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基于椭圆振动切削的微/纳米加工
摘 要
复杂微米/纳米结构的纹理表面具有先进性。为了将此性能应用于实际，需要高性能的制造技术。目前，椭圆振动切削（EVC）因其优良的加工性能受到越来越多的关注，特别是在难切削材料的精密加工方面具有优势。本文着重研究基于椭圆振动切削的微/纳米加工技术。首先简述椭圆振动切削技术的发展，然后详细讨论了椭圆振动切削在加工过程中的优势。接着阐述不同椭圆振动切削器件的发展情况，通过不同类型的椭圆振子详细介绍了微、纳米结构制造的应用。通过控制超精密机床本身的运动，可以在各种工件材料上精确制作微纳米结构，在椭圆振动切削过程中减少切削力，毛刺产生，刀具磨损等。此外，本文介绍了一种独特的幅度控制雕刻方法，其中通过控制加工过程中的振动幅度来任意改变切削深度。通过应用幅度控制雕刻方法，可以对难以切割的材料，特别是高精度的微/纳米结构进行高效地雕刻。最后，在简单且规则结构的快速微/纳米加工中也探索了椭圆振动纹理化过程。椭圆振动切削技术对促进微/纳米加工工艺在实际工业应用中的发展具有积极作用。
关键词：微/纳结构；椭圆振动切削；椭圆振动；振幅控制加工成型；椭圆振动变形
目 录
4.2.2 纵向和弯曲模式振动器在微米/纳米加工中的应用 15
简介
具有复杂微/纳米结构的工件表面具有先进性和实用性。较光滑表面而言，这些微/纳米结构化的表面呈现出更多新颖和优异的功能和特征。为实现结构化表面的最大效益，微/纳米结构表面的应用技术一直是热门的研究课题。在光学[1-3]，太阳能技术[4-6]，生物工程[7-9]，自我清洁[10,11]，先进制造[12-15]等各应用中，对结构化表面的要求越来越高。为促进结构化表面的广泛应用，用于各种材料的微/纳结构的制造技术愈显重要。当设计结构的特征尺寸为微米级或纳米级时，对目前制造技术具有很大的挑战性。为解决这一问题，迄今已经提出了许多用于微米/纳米结构制造的方法。这些典型的方法包括平版印刷加工、激光束加工、聚焦离子束加工、电子束加工、放电加工、金刚石加工等。
聚焦离子束加工和电子束加工的光刻技术在微米/纳米结构制造中起关键作用。这些工艺有利于制造具有高纵横比和直侧壁的高密度微米/纳米结构，其特征尺寸可以为几十纳米甚至几纳米。但这些制造技术因其较低的去除率和耗时长而不适用于加工几百微米的较大结构。激光加工可以提高加工效率，但由于聚焦激光束的最小尺寸受到物理限制，难以制造高密度的纳米尺度结构。放电加工仅适用于导电材料的加工，其特征尺寸受到电极工具的几何形状的限制。考虑到机械微细加工技术，由于砂轮的尺寸限制，尤其是轮尖的半径，微细磨削不适用于致密的微米/纳米结构制造，同时，应用微研磨工艺来制造复杂三维（3D）结构极其困难。另一方面，金刚石切割在微米/纳米结构制造中具有很大的尺寸跨度，该灵活性可以应用于较多不同的设计。超精密金刚石切割优于超精密和精密，可以加工结构的特征尺寸为几百微米。它还具有几何精度高，表面质量好，加工效率高等诸多优点。与其他方法相比，金刚石切割可以加工结构设计的任意高度，因此已经被广泛应用于各种光学元件的石膏成型应用。较注射成型而言，压缩成型等批量生产工艺具有生产质量高，消费品成本低，因此在相关行业中迅速普及。
