一種微納米劃痕儀及其應用方法與流程

本發(fā)明屬于精密儀器及應用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微納米劃痕儀，本發(fā)明還涉及上述微納米劃痕儀的應用方法。

背景技術(shù)：

隨著掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等顯微設備的快速發(fā)展，人們有了探索物體在微小劃痕作用下的工具，因此一種能適應于不同材料的具有納米級別分辨率的精密劃痕儀就顯得尤為重要。

近年來，在研究脆性材料的變形及損傷機理時，科學家發(fā)現(xiàn)在很小載荷的作用下，脆性材料會產(chǎn)生一定的塑性變形，當載荷增加時，材料將由塑性變形方式向脆性破壞發(fā)生轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生脆性裂紋，脆塑轉(zhuǎn)變的深度即為臨界切削深度?；诖死碚?，科學家提出了硬脆材料的塑性域加工方法。硬脆材料的臨界切削深度往往是在微納級別，以碳化硅材料為例，近年來的研究表明：其臨界切削深度為幾十納米。

目前，英國、德國及美國等發(fā)達國家的微納劃痕技術(shù)日益成熟，精密微納米劃痕儀已經(jīng)完成商業(yè)化運營，但是價格比較高昂。由于我國在該領(lǐng)域起步較晚，對微納米劃痕相關(guān)的研究較少，阻礙了其在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

現(xiàn)有的微納米劃痕儀大多采用微小平動的方式，即刀具軸線與被劃物體法線方向之間呈微小的夾角，在兩者相對運動時，形成由小到大的楔形劃痕。采用該方式的微納米劃痕儀運動副較多，對于設備本身加工要求非常高，操作維護也極為不便。因此，研制一種具有高精度、結(jié)構(gòu)緊湊及低成本的微納米劃痕儀具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種微納米劃痕儀，解決了現(xiàn)有劃痕儀存在的精度較低、結(jié)構(gòu)復雜及無法精密定位的問題，該微納米劃痕儀采用柔順機構(gòu)實現(xiàn)工作臺的微動，便于更好的研究脆性材料變形及損傷機理、薄膜/涂層厚度。

本發(fā)明的另一目的在于提供該微納米劃痕儀的應用方法。

本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案是，一種微納米劃痕儀，包括有由底座和垂直固定于底座上的立柱構(gòu)成的支撐機構(gòu)，在立柱的一個側(cè)壁上設置有Z軸大行程調(diào)節(jié)裝置，在Z軸大行程調(diào)節(jié)裝置上分別連接有Z軸小行程調(diào)節(jié)裝置、刀具驅(qū)動裝置；Z軸小行程調(diào)節(jié)裝置上連接有刀具夾持裝置，且刀具夾持裝置與刀具驅(qū)動裝置連接；在底座上且靠近立柱處設置有Z軸大行程調(diào)節(jié)裝置的側(cè)壁處設置有精密調(diào)節(jié)平臺，精密調(diào)節(jié)平臺上設置有工件夾持裝置，底座上還設置有顯微觀察裝置。

本發(fā)明第一種技術(shù)方案的特點還在于：

精密調(diào)節(jié)平臺，包括有設置于底座上的X向微進給裝置，X向微進給裝置通過連接板Ⅰ與設置于X向微進給裝置上方的Y向微進給裝置連接，Y向微進給裝置與設置于Y向微進給裝置上方的調(diào)平柔順機構(gòu)連接，工件夾持裝置設置于調(diào)平柔順機構(gòu)的上表面上；

X向微進給裝置和Y向微進給裝置的結(jié)構(gòu)相同，且X向微進給裝置與Y向微進給裝置在空間中平行且呈正交分布。

X向微進給裝置由柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)和設置于柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)上的位移驅(qū)動裝置、復位彈簧Ⅰ及固定螺栓構(gòu)成；

柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)，包括有基座、運動平臺及柔性鉸鏈，且基座固定于底座上，運動平臺通過四組對稱分布的鉸鏈連接于基座內(nèi)，位移驅(qū)動裝置設置于柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)一側(cè)壁外表面的中央，復位彈簧Ⅰ和固定螺栓均設置于柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)的另一側(cè)壁上，且復位彈簧Ⅰ位于該側(cè)壁內(nèi)表面的中央，固定螺栓位于該側(cè)壁外表面的中央，使位移驅(qū)動裝置與復位彈簧Ⅰ、固定螺栓相對設置，位移驅(qū)動裝置、復位彈簧Ⅰ及固定螺栓位于柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)的水平中軸線上。

