利用带有快速刀具伺服系统的椭圆振动切割技术在模具钢上制备多尺度微观结构

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Multiscale microstructures fabrication on mold steel by elliptical vibration cutting equipped with fast tool servo

　　•一种配备快速刀具伺服复合系统的高频椭圆振动装置被开发出来。•提出了一种判断刀具对微结构制造干扰的方法。•提出了一种在模具钢上加工多尺度微结构的过程策略。•多尺度微结构可将亲水材料表面转变为疏水表面。•实验结果表明，该方法显著优于传统工艺。

引言
在先进制造和功能表面工程领域，由于微纳结构表面具有调控材料界面行为和服务性能的显著能力，它们已成为仿生制造[1]、[2]以及高端设备制造中的重要研究方向。通过在材料表面构建具有特定形态、尺度和层次特征的微纳结构，可以对表面的功能性如润湿性[3]、[4]、结构色彩[5]以及抗反射性等进行主动控制，因此在生物医学[6]、光学工程[7]、[8]、[9]、能源[10]以及其他领域[11]都具有广阔的应用前景。模具钢通常被选作光学模具的基材。然而，在切削过程中，金刚石刀具中的碳原子会与钢中的铁原子以及环境中的氧发生化学反应，从而导致刀具迅速磨损[12]。刀具磨损不仅会降低加工精度和表面质量，还会严重限制复杂微结构的一致性和重复性，给加工带来困难。因此，如何在难以加工的材料上实现高质量、高效率且可精确控制的微结构制造，已成为超精密制造领域的关键前沿问题。

为了解决这一问题，快速刀具伺服（FTS）技术由于其高频微尺度进给和高动态响应能力，在加工复杂微结构方面展现出独特优势[13]、[14]。FTS系统独立于机床的主运动和进给运动，能够根据预定义的轨迹实时调整刀具位置，从而实现微透镜阵列[15]、[16]、微槽[17]、[18]以及其他复杂轮廓微结构的高效加工。不过，FTS在解决几何成型问题方面更为擅长，而在应对高切削负荷、严重摩擦以及由模具钢等难以加工材料引起的严重刀具磨损方面，其改进效果较为有限。也就是说，尽管FTS可以实现复杂微结构的轨迹控制，但在难以加工的材料上进行长时间、高精度的微结构加工仍然受到刀具寿命短、表面质量不稳定以及加工可靠性不足等瓶颈的制约。

相比之下，超声椭圆振动切削（UEVC）被认为是一种有效的加工模具钢等难以加工材料的方法[19]、[20]。该技术在加工过程中为切削工具引入超声频率的椭圆振动。这样一来，刀具和工件在每个振动周期中会周期性分离，从而增强切削区域的润滑和冷却效果。结果，瞬时切削力和平均摩擦载荷都会降低，金刚石刀具的寿命也会显著延长[21]、[22]、[23]。李等人提出了椭圆振动凿削工艺，通过将刀具的向后移动与椭圆振动相结合，使切屑留在工件表面形成微肋，从而在铜材料上制造出高长径比的微结构[24]。郑等人进一步发展了横向进给振动凿削技术，该技术能够在铝材料上制造出离散的微柱阵列，并能制造出鱼鳞状图案和分层凹槽等衍生结构[25]。这两种工艺都保持了切削方法的高效率和灵活性，但目前仅在铜和铝等易于加工的金属上得到了验证。为了将椭圆振动切削技术扩展到难以加工的材料上，研究人员通过包括超精密振幅控制雕刻法在内的方法，在硬化钢表面实现了纳米纹理或微纳结构的制造，从而证明了椭圆振动切削技术在难以加工材料的功能表面制造方面的潜力。然而，传统的超声椭圆振动切削具有有限的振幅范围，这限制了可直接生成的结构的尺度[26]、[27]。如图1(a)所示，椭圆振动的最大振幅直接决定了可加工微结构的尺度范围，这使得这类方法难以同时满足难以加工材料加工和复杂大尺度微结构形成的双重需求。

为了同时具备复杂微结构的形成能力和难以加工材料的切削适应性，配备快速刀具伺服的超声椭圆振动切削技术越来越受到关注。如图1(b)所示，该技术结合了低频大行程运动与高频微振幅椭圆振动，实现了宏观结构形成与微观切削性能提升的协同效应：低频运动用于生成较大尺度的目标轮廓，而高频椭圆振动则用于降低切削力、抑制刀具磨损并提高表面质量。因此，它为在钢铁等难以加工材料的表面制造大规模、高精度的微纳复合结构提供了一种新的技术途径。