超精密金刚石切削通常应用于塑料材料上的精密零件的制造，如无氧铜，黄铜，铝合金等软金属，PMMA等高分子材料，化学镀镍磷等[18]等。近来，对于具有微/纳米结构功能元件的批量生产，特别是在光学工业中，极其需要由难切削材料即硬化钢和碳化钨制成的超精密模具和模具。然而，由于金刚石刀具磨损极其严重，因此，传统的金刚石切削不适用于钢材[19]。许多研究人员致力于实现传统的钢材钻石加工，抑制刀具磨损扩展[20-23]，但这些方法都不适用于工业应用。此外，碳化钨是一种典型的硬脆材料，由于加工后的工件表面发生脆性断裂且刀具损伤过大，所以传统的金刚石切削加工很困难[24]。另一方面，微/纳米结构部件通过玻璃成型和具有硬化钢和碳化钨制成的微/纳米结构注塑模具成型来批量生产。因此，先进的金刚石切削技术对硬质钢，碳化钨和其他难切削材料的微米/纳米结构制造非常需要。近几十年来，超声波振动切削技术多应用于难切削材料的加工[25,26]。Shamoto和Moriwaki [27]特别提出了一种新的椭圆振动切割（EVC）切割方法。使用EVC与单晶金刚石（SCD）工具验证了钢材加工，碳化钨加工和其他几种难切削材料加工的可行性。此外，Suzuki等人通过控制EVC过程中的振动幅度，提出了一种独特的微纳米雕刻方法[28]。目的在难以切割的材料上高效率地加工复杂的微米/纳米结构。EVC技术多应用于精确加工工业。预计通过SCD工具，不仅可以在易切削材料上加工微/纳米结构，而且可以在难切削材料上加工微/纳米结构。
本文首先介绍了EVC技术的发展，然后详细阐述了EVC技术的特点。 此外，通过应用EVC探索微/纳米加工的优点。其次，引入不同类型的开发的椭圆振动器，即非谐振振动器和谐振椭圆振动器。最后，应用不同的椭圆振子，介绍了微/纳结构制备的应用。详细阐述微纳结构制造的不同加工方法，包括机床控制缓慢，振幅控制雕刻和椭圆振动纹理化等。 对于超精密微/纳米加工工艺，EVC在制造业具有优越性。
线性振动切割和椭圆振动切割
振动辅助切割（VAC）技术是一种新兴的切割工艺。自20世纪60年代以来，多应用于制造业[29]。在这种技术的早期发展时期，研究人员通常只在名义切削方向上进行线性振动（或相对于名义切削方向稍微倾斜）的振动辅助加工。这种类型的振动辅助切割被命名为“线性振动切割（LVC）”。切削速度设定为低于最大刀具振动速度，以便在每个振动周期中刀具可以与工件分离。图1为线性振动切割的过程。
图1：线性振动切削过程
该技术多应用于加工各种难以切削的材料，如陶瓷[30]、铬镍铁合金718 [31]、熔凝硅玻璃[32]、钠钙玻璃[33]、不锈钢[34]、碳化钨[ 35]等。切削刀具的振动增强了润滑的进入且减小了前刀面上的摩擦，但更容易导致切削区域中的剪切变形，同时，金刚石刀具和工件材料之间的化学相互作用也会减少。与普通切削（OC）相比，LVC技术具有更好的切削性能，如更小的切削力[36]，更长的刀具寿命[37]，更高的切削稳定性[38]，更好的表面处理[34] 等。
在线性振动切割过程中，刀尖处的实际振动需要精确调整，从而使刀刃向后移动时不会与切削面发生干涉。否则，尖锐脆弱的切削刃由于在侧面产生拉伸应力而容易切削[39]。在实际应用中，LVC工艺在成品表面产生振动痕迹。这是由于刀具振动方向相对于标称切削方向是倾斜的，以避免产生切屑。这种粗糙度在超精密水平上影响较大，并降低成品表面质量。为了解决上述问题，Shamoto和Moriwaki于1994年首次提出了一种新颖的切削技术椭圆振动切削（EVC）[27]。这种技术已经成为特别用于难切削材料的超精密加工的可预见的替代方案。图2为由Shamoto等人提出的EVC过程的示意图[40,41]。切削刀具以标称切削速度进给，并且刀尖一般被控制在由标称切削方向和切屑流动方向确定的平面内椭圆振动。在EVC过程中，刀具以角频率振动并以x-z平面中的标称切削速度进给。工具的轨迹方程可以表示如下：
（1）
