[发明专利]一种纳米切深高速单点划擦试验装置及其试验方法

说明书

本发明公开了一种纳米切深高速单点划擦试验装置及其试验方法，所述装置包括工作台、气浮转台、试件夹具、试件、Z向进给装置、纳米运动平台、力传感器和划擦工具，所述试件的待划擦位置制有长度、高度可控的微凸结构。本发明在划擦速度方面从μm/s提升至m/s，真实地还原了超精密磨削过程中磨粒的加工速度。本发明在高速划擦条件下准确采集不同纳米切深条件下的划擦力信号，划擦力‑划擦深度对应关系明确。本发明在试件表面构造微凸结构，避免了金刚石针尖在整个晶圆表面留下很长划痕，在较短划痕内提供了丰富的试验数据，极大地提高了单位划擦长度内有效信息的含量，有利于后续的划痕分析和残留划痕的特征识别，保证了划擦工具的完整性。

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，具体涉及一种纳米切深高速单点划擦试验装置及其试验方法。

背景技术

超精密磨削加工可以以纳米级切深高效地去除材料，从而获得较高的形状精度和表面质量，是精密零件加工的重要工艺之一。其加工机理的本质是磨具表面大量形状各异的磨粒以纳米量级的切削深度共同参与切削而实现的加工过程。因此，在超精密磨削机理的研究中，人们常常设计纳米切深单点划擦试验作为理解超精密磨削过程的重要手段。纵观国内外文献，不同材料的单点划擦试验已经得到了广泛和深入的研究，但是现有的试验设备和试验方案仍然存在着一些不足之处。

最常见的纳米切深单点划擦试验一般基于原子力显微镜(英语：Atomic ForceMicroscope，缩写为AFM)或在纳米压痕仪等精密仪器上进行。在名称为“Analysis ofductile mode and brittle transition of AFM nanomachining of silicon”的文章中(Lee,S.H.，Int.J.Mach.Tools Manuf.,2012,61,71-79)，作者采用AFM装置，实现了不同划擦深度的纳米划擦试验，借助场发射扫描电子显微镜进一步观测分析了划擦试件在试验过程中弹塑性和脆塑性变形机理之间的转变。但是该试验所采取的划擦速度为μm/s量级(5μm/s)，远远低于实际磨削过程中磨粒m/s量级的磨削速度。

为了实现高速单点划擦试验，尽可能还原真实的加工状态。有学者采用单摆式划擦方法，在名称为“On the effect of crystallographic orientation on ductilematerial removal in silicon”的文章中(Brian P.O’Connor,Int.J.Precis.Eng.,2005.29(1):p.124-132.)，作者O’Connor通过划擦工具的高速回转运动实现切深由浅入深再变浅的高速单点划擦。据文献报道，硬脆材料划擦过程中，切屑产生点和脆塑转变点等特征对应的临界切削深度通常在50nm以内(Lee,S.H.,Analysis of ductile mode andbrittle transition of AFM nanomachining of silicon.International Journal ofMachine Tools and Manufacture,2012.61:p.71-79.)，受单摆式划擦方法采用的划擦工具回转半径的限制，切深在百纳米量级以内的残留划痕长度较短，受限于测力仪的采样频率(假设最大划擦深度取μm，单摆半径取150mm，会产生长度1095μm的划痕，切深小于100nm的塑性段划痕长度约为28μm，在划擦速度为1m/s的情况下，如果切深每变化10nm采一个数据，采样频率需要达到357kHz)，单摆式划擦方法无法在高速(m/s量级)划擦条件下准确采集不同纳米切深条件下的切削力和划擦力信号。