柔順調(diào)平機構(gòu)主要由上層單元、中層單元及下層單元組成，且上層單元和中層單元之間、中層單元和下層單元之間均通過柔性鉸鏈相連，且兩個柔性鉸鏈在空間中呈正交分布；

下層單元與中層單元之間設置有機械封裝壓電陶瓷Ⅰ及復位彈簧Ⅲ，中層單元與上層單元之間設置有機械封裝壓電陶瓷Ⅱ及復位彈簧Ⅱ，下層單元固定于Y向微進給裝置上，機械封裝壓電陶瓷Ⅰ與復位彈簧Ⅲ共同作用下調(diào)節(jié)Y軸水平偏移角度，機械封裝壓電陶瓷Ⅱ與復位彈簧Ⅱ共同作用下調(diào)節(jié)X軸水平偏移角度，從而實現(xiàn)調(diào)平功能；工件夾持裝置設置于上層單元上。

工件夾持裝置由工件載物臺及設置于工件載物臺上表面上的工件夾持器構(gòu)成，工件夾持器用于夾持工件。

Z軸大行程調(diào)節(jié)裝置，包括有固定于立柱一側(cè)壁上兩邊緣處的兩條滑道，兩條滑道上架設有滑塊，且滑塊與豎直設置的絲杠連接，絲杠的上端連接手輪，手輪設置于立柱的頂部，通過轉(zhuǎn)動手輪能帶動絲杠運動，絲杠再帶動滑塊在兩條滑道上沿Z軸方向運動；Z軸小行程調(diào)節(jié)裝置和刀具驅(qū)動裝置均固接于滑塊面向外的一個側(cè)壁上。

Z軸小行程調(diào)節(jié)裝置，包括有固接于滑塊上的Z向微進給裝置，Z向微進給裝置與X向微進給裝置的結(jié)構(gòu)相同，Z向微進給裝置上連接有壓電平移臺；壓電平移臺為一維開環(huán)納米級精密定位平移臺，其行程為50μm，分辨率為0.9nm；壓電平移臺通過連接板Ⅱ與刀具夾持裝置連接；

刀具驅(qū)動裝置，包括有固定于滑塊上的電機座，電機固定在電機座上，電機為帶減速器的伺服電機；電機主軸外部依次套接有偏心凸輪、軸承及擺桿；擺桿通過銷軸與連接塊相連，電機轉(zhuǎn)動時，將帶動刀具夾持裝置沿X軸左右擺動。

刀具夾持裝置，包括有柔性刀柄，柔性刀柄上設置有連接塊，刀具驅(qū)動裝置與連接塊連接；

柔性刀柄的一端為固定端，柔性刀柄的另一端為自由端；柔性刀柄的固定端是一個雙半圓形的柔性鉸鏈，且柔性刀柄的固定端通過連接板Ⅱ固定于壓電平移臺上，柔性刀柄的自由端通過柔性鉸鏈能做微小的圓弧運動，且柔性刀柄的自由端通過壓塊固接有金剛石刀具，金剛石刀具能做微小的圓弧運動。

顯微觀察裝置，包括有數(shù)碼顯微鏡和萬向鉸架；

萬向鉸架的一端為固定端，且固定端與底座固接；萬向鉸架的另一端為活動端，且活動端連接數(shù)碼顯微鏡。

本發(fā)明所采用的第二種技術(shù)方案是，微納米劃痕儀的應用方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、根據(jù)劃痕要求，選擇相應尺寸的偏心輪、柔性刀柄及金剛石刀具，并安裝到位；

步驟2、經(jīng)步驟1后，調(diào)節(jié)精密調(diào)節(jié)平臺上的機械封裝壓電陶瓷Ⅰ和機械封裝壓電陶瓷Ⅱ，使工件夾持裝置上夾持的工件的上表面保持水平；調(diào)節(jié)X向微進給裝置的位移驅(qū)動裝置，使工件置于X軸合理位置，同理，調(diào)節(jié)工件至Y向合理位置；

步驟3、經(jīng)步驟2后轉(zhuǎn)動手輪，粗調(diào)金剛石刀具與工件上表面之間的距離，待金剛石刀具的刀尖與工件上表面之間的距離約為0.5mm時，停止轉(zhuǎn)動手輪；

步驟4、經(jīng)步驟3后，調(diào)節(jié)Z向微進給裝置內(nèi)的位移驅(qū)動裝置，進一步減小金剛石刀具的刀尖與工件的距離，同時開啟數(shù)碼顯微鏡，觀察并確保金剛石刀具的刀尖與工件上表面處于非接觸狀態(tài)；

