超聲加工制備表面微織構(gòu)及使役性能研究進(jìn)展

別文博 趙波 陳凡 王曉博 趙重陽 牛贏

摘要 超聲加工作為一種調(diào)控外部能量輸入的有效途徑，被廣泛應(yīng)用于表面成形改性制造中，通過對界面能量的精準(zhǔn)調(diào)控，可以實現(xiàn)表面微織構(gòu)的制備。為促進(jìn)超聲加工技術(shù)在表面微織構(gòu)制備及提高零件使役性能方面的應(yīng)用，首先，對目前表面織構(gòu)制備的方法進(jìn)行對比分析，重點對超聲微織構(gòu)制備的加工方法進(jìn)行綜合評述，分別從不同的振動形式及超聲維數(shù)分析超聲車削、銑削、磨削及超聲強(qiáng)化制備表面微織構(gòu)的特點，并就各工藝應(yīng)用的局限性及亟須解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行總結(jié)。其次，根據(jù)各加工工藝制備的表面微織構(gòu)，分別從摩擦性能、潤濕性能及結(jié)構(gòu)色調(diào)控等使役性能方面進(jìn)行分析，主要對表面織構(gòu)的摩擦磨損、摩擦系數(shù)、承載能力、接觸性能和光學(xué)性能調(diào)控等內(nèi)容進(jìn)行闡述，結(jié)果表明超聲加工制備的表面微織構(gòu)在一定程度上能夠提高零件耐磨性，改善表面的親疏水狀態(tài)，并能夠獲得相關(guān)的光學(xué)功能特性。最后，鑒于目前研究過程中有待深入的方面，對超聲加工表面微織構(gòu)的制備及使役性能進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞 超聲加工；表面微織構(gòu)；使役性能；摩擦性能；潤濕性能

中圖分類號 TB559; TG174.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號 1006-852X（2023）04-0401-16

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0095

收稿日期 2023-04-24 修回日期 2023-07-18

在人類認(rèn)識自然界的過程中，荷葉表面精細(xì)的微乳凸起使表面具有超疏水特性[1]，鯊魚皮因盾鱗相互交錯而形成非光滑微溝槽結(jié)構(gòu)能夠起到減阻的效果[2]，豬籠草表面不規(guī)則排列的蠟質(zhì)晶體及新月形貌層級微結(jié)構(gòu)使表面具有極佳的超滑功能[3]，生物的這些特有功能是在漫長的進(jìn)化過程逐步形成的最優(yōu)的形態(tài)結(jié)構(gòu)及最精確的控制和協(xié)調(diào)能力，使其在不斷變化的環(huán)境中得以生存和發(fā)展。人類在與自然界相處的過程中，被生物形形色色的奇異本領(lǐng)所吸引，通過“察、思、造、用”，實現(xiàn)了對生物所具有特殊功能表面的制備[4]。目前，制備此類功能表面的技術(shù)被稱為表面織構(gòu)化技術(shù)。

表面織構(gòu)化技術(shù)可以在物體表面加工出具有特定分布規(guī)律和幾何形狀的微織構(gòu)，從而達(dá)到改善表面特性的目的，進(jìn)而提高表面的使役性能。近幾十年來，隨著人類對表面微觀物理、化學(xué)現(xiàn)象研究的深入及先進(jìn)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，在關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計與制造方面，表面織構(gòu)表現(xiàn)出良好的減摩抗磨[5]、增摩[6]、減振[7]、抗黏附[8]、抗蠕爬[9] 等諸多特性，并成為提升機(jī)械設(shè)備高效、高可靠性的有效途徑。

表面織構(gòu)的制備方法較多，目前應(yīng)用較多的有激光加工、電化學(xué)加工和超聲輔助加工等。關(guān)于激光加工制備微織構(gòu)，眾多學(xué)者做了深入的研究，成果已被應(yīng)用于多個領(lǐng)域并取得顯著的效果，然而在加工過程中對被加工材料要求嚴(yán)苛、微織構(gòu)陣列加工效率低、可加工微織構(gòu)的密度受限，同時熱影響區(qū)不可避免[10-12]。電化學(xué)加工雖然是一種很有效的表面微織構(gòu)制備方法，但是受限于被加工材料的類型和微織構(gòu)密度，掩膜制備復(fù)雜，重復(fù)使用次數(shù)有限，加工效率低，難以用于型腔內(nèi)表面、復(fù)雜曲面以及大面積微織構(gòu)的制備[13-15]。超聲振動輔助加工制備表面微織構(gòu)是在常規(guī)切削刀具或工件上施加一個或多個方向可控的規(guī)律性振動，使得切削過程中刀具與工件的“接觸-分離-接觸”的加工方式導(dǎo)致加工表面形成一種特殊的微織構(gòu)[16-18]。近年來隨著表面技術(shù)和仿生學(xué)研究的深入，利用超聲輔助加工表面微織構(gòu)的方法，受到了國內(nèi)外學(xué)者的重點關(guān)注。

