CN209640137U - 一种微纳米刻划硬脆性材料试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型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
本实用新型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。
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或者是原子力显微镜进行的。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
本实用新型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，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。
本实用新型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。
本实用新型相对于现有技术，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。
本实用新型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。
本实用新型结合上述方案，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是本实用新型微纳米刻划硬脆性材料试验装置的结构示意图。
图2是本实用新型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是本实用新型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实用新型作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-3所示。本实用新型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。
本实用新型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，便可较好地实现本实用新型。
本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
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。
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