步驟5、經(jīng)步驟4后，將電機轉(zhuǎn)速調(diào)至60rmp，打開電機，使柔性刀柄在電機的驅(qū)動下在X軸來回擺動；逐漸增大壓電平移臺的驅(qū)動電壓，使金剛石刀具的刀尖向工件上表面以納米級的精度靠近；

觀察數(shù)碼顯微鏡的圖像，當觀察到劃痕時，立即暫停壓電平移臺的驅(qū)動電壓，并記下驅(qū)動電壓的數(shù)值，通過測量劃痕的長度，并利用公式：經(jīng)計算得出刀尖的切削深度，從而找到刀尖與工件的零點位置；

步驟6、經(jīng)步驟5后，再通過電機調(diào)節(jié)柔性刀柄的位置，使其置于最大擺幅處，并調(diào)節(jié)電機至所需轉(zhuǎn)速，確保金剛石刀具的劃動速度；調(diào)節(jié)壓電平移臺的驅(qū)動電壓，確保劃痕深度；

步驟7、打開電機，完成劃動。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明的微納米劃痕儀，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、穩(wěn)定性好及成本較低的優(yōu)點。

(2)本發(fā)明的微納米劃痕儀，采用柔順機構(gòu)實現(xiàn)工作臺的微動，無摩擦，免潤滑。

(3)本發(fā)明的微納米劃痕儀，其內(nèi)部的進給驅(qū)動裝置可以是手動調(diào)節(jié)的微分頭，也可以是自動調(diào)節(jié)的電機，調(diào)節(jié)方式靈活多變。

(4)本發(fā)明的微納米劃痕儀，其劃痕形狀為對稱的微小圓弧形，便于對比試驗結(jié)果。

(5)本發(fā)明的微納米劃痕儀，刀具和工件的調(diào)零采用顯微觀察的方式，避免了采用力傳感器自身帶來的位移誤差。

(6)本發(fā)明的微納米劃痕儀在微電子、光學、高分子材料、硬脆材料加工、生物薄膜、有色金屬及航空航天等領(lǐng)域具有重要的科學價值和廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種微納米劃痕儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種微納米劃痕儀內(nèi)X向微進給裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一種微納米劃痕儀內(nèi)刀具夾持裝置及刀具驅(qū)動裝置連接的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一種微納米劃痕儀內(nèi)金剛石刀具的刀尖運動軌跡示意圖。

圖中，1.底座，2.X向微進給裝置，201.位移驅(qū)動裝置，202.柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)，202a.基座，202b.運動平臺，202c.柔性鉸鏈，203.復位彈簧Ⅰ，204.固定螺栓，3.連接板Ⅰ，4.Y向微進給裝置，5.機械封裝壓電陶瓷Ⅰ，6.調(diào)平柔順機構(gòu)，7.工件載物臺，8.電機基座，9.電機，10.Z向微進給裝置，11.壓電平移臺，12.滑塊，13.立柱，14.滑道，15.手輪，16.絲杠，17.數(shù)碼顯微鏡，18.連接板Ⅱ，19.柔性刀柄，20.銷軸，21.壓塊，22.工件夾持器，23.復位彈簧Ⅱ，24.機械封裝壓電陶瓷Ⅱ，25.萬向鉸架，26.電機主軸，27.偏心凸輪，28.軸承，29.擺桿，30.連接塊，31.金剛石刀具，32.復位彈簧Ⅲ。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種微納米劃痕儀，如圖1所示，包括有由底座1和垂直固定于底座1上的立柱13構(gòu)成的支撐機構(gòu)，在立柱13的一個側(cè)壁上設置有Z軸大行程調(diào)節(jié)裝置，在Z軸大行程調(diào)節(jié)裝置上分別連接有Z軸小行程調(diào)節(jié)裝置、刀具驅(qū)動裝置；Z軸小行程調(diào)節(jié)裝置上連接有刀具夾持裝置，且刀具夾持裝置與刀具驅(qū)動裝置連接；在底座1上且靠近立柱13處設置有Z軸大行程調(diào)節(jié)裝置的側(cè)壁處設置有精密調(diào)節(jié)平臺，精密調(diào)節(jié)平臺上設置有工件夾持裝置，底座1上還設置有顯微觀察裝置。

精密調(diào)節(jié)平臺，如圖1所示，包括有設置于底座1上的X向微進給裝置2，X向微進給裝置2通過連接板Ⅰ3與設置于X向微進給裝置2上方的Y向微進給裝置4連接，Y向微進給裝置4與設置于Y向微進給裝置4上方的調(diào)平柔順機構(gòu)6連接，工件夾持裝置設置于調(diào)平柔順機構(gòu)6的上表面上。