本文中對超聲加工制備微織構(gòu)進(jìn)行綜合論述，并對加工后表面使役性能的研究進(jìn)行總結(jié)，從而為超聲加工在表面微織構(gòu)制備方面的應(yīng)用提供一定的參考。

1 微織構(gòu)制備

在制造過程中，超聲加工通過有效地調(diào)控外部能量輸入，在超聲能場的作用下實現(xiàn)材料的高效去除，并伴隨刀具與工件之間周期性的接觸-分離，在表面刻劃出特殊形狀的微織構(gòu)[19-20]。隨著超聲加工技術(shù)的發(fā)展，超聲振動加工從傳統(tǒng)的一維振動發(fā)展至二維、三維及四維振動，輔以傳統(tǒng)加工工藝，逐漸形成了超聲車削、銑削、磨削、沖擊、滾壓等復(fù)合加工方法，并且被應(yīng)用于表面微織構(gòu)的制備。針對各加工方法表面織構(gòu)的制備，國內(nèi)外學(xué)者對振動裝置的特點、織構(gòu)形成機(jī)理、織構(gòu)分布規(guī)律和幾何形狀等開展了大量的研究。

1.1 超聲車削

目前，關(guān)于超聲微織構(gòu)的制備基于車削的研究居多，主要對一維、二維、三維等加工方法進(jìn)行研究。對一維超聲車削的研究，主要是對刀具施加沿切深、切削和進(jìn)給方向的振動，如圖1 所示，在工件表面上加工出離散型微凹坑織構(gòu)。

GRECO 等[21] 采用壓電陶瓷片驅(qū)動的微振動平臺，使車刀沿切深方向以100～200 Hz 的低頻振動，分別在工件的外圓、端面及內(nèi)圓表面加工出離散型凹坑織構(gòu)，如圖2 所示。

針對顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的表面微織構(gòu)制備，NESTLER 等[22] 分別對振動車削沿切深、切削及進(jìn)給方向表面微織構(gòu)的特點進(jìn)行研究，其結(jié)果如圖3 所示，表明沿切深方向振動可以形成連續(xù)型微凹坑。

ZHANG 等[23] 在沿切深方向一維振動車削的基礎(chǔ)上增加一道精車工序去除凹坑之間的凸起部分，并通過匹配加工參數(shù)與超聲振幅，實現(xiàn)了不同分布密度的凹坑微織構(gòu)表面加工。SCHUBERT 等[24] 對沿進(jìn)給方向振動車削的表面微織構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)沿圓周表面能夠形成正弦狀的微織構(gòu)。GANDHI 等[25] 通過改變振動的頻率和相位角，得到了沿進(jìn)給方向振動車削不同的表面微織構(gòu)。

二維橢圓振動車削是通過在普通車削的基礎(chǔ)上附加沿橢圓軌跡運動的振動，使刀具沿切削方向形成一系列的振紋，并在切削過程中改變切削厚度、刀具的切削角度及切屑流出方式等特性[26-27]，導(dǎo)致在加工過程中切削力得到有效降低、顫振得以有效抑制。同時，沿進(jìn)給方向產(chǎn)生的刀紋與切削反向的振紋相互交織，生成了二維橢圓振動切削特有的表面微觀形貌，如圖4所示。橢圓振動切削可以有效地降低切削力和抑制毛刺的產(chǎn)生，為高效精密加工微織構(gòu)表面提供了有利條件。根據(jù)振動裝置工作原理的不同，橢圓振動可分為共振型和非共振型2 種，2 種加工方式在微織構(gòu)制備方面均取得顯著的進(jìn)展。

關(guān)于共振型橢圓振動切削研究，MORIWAKI 等[28]通過施加特定頻率的正弦激勵信號驅(qū)動對稱布置在變幅桿4 個側(cè)面的2 對壓電陶瓷片，引起變幅桿在2 個垂直方向同時產(chǎn)生彎曲共振，使刀具呈現(xiàn)橢圓振動軌跡。隨后，SHAMOTO 等[29] 設(shè)計出振動頻率為20 kHz 的三階彎曲共振型橢圓振動裝置，并在裝置的一端附加2個壓電陶瓷傳感器，實現(xiàn)對橢圓振動軌跡的控制，在淬硬鋼表面加工出高精度的梯形凹槽和微圓柱織構(gòu)。

SUZUKI 等[30] 利用橢圓振動裝置在淬硬鋼、碳化鎢、氧化鋯陶瓷、氟化鈣及玻璃等表面加工出微凹槽織構(gòu)，與普通加工對比，橢圓振動加工的微凹槽表面質(zhì)量顯著得以改善。LEE 等[31] 在利用橢圓振動加工微凹槽時，發(fā)現(xiàn)與一維振動切削相比，橢圓振動不僅可以增加臨界切削深度，而且能夠顯著降低每個周期內(nèi)的有效切削厚度和切削力，從而提高微凹槽的表面質(zhì)量。

