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作 者

李志偉、張建富、鄭中鵬、馮平法、郁鼎文、王健健

機 構

清華大學

Citation

Li Z W, Zhang J F, Zheng Z P, Feng P F, Yu D W, Wang J J. 2024. Elliptical vibration chiseling: a novel process for texturing ultra-high-aspect-ratio microstructures on the metallic surface. Int. J. Extrem. Manuf.6025102.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad1bbb

撰稿 | 文章作者

/ Part.01

金屬表面微結構在增強表面特性或實現新功能等方面具有優越的性能，近年來在光學、傳熱、生物和摩擦學等眾多工業領域獲得了越來越廣泛的關注。深寬比是表面微結構的重要幾何參數，增大深寬比能夠大幅提升微結構的應用性能。隨著設計方法的日漸成熟，金屬表面高深寬比微結構的高效可控低成本制造，已經成為限制其規模化工業應用的主要障礙。

近期，清華大學機械工程系的王健健副教授、馮平法教授、張建富教授、鄭中鵬博士、郁鼎文教授、李志偉博士生等在制造領域頂級期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《橢圓振動鏟削：一種全新的金屬表面高深寬比微結構加工工藝》的研究論文，在繼承切削加工優異的表面幾何形狀控制能力的基礎上，提出了一種金屬表面超高深寬比微結構切削加工的新工藝方法，即橢圓振動鏟削加工。如圖1所示，與傳統切削加工以及振動輔助切削加工顯著不同的是，橢圓振動鏟削作為一種振動使能加工工藝，突破了刀具只能正向進給的思維定式，而采用了倒退式的刀具進給方式。這種反常規的刀具進給方式，使得在刀具的每個振動周期上，材料可以不去除，而留在表面上，轉變為高深寬比的表面微結構。由于是每個振動周期加工出一個結構，所以利用高頻刀具振動，比如1kHz的超快振動，一秒鐘可以加工一千個，因此，新工藝方法可以實現很高的加工效率（如果利用超聲振動，一秒鐘最快可以加工兩萬個）。作者團隊成功在金屬銅表面直接加工出周期在1至10微米之間、深寬比在2至12之間的表面微結構，比傳統正向進給的振動切削加工提高了40倍，驗證了橢圓振動鏟削在金屬表面高深寬比微結構的高效可控低成本制造方面的應用能力。

關鍵詞

金屬表面微結構；高深寬比；振動鏟削；倒退式進給切削；振動切削；材料變形

亮 點

• 提出了橢圓振動鏟削的新工藝方法，解決了金屬表面高深寬比微結構的高效可控低成本制造難題；

• 建立了橢圓振動鏟削的工藝控制模型，利用實驗驗證了模型的有效性；

• 研究了橢圓振動鏟削的工藝特性及其影響因素，發現傾斜的橢圓軌跡比標準橢圓軌跡具有更好的工藝效果。

圖1橢圓振動鏟削與傳統切削及橢圓振動切削的工藝原理、加工效果對比。

/ Part.02

金屬表面微結構是產品表面性能和功能調控的有效手段，在眾多工業領域有著廣闊的應用前景。增大結構的深寬比能夠大幅提升微結構的應用性能。目前，金屬表面微結構的制造方法可以分為非機械方法和機械方法兩大類。非機械方法包括光刻、激光加工、金屬3D打印、電火花加工、化學蝕刻、電鑄和納米壓印等；機械方法包括刀具伺服加工、微銑削、金剛石飛切、磨削和振動切削等。上述現有方法在高深寬比金屬表面微結構的大面積高效可控制造方面，都存在一定的局限性。其中，振動切削加工方法經過多年的發展，在金屬表面微結構的大面積高效可控制造方面具有顯著的優勢，但其可實現的微結構深寬比嚴重受限。針對以上問題，在繼承振動切削加工的工藝優勢的基礎上，本文反常規地提出了一種金屬表面高深寬比微結構振動切削加工的新工藝方法，即橢圓振動鏟削加工。本文使用有限元仿真模型闡釋了振動鏟削加工機理，并建立微結構的表面創成模型用于實現表面微結構的確定性加工，開展工藝實驗驗證了振動鏟削加工方法的有效性。最后，研究了振動軌跡、切深、刀具鋒利度等工藝參數對加工質量的影響規律。

/ Part.03

最新進展分為三個部分：振動鏟削加工的原理，工藝實驗的設計，實驗結果的討論。

加工原理橢圓振動鏟削的加工原理和其他切削加工方法均有所不同。在橢圓振動鏟削中，除了對刀具施加橢圓振動，還使刀具按照倒退方向進給。這樣，刀具在每個振動周期內鏟入材料中，通過材料變形產生高深寬比的直立結構。橢圓振動鏟削加工過程的有限元分析結果如圖2所示，由于刀具獨特的倒退式進給，鏟出的材料留在表面不脫落，形成肋板狀微結構，其高度顯著大于寬度。

一個橢圓振動鏟削加工的周期可以劃分成四個階段：靠近（進入）、切入、成形和切出，分別如圖2a-d所示。在靠近階段，刀具靠近材料，未與材料接觸；在切入階段，刀尖點切開材料，前刀面推擠與后刀面擠壓造成了加工過程中的應力集中；在成形階段，刀具前刀面再次推擠材料，鏟出材料最終形成肋板狀微結構；在切出階段，刀具遠離材料，準備進入下一周期。一個加工周期內，能夠一次性加工出一個完整的高深寬比微結構。

