[發(fā)明專利]基于SEM原位在線觀測(cè)的納米切削裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410123818.2
• 申請(qǐng)日: 2014-03-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103878392A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉冰;房豐洲;徐宗偉;兀偉;趙兵;賈瑞麗;曹克雄
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): B23B5/00
• 分類號(hào): B23B5/00;B23B25/06;B23B27/00;B23Q1/25;B23Q17/00;B82Y40/00;B82Y35/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 程毓英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米切削裝置，具體而言，涉及一種基于SEM(掃描電子顯微鏡)高真空環(huán)境下進(jìn)行納米切削的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可應(yīng)用于納米切削機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究。

背景技術(shù)

由于納米切削中切削厚度已與刀具刃口半徑為同一數(shù)量級(jí)，受到材料尺寸效應(yīng)、刀具刃口效應(yīng)和切削比能急劇增加等尺度效應(yīng)的影響，在材料去除機(jī)理等方面納米切削已與傳統(tǒng)切削存在顯著不同。傳統(tǒng)剪切理論已無(wú)法有效解釋和分析納米切削加工結(jié)果和現(xiàn)象，亟需深入系統(tǒng)針對(duì)納米切削機(jī)理中存在的新現(xiàn)象與新規(guī)律開(kāi)展相關(guān)研究。

目前，對(duì)納米切削機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究主要利用超精密車床對(duì)材料進(jìn)行極限切削。但是基于超精密車床的極限切削研究存在切屑觀測(cè)困難、在線搜集工藝復(fù)雜等難題，而且相關(guān)離線表征分析中也會(huì)額外引入不確定因素，包括空氣氧化、灰塵污染等，不利于納米切削機(jī)理研究。

另外，有人在SEM中對(duì)材料進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn)，但是金剛石壓頭結(jié)構(gòu)參數(shù)與刀具參數(shù)差別巨大，如無(wú)法實(shí)現(xiàn)刀具前后角等，降低了納米切削加工相關(guān)機(jī)理研究的有效性和真實(shí)性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，克服上述現(xiàn)有納米切削機(jī)理研究方法的不足，提出一種可以實(shí)現(xiàn)原位在線觀測(cè)功能的納米切削裝置，用以更好地研究納米切削機(jī)理。

本發(fā)明的目的是通過(guò)下述方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于SEM原位在線觀測(cè)的納米切削裝置，置于真空腔內(nèi)，包括基座(1)，位于基座(1)兩側(cè)的具有相同高度的兩塊立板(10)，掃描電子顯微鏡(2)，納米移動(dòng)臺(tái)(4)，包括上微動(dòng)臺(tái)(8)和下微動(dòng)臺(tái)(9)的多軸精密微移動(dòng)臺(tái)，金剛石刀具和刀柄(3)，隔離板(5)樣品托(7)，其中，隔離板(5)與立板(10)相連并置于下微動(dòng)臺(tái)的上方，中間開(kāi)設(shè)有孔洞。隔離板(5)與下微動(dòng)臺(tái)(9)之間相隔一定距離，下微動(dòng)臺(tái)(9)置于基座(1)上，具有X、Y自由度；上微動(dòng)臺(tái)(8)置于下微動(dòng)臺(tái)(9)上面，通過(guò)隔離板(5)上的孔洞伸出，上微動(dòng)臺(tái)(8)具有Z、R自由度；納米移動(dòng)臺(tái)(4)置于隔離板(5)上，具有X軸、Y軸、Z軸三個(gè)自由度，帶動(dòng)金剛石刀具(3)進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)，X軸是切削深度方向，Y軸是切削方向，Z軸用于微調(diào)樣品與刀具直線刃的位置高度關(guān)系；樣品托置于上移動(dòng)臺(tái)上；掃描電子顯微鏡(2)用于進(jìn)行切削加工的原位在線觀測(cè)。

本發(fā)明提出的基于SEM原位在線觀測(cè)的納米切削裝置，用于納米切削機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究，與傳統(tǒng)的超精密車削方法相比，具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

首先，本發(fā)明應(yīng)用在SEM高真空環(huán)境下研究納米切削機(jī)理，可以實(shí)現(xiàn)在線觀測(cè)功能，便于原位分析材料的納米去除模式、切屑形態(tài)以及材料的加工表面質(zhì)量。

其次，對(duì)刀過(guò)程在SEM的監(jiān)測(cè)下進(jìn)行，操作靈活，容易對(duì)刀，顯著提高實(shí)驗(yàn)效率。多維納米移動(dòng)臺(tái)具有納米級(jí)定位精度及分辨率，能夠控制切削深度達(dá)到納米量級(jí)甚至小于刀具刃口半徑。

另外，如果在大氣環(huán)境下進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，然后利用SEM對(duì)其結(jié)果進(jìn)行離線分析表征，材料會(huì)額外引入空氣氧化、灰塵污染等不確定因素。本發(fā)明基于SEM的真空環(huán)境進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)，避免上述不確定因素的發(fā)生。

附圖說(shuō)明

圖1是納米切削裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2是沿SEM觀測(cè)方向切削過(guò)程原理圖。

圖3是單晶銅納米切削過(guò)程SEM照片

圖4（a）是單晶硅脆塑轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)SEM照片。

圖4（b）是單晶硅脆性切削實(shí)驗(yàn)SEM照片。

附圖標(biāo)記：1基座；2SEM；3金剛石刀具及刀柄；4多維納米移動(dòng)臺(tái)；5隔離板；6樣品；7樣品托；8上微動(dòng)臺(tái)；9下微動(dòng)臺(tái)；10立板。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明應(yīng)用與納米切削機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究中，其步驟如下。

參見(jiàn)圖1納米切削裝置結(jié)構(gòu)圖。

整體的切削裝置具有：基座1；SEM2；多維納米移動(dòng)臺(tái)4；多軸精密微移動(dòng)臺(tái)（包括上微動(dòng)臺(tái)8和下微動(dòng)臺(tái)9）；金剛石刀具和刀柄3；隔離板5；立板10；樣品6；樣品托7；

上微動(dòng)臺(tái)8包括Z、R自由度，下微動(dòng)臺(tái)9包括X、Y自由度，其中上微動(dòng)臺(tái)8通過(guò)螺紋固定于下微動(dòng)臺(tái)9上。納米移動(dòng)臺(tái)4具有X、Y、Z三個(gè)自由度，帶動(dòng)金剛石刀具3進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)，X軸是切削深度方向，Y軸是切削方向，Z軸用于微調(diào)樣品與刀具直線刃的位置高度關(guān)系。