為了提高加工效率，SUZUKI 等[32] 開發(fā)了高頻振動的橢圓振動裝置，在鎢合金模具表面加工出棱鏡、小球面透鏡和一系列微V 形槽，且所加工的超精密V形槽模具表面被成功應(yīng)用于硼硅玻璃的成形加工制造。為了實現(xiàn)高效的復(fù)雜微織構(gòu)表面的超精密加工，ZHANG等[33-34] 在縱彎共振型橢圓振動裝置的基礎(chǔ)上，開發(fā)出可控振幅的橢圓振動裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)沿切深方向上振幅的快速變化，可以在硬質(zhì)合金表面加工出具有不同形狀的精密微凹槽；同時，通過改變不同振動切削參數(shù)，可在淬硬鋼表面加工出不同形狀和分布規(guī)律的微凹坑，如圖5 所示。

典型的橢圓振動裝置及加工織構(gòu)如圖6 所示。GUO 等[35] 利用2 個安裝夾角為60?的壓電換能器，通過換能器振動的相位差，使刀尖處呈橢圓軌跡，如圖6a所示。當(dāng)在橢圓振動頻率、振幅一定的條件下，通過合理地匹配加工參數(shù)，可以加工出不同分布規(guī)律和形貌特征的微織構(gòu)表面，如圖6b 所示。

非共振型橢圓振動切削是利用2 個壓電陶瓷驅(qū)動器進(jìn)行單獨的正弦波信號激勵，利用2 個壓電陶瓷的伸縮運動，帶動刀具在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行橢圓振動切削加工。目前，主要用于微織構(gòu)表面加工的非共振橢圓振動切削裝置有2 種，分別為雙壓電驅(qū)動器平行布置[36] 和垂直布置[37]，如圖7 所示。

非共振橢圓振動切削加工的表面織構(gòu)如圖8 所示：KIM 等[38] 利用垂直布置驅(qū)動器的橢圓切削裝置分別在銅表面加工出微金字塔形織構(gòu)形貌（見圖8a），KURNIAWAN等[39] 利用雙壓電驅(qū)動器垂直布置的橢圓振動切削裝置在鋁合金表面加工出微凹坑織構(gòu)（見圖8b），BREHL 等[40] 利用平行布置的雙壓電驅(qū)動器橢圓振動裝置在硬鍍銅表面分別加工出“雷鳥”標(biāo)志（見圖8c）和“ ”字符（見圖8d）。

CHEN 等[41] 采用非共振雙壓電驅(qū)動器垂直布置的橢圓振動裝置進(jìn)行微織構(gòu)的加工，通過改變刀具的運動軌跡，可以加工出不同的魚鱗狀和波浪狀微織構(gòu)表面。KURNIAWAN 等[42] 利用2 個彎曲和1 個縱振模態(tài)設(shè)計出一種三維縱彎共振型橢圓振動裝置，如圖9 所示，并在鋁合金表面加工出微凹槽。XU 等[43] 利用同樣的共振模態(tài)組合方式，使刀具產(chǎn)生三維振動，能夠加工出隨機(jī)性的粗糙表面，但沒有形成具有明顯分布和幾何特征的微織構(gòu)表面。

原路生等[44] 自行研制了單激勵超聲橢圓振動切削裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)沿進(jìn)給方向、旋轉(zhuǎn)方向和切削方向的振動，通過控制不同方向的振幅大小，可以實現(xiàn)三維超聲橢圓振動車削加工表面織構(gòu)，如圖10所示。

在非共振二維橢圓振動切削裝置的基礎(chǔ)上，學(xué)者們提出了非共振三維振動切削裝置， 如圖11 示[45-48]。LIN 等[49] 利用平行驅(qū)動的三維橢圓振動裝置在黃銅材料表面加工出微織構(gòu)，且表面粗糙度顯著降低，約為37.7 nm； CHEN 等[50] 采用柔性鉸鏈的三維橢圓振動裝置在鋁棒和銅棒表面加工出光柵表面，如圖12 所示。

綜上所述，在對超聲車削微織構(gòu)進(jìn)行研究時，主要采用試驗的方法對表面織構(gòu)的刻劃進(jìn)行分析，缺少對加工機(jī)理的相關(guān)闡述，關(guān)于超聲車削表面織構(gòu)的形態(tài)目前尚未形成統(tǒng)一的評價體系，并且關(guān)于織構(gòu)的特征、形狀及分布特性與工藝參數(shù)之間的映射規(guī)律尚不清晰，如何解決上述問題對超聲車削微織構(gòu)的制備仍是不小的挑戰(zhàn)。

