CN109307634A - 一种微纳米刻划硬脆性材料试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微纳米刻划硬脆性材料试验装置及其试验方法；包括用于固定试验样品的试件夹具；用于固定试件夹具的作业平台；用于搭载刻划刀具在XYZ方向移动的XYZ轴移动机构；整个刻划试验装置放置于气浮平台上，调节平台下方有可以准确调节高度的调平螺栓。通过控制直线位移台的运动实现Z轴方向纳米精度的刻划深度；通过装夹不同锥角和圆弧半径的单颗金刚石刻划刀具进行刻划，研究脆性材料的材料去除和加工机制，实现不同深宽比结构的塑性加工；通过调平螺栓调节试样平台的夹角，实现高精度的变切深度刻划或等深度刻划。本试验装置结构简单，测试精度高，操作方便。
Description
技术领域
本发明属于机械加工中的材料测试及超精密加工领域，特别是涉及一种微纳米刻划硬脆性材料试验装置及其试验方法。
背景技术
过去二十年来，工程陶瓷、光学玻璃等硬脆性材料以其独特的性能，在航空航天、石油化工、船舶、电气和电子工程以及汽车制造业中广泛使用。工程陶瓷、硅、光学玻璃是典型的难加工材料，因为它们具有高硬度、高强度、耐磨性好、脆性大等特点。通过磨削和研磨抛光工艺，可以获得高等级的表面光洁度，并且具有较高的尺寸和形状精度。然而，在磨削研磨的过程中，材料的去除机制和变形机理是非常复杂的，因为磨削是多颗磨粒相互作用实现材料去除的过程，并且涉及到工件材料性质、加工参数、磨粒的形状和分布、机床的精度等等。通过微纳米单颗磨粒刻划硬脆性材料试验，分析硬脆性材料的材料去除机制和变形机理显得非常有意义。
目前常见的微纳米刻划试验一般是在纳米划痕仪(美国MTS公司的Nano IndenterXP、瑞士CSM公司Nano Scratch Tester)或者是原子力显微镜(AFM)进行的。在名称为“Scratch direction and threshold force in nanoscale scratching using atomicforce microscopes”文献中(Tseng A A,Kuo C F J,Jou S,et al.Applied SurfaceScience,2011,257(22):9243-9250.)，作者采用原子力显微镜(AFM)探究玻氏压头(Berkovich indenter)刻划对划痕形貌的影响。然而，在原子力显微镜进行的刻划试验，刻划的量程非常小，对试验样品尺寸要求严格，所用的刻划压头形状已定，划痕深宽比已经确定。在纳米划痕仪进行硬脆性材料的刻划试验，其具有较高的试验精度，但是刻划的压头属于专用压头，无法探究磨粒几何形状在刻划中对刻划形貌和材料去除的影响，也无法进行较高速度的刻划，不利于实现可控、高深宽比的沟槽阵列结构加工。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种低成本、高精度的微纳米刻划硬脆性材料试验装置及其试验方法，其能加工不同深宽比的沟槽阵列结构，其克服了现有技术中刻划试验装备所存在的不足。
本发明通过下述技术方案实现：
一种微纳米刻划硬脆性材料试验装置，包括：
用于固定试验样品5的试件夹具4；
用于固定试件夹具4的作业平台；
用于搭载刻划刀具6在XYZ方向移动的XYZ轴移动机构；该XYZ轴移动机构位于作业平台侧；
所述XYZ轴移动机构包括：刀夹7、(PI纳米)直线位移台8、测力仪9、Z轴进给装置12、Y轴进给装置13、X轴进给装置15；
所述刻划刀具6通过刀夹7固定并且连接在直线位移台8上；
直线位移台8通过螺栓连接装接在测力仪9上；
X轴进给装置15、Y轴进给装置13通过螺栓连接在底座1上，通过丝杆传动方式进给；
该测力仪9通过装配连接铝块10以及Z轴固定块11装接在Z轴进给装置12上。
所述试件夹具包括基板4-1、位于基板4-1表面边缘处的带缺口的凹槽；该凹槽用于放置试验样品5；位于该凹槽的缺口一侧，设置有一用于挡住该缺口的挡块4-2，挡块4-2通过调节螺栓4-3连接在基板4-1的侧边。
所述作业平台包括：
固定安装在气浮平台上底座1；
竖直放置的调节平台基座2，其固定安装在底座1的顶面；
水平放置的调节平台3，其固定安装在调节平台基座2上；
试件夹具4通过螺栓固定安装在调节平台3的顶面；在调节平台3的下方设置有一调平螺栓14，以调整调节平台3的水平；
所述刻划刀具6为单颗金刚石刻划刀具。
一种微纳米刻划硬脆性材料试验装置的试验方法，包括如下步骤：