X向微進給裝置2和Y向微進給裝置4的結(jié)構(gòu)相同，且X向微進給裝置2與Y向微進給裝置4在空間中相互平行且呈正交分布；X向微進給裝置2與Y向微進給裝置4之間是通過連接板Ⅰ3相連。Y向微進給裝置4與X向微進給裝置2的運動機理相同。

X向微進給裝置2，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)202(由一塊材料線切割而成)和設置于柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)202上的位移驅(qū)動裝置201、復位彈簧Ⅰ203及固定螺栓204構(gòu)成；柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)202，包括有基座202a、運動平臺202b及柔性鉸鏈202c，且基座202a固定于底座1上，運動平臺202b通過四組對稱分布的鉸鏈202c連接于基座202a內(nèi)，位移驅(qū)動裝置201設置于柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)202一側(cè)壁外表面的中央，復位彈簧Ⅰ203和固定螺栓204均設置于柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)202的另一側(cè)壁上，且復位彈簧Ⅰ203位于該側(cè)壁內(nèi)表面的中央，固定螺栓204位于該側(cè)壁外表面的中央，使位移驅(qū)動裝置201與復位彈簧Ⅰ203、固定螺栓204相對設置，位移驅(qū)動裝置201、復位彈簧Ⅰ203及固定螺栓204位于柔順調(diào)節(jié)機構(gòu)202的水平中軸線上。

當位移驅(qū)動裝置201運動時，在鉸鏈202c及復位彈簧Ⅰ203的作用下帶動運動平臺202b沿進給方向運動，實現(xiàn)精密調(diào)節(jié)平臺沿X方向運動。

柔順調(diào)平機構(gòu)6用于實現(xiàn)精密調(diào)節(jié)平臺的調(diào)平功能；柔順調(diào)平機構(gòu)6，如圖1所示，主要由上層單元、中層單元及下層單元組成，且上層單元和中層單元之間、中層單元和下層單元之間均通過柔性鉸鏈相連，且兩個柔性鉸鏈在空間中呈正交分布；下層單元與中層單元之間設置有機械封裝壓電陶瓷Ⅰ5及復位彈簧Ⅲ32，中層單元與上層單元之間設置有機械封裝壓電陶瓷Ⅱ24及復位彈簧Ⅱ23，下層單元固定于Y向微進給裝置4上，機械封裝壓電陶瓷Ⅰ5與復位彈簧Ⅲ32共同作用下調(diào)節(jié)Y軸水平偏移角度，機械封裝壓電陶瓷Ⅱ24與復位彈簧Ⅱ23共同作用下調(diào)節(jié)X軸水平偏移角度，從而實現(xiàn)調(diào)平功能；工件夾持裝置設置于上層單元上。

工件夾持裝置由工件載物臺7及設置于工件載物臺7上表面上的工件夾持器22構(gòu)成，工件夾持器22用于夾持工件。

Z軸大行程調(diào)節(jié)裝置，如圖1所示，包括有固定于立柱13一側(cè)壁上兩邊緣處的兩條滑道14，兩條滑道14上架設有滑塊12，且該滑塊12與豎直設置的絲杠16連接，絲杠16的上端連接手輪15，手輪15設置于立柱13的頂部，通過轉(zhuǎn)動手輪15能帶動絲杠16運動，絲杠16再帶動滑塊12在兩條滑道14上沿Z軸方向運動；Z軸小行程調(diào)節(jié)裝置和刀具驅(qū)動裝置均固接于滑塊12面向外的一個側(cè)壁上。

Z軸小行程調(diào)節(jié)裝置，如圖1所示，包括有固接于滑塊12上的Z向微進給裝置10，Z向微進給裝置10的運動機理和結(jié)構(gòu)均與X向微進給裝置2相同；Z向微進給裝置10上連接有壓電平移臺11，壓電平移臺11為一維開環(huán)納米級精密定位平移臺，其行程為50μm，分辨率為0.9nm；壓電平移臺11通過連接板Ⅱ18與刀具夾持裝置連接。

刀具夾持裝置，如圖1及圖3所示，包括有柔性刀柄19，柔性刀柄19上設置有連接塊30，刀具驅(qū)動裝置與連接塊30連接；柔性刀柄19的一端為固定端，柔性刀柄19的另一端為自由端；柔性刀柄19的固定端是一個雙半圓形的柔性鉸鏈，且柔性刀柄19的固定端通過連接板Ⅱ18固定于壓電平移臺11上，柔性刀柄19的自由端通過柔性鉸鏈能做微小的圓弧運動，且柔性刀柄19的自由端通過壓塊21固接有金剛石刀具31，金剛石刀具31能做微小的圓弧運動。