1.2 超聲銑削

在超聲銑削加工過程中，通過對工件或刀具施加不同維數(shù)的振動，可以實現(xiàn)不同工藝參數(shù)微織構(gòu)的制備。白利娟等[51] 沿進(jìn)給方向施加振動，實現(xiàn)刀具-工件的分離，通過改變加工參數(shù)，分別制備出鯊魚皮、金龍魚和簾蛤等仿生微織構(gòu)表面，如圖13 所示。CHEN 等[52]利用非共振型振動裝置在微銑削進(jìn)給方向上施加單向振動，加工出具有不同潤濕性的波浪狀和魚鱗狀微織構(gòu)表面。

張存鷹等[53] 對縱-扭復(fù)合超聲端面銑削加工表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，建立了刀具的三維運動軌跡方程，構(gòu)建了縱-扭復(fù)合超聲端面銑削的表面微織構(gòu)理論模型；并對TC4 鈦合金進(jìn)行加工，通過改變加工參數(shù)，可以加工出“肋條狀”和“魚鱗狀”微織構(gòu)，如圖14 所示。

PANG 等[54] 利用縱扭復(fù)合超聲銑削鈦合金，發(fā)現(xiàn)：與一維縱向振動相比，縱扭振動能夠顯著地改善表面形貌，并形成鮮明的織構(gòu)表面，如圖15 所示。在縱扭復(fù)合超聲制備微織構(gòu)過程中，可以采用單激勵的方式使刀具呈橢圓軌跡，可以獲得不同扭縱幅值比下的表面織構(gòu)制備，對超聲微織構(gòu)制備技術(shù)的探索不失為一種創(chuàng)新。

袁照杰[55] 通過在工件上施加二維振動、在刀具上施加一維和二維振動，實現(xiàn)了一維至四維不同維數(shù)的超聲銑削金屬間化合物表面織構(gòu)的制備，如圖16 所示。當(dāng)在工件上施加二維振動時，形成的表面織構(gòu)如圖16a所示；刀具縱扭振動與進(jìn)行方向縱向振動復(fù)合后的三維超聲加工可以形成溝棱分明的“水渠”狀形貌，如圖16b 所示；刀具縱扭振動和工件二維振動復(fù)合后的四維超聲加工可以形成“蜂窩”狀的表面織構(gòu)，如圖16c所示。結(jié)果表明，隨著超聲振動維數(shù)的不同及工藝參數(shù)的改變，對表面微織構(gòu)形貌的形成產(chǎn)生了不同的影響，這也對促進(jìn)超聲加工制備不同形狀表面微織構(gòu)具有一定的借鑒意義。

1.3 超聲磨削

超聲磨削過程中，砂輪表面磨粒在超聲振動條件下，通過磨粒軌跡之間的干涉作用，在表面刻劃出不同的表面織構(gòu)。關(guān)于超聲磨削加工表面微織構(gòu)的研究，分別從單顆磨粒和不同振動維數(shù)下的磨削過程進(jìn)行分析。

針對一維超聲磨削加工，XU 等[56] 提出一種新型的旋轉(zhuǎn)超聲表面織構(gòu)加工技術(shù)，通過沿主軸方向?qū)δゾ呤┘涌v向振動，使磨具沿正弦軌跡對工件表面進(jìn)行加工，制備出具有特定形貌和分布規(guī)律的微織構(gòu)表面，如圖17 示。結(jié)果表明：通過定向的表面紋理，可以使表面獲得具有各向異性的潤濕性能。

CHEN 等[57] 提出一種基于有序砂輪排布的超聲輔助磨削表面微織構(gòu)的主動可控制造?；谟行蛏拜唴?shù)和被加工表面特征參數(shù)，根據(jù)磨削原理，構(gòu)建表面特征參數(shù)與加工參數(shù)之間的控制方程，實現(xiàn)微織構(gòu)表面形貌的預(yù)測和試驗驗證，其仿真與試驗如圖18 示。

JIANG 等[58] 建立了軸向超聲振動輔助磨削表面織構(gòu)創(chuàng)成機(jī)理的理論模型，并通過試驗對模型進(jìn)行驗證，得到工藝參數(shù)對表面織構(gòu)形貌特征的影響規(guī)律。ZHOU 等[59] 提出通過對超聲振動相位差的控制實現(xiàn)超聲參數(shù)與磨削參數(shù)之間的匹配，從而實現(xiàn)超聲磨削制備不同的表面微織構(gòu)。

關(guān)于二維超聲磨削加工表面織構(gòu)，XU 等[60] 提出一種新的二維旋轉(zhuǎn)超聲織構(gòu)加工方法，基于雙彎曲共振模態(tài)原理，將橢圓振動施加在金剛石刀具上，實現(xiàn)平面和內(nèi)圓表面微織構(gòu)的加工，并且通過組合不同的切削參數(shù)，可實現(xiàn)具有分層特征的復(fù)雜微織構(gòu)表面的加工，如圖19 所示。與一維旋轉(zhuǎn)超聲織構(gòu)加工方法相比，二維超聲所加工的微織構(gòu)表面的精度有所提高。