将试验样品5用镊子放入试件夹具4的凹槽内，事先应在凹槽的缺口侧以及与缺口对应的另一侧，各放置一层硅胶薄膜，通过挡块4-2和调节螺栓4-3实现试验样品5的装夹；通过调节螺栓4-3的松紧，可调节挡块4-2与试验样品5之间的预紧力度；挡块4-2安装时可高于试验样品5的高度；
将刻划刀具6固定在刀夹7上；
调平试验平台；通过X轴进给装置15、Y轴进给装置13使刻划刀具6位于试验样品5的正上方，通过Z轴进给装置12使刻划刀具6向试验样品5逐渐靠近，观察刻划刀具6与试验样品5的距离测量两点的Z轴坐标，得出初始高度差，进而通过调平螺栓14进行螺距调整，使试验样品5的刻划表面与X轴进给方向平行；
对刀操作；当观察到刻划刀具6即将接触试验样品5时，用直线位移台8进一步小量程为10nm/s逼近，与此同时若测力仪9检测到力信号发生了的变化，则说明刻划刀具6已与试验样品5接触，记录下此时刻划刀具6的Z轴的坐标，完成对刀操作；
对试验样品5进行刻划，通过直线位移台8进一步控制刻划刀具6在Z轴方向刻划的深度，再控制X/Y轴方向的进给速度和进给距离，实现不同的刻划速度；进而在试验样品5的表面完成微刻作业。
卸载及退刀；运行Z轴进给装置使刻划刀具6及刀夹7沿着Z轴负方向进给，完成刻划的卸载阶段，进一步退刀至安全高度。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
在原有三轴进给控制装置基础上增加纳米级直线位移平台，实现低成本、高精度的微纳米刻划，刻划样品不受尺寸影响，刻划长度、刻划速度都可以通过设定对应值进行控制，具有较大的灵活性，因此能克服原子力显微镜以及纳米刻划仪存在的不足。
通过调平螺栓，测力仪力信号的突然变化，能够快速实现调平、对刀操作，保证刻划试验的速度以及精确性。
本发明在试件夹具基板表面边缘处设置带缺口的凹槽；该凹槽用于放置试验样品；位于该凹槽的缺口一侧，设置有一用于挡住该缺口的挡块，通过挡块给试验样品提供一个横向预紧力矩，具有安装拆卸方便即高度调等优点。
本发明结合上述方案，可以通过自制的不同几何形状、锥角、圆弧半径的单颗磨粒金刚石刀具，进行不同条件的刻划，可以更加深入地研究硬脆性材料的材料变形以及去除机理，更有利实现可控、高精度、高深宽比的塑性沟槽阵列精密加工，实现从测试工具到加工工具的转变。
附图说明
图1是本发明微纳米刻划硬脆性材料试验装置的结构示意图。
图2是本发明微纳米刻划硬脆性材料试验装置的平面侧视结构示意图。
图3是本发明试件夹具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-3所示。本发明公开了一种微纳米刻划硬脆性材料试验装置，包括：
用于固定试验样品5的试件夹具4；
用于固定试件夹具4的作业平台；
用于搭载刻划刀具6在XYZ方向移动的XYZ轴移动机构；该XYZ轴移动机构位于作业平台侧。
XYZ轴移动机构的运动精度优于100nm,其闭环直线进给量程为25mm。
所述XYZ轴移动机构包括：刀夹7、直线位移台8、测力仪9、Z轴进给装置12、Y轴进给装置13、X轴进给装置15；
所述刻划刀具6通过刀夹7固定并且连接在直线位移台8上，其定位精度为1nm；
直线位移台8通过螺栓连接装接在测力仪9上；该测力仪9通过装配连接铝块10以及Z轴固定块11装接在Z轴进给装置12上。
X轴进给装置15、Y轴进给装置13通过螺栓连接在底座1上，通过丝杆传动方式进给，其定位精度优于100nm。
所述试件夹具包括：基板4-1、位于基板4-1表面边缘处的带缺口的凹槽；该凹槽用于放置试验样品5；位于该凹槽的缺口一侧，设置有一用于挡住该缺口的挡块4-2，挡块4-2通过调节螺栓4-3连接在基板4-1的侧边。
所述作业平台包括：
固定安装在气浮平台上底座1；
竖直放置的调节平台基座2，其固定安装在底座1的顶面；
水平放置的调节平台3，其固定安装在调节平台基座2上；
试件夹具4通过螺栓固定安装在调节平台3的顶面；在调节平台3的下方设置有一调平螺栓14，以调整调节平台3的水平；
所述刻划刀具6为单颗金刚石刻划刀具，由修整后的单颗金刚石钎焊在刀杆上构成。
本发明微纳米刻划硬脆性材料试验装置的试验方法，可通过如下步骤实现：
将试验样品5用镊子放入试件夹具4的凹槽内，事先应在凹槽的缺口侧以及与缺口对应的另一侧，各放置一层硅胶薄膜，通过挡块4-2和调节螺栓4-3实现试验样品5的装夹；通过调节螺栓4-3的松紧，可调节挡块4-2与试验样品5之间的预紧力度；挡块4-2安装时可略高于试验样品5的高度；
将刻划刀具6固定在刀夹7上；
调平试验平台；通过X轴进给装置15、Y轴进给装置13使刻划刀具6位于试验样品5的正上方，通过Z轴进给装置12使刻划刀具6向试验样品5逐渐靠近，在200倍光学显微镜的辅助下观察刻划刀具6与试验样品5的距离，通过接触法测量两点的Z轴坐标，得出初始高度差，进而通过调平螺栓14进行螺距调整，使试验样品5的刻划表面与X轴进给方向平行；