圖2橢圓振動鏟削加工的四個階段。（a）靠近；（b）切入；（c）成形；（d）切出。

為了實現微結構的確定性加工，基于橢圓振動鏟削中切屑的形成過程，建立了微結構形狀參數與工藝參數的關系模型。基本思路是：將工件材料劃分為不同段微元，分析微元段的運動及變形，整合微元段形成結構，從而獲得微結構的深寬比等參數。上述模型得到了實驗結果的驗證。

實驗設計通過實驗驗證橢圓振動鏟削工藝的有效性，研究工藝參數對加工結果的影響規律，并與傳統正向進給的橢圓振動切削進行對比。如圖3所示，在超精密運動臺上開展斜槽驗證實驗（不同切深），實驗材料是純銅。使用自主設計的大振幅裝置生成特定軌跡，包括不同傾角的橢圓軌跡、平行四邊形軌跡等。切削速度除以振動頻率等于微結構的周期寬度，振動頻率決定了微結構的生成速率，所以切削速度和振動頻率應該協同選擇。頻率越高，加工效率越高?？紤]振動裝置的帶寬，頻率設置為1000 Hz。刀具包括單晶金剛石刀具和PCD刀具（刃圓半徑不同），其中，單晶金剛石刀具包括圓弧刀、平刀和尖刀（不同形狀）。加工完成后，使用顯微鏡測量表面微結構的輪廓和形貌。

圖3實驗設置和金剛石刀具參數。（a）實驗的整體示意圖；（b）詳細的實驗設置；（c）圓弧金剛石工具的正面視圖；（d）圓弧金剛石工具的側視圖；（e）切深DoC與切削寬度w的關系；（f）橢圓振動鏟削加工傾斜實驗示意圖；（g）正向進給的橢圓振動切削傾斜實驗示意圖。

結果討論實驗結果驗證了橢圓振動鏟削在高深寬比金屬表面微結構加工方面的工藝能力。圖4對比了橢圓振動鏟削和傳統橢圓振動切削所加工的金屬表面微結構。橢圓振動鏟削加工的微結構如圖4a所示，能夠清晰地看到微結構的頂部（亮區）和底部（暗區）。頂部區域狹窄，但底部相對較寬。當微結構的周期寬度只有1μm時，很難觀察到結構的底部。這是因為窄肋狀微結構限制了光和電子的進入，這也反映出了其在吸收輻射、雜質、粒子、細胞等方面的應用潛力。與此形成鮮明對比的是，橢圓振動切削加工的微結構非常淺，如圖4b所示。定量的測量結果表明，振動鏟削加工可以比傳統振動切削加工最大可以提高40倍以上的微結構深寬比。

刀具形狀和振動軌跡是橢圓振動鏟削加工中的決定性工藝因素。其中，刀具幾何形狀參數主要包括刀具后角、刃圓半徑等，振動軌跡參數主要包括橢圓的大小和橢圓傾角等。刀具后角越大，越能減少加工過程中后刀面的擠壓效應，有利于加工；刀具的刃圓半徑越小，加工結構的質量越好。除此之外，切深、切削速度、橫向進給量等切削工藝參數也對微結構的形成有重要影響。

圖4橢圓振動鏟削和橢圓振動切削加工出的典型微結構SEM圖像（切深10 μm）。（a）不同切削速度下的超聲振動鏟削加工結果；（b）不同切削速度下的橢圓振動切削加工結果。使用的橢圓軌跡傾角為20°。

/ Part.04

橢圓振動鏟削加工是實現金屬表面高深寬比微結構的大面積高效可控制造的有效方法，具有廣闊的應用前景。例如，應用于熱管、均熱板內部表面，提升表面換熱性能；應用于生物材料表面，提升表面抗菌性能等。但針對不同領域不同類型結構的應用需求，還有大量的問題需要研究，例如加工微結構的耐用性、結構的微觀組織變化、工藝能力極限等。未來需要進一步建立工藝參數、結構幾何形狀/性能和應用性能之間的完整聯系，并通過與不同領域學者的合作，充分挖掘和釋放新工藝方法的應用潛力。

/ Part.05

王健健

清華大學

王健健，清華大學機械工程系副教授，博士生導師；德國洪堡學者、入選國家級高層次青年人才。在山東大學機械工程學院獲學士學位，清華大學精密儀器與機械學系獲碩士學位，清華大學機械工程系獲博士學位，師從馮平法教授。先后在香港中文大學、美國西北大學、德國卡爾斯魯厄理工從事博士后研究工作。擔任機械工程學會極端制造分會委員會委員，《Journal of Mechanical Engineering Science》和《組合機床與自動化加工技術》編委，《Nanotechnology and Precision Engineering》、《Nanomanufacturing and Metrology》和《Journal of Zhejiang University-Science A》等期刊青年編委。主要研究方向是超聲微納制造，旨在通過建立超聲微納加工的基礎理論和技術方法體系，為表面功能結構的規?；I應用提供高效可控低成本的新制造技術支持。近3年，主持國家自然科學基金項目，北京市自然科學基金面上項目等各類科研項目6項。以第一作者或通訊作者發表SCI論文40余篇，授權發明專利10余項，獲得引用1300余次，H指數20。獲得2022年中國工程前沿杰出青年學者獎，2022年日內瓦發明大賽銀獎，第26屆全國發明創新大賽金獎。

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關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。

?? 期刊宗旨和欄目（點擊閱讀詳情）

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關利超

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