LIANG 等[61] 采用單顆磨粒的試驗方法得到超聲橢圓磨削對織構(gòu)幾何形態(tài)的影響，其加工表面如圖20所示。在橢圓振動作用下，單顆磨粒的運動軌跡如圖20a所示，隨著超聲振幅的增大，表面微觀形貌如圖20b 和圖20c 所示，這是因為單顆磨粒對材料的沖擊作用增強(qiáng)，導(dǎo)致磨粒軌跡之間的干涉作用增強(qiáng)。

WANG 等[62] 利用二維超聲振子對工件施加二維振動，研究了磨粒的三維空間螺旋切削軌跡，構(gòu)建磨粒相對于工件的空間螺旋線切削運動模型，對比分析普通磨削和超聲振動螺線磨削的三維表面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)在二維超聲振動作用下，磨粒的空間螺旋線切削軌跡呈現(xiàn)周期性的互相交織，在工件表面形成“網(wǎng)”狀結(jié)構(gòu)。馬文舉[63] 利用縱扭超聲磨削ZrO2 陶瓷，磨粒的運動軌跡呈現(xiàn)重復(fù)交織和重疊，在工件表面形成“魚鱗狀”微織構(gòu)，如圖21 所示。

關(guān)于超聲磨削加工表面微織構(gòu)的制備主要是通過理論建模與試驗研究相結(jié)合的方法，對不同振動維數(shù)的加工效果進(jìn)行分析，但目前關(guān)于超聲磨削加工微織構(gòu)的研究依然有限，尤其是針對一些復(fù)雜表面，例如齒輪、軸承及異形表面的制備研究鮮有報道，同時對超聲磨削后表面微織構(gòu)的表征目前研究較少，并且缺乏具有通用性的專用加工裝備。因此，超聲磨削加工表面微織構(gòu)關(guān)于裝備的研制、工藝參數(shù)的優(yōu)化、表面微織構(gòu)的表征等一些關(guān)鍵性問題亟待解決。

1.4 超聲強(qiáng)化

超聲強(qiáng)化是通過超聲振動與表面強(qiáng)化技術(shù)的結(jié)合，達(dá)到強(qiáng)化工件表面的目的。該方法被廣泛用于零件的表面改性等方面。目前，相對成熟的超聲強(qiáng)化技術(shù)包括超聲沖擊、超聲滾壓和超聲噴丸等工藝，其中超聲沖擊和超聲滾壓對改善表面微觀形貌具有一定的優(yōu)勢。

超聲沖擊是在超聲作用下，使得工具頭高頻對材料表面進(jìn)行沖擊，導(dǎo)致材料的表面產(chǎn)生塑形變形[64-65]。LI 等[66] 提出了超聲沖擊處理表面強(qiáng)化技術(shù)，實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次超聲沖擊后，表面粗糙度從0.694 μm 降低至0.112 μm。馬嘉明等[67] 將機(jī)床作為載體，提出超聲振動沖擊表面微織構(gòu)工藝，研究不同工藝參數(shù)對工件外圓及端面微織構(gòu)成形和形貌的影響，結(jié)果表明在超聲沖擊作用下形成的織構(gòu)之間分離良好且面密度高，但在工具頭的切出位置存在凸起。胡王杰[68] 利用超聲沖擊的方法在316L 不銹鋼表面加工出微織構(gòu)，與橢圓振動制備的微織構(gòu)相比，超聲沖擊加工的陳列微溝槽過渡平滑，如圖22 示。

關(guān)于超聲滾壓制備表面微織構(gòu)的研究相對較少，主要集中在該方法對表面形貌的影響。李禮等[69] 利用超聲深滾對粗磨狀態(tài)的TC4 鈦合金表面進(jìn)行處理，經(jīng)過超聲滾壓后的表面粗糙度Ra 由2.32 μm 減小至0.11 μm。趙建等[70] 研究了旋轉(zhuǎn)超聲滾壓加工中滾壓深度對表面形貌的影響，發(fā)現(xiàn)：隨著滾壓深度的增大，加工表面的粗糙度呈減小的趨勢， 如圖23 所示。ZHENG 等[71] 通過二維超聲滾壓加工車削后的7075 鋁合金，結(jié)果顯示，超聲滾壓工藝參數(shù)對表面微溝槽有著重要的影響，隨著滾壓力的增大，表面微溝槽痕的波峰和波谷之間的差異逐漸減小。

