在現(xiàn)代機(jī)械加工領(lǐng)域，超聲波輔助車(chē)削技術(shù)（CUAT）作為一種創(chuàng)新的加工方法，正逐漸成為提高加工效率、降低刀具磨損以及改善表面質(zhì)量的重要手段。通過(guò)將超聲波振動(dòng)引入傳統(tǒng)車(chē)削工藝，CUAT不僅能夠?qū)崿F(xiàn)間歇切削，降低平均切削力，還能顯著改善加工表面的粗糙度。然而，這種技術(shù)的效果與切削速度、振動(dòng)參數(shù)等密切相關(guān)，尤其是在低速切削條件下，其優(yōu)勢(shì)更為明顯。本文將探討超聲波輔助車(chē)削技術(shù)在不同切削速度下的表面質(zhì)量表現(xiàn)，并介紹美能光子灣超景深顯微鏡在其中的關(guān)鍵作用。

#Photonxbay.01

超聲波輔助車(chē)削

超聲波輔助加工是在諸如車(chē)削、銑削、鉆削、磨削以及其他方法等傳統(tǒng)加工技術(shù)中，將超聲波振動(dòng)施加于切削刀具或工件的過(guò)程。這種方法的優(yōu)勢(shì)，包括降低切削力和刀具磨損，以及提高加工零件的表面質(zhì)量，已在大量實(shí)證研究中得到了充分證明。

車(chē)削是機(jī)械制造中一種重要的加工方法，因此，旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本的研究至關(guān)重要。超聲波輔助車(chē)削已受到關(guān)注，相關(guān)研究主要集中在以下問(wèn)題上：通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估表面粗糙度降低和表面完整性改善的效果；在加工模具鋼和碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等超硬材料時(shí)，減緩刀具磨損；通過(guò)減少冷卻液和潤(rùn)滑劑的使用來(lái)降低對(duì)環(huán)境的影響。

超聲波振動(dòng)可沿三個(gè)方向施加：切削速度方向、給進(jìn)方向或徑向。也可沿兩個(gè)甚至三個(gè)方向組合施加。沿切削速度方向施加超聲波振動(dòng)應(yīng)用更為廣泛，能有效提升加工質(zhì)量，尤其是在切削速度低于臨界值時(shí)實(shí)現(xiàn)斷續(xù)切削。沿徑向和給進(jìn)方向施加振動(dòng)常用于制造具有特定性能的紋理表面。

沿切削速度方向的超聲波振動(dòng)輔助車(chē)削示意圖

在超聲輔助車(chē)削(CUAT)過(guò)程中對(duì)表面形成的研究對(duì)于理解表面質(zhì)量的提升以及超聲振動(dòng)的作用機(jī)制至關(guān)重要。要揭開(kāi)CUAT表面粗糙度波動(dòng)背后的機(jī)制，還需要對(duì)表面形成進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

#Photonxbay.02

實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)使用了直徑在21至29毫米之間的C45碳鋼和201不銹鋼工件進(jìn)行車(chē)削。切削速度設(shè)定為20、40、50、60、100和120米/分鐘，切削深度為0.15毫米，給進(jìn)量為0.1毫米/轉(zhuǎn)。振動(dòng)幅度和頻率分別約為9.8微米和20千赫茲。在這些條件下，CUAT表現(xiàn)出了間歇和連續(xù)切削兩種行為。

CUAT工藝的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

#Photonxbay.03

表面形貌

為了驗(yàn)證CUAT中加工表面形成的理論模型，使用超景深顯微鏡對(duì)表面形貌進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)比下圖中高于和低于臨界速度時(shí)加工表面的二維和三維圖像，可以觀察到在加工停止時(shí)形成脊背形狀，類(lèi)似于毛刺形成的過(guò)程。在最低切削速度時(shí)出現(xiàn)波峰，而在較高的切削速度下，表面紋理逐漸變?yōu)?strong>凹形。

C45碳鋼在切削速度分別為(a)50米/分鐘；(b)100米/分鐘，放大倍數(shù)500倍時(shí)的二維和三維表面圖像

C45和201不銹鋼工件的理論計(jì)算出的脊距值和使用超景深顯微鏡所測(cè)得的實(shí)際值

201不銹鋼和C45鋼的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.88微米和3.7微米，均在切削速度為120米/分鐘時(shí)出現(xiàn)，而在低于臨界速度時(shí)，這些標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。這表明在低切削速度下，超聲振動(dòng)的影響相對(duì)穩(wěn)定。然而，當(dāng)切削速度超過(guò)臨界值時(shí)，脊線的節(jié)距誤差往往會(huì)增大。

#Photonxbay.04

表面粗糙度

下圖展示了本實(shí)驗(yàn)中C45鋼和201不銹鋼工件在不同切削速度下的Ra粗糙度結(jié)果。在切削速度為20米/分鐘時(shí)，C45鋼的粗糙度顯著降低，降幅高達(dá)80%。然而，在超過(guò)臨界速度時(shí)，粗糙度的改善效果不明顯；在100米/分鐘和120 米/分鐘時(shí)，Ra分別僅降低了22%和32%。對(duì)于201不銹鋼，Ra值變化不大，部分測(cè)量值顯示粗糙度較高而另一些則較低。因此，有必要觀察三維表面結(jié)構(gòu)以提供客觀評(píng)估。