其中和表示工具和工件之间相对位置的x，z分量。x轴和z轴分别被定义为平行于标称切割方向和切割深度。和是两个方向的均值到峰值的幅度。是通常设定为90°的振动相位移。是椭圆振动过程中的时间。基于方程式（1）中，在进行实际切割之前，EVC工艺的基本特征可以数字化，包含理论粗糙度、最小间隙角和前角。如图2所示，在椭圆振动的每个循环中，工具在时刻开始切割工件，工件材料以切屑形式被去除。刀具轨迹的切线方向与前刀面平行后，刀具在处与切屑分离。标称切削速度设定为低于标称切削方向上的最大振动速度，以确保刀具在每个振动周期中与工件分离。当刀具轨迹的切线方向超过材料切削的剪切方向时，刀具前刀面与切屑之间的摩擦方向与普通切削过程相反。这种摩擦反向导致标称剪切角的增加，导致切屑厚度和平均切削力显著降低[27,40,41]。结合理论，通过实验证明了在EVC过程中毛刺产生和再生颤振可以被抑制[42-44]。另外，该工具在EVC过程中切割先前振动周期中完成的表面。每个振动周期中的实际未切削切屑厚度通常比标称切削深度更小，即此过程类似于微铣削的过程。与OC工艺相比，EVC工艺中工件变形区的平均推压力和弯曲应力有效降低，促进了微/纳结构制造。由于每个振动循环中的分离，切削刃和工件的接触表面可能暴露在周围的气体或切削液中，导致工具和工件的冷却。因此，不仅可以有效地抑制热化学磨损，而且还可以有效地抑制工件和金刚石工具之间的粘附和扩散。该技术主要用于模具和光学部件的超精密钻石切割行业。经过二十年的不断发展，与OC和LVC方法相比，这种新颖的方法在切割各种材料特别是难切削材料方面，成为一种很有前景的切削方法。可用于硬质钢[45-48]、钨合金[49]、烧结碳化钨[50-54]、纤维增强聚合物[55]、钼[56]等难加工材料的超精密加工。Co-Cr-Mo合金[57]、有机玻璃[58]等各种材料[59]，通过应用EVC技术实现。
图2：椭圆振动切削过程
基于EVC在实际应用中的切割性能，Suzuki等人通过应用EVC，探索了在难切削材料上进行功能性表面加工的可能性，并提出了一种独特的微米/纳米雕刻方法[28]。在这个提出的方法中，可以控制椭圆振动的振动幅度。通过幅度控制，可以在没有快速刀具伺服（FTS）的情况下快速改变切削深度。即EVC技术本身已经具备了FTS功能。目前，由于其优良的加工性能，特别是在精密微米/纳米加工工艺中的优势，EVC受到越来越多的关注。
非共振椭圆振动切割
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- 非谐振椭圆振子的发展
最初的椭圆振子是在1994年由Shamoto和Moriwaki提出的[27]。通过两个独立的压电致动器（PZT）以直角排列的方式振动刀具。通过正弦控制PZT的运动，通过转换PZT的线性膨胀和收缩，在刀尖上产生振动轨迹。这个椭圆形振动器能够在一个连续的频率范围内工作，这个频率与自然振动频率有很大不同，该振动装置被称为非谐振椭圆振动器。尽管振动轨迹的轨迹可以被容易且精确地控制，但由于机械结构的低刚性，工作频率并不高。图3说明了以前研究中使用的两种非谐振椭圆振子。Shamoto和Moriwaki [27]首先应用垂直堆叠振动器直接在扫描电子显微镜（SEM）内部研究EVC过程。与OC相比，证实了EVC的有益特性，如减小切屑厚度和切削力，抑制毛刺产生，提高加工表面质量等。之后，Ahn 和Kim等人开发了类似的垂直堆叠式振动器，以提高加工精度，并在各种材料（如镀镍模具钢、镍合金、镍、黄铜、铜等）上制造微结构[61-63]。在北卡罗莱纳州立大学开发了另一种非共振椭圆振子，即并联堆叠式PZT振子[25]。 Brehl等 [25,64-67]和Broc
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