超聲噴丸對表面微觀形貌的影響主要是由于高速彈丸撞擊被加工材料的表面，引起材料發(fā)生塑形變形并形成凹坑；大量彈丸的撞擊和相互疊加作用使材料表面形貌發(fā)生變化。與傳統(tǒng)的噴丸相比，超聲噴丸對丸粒的材質(zhì)、形狀及表面光潔度要求相對較高，且在超聲振動作用下，丸粒的速度較低，在一定程度上能夠顯著降低工件表面粗糙度。如圖24 所示，在相同的條件下，超聲噴丸強(qiáng)化的粗糙度值為傳統(tǒng)噴丸的1/3 甚至更低[72-73]。

蔡晉等[74] 通過超聲噴丸對FGH97 粉末高溫合金進(jìn)行處理，其結(jié)果如圖25 示：隨著噴丸強(qiáng)度的增大，單位面積內(nèi)的凹坑數(shù)增多，塑形變形分布更均勻，而表面粗糙度呈增大的趨勢。

關(guān)于超聲噴丸表面微織構(gòu)制備的涉及較少，主要是由于影響噴丸的參數(shù)較多，且加工過程中丸粒的隨機(jī)性較大，難以進(jìn)行精準(zhǔn)控制。涉及超聲噴丸的主要是對表面完整性的研究居多，主要包括殘余應(yīng)力、顯微硬度、微觀組織等內(nèi)容[75]。綜上所述，超聲強(qiáng)化應(yīng)用于表面織構(gòu)制備的研究相對較少，主要是超聲強(qiáng)化后表面微觀形貌發(fā)生顯著的塑形變形，難以對其進(jìn)行定量的表征，同時關(guān)于超聲強(qiáng)化的研究主要集中在對零件抗疲勞性能的影響。如何通過超聲強(qiáng)化在表面制備出均勻一致的表面織構(gòu)，仍然需要進(jìn)行理論的探究及試驗的驗證。

2 微織構(gòu)使役性能研究

微織構(gòu)表面是一種具有特定功能的表面微觀結(jié)構(gòu)，與平滑表面相比，此類表面具有改善潤滑狀態(tài)、減摩耐磨、增強(qiáng)潤濕性等諸多優(yōu)良功能[76]。國內(nèi)外學(xué)者對超聲制備的微織構(gòu)的使役性能進(jìn)行了相關(guān)的研究，主要集中于摩擦、磨損、潤濕性和結(jié)構(gòu)色調(diào)控等性能的研究。

2.1 摩擦性能

針對微織構(gòu)對表面摩擦性能的影響，主要通過對摩擦系數(shù)、承載能力的研究來反映表面的摩擦性能的優(yōu)劣。趙波[77] 對超聲珩磨工程陶瓷缸套表面的微觀網(wǎng)紋及特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在超聲振動作用下，垂直于珩磨網(wǎng)紋方向磨粒的脈沖分力，足以削掉珩磨網(wǎng)紋尖峰使之成為平臺，且每個平臺上可清晰刻劃出數(shù)個細(xì)密等高的三角網(wǎng)紋微織構(gòu)，使缸套的內(nèi)表面在耐磨性、潤滑性、承載能力等方面較普通珩磨均有較大的提高。GANDHI 等[25] 通過對振動切削形成微凹坑織構(gòu)進(jìn)行有潤滑摩擦試驗，發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)表面比普通表面具有更好的摩擦性能，能夠起到減摩降損的作用。陶國燦等[78] 對超聲銑削加工的微織構(gòu)表面進(jìn)行摩擦磨損和油膜承載力實驗，結(jié)果表明，在磨合階段，表面的摩擦系數(shù)曲線波動較小，摩擦穩(wěn)定性好；在正常磨損階段，摩擦系數(shù)與每齒進(jìn)給量有關(guān)，當(dāng)進(jìn)給量較小時，摩擦系數(shù)隨著振幅的增加呈先增大后減小的趨勢；當(dāng)進(jìn)給量較大時，摩擦系數(shù)隨振幅的增加而降低；同時，加工表面油膜承載能力在較大的振幅或進(jìn)給量下獲得顯著的提高。馬超等[79] 對不同超聲振幅銑削加工鈦合金表面織構(gòu)的摩擦磨損性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，超聲振幅對干摩擦條件下的摩擦系數(shù)影響較為明顯，而脂潤滑條件下變化較小，如圖26 示。

曹騰[80] 在對橢圓超聲制備的表面微織構(gòu)的摩擦性能進(jìn)行研究時，發(fā)現(xiàn)超聲橢圓振動切削形成的微織構(gòu)具有良好的減摩效果。ZHANG 等[81] 采用激光表面織構(gòu)和橢圓振動金剛石切削技術(shù)，在不銹鋼表面制備了不同深度（1.3 ～ 23 μm）的表面微織構(gòu)，通過摩擦磨損實驗發(fā)現(xiàn)表面微織構(gòu)的存在顯著降低了摩擦和磨損。

