一種微納米切削試驗裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微納米切削試驗裝置，屬于微位移、微小切削力測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括三維微動平移臺、手動平移臺、夾具、二維微小力傳感器、采集模塊、控制系統(tǒng)、顯示裝置；手動平移臺上設置有夾具，三維微動平移臺上設置有二維微小力傳感器，二維微小力傳感器與采集模塊相連，采集模塊與顯示裝置相連，三維微動平移臺包括控制系統(tǒng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單和原理簡單，操作起來比較容易，且具有比較高的測量精度，可手動實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的位移進給，而且移動速度較為迅速，控制較為便捷，造價成本較低。
【專利說明】
一種微納米切削試驗裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種微納米切削試驗裝置，屬于微位移、微小切削力測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著微機械和微機電系統(tǒng)(MEMS)的日益發(fā)展，超精密加工技術(shù)的加工精度 已經(jīng)達到幾十納米，表面粗糙度達到幾納米。但是在一定程度上，由于微納米加工機理的缺 乏，超精密加工技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展受到了限制。例如在微納米切削加工過程中，當切削深度達 到幾十納米或幾納米，甚至lnm以下時，材料被看作是原子或分子的集合體，切削發(fā)生在 很小的區(qū)域內(nèi)，材料是以離散的數(shù)個原子或原子層的方式去除，由于加工工件不再是連續(xù) 體，切削現(xiàn)象在本質(zhì)上是原子的、離散的物理現(xiàn)象。因此在微納米級切削過程中，采用建立 在傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學基礎(chǔ)上的有限元方法和切削理論來解釋納米級切削機理顯然是不合 適的，所以必須從分子、原子的角度來研究微納米切削加工的機理，目前利用分子動力學方 法對微納米切削過程進行計算和模擬來研究微納米切削機理，但由于時間尺度等原因，仿 真規(guī)模較小，而相應級別的切削實驗困難，還不能進行直接驗證。
[0003] 為了從實驗的角度研究微納米切削機理，實現(xiàn)微納米切削，需要能夠?qū)崿F(xiàn)微位移 進給以及微小切削力測量的實驗裝置。在國內(nèi)外的研究過程中，都是在超精密機床以及納 米壓痕儀上進行微納米切削試驗，而超精密機床、納米壓痕儀造價高，體積龐大，結(jié)構(gòu)復雜， 對周圍環(huán)境的要求也很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:本發(fā)明提供一種微納米切削試驗裝置，用于解決現(xiàn) 有的超精密機床、納米壓痕儀造價高，體積龐大，結(jié)構(gòu)復雜，對周圍環(huán)境的要求高、操作復 雜、測量精度低、移動速度慢的問題， 本發(fā)明技術(shù)方案是:一種微納米切削試驗裝置，包括三維微動平移臺8、手動平移臺、夾 具23、二維微小力傳感器10、采集模塊、控制系統(tǒng)、顯示裝置;手動平移臺上設置有夾具23， 三維微動平移臺8上設置有二維微小力傳感器10,二維微小力傳感器10與采集模塊相連，采 集模塊與顯示裝置相連，三維微動平移臺8包括控制系統(tǒng)。
[0005] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述手動平移臺包括X方向手動平移臺、Y方向手動平移 臺、Z方向手動平移臺。
