椭圆振动慢刀伺服切削加工正弦微织构的时变性与粗糙度抑制策略

doi:10.3901/JME.260435

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (9): 447-456.doi: 10.3901/JME.260435

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椭圆振动慢刀伺服切削加工正弦微织构的时变性与粗糙度抑制策略

杨金川¹, 李捷¹, 王乐祥¹, 张建富^2,3, 王健健^2,3, 冯平法^2,4

1. 中国工程物理研究院材料研究所绵阳 621700;
2. 清华大学机械工程系北京 100084;
3. 清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室北京 100084;
4. 清华大学深圳国际研究生院深圳 518055

收稿日期:2025-06-22 修回日期:2025-09-22 发布日期:2026-07-08
作者简介:杨金川，男，1988年出生，博士，高级工程师。主要研究方向为特种材料精密件极端制造、振动辅助加工装备与工艺。E-mail：yangjc17@tsinghua.org.cn;王健健(通信作者)，男，1988年出生，博士，副教授，博士研究生导师。主要研究方向为超声先进制造。E-mail：wangjjthu@tsinghua.edu.cn
基金资助:
深圳基础研究学科布局基金资助项目(JCYJ20180508152128308)。

The Time Variability and Roughness Suppression of Elliptical Vibration Slow Tool Servo Machining on Sinusoidal Surface Microstructure

YANG Jinchuan¹, LI Jie¹, WANG Lexiang¹, ZHANG Jianfu^2,3, WANG Jianjian^2,3, FENG Pingfa^2,4

1. Institute of Materials, Chinese Academy of Engineering Physics, Mianyang 621700;
2. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084;
3. State Key Laboratory of Tribology in Advanced Equipment, Tsinghua University, Beijing 100084;
4. Tsinghua Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen 518055

Received:2025-06-22 Revised:2025-09-22 Published:2026-07-08

摘要/Abstract

摘要： 具有大波长、深振幅微织构特征的正弦调制靶是惯性约束聚变等核物理试验的重要冲击载体，其正弦曲面的表面粗糙度及其波动严重影响核物理化学反应效能。由于常规慢刀伺服(Slow tool servo, STS)切削加工正弦微织构曲面的表面质量控制难度大及加工表面一致性需求，研究椭圆振动慢刀伺服(Elliptical vibration slow tool servo, EVSTS)切削技术应用与加工正弦微曲面结构可行性与有效性。基于椭圆振动轨迹的可调性与切削过程的时变性，明确了椭圆振动慢刀伺服切削正弦微曲面的粗糙度分布特征及其波动产生机理，并提出椭圆振动轨迹与目标正弦微曲面的优化匹配策略，抑制了正弦微曲面粗糙度波动。切削试验结果表明，正弦微曲面粗糙度分布状态及其波动由椭圆振动切削时变性所决定。相对于常规慢刀伺服切削，在一定切削参数范围内，椭圆振动慢刀伺服切削正弦微织构的表面粗糙度下降了30%～60%，粗糙度波动减小30%以上。

关键词: 椭圆振动慢刀伺服, 正弦表面织构, 时变性, 表面粗糙度, 表面一致性

Abstract: The modulated target with sinusoidal micro-surface is an important impact carrier for inertial confinement fusion and other nuclear physics experiments. Its roughness fluctuation on the micro-surface seriously affect the nuclear physics and chemical reactions. For machining sinusoidal modulated target, the conventional slow tool servo (STS) cutting technology is difficult to control the roughness fluctuation owing to the sudden change of cutting state. Based on the requirement of surface consistency, the elliptical vibration slow tool servo (EVSTS) cutting method is presented for fabricating sinusoidal micro-surface. Based on the time-varying of the cutting process of EVSTS, the roughness distribution characteristics and its generation mechanism of the roughness fluctuation on the sinusoidal micro-surface are clarified, and the optimal matching strategy between the elliptical vibration trajectory and the target sinusoidal micro-surface is proposed to suppress the roughness fluctuation. The experimental results show, compared with the conventional STS cutting, the roughness on sinusoidal micro-surface machined by EVSTS decreases by 30%-60%, and its roughness fluctuation is reduced by more than 30% in a certain range of cutting parameters.

Key words: elliptical vibration slow tool servo, sinusoidal microstructure, time variability, roughness, surface consistenc

中图分类号:

TG663

杨金川, 李捷, 王乐祥, 张建富, 王健健, 冯平法. 椭圆振动慢刀伺服切削加工正弦微织构的时变性与粗糙度抑制策略[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 447-456.

YANG Jinchuan, LI Jie, WANG Lexiang, ZHANG Jianfu, WANG Jianjian, FENG Pingfa. The Time Variability and Roughness Suppression of Elliptical Vibration Slow Tool Servo Machining on Sinusoidal Surface Microstructure[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(9): 447-456.

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椭圆振动慢刀伺服切削加工正弦微织构的时变性与粗糙度抑制策略

The Time Variability and Roughness Suppression of Elliptical Vibration Slow Tool Servo Machining on Sinusoidal Surface Microstructure

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