柔性刀柄19的材質(zhì)為06Cr19Ni10，通過更換零件及改變?nèi)嵝缘侗?9的長度，可以劃出不同長度的劃痕。

刀具驅(qū)動裝置，如圖1及圖3所示，包括有固定于滑塊12上的電機座8，電機9固定在電機座8上，電機主軸26外部依次套接有偏心凸輪27、軸承28及擺桿29；擺桿29通過銷軸20與連接塊30相連，電機9轉(zhuǎn)動時，將帶動刀具夾持裝置內(nèi)的金剛石刀具31沿X軸做左右擺動。

如圖4所示，金剛石刀具31的刀尖軌跡為微小的圓弧，劃痕長度b與切削深度d之間的關(guān)系為：其中r為金剛石刀具31的刀尖到柔性刀柄19的柔性鉸鏈之間的距離。

電機9為帶減速器的伺服電機，減速比為1：27，額定轉(zhuǎn)速為73rmp，電機9的轉(zhuǎn)速控制范圍為0.1rmp～73rmp，通過控制電機9的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對柔性刀柄19擺動速度的控制。

偏心凸輪27的偏心距為1mm，還可根據(jù)需求，更換不同偏心距的偏心凸輪27，配合合適長度的柔性刀柄19，劃出滿足需求的痕跡。

顯微觀察裝置，包括有數(shù)碼顯微鏡17和萬向鉸架25，萬向鉸架25的一端為固定端，且固定端與底座1固接，萬向鉸架25的另一端為活動端，且活動端連接數(shù)碼顯微鏡17。

數(shù)碼顯微鏡17具有較大的景深，其軸線與工件法線方向呈小角度夾角時，也能清晰地觀察到工件表面形貌；數(shù)碼顯微鏡17用于觀察金剛石刀具31的刀尖與工件接觸后留下的劃痕，且可測量劃痕的長度。

本發(fā)明的微納米劃痕儀的應用方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、根據(jù)劃痕要求，選擇相應尺寸的偏心輪27、柔性刀柄19及金剛石刀具31，并安裝到位；

步驟2、經(jīng)步驟1后，調(diào)節(jié)精密調(diào)節(jié)平臺上的機械封裝壓電陶瓷Ⅰ5和機械封裝壓電陶瓷Ⅱ24，使工件夾持裝置上夾持的工件的上表面保持水平；調(diào)節(jié)X向微進給裝置2的位移驅(qū)動裝置201，使工件置于X軸合理位置，同理，調(diào)節(jié)工件至Y向合理位置；

步驟3、經(jīng)步驟2后，轉(zhuǎn)動手輪15，粗調(diào)金剛石刀具31與工件上表面之間的距離，待金剛石刀具31的刀尖與工件上表面之間的距離約為0.5mm時，停止轉(zhuǎn)動手輪15；

步驟4、經(jīng)步驟3后，調(diào)節(jié)Z向微進給裝置10內(nèi)的位移驅(qū)動裝置，進一步減小金剛石刀具31的刀尖與工件的距離，同時開啟數(shù)碼顯微鏡17，觀察并確保金剛石刀具31的刀尖與工件上表面處于非接觸狀態(tài)；

步驟5、經(jīng)步驟4后，將電機9轉(zhuǎn)速調(diào)至60rmp，打開電機9，使柔性刀柄19在電機9的驅(qū)動下在X軸來回擺動；逐漸增大壓電平移臺11的驅(qū)動電壓，使金剛石刀具31的刀尖向工件上表面以納米級的精度靠近；

觀察數(shù)碼顯微鏡17的圖像，當觀察到劃痕時，立即暫停壓電平移臺11的驅(qū)動電壓，并記下驅(qū)動電壓的數(shù)值，通過測量劃痕的長度，并利用公式：經(jīng)計算得出刀尖的切削深度，從而找到刀尖與工件的零點位置；

步驟6、經(jīng)步驟5后，再通過電機9調(diào)節(jié)柔性刀柄19的位置，使其置于最大擺幅處，并調(diào)節(jié)電機9至所需轉(zhuǎn)速，確保金剛石刀具31的劃動速度；調(diào)節(jié)壓電平移臺11的驅(qū)動電壓，確保劃痕深度；

步驟7、打開電機9，完成劃動。

本發(fā)明一種微納米劃痕儀及其應用方法，有效解決了現(xiàn)有劃痕儀存在的精度較低、結(jié)構(gòu)復雜及無法精密定位的問題，該微納米劃痕儀采用柔順機構(gòu)實現(xiàn)工作臺的微動，便于更好的研究脆性材料變形及損傷機理、薄膜/涂層厚度。