近年来，已有几种将椭圆振动切削与FTS相结合的混合系统被开发出来。任迪等人提出了一种双频振动装置，该装置将24 kHz的椭圆振动单元与FTS系统相结合，证明了将高频振动与低频伺服运动相结合的可行性[28]。林杰琼等人开发了一种非共振振动装置，该装置能够独立地在几微米到几十微米的范围内调节振幅，从而提高了振动辅助加工平台的配置灵活性[29]。尽管这些研究推动了混合系统的发展，但振动装置与FTS单元之间的兼容性仍存在挑战，尤其是在装置质量、振动特性以及其对FTS系统动态响应能力的影响方面。

从加工角度来看，任迪等人利用所开发的系统在AISI 1045钢上制造出了微凹坑阵列，并证明了其相比传统微结构加工方法的优势[30]。张大为等人使用该混合系统在硬化钢上进行了自由曲面加工实验[31]。周小琴等人利用变振幅振动装置在40Cr模具钢上实现了微结构及自由曲面的加工[32]。这些研究表明了该方法在难以加工材料的精密加工方面的潜力。然而，目前在模具钢上制造多尺度微结构的研究还很少，而这种加工既要求材料具有较高的可加工性，又需要复杂的轨迹生成能力。

综上所述，可得出以下结论。首先，目前的系统仍然难以在振动频率、振幅输出以及结构紧凑性之间取得平衡，尤其是关于共振装置的研究相对较少。其次，传统的椭圆振动单元通常比较重，其质量往往超过500克。如此大的额外负载会显著降低快速刀具伺服系统的动态性能和输出振幅，进而限制微结构的加工深度和成型精度。第三，大多数现有研究仅关注单尺度微结构或简单的表面形貌，对于模具钢表面多尺度微结构的稳定加工机制，仍有缺乏系统性的研究。此外，关于其成型能力及功能验证的综合研究也较为匮乏。总之，目前的研究尚未充分解决核心问题：如何利用具有轻量化设计、高频运行以及优异耦合性能的混合切削系统，在难以加工的材料上实现精确、稳定且高效的多尺度微结构制造。

基于以上分析，本文开发了一种集成快速刀具伺服的超声椭圆振动切削装置。该超声椭圆振动装置是一种有利于与快速刀具伺服耦合的共振系统，具有高频、重量轻且体积小的特点。实验验证了其在模具钢表面加工多尺度微结构方面的可行性和优势，显示出明确的研究意义。本研究不仅有助于解决难以加工材料的超精密微结构制造中存在的刀具磨损和成型能力受限的问题，还为高效制造功能模具和复杂功能表面提供了新的技术支持。

设备原理与刀具轨迹
HFEVC-FTS装置由高频椭圆振动切削装置（HFEVC）和快速刀具伺服系统（FTS）组成。在之前的研究[33]中，为了完成高频超声椭圆振动装置的设计，基于一维连续介质力学理论，推导出了圆锥形喇叭口和均匀圆柱杆的波动微分方程。随后，采用了传递矩阵法，并构建了状态向量传递矩阵。该矩阵

设备性能测试
图6展示了HFEVC-FTS装置的测试平台。该平台由激光多普勒振动仪、HFEVC-FTS装置以及压电控制器组成。金刚石刀具安装在高频椭圆振动切削装置的刀具架槽中。激光多普勒振动仪发出的激光束聚焦在刀具尖端。根据返回的激光信号的相位差计算出振动振幅，然后将其输入计算机软件进行分析。

S136模具钢复杂面形微结构切削实验
图8展示了HFEVC-FTS装置的超精密加工平台。S136模具钢被夹在真空卡盘上，通过主轴产生的真空吸力紧紧吸附在主轴上。切削液中会喷洒在工件表面，不仅可以湿润表面，还能降低切削温度并便于切屑排出，从而有效提高加工表面的精度。CCD相机用于拍摄加工状态。

结论
在本研究中，构建了一种配备快速刀具伺服的高频椭圆振动复合系统。该系统结合了超声椭圆振动切削技术在加工模具钢等难以加工材料方面的优势，以及快速刀具伺服系统的大行程特性。利用该系统，在模具钢表面加工出了多种微结构。高频椭圆振动装置充分发挥了其结构紧凑的固有优势。

作者贡献声明
刘博林：撰写——初稿、方法论、数据整理、概念构思。陈子轩：撰写——初稿、正式分析。马善义：撰写——初稿、验证。孙英杰：软件、方法论、正式分析。郑云祥：正式分析、数据整理。张建国：撰写——审阅与编辑、资源、方法论。肖俊峰：资源、概念构思。徐建峰：撰写——审阅与编辑、资源、研究调查。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的报告内容。

致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFC2207100）的支持。

刘博林|陈子轩|马善义|孙英杰|郑云祥|张建国|肖俊峰|徐建峰