ZHAO 等[82] 研究了縱扭復(fù)合超聲振動銑削鈦合金和鋁合金的表面微織構(gòu)的摩擦磨損特性，結(jié)果表明，在同等條件下，縱扭超聲加工表面的摩擦系數(shù)小于普通加工條件下的，且振幅在4 μm 時摩擦系數(shù)最小。王耀宇[83]通過設(shè)計折彎型變幅桿在錫青銅板上分別制備密度為10%，20%，30% 的微織構(gòu)，并進(jìn)行往復(fù)式摩擦磨損實驗。

實驗表明，與未織構(gòu)化表面相比，經(jīng)過超聲織構(gòu)化的表面磨痕的寬度及材料的去除面積明顯減小，且密度為10% 的微織構(gòu)表面具有最佳的抗磨損性能。夏子文[84]對多維超聲銑削Ti3Al 金屬間化合物表面織構(gòu)的摩擦性能進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：與普通銑削相比，不同振動維數(shù)下加工的表面織構(gòu)對摩擦性能影響不同；多維超聲加工的表面的平均摩擦系數(shù)最大降低約30%，且摩擦后邊界毛刺及磨屑得到一定的抑制。

邢棟梁[85] 對超聲振動銑削加工表面微織構(gòu)的摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，超聲加工的織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)、表面油膜承載能力及磨損率均得到明顯的改善。WEN 等[86] 對超聲磨削加工的織構(gòu)表面的接觸性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在相同的載荷條件下，超聲磨削加工表面接觸剛度提高約68%，局部最大接觸壓力降低約17%，從而具有較好的接觸性能。CHEN 等[87] 為了對超聲磨削表面特性進(jìn)行研究，采用表面承載指數(shù)Sbi和核心區(qū)液體滯留指數(shù)Sci 研究磨削速度和超聲振幅對表面承載能力和流體的滯留性能的影響。結(jié)果表明，在相同條件下，超聲磨削的表面承載指數(shù)Sbi 和核心區(qū)液體滯留指數(shù)Sci 大于普通磨削的。表面承載指數(shù)Sbi隨著磨削速度的增大而減小，隨著振幅的增大而增大；而核心區(qū)液體滯留指數(shù)Sci 隨著二者的增大而增大。

摩擦性能作為評價表面微織構(gòu)使役性的主要指標(biāo)之一，目前大多采用試驗的方法對該性能進(jìn)行評價，定性的評價較多，缺少必要的定量評價。關(guān)于超聲加工的表面微織構(gòu)的摩擦性能研究尚未形成統(tǒng)一的理論，并且針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的表面織構(gòu)的摩擦性能研究尚缺，導(dǎo)致無法系統(tǒng)地就表面微織構(gòu)對摩擦性能的影響進(jìn)行綜合評價。

2.2 潤濕性能

表面微織構(gòu)潤濕性能的研究已成為表面織構(gòu)加工技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，并且被應(yīng)用于不同領(lǐng)域的超疏水或親水表面。關(guān)于超聲制備的微織構(gòu)表面目前主要處于實驗室階段，主要通過工藝參數(shù)的改變，對表面微織構(gòu)的潤濕性能進(jìn)行分析，研究較多集中在超聲銑削、車削。LIU 等[88] 對進(jìn)給方向振動車削加工不同的表面微織構(gòu)的潤濕性進(jìn)行研究，結(jié)果如圖27 所示：隨著超聲振幅的增大，表面織構(gòu)的親水性增強(qiáng)，接觸角分別從84.02°減小至69.67°和70.85°；而隨著轉(zhuǎn)速的增大，表面織構(gòu)的接觸角增加到94.73°，表面織構(gòu)的親水性減弱。

CHEN 等[52] 通過振動輔助微銑削加工出不同的表面織構(gòu)，得到頻率和振幅對接觸角的影響規(guī)律，如圖28所示：隨著頻率的升高，表面形成波浪形紋理，對接觸角的影響不顯著；而隨著頻率的降低和主軸的旋轉(zhuǎn)頻率為振動頻率的奇數(shù)倍時，表面形成魚鱗狀微織構(gòu)，接觸角隨著振幅的增大呈先減小后增大的趨勢，表面具有顯著的親水性。

XU 等[89] 利用旋轉(zhuǎn)超聲織構(gòu)技術(shù)加工出2 種不同的表面織構(gòu)，并進(jìn)行潤濕性試驗，與拋光表面相比，表面織構(gòu)的存在增加了表面的接觸面積，且織構(gòu)表面呈現(xiàn)出各向異性的潤濕特性，如圖29 所示。

趙重陽等[90] 對縱扭復(fù)合超聲振動銑削高強(qiáng)鋁合金表面微織構(gòu)的潤濕性進(jìn)行研究，結(jié)果表明超聲銑削加工方式下的表面接觸角較普通方式的大，接觸角隨著振幅的增加而減??；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，超聲振幅對接觸角的影響不顯著。

