作者

刘嘉辉，冯平法，冀寒松，张建富，张翔宇，王健健*

机构

清华大学，北京理工大学

Citation

Liu J H, Feng P F, Ji H S, Zhang J F, Zhang X Y, Wang J J. 2026. Tip-based vibration carving of shape-customized convex microstructures: principle, modeling, and experiments. Int. J. Extrem. Manuf. 8 025101.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae1db7

1. 文章导读

表面是物质与环境之间相互作用的传递通道，是人类改造自然的窗口。大量研究表明，表面并不总是越光滑越好。通过在表面制造周期性微纳米结构，可以使表面获得更高的复杂性，从而具备对物质与环境之间相互作用的更灵活的调控能力，使表面的性能得到提升，甚至赋予表面新的功能，在冷凝、传热、防覆冰、传感等众多领域都具有广泛的应用需求。其中，表面微凸结构因与生物表面结构的类似性，获得了更多的关注。表面微凸结构的形状、尺寸、空间分布是调控表面性能和功能的重要参数。然而，当前缺乏对形状等参数定制化微凸结构的高效灵活加工方法。

近期，清华大学机械工程系王健健副教授课题组提出了一种全新的基于探针形刀具的形状定制化微凸结构振动划刻加工技术，实现了表面形状定制化微凸结构的高效灵活制造。相关成果以“Tip-based vibration carving of shape-customized convex microstructures: principle, modeling, and experiments”为题，发表于Top期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）。

2. 图文解析

基于探针形刀具的振动划刻加工方法的原理如图1所示。与传统振动切削加工不同的是，刀具的振动轨迹与工件表面平行。刀具振动轨迹展开后形成周期性的划刻运动，以去除部分材料，保留剩余材料形成微凸结构。每个振动周期加工出一个结构，利用高频振动可以实现结构的高效加工。通过改变振动轨迹，可以实现不同形状微凸结构的灵活加工。

图1 基于探针形刀具的振动划刻和传统正交划刻加工工艺原理。（a）提出的振动划刻工艺方法；（b）传统正交两步划刻工艺方法。

基于振动划刻的基本原理，研究了三种振动轨迹的划刻工艺，分别为：正弦振动划刻、O形振动划刻和U形振动划刻。开展了运动学分析，建立了基于工艺机理和实验数据融合的微凸结构形貌特征预测模型，用于指导工艺参数的选取。相关实验在实验室自主搭建的超精密运动平台上开展，如图2所示。

图2 基于探针形刀具的振动划刻加工系统及建模方法。（a）探针形刀具几何形貌；（b）探针形刀具SEM表征结果；（c）基于机理和数据融合的建模方法；（d）振动划刻加工系统。

通过正弦振动划刻、O形振动划刻、U形振动划刻分别加工得到了形貌规则排列整齐的近似菱形微凸结构、近似圆锥形微凸结构、近似贝壳形微凸结构，如图3-5所示。微凸结构的尺寸和空间分布可以由振动轨迹和初始相位灵活调控。

图3 近似菱形微凸结构正弦振动划刻加工结果。（a）正弦划刻工艺示意图；（b）SEM表征结果；（c）三维白光干涉形貌仪表征结果；（d）B-B截面轮廓表征结果。

图4 近似圆锥形微凸结构O形振动划刻加工结果。（a）O形划刻工艺示意图；（b）SEM表征结果；（c）三维白光干涉形貌仪表征结果；（d）B-B截面轮廓表征结果。

图5 近似贝壳形微凸结构U形振动划刻加工结果。（a）U形划刻工艺示意图；（b）SEM表征结果；（c）三维白光干涉形貌仪表征结果；（d）B-B截面轮廓表征结果。

得益于微凸结构独立加工互不影响的特点，通过振动划刻还加工了混合表面微凸结构，如图6所示。不同类型的微凸结构可以自由组合，形貌特征和空间分布可以自由设计。

图6 混合微凸结构振动划刻加工结果。

此外，还通过实验研究了所提出工艺的材料适应性、刀具磨损情况、亚表层微观组织变化，测试了微凸结构表面的液滴润湿性。

3. 总结与展望

本研究提出了一种用于形状定制化微凸结构高效制造的基于探针形刀具的振动划刻加工方法，该方法将基于探针形刀具加工的高精度优势与振动加工的高效率优势结合。针对该方法建立了微凸结构形貌特征的理论预测模型和材料去除变形的有限元仿真模型，并在多种材料上进行了加工试验，验证了所提出工艺方法的有效性。未来需要进一步利用丰富的轨迹加工不同形貌特征的微凸结构，充分发挥新工艺方法的优势，并通过与不同领域学者的合作，充分挖掘和释放新工艺方法的应用潜力。

4. 作者与团队简介

王健健，清华大学机械工程系副教授、博士生导师，入选德国洪堡学者、国家高层次青年人才。2017年在清华大学机械工程系获得博士学位，之后在中国香港中文大学、美国西北大学和德国卡尔斯鲁厄理工从事博士后研究。围绕国家对于高性能先进制造技术的战略需求，长期从事难加工材料和功能结构超声加工的装备设计、机理分析和性能调控研究。主持国家自然科学基金项目、北京市自然科学基金面上项目及其他科研项目10余项。以第一作者或通讯作者发表论文80余篇，授权发明专利20余项，获得SCI引用1800余次，H指数26。获得2023年北京市科技进步二等奖，2022年中国工程前沿杰出青年学者奖，2022年日内瓦发明大赛银奖，2022年全国发明比赛一等奖，2024年度特种加工学会最美科技工作者。

刘嘉辉（第一作者），工学学士，现任清华大学机械工程系博士研究生。主要研究方向为表面微织构制造和抗疲劳制造。

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