)構(gòu)的研究尚處于起步階段，采用超聲輔助技術(shù)制備表面微結(jié)構(gòu)能夠提升制備質(zhì)量和加工效率。但對微結(jié)構(gòu)表面機(jī)理、形成機(jī)制還需更深層的關(guān)注和探討。未來，復(fù)合加工是制備微結(jié)構(gòu)的主流，如何融合多種加工方法提升制備質(zhì)量成為重要課題。另外，在超聲振動(dòng)輔助制備表面微結(jié)構(gòu)理論建模方面尚未形成系統(tǒng)的研究，超聲振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)、加工參數(shù)等對表面微觀結(jié)構(gòu)特性的影響有待進(jìn)一步研究和探討。

[1]張存鷹,趙 波.超聲振動(dòng)輔助加工表面微結(jié)構(gòu)及其特性研究進(jìn)展[J].表面技術(shù),2019,48(5):259-274.

[2]趙丹陽,李 濤,王敏杰,等.鯊魚皮微結(jié)構(gòu)微電鑄復(fù)制工藝研究[J].模具工業(yè),2014,40(11):52-55.

[3]徐 中,徐 宇,王 磊,等.凹坑形表面在空氣介質(zhì)中的減阻性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(6):579-583.

[4]蔣炳炎,強(qiáng) 軍,劉宇杰,等.微結(jié)構(gòu)模芯電鑄工藝分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè),2020,46(12):68-71.

[5]趙 波.超聲加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向簡介[J].金剛石與磨料磨具工程,2020,40(1):1-4.

[6]SCHUBERT A,NESTLER A,PINTERNAGEL S,et al.Influence of ultrasonic vibration assistance on surface integrity in turning of the aluminium alloy AA2017[J].Material Science&Engineering Technology,2011,42(7):658-665.

[7]GRECO A,RAPHAELSON S,EHMANN K,et al.Surface tex-turing of tribological interfaces using the vibromechanical texturing method[J].Journal of Materials Processing Technology,2002,121(2-3):243-251.

[8]劉憲福,張建華,陶國燦,等.超聲振動(dòng)輔助銑削加工預(yù)測建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].電加工與模具,2018(5):57-60.

[9]陶國燦.超聲振動(dòng)輔助銑削魚鱗狀表面成形機(jī)理及表面性能研究[D].青島:山東大學(xué),2016:5-8.

[10]丁 凱,李奇林,蘇宏華,等.硬脆材料超聲輔助磨削技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].金剛石與磨料磨具工程,2020,40(1):5-14.

[11]謝 晉,李 萍,吳可可,等.微結(jié)構(gòu)表面精密磨削技術(shù)及其功能特性開發(fā)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(23):182-190.

[12]梁志強(qiáng),王西彬,吳勇波,等.超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)的現(xiàn)狀與新進(jìn)展[J].兵工學(xué)報(bào),2010,31(11):1530-1535.

[13]BING G,ZHAO Q.Ultrasonic vibration assisted grinding of hard and brittle linear micro-structured surfaces[J].Precision Engineering,2017,48:98-106.

[14]石廣豐,王金雨,王子濤,等.基于ANSYS Workbench的機(jī)械刻劃彈性刀架動(dòng)態(tài)特性分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2018,40(5):73-76.