不同切削速度下(a)C45碳鋼和(b)201不銹鋼的表面粗糙度Ra

如下圖a、c所示，C45鋼在普通車(chē)削(CT)中的表面粗糙度峰值通常是由車(chē)刀刀片的痕跡以及由于斷裂、切屑排出不良和顫振引起的異常變形造成的。通過(guò)觀察超聲振動(dòng)車(chē)削(CUAT)中紋理表面的3D圖像(如圖b、d所示)，可以解釋Ra粗糙度的降低。在低于臨界速度的切削速度下，每個(gè)振動(dòng)周期后都會(huì)形成脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，但其高度相對(duì)較小。例如，在20米/分鐘的切削速度下，200x298微米觀察區(qū)域內(nèi)的最高峰僅為2.42微米。同樣，在400x586微米的區(qū)域內(nèi)，切削速度為50米/分鐘時(shí)峰值高度未超過(guò)4.64微米。因此，由超聲振動(dòng)產(chǎn)生的具有脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)和凹坑的紋理表面有效地減輕了異常變形，并降低了刀具痕跡之間的邊界高度。

在普通車(chē)削中(a)Vc=20米/分鐘和(c)Vc=50米/分鐘時(shí)C45表面的3D形貌；

在超聲輔助車(chē)削(b)Vc=20米/分鐘和(d)Vc=50米/分鐘C45表面的3D形貌

當(dāng)切削速度超過(guò)臨界速度時(shí)，由于不再實(shí)現(xiàn)斷續(xù)切削，刀脊的形成停止，取而代之的是連續(xù)切削。因此，加工表面出現(xiàn)波紋，切削速度最低時(shí)為波峰，最高時(shí)為波谷。在CUAT的連續(xù)切削過(guò)程中，切削速度的最大差值可達(dá)4πAf,如下圖所示，在100米/分鐘和120米/分鐘的切削速度下，波峰高度分別高達(dá)6.81微米和8.49微米。與CT相比，這些波峰的高度顯著表明在這些較高切削速度下，超聲振動(dòng)的影響明顯減弱。此外，在這些高速切削條件下，CT中的異常變形極少出現(xiàn)，這反而增加了C45鋼工件的表面粗糙度。因此，CUAT和CT之間的粗糙度差異相對(duì)較小。

C45鋼表面在不同條件下的三維輪廓圖

201不銹鋼工件的表面在進(jìn)行CUAT時(shí)也會(huì)出現(xiàn)脊?fàn)钔黄穑缦聢D(a)、(c)所示。然而，在CT過(guò)程中，幾乎看不到異常變形，如下圖(b)、(d)所示。因此，粗糙度峰的高度主要?dú)w因于切削刀具的痕跡，這表明超聲振動(dòng)對(duì)201不銹鋼材料的影響可以忽略不計(jì)。

201不銹鋼表面在不同條件下的三維輪廓圖

因此，超聲輔助切削(CUAT)工藝的本質(zhì)在于形成一種比普通切削(CT)加工表面更優(yōu)的紋理表面。這種紋理表面的形成對(duì)表面粗糙度有著關(guān)鍵影響，并受切削速度(vc)以及振幅(A)和頻率(f)等振動(dòng)參數(shù)的控制。在CUAT過(guò)程中，間歇切削會(huì)導(dǎo)致形成脊?fàn)?/strong>和凹坑狀結(jié)構(gòu)：當(dāng)?shù)毒邚耐Ｖ範(fàn)顟B(tài)過(guò)渡到切削狀態(tài)時(shí)會(huì)形成脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，類(lèi)似于切削開(kāi)始時(shí)的毛刺形成；而凹坑狀結(jié)構(gòu)則是由超聲振動(dòng)引起的切削速度增加所導(dǎo)致。為了獲得低粗糙度的光滑表面，脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)和凹坑狀結(jié)構(gòu)之間的高度差必須最小化。為了確保表面粗糙度最小，必須選擇合適的vc、A和f值。然而，這些參數(shù)的選擇還必須與其他因素(如材料去除率和切屑排出條件)相平衡，以?xún)?yōu)化表面粗糙度。

#ME-UD6300

美能光子灣超景深顯微鏡

美能光子灣超景深顯微鏡是一款用于對(duì)各種精密器件及材料表面進(jìn)行亞微米級(jí)測(cè)量的檢測(cè)儀器。與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡不同，該設(shè)備擁有更大的景深、更廣的視野、更高的放大倍率、更全的觀測(cè)角度，足以應(yīng)對(duì)各種極具挑戰(zhàn)的觀測(cè)場(chǎng)景。

• 超清數(shù)字成像器件，3840*2160 800W像素超高速實(shí)時(shí)傳輸

• 多種HDR技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)亮區(qū)暗區(qū)真實(shí)呈現(xiàn)

先進(jìn)的遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證真彩與銳利、低畸變圖像質(zhì)量

超聲波輔助車(chē)削技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究表明，其在低速切削條件下對(duì)表面粗糙度的改善尤為顯著，但在高速切削時(shí)，其優(yōu)勢(shì)可能會(huì)因連續(xù)切削而減弱。這一發(fā)現(xiàn)為機(jī)械加工領(lǐng)域提供了重要的參考，尤其是在加工超硬材料或追求高表面質(zhì)量的應(yīng)用場(chǎng)景中。美能光子灣超景深顯微鏡在這一研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。其亞微米級(jí)的測(cè)量精度和大景深特性，使得研究人員能夠清晰地觀察和分析加工表面的微觀結(jié)構(gòu)，從而為優(yōu)化加工參數(shù)提供了有力支持。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，超聲波輔助車(chē)削有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，而美能光子灣超景深顯微鏡也將繼續(xù)為微觀世界的探索提供可靠的工具。