对刀操作；当通过200倍光学显微镜观察到刻划刀具6即将接触试验样品5时，用直线位移台8进一步小量程为10nm/s准确逼近，与此同时若测力仪9检测到力信号发生了明显的变化，则说明刻划刀具6已与试验样品5接触，记录下此时刻划刀具6的Z轴的准确坐标，完成对刀操作；
对试验样品5进行刻划，通过直线位移台8进一步控制刻划刀具6在Z轴方向刻划的深度，再控制X/Y轴方向的进给速度和进给距离，实现不同的刻划速度；进而在试验样品5的表面完成微刻作业。实现在试验样品5的表面刻划出长度、深度、间隔可控的微纳米沟槽阵列以及金字塔结构。理论长度为100微米，刻划深度为300纳米，间距为3微米的划痕阵列结构。
卸载及退刀；运行Z轴进给装置使刻划刀具6及刀夹7沿着Z轴负方向进给，完成刻划的卸载阶段，进一步退刀至安全高度。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种微纳米刻划硬脆性材料试验装置，包括：
用于固定试验样品(5)的试件夹具(4)；
用于固定试件夹具(4)的作业平台；
用于搭载刻划刀具(6)在XYZ方向移动的XYZ轴移动机构；该XYZ轴移动机构位于作业平台侧；
其特征在于：
所述XYZ轴移动机构包括：刀夹(7)、直线位移台(8)、测力仪(9)、Z轴进给装置(12)、Y轴进给装置(13)、X轴进给装置(15)；
所述刻划刀具(6)通过刀夹(7)固定并且连接在直线位移台(8)上；
X轴进给装置(15)、Y轴进给装置(13)通过螺栓连接在底座(1)上，通过丝杆传动方式进给；
直线位移台(8)通过螺栓连接装接在测力仪(9)上；该测力仪(9)通过装配连接铝块(10)以及Z轴固定块(11)装接在Z轴进给装置(12)上。
2.根据权利要求1所述微纳米刻划硬脆性材料试验装置，其特征在于：所述试件夹具包括基板(4-1)、位于基板(4-1)表面边缘处的带缺口的凹槽；该凹槽用于放置试验样品(5)；位于该凹槽的缺口一侧，设置有一用于挡住该缺口的挡块(4-2)，挡块(4-2)通过调节螺栓(4-3)连接在基板(4-1)的侧边。
3.根据权利要求2所述微纳米刻划硬脆性材料试验装置，其特征在于：所述作业平台包括：
固定安装在气浮平台上底座(1)；
竖直放置的调节平台基座(2)，其固定安装在底座(1)的顶面；
水平放置的调节平台(3)，其固定安装在调节平台基座(2)上；
试件夹具(4)通过螺栓固定安装在调节平台(3)的顶面；在调节平台(3)的下方设置有一调平螺栓(14)，以调整调节平台(3)的水平。
4.根据权利要求3所述微纳米刻划硬脆性材料试验装置，其特征在于：所述刻划刀具(6)为单颗金刚石刻划刀具。
5.一种如权利要求4所述微纳米刻划硬脆性材料试验装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
将试验样品(5)用镊子放入试件夹具(4)的凹槽内，事先应在凹槽的缺口侧以及与缺口对应的另一侧，各放置一层硅胶薄膜，通过挡块(4-2)和调节螺栓(4-3)实现试验样品(5)的装夹；通过调节螺栓(4-3)的松紧，可调节挡块(4-2)与试验样品(5)之间的预紧力度；挡块(4-2)安装时可高于试验样品(5)的高度；
将刻划刀具(6)固定在刀夹(7)上；
调平试验平台；通过X轴进给装置(15)、Y轴进给装置(13)使刻划刀具(6)位于试验样品(5)的正上方，通过Z轴进给装置(12)使刻划刀具(6)向试验样品(5)逐渐靠近，观察刻划刀具(6)与试验样品(5)的距离，测量两点的Z轴坐标，得出初始高度差，进而通过调平螺栓(14)进行螺距调整，使试验样品(5)的刻划表面与X轴进给方向平行；
对刀操作；当观察到刻划刀具(6)即将接触试验样品(5)时，用直线位移台(8)进一步小量程为10nm/s逼近，与此同时若测力仪(9)检测到力信号发生了的变化，则说明刻划刀具(6)已与试验样品(5)接触，记录下此时刻划刀具(6)的Z轴的坐标，完成对刀操作；
对试验样品(5)进行刻划，通过直线位移台(8)进一步控制刻划刀具(6)在Z轴方向刻划的深度，再控制X/Y轴方向的进给速度和进给距离，实现不同的刻划速度；进而在试验样品(5)的表面完成微刻作业。
6.根据权利要求5所述微纳米刻划硬脆性材料试验装置的试验方法，其特征在于还包括卸载及退刀步骤：
运行Z轴进给装置使刻划刀具(6)及刀夹(7)沿着Z轴负方向进给，完成刻划的卸载阶段，进一步退刀至安全高度。
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