表面微織構(gòu)的潤濕性能對零件的應(yīng)用環(huán)境具有重要的意義，目前關(guān)于超聲加工表面微織構(gòu)的研究主要是對接觸角的分析，針對其深入的研究尚未系統(tǒng)開展，限制其工程化應(yīng)用。因此，關(guān)于超聲表面微織構(gòu)潤濕性的研究，需要拓展其研究內(nèi)容，與工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，模擬其在特定工況下的作用效果。

2.3 結(jié)構(gòu)色調(diào)控

微納結(jié)構(gòu)的形狀精度、周期尺寸和表面質(zhì)量等對結(jié)構(gòu)色的顏色、飽和度和亮度具有顯著影響作用。超聲加工能夠顯著改善微結(jié)構(gòu)的形貌精度和表面質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)色的調(diào)控方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。GUO 等[91]采用超聲橢圓振動表面織構(gòu)化技術(shù)，通過超聲振動頻率與工藝參數(shù)的耦合實現(xiàn)了光學(xué)性能調(diào)控，仿真出不同的結(jié)構(gòu)色特性，如圖30 所示。WANG 等[92] 基于調(diào)制橢圓振動織構(gòu)技術(shù)在黃銅表面加工出不同樣式的浮雕，并呈現(xiàn)不同的顏色，如圖31 示。

超聲橢圓振動表面織構(gòu)化雖然從原理和試驗上都證明其極高的微織構(gòu)加工效率，但由于在加工過程中超聲振動相位同步困難，橢圓軌跡間產(chǎn)生差異，致使用于大面積微織構(gòu)的加工仍存在一定的困難。

3 結(jié)論及展望

超聲加工作為制備表面微織構(gòu)的重要方法之一，雖然能夠顯著改善表面織構(gòu)的質(zhì)量，且能提高表面的使役性能，但是對拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域而言，仍然存在以下關(guān)鍵問題需要解決：

（1）因超聲加工振動系統(tǒng)難以實現(xiàn)通用性，導(dǎo)致微織構(gòu)制備的首要任務(wù)是對超聲裝備的研制，尤其針對特殊使用要求的復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，傳統(tǒng)的設(shè)計方法難以滿足設(shè)計要求，因此需要對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)且適用于特殊微織構(gòu)制備的超聲振動系統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行研究，并獲得不同加工工藝下超聲振動系統(tǒng)設(shè)計的通用設(shè)計理論。

（2）鑒于超聲表面微織構(gòu)制備的方法各異，目前關(guān)于對超聲表面微織構(gòu)制備的理論研究較少，且其研究系統(tǒng)性較強(qiáng)，涉及多學(xué)科，當(dāng)前的研究手段單一，導(dǎo)致微織構(gòu)的制備應(yīng)用受限。因此，需要開展跨學(xué)科研究，為超聲表面織構(gòu)技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

（3）超聲加工制備的表面微織構(gòu)形態(tài)、尺寸及分布特征復(fù)雜，尚未形成統(tǒng)一的評價方法。如何針對不同超聲工藝制備的表面微織構(gòu)采取相應(yīng)的表征參數(shù)對其進(jìn)行綜合評價，對高效精準(zhǔn)制備微織構(gòu)具有重要的意義。

（4）微織構(gòu)使役性能的研究不夠全面，易出現(xiàn)厚此薄彼，導(dǎo)致難以對其效用進(jìn)行綜合評價。因此，需要增加對微織構(gòu)使役性能研究內(nèi)容的深入挖掘，實現(xiàn)不同使役性能研究的有機(jī)結(jié)合。

（5）關(guān)于表面微織構(gòu)與使役性能之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律尚未清晰，目前的研究存在顧此失彼，導(dǎo)致難以實現(xiàn)二者的有機(jī)統(tǒng)一。因此，需要對二者之間進(jìn)行系統(tǒng)性研究，獲得表面微織構(gòu)對使役性能的影響規(guī)律，從而拓寬超聲織構(gòu)化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

（6）超聲加工工藝制備的表面微織構(gòu)存在工藝參數(shù)、表面織構(gòu)表征參數(shù)及使役性能之間未實現(xiàn)有效的關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致三者之間不能互相映射。因此，需要構(gòu)筑三者之間的映射圖譜，進(jìn)而實現(xiàn)能夠獲得特殊使役性能表面微織的主動可控制造。

（7）隨著多維超聲加工技術(shù)的涌現(xiàn)，如何將其應(yīng)用于特殊表面微織構(gòu)的制備，達(dá)到精準(zhǔn)高效加工的目的，并促進(jìn)其工程化應(yīng)用，在未來的研究依然顯得任重而道遠(yuǎn)。

作者簡介

別文博，男，1987 年生，博士。主要研究方向：精密超精密加工技術(shù)與裝備。

E-mail：wenbo187120@163.com

通信作者： 趙波，男，1956 年生，教授。主要研究方向：精密超精密加工技術(shù)與裝備。

E-mail：zhaob@hpu.edu.cn

（編輯：趙興昊）