在現代機械加工領域，超聲波輔助車削技術（CUAT）作為一種創新的加工方法，正逐漸成為提高加工效率、降低刀具磨損以及改善表面質量的重要手段。通過將超聲波振動引入傳統車削工藝，CUAT不僅能夠實現間歇切削，降低平均切削力，還能顯著改善加工表面的粗糙度。然而，這種技術的效果與切削速度、振動參數等密切相關，尤其是在低速切削條件下，其優勢更為明顯。本文將探討超聲波輔助車削技術在不同切削速度下的表面質量表現，并介紹美能光子灣超景深顯微鏡在其中的關鍵作用。

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超聲波輔助車削

超聲波輔助加工是在諸如車削、銑削、鉆削、磨削以及其他方法等傳統加工技術中，將超聲波振動施加于切削刀具或工件的過程。這種方法的優勢，包括降低切削力和刀具磨損，以及提高加工零件的表面質量，已在大量實證研究中得到了充分證明。

車削是機械制造中一種重要的加工方法，因此，旨在提高產品質量和降低生產成本的研究至關重要。超聲波輔助車削已受到關注，相關研究主要集中在以下問題上：通過實驗評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復合材料等超硬材料時，減緩刀具磨損；通過減少冷卻液和潤滑劑的使用來降低對環境的影響。

超聲波振動可沿三個方向施加：切削速度方向、給進方向或徑向。也可沿兩個甚至三個方向組合施加。沿切削速度方向施加超聲波振動應用更為廣泛，能有效提升加工質量，尤其是在切削速度低于臨界值時實現斷續切削。沿徑向和給進方向施加振動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輔助車削示意圖

在超聲輔助車削(CUAT)過程中對表面形成的研究對于理解表面質量的提升以及超聲振動的作用機制至關重要。要揭開CUAT表面粗糙度波動背后的機制，還需要對表面形成進行進一步的實驗研究。

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實驗探究

實驗使用了直徑在21至29毫米之間的C45碳鋼和201不銹鋼工件進行車削。切削速度設定為20、40、50、60、100和120米/分鐘，切削深度為0.15毫米，給進量為0.1毫米/轉。振動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表現出了間歇和連續切削兩種行為。

CUAT工藝的實驗參數

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表面形貌

為了驗證CUAT中加工表面形成的理論模型，使用超景深顯微鏡對表面形貌進行了分析。通過對比下圖中高于和低于臨界速度時加工表面的二維和三維圖像，可以觀察到在加工停止時形成脊背形狀，類似于毛刺形成的過程。在最低切削速度時出現波峰，而在較高的切削速度下，表面紋理逐漸變為凹形。

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500倍時的二維和三維表面圖像

C45和201不銹鋼工件的理論計算出的脊距值和使用超景深顯微鏡所測得的實際值

201不銹鋼和C45鋼的最大標準偏差分別為2.88微米和3.7微米，均在切削速度為120米/分鐘時出現，而在低于臨界速度時，這些標準偏差較小。這表明在低切削速度下，超聲振動的影響相對穩定。然而，當切削速度超過臨界值時，脊線的節距誤差往往會增大。

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表面粗糙度

下圖展示了本實驗中C45鋼和201不銹鋼工件在不同切削速度下的Ra粗糙度結果。在切削速度為20米/分鐘時，C45鋼的粗糙度顯著降低，降幅高達80%。然而，在超過臨界速度時，粗糙度的改善效果不明顯；在100米/分鐘和120 米/分鐘時，Ra分別僅降低了22%和32%。對于201不銹鋼，Ra值變化不大，部分測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構以提供客觀評估。

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鋼在普通車削(CT)中的表面粗糙度峰值通常是由車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。通過觀察超聲振動車削(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，每個振動周期后都會形成脊狀結構，但其高度相對較小。例如，在20米/分鐘的切削速度下，200x298微米觀察區域內的最高峰僅為2.42微米。同樣，在400x586微米的區域內，切削速度為50米/分鐘時峰值高度未超過4.64微米。因此，由超聲振動產生的具有脊狀結構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。

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

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

當切削速度超過臨界速度時，由于不再實現斷續切削，刀脊的形成停止，取而代之的是連續切削。因此，加工表面出現波紋，切削速度最低時為波峰，最高時為波谷。在CUAT的連續切削過程中，切削速度的最大差值可達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，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行CUAT時也會出現脊狀突起，如下圖(a)、(c)所示。然而，在CT過程中，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歸因于切削刀具的痕跡，這表明超聲振動對201不銹鋼材料的影響可以忽略不計。

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)工藝的本質在于形成一種比普通切削(CT)加工表面更優的紋理表面。這種紋理表面的形成對表面粗糙度有著關鍵影響，并受切削速度(vc)以及振幅(A)和頻率(f)等振動參數的控制。在CUAT過程中，間歇切削會導致形成脊狀和凹坑狀結構：當刀具從停止狀態過渡到切削狀態時會形成脊狀結構，類似于切削開始時的毛刺形成；而凹坑狀結構則是由超聲振動引起的切削速度增加所導致。為了獲得低粗糙度的光滑表面，脊狀結構和凹坑狀結構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，以優化表面粗糙度。

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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各種精密器件及材料表面進行亞微米級測量的檢測儀器。與傳統的光學顯微鏡不同，該設備擁有更大的景深、更廣的視野、更高的放大倍率、更全的觀測角度，足以應對各種極具挑戰的觀測場景。

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超聲波輔助車削技術的實驗研究表明，其在低速切削條件下對表面粗糙度的改善尤為顯著，但在高速切削時，其優勢可能會因連續切削而減弱。這一發現為機械加工領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量的應用場景中。美能光子灣超景深顯微鏡在這一研究中發揮了關鍵作用。其亞微米級的測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構，從而為優化加工參數提供了有力支持。未來，隨著技術的進一步發展，超聲波輔助車削有望在更多領域實現廣泛應用，而美能光子灣超景深顯微鏡也將繼續為微觀世界的探索提供可靠的工具。