[發明專利]SEM在線納米切削裝置的切削力及切削應力測量方法

有效

• 申請號: 202110378374.7
• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN113146360B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 徐宗偉;田東禹;何忠杜;國晨;趙兵;劉冰;張增其;周湛奇;孫天澤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種SEM在線納米切削裝置的切削力及切削應力測量方法，包含以下步驟：利用SEM在線觀測納米切削，在金剛石刀具側刀面上利用SEM沉積功能沉積一條垂直于刀具運動方向的Pt線標記物；開展恒定切削速度下的納米切削實驗和刀具相同切削速度下的空走實驗，使用SEM錄制切削過程視頻；根據SEM生成視頻中對應時間分辨率確定提取幀圖片的時刻，提取各個時刻下的幀圖片；對標記物位置變化進行提取；得到金剛石刀具納米切削過程中刀桿的撓度變化信息；對切削裝置的刀桿進行剛度標定，測量金剛石刀具納米切削過程中的切削力大小；采用AFM對切削后的樣品的表面形貌進行測試；計算出金剛石刀具納米切削中切削應力的大小。

技術領域

本發明屬于測量技術領域，涉及利用SEM誘導沉積技術、SEM成像技術、圖像處理技術、AFM形貌測量等技術，實現對SEM在線觀測金剛石刀具納米切削裝置的切削力及切削比能進行測量。該方法可在不額外搭載可在真空條件下工作的傳感器裝置，實現SEM在線觀測金剛石刀具納米切削過程對納米切削的切削力和切削應力進行測量，可用于納米切削機理實驗的分析研究。

背景技術

近年來，基于超精密金剛石車削的切削加工技術已經被證實為獲得硬脆材料超光滑表面的一種高效高精度的超精密加工手段。超精密金剛石切削中存在的脆塑轉變現象可以使脆性材料以塑性模式被去除。由于在硬脆材料的納米切削中脆塑轉變的臨界深度與金剛石刀具刃口半徑均處于納米量級，為了便于硬脆材料脆塑轉變機理的實驗研究，需要在實現納米級精度的金剛石切削實驗的同時，對納米切削過程、材料納米去除模式、切屑形成過程以及材料的切削表面質量進行高分辨表征。因此利用SEM在線觀測金剛石刀具納米切削裝置開展硬脆材料脆塑轉變機理研究是一種有效的手段。

目前的SEM在線觀測金剛石刀具納米切削裝置中，由于受SEM真空樣品倉的空間尺寸及環境等條件的限制，無法利用傳統的方式，例如使用力傳感器或搭載測力系統對納米切削過程中的切削力進行測量。Liu等人利用圖像處理的方法對SEM在線納米切削裝置的切削力進行測量^[1,2]，但在該方法中存在以下缺陷，會導致較大的誤差，甚至測量值與實際值不符：

(1)由于SEM成像需要由電子束逐點對成像區域進行掃描進行成像，需要一定的成像時間，明顯不同于傳統光學成像的實時成像機制，Liu等人提出的切削力測量方法中^[1,2]，利用圖像處理的方法檢測一定切削速度下刀桿帶動刀具運動其末端的運動狀態，減去其不進行納米切削時相同切削速度下運動狀態的理論值，得到因切削力導致刀桿產生撓度的大小，進而計算切削力大小。但其并未考慮SEM成像的時間分辨率，采取1s的固定時間間隔進行切削力的測量，并未考慮其設置的1s的時間間隔是否與SEM成像的時間分辨率匹配。因此得到的刀桿帶動刀具運動隨時間變化的曲線中測得的其運動狀態與時間變化是不匹配的。并且后續將其測得量與不進行納米切削時運動狀態理論值相減，會導致計算錯誤。

(2)Liu等人提出的切削力測量方法中^[1,2]，對于刀桿帶動刀具運動其末端運動狀態的測量，采用檢測刀具輪廓，將其輪廓描述為單排像素點，對某一垂直運動方向上的單像素點位置變化進行統計，統計刀桿帶動刀具運動其末端運動狀態隨時間的變化。由于其刀具輪廓與樣品構成的背景部分均接近于白色，利用圖像處理對其輪廓進行提取檢測會有較大的誤差。并且其刀具輪廓尺寸明顯大于單個像素點，因此其測量結果的誤差也會大于1個像素點。然而對于納米切削中產生的毫牛級別的切削力，在Liu等人測得的結果中，其引起刀桿的撓度變化最大不超過14個像素點，最小撓度變化不到1個像素點^[1,2]，其測量誤差過大。

除了前人研究中對切削力測量的不足之處。切削應力作為反映納米切削中材料承受應變的參量，對于深入理解金剛石刀具與樣品相互作用機制，理解納米切削中脆塑轉變機理有重要意義，現階段中對于SEM在線納米切削的切削應力的測量仍未見報道。因此，亟需對SEM原位在線觀測金剛石刀具納米切削實驗中的切削力和切削應力進行測量，以深入系統地針對納米切削中存在的現象與機理開展相關研究。

參考文獻