[0006] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述X方向手動平移臺包括基座1、連接件纟2、直線導軌I 3、工作臺14、精密滾珠絲杠 f 5、軸承座16、連接件玆9、試件卡槽11; 所述連接件f 2固定在基座1上，直線導軌|3、軸承座i:6固定在連接件12上，工作臺|4與 精密滾珠絲杠15進行配合，使其通過旋轉(zhuǎn)精密滾珠絲杠i:5上的手動旋鈕1:7，在直線導軌f 3 運動，其主要作用是可以在X方向上較大范圍的手動控制三維微動平移臺的位置，帶動二維 微小力傳感器10,實現(xiàn)它與刀具之間的快速位移進給。三維微動平移臺8下端固定在工作臺 14上，連接件M:9固定在三維微動平移臺8上端，二維微小力傳感器10-端固定在連接件i:9 上，其連接件篇9作用實現(xiàn)三維微動平移臺8與二維微小力傳感器10的固定連接。實驗所需 試件卡在試件卡槽11上，試件卡槽11通過膠粘劑固定在二維微小力傳感器10的另一端上； 所述Y方向手動平移臺包括拆卸式支撐架12、直線導軌&13、工作臺|1:14、精密滾珠絲 杠1115、軸承座麵16 ; 所述拆卸式支撐架12固定在基座1上，直線導軌II13、軸承座i:16固定在拆卸式支撐架 12上，工作臺魏14與精密滾珠絲杠致15進行配合，使其通過旋轉(zhuǎn)精密滾珠絲杠_15上的手動 旋鈕滅17,在直線導軌H13運動；可手動快速實現(xiàn)帶動刀具24在Y方向上進行位移進給，迅 速逼近試件。
[0007] 所述Z方向手動平移臺包括直線導軌_18、工作臺_:19、精密滾珠絲杠_20軸承座 il21； 所述直線導軌_ 18、軸承座_ 21固定在工作臺ti:14上，工作臺_ 19與精密滾珠絲杠 _ 20進行配合，使其通過旋轉(zhuǎn)精密滾珠絲杠_ 20上的手動旋鈕_ 22，在直線導軌HI 18運 動，可手動快速實現(xiàn)帶動刀具24在Z方向上位移進給。夾具23固定在工作臺0119上，夾具23 上裝夾刀具24。
[0008] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述夾具23采用L形夾具。
[0009]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述顯示裝置采用裝有切削力曲線顯示軟件的計算機。
[0010] 該試驗裝置所采用的三維微動平移臺可以采用哈爾濱芯明天有限公司生產(chǎn)的XP-611 .XYZ納米級精密定位平移臺，是以壓電陶瓷為驅(qū)動源的多軸納米定位系統(tǒng)。其在三個方 向均可實現(xiàn)l〇〇u m的定位掃描范圍，臺體結(jié)構(gòu)緊湊，無摩擦、柔性鉸鏈導向系統(tǒng)使得三維平 臺具有超高的分辨率和毫秒的響應時間，可實現(xiàn)開/閉環(huán)控制。該平移臺控制系統(tǒng)主要有位 置傳感模塊，功率放大模塊，主控顯示模塊以及機箱電源模塊組成。二維微小力傳感器10可 以采用南京神源生智能科技有限公司生產(chǎn)的微小力傳感器，其型號為S2-001NHL001，方向 分辨率為lmN，量程1000 mN，主要進行微納米切削過程切削力的測量。其基本原理是把傳感 器中壓電陶瓷受到的力轉(zhuǎn)換成電信號傳到電荷放大器中，再轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號，然后通過數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)進行輸出。刀具采用直線刃金剛石刀具。
[0011] 本發(fā)明的工作過程是： 在實驗過程中，首先通過手動旋轉(zhuǎn)旋鈕移動X方向手動平移臺，帶動三維微動平移臺上 端的二維微小力傳感器帶有試件的一端快速接近刀具。然后通過手動旋鈕手移動Y方向手 動平移臺，帶動刀具進行水平方向快速移動，調(diào)整刀具位置，到達合適的距離后，通過手動 旋鈕手移動Z方向手動平移臺，帶動刀具進行垂直方向快速移動，迅速逼近試件，到達一定 距離后，微調(diào)旋鈕帶動刀具緩慢靠近試件，然后通過控制系統(tǒng)驅(qū)動三維微動平移臺向上進 行微位移移動，帶動二維微小力傳感器帶有試件的一端向上移動，逐步緩慢逼近試件，并通 過二維微小力傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊輸出的切削力曲線，判斷工件與刀具是否接觸。當二 維微小力傳感器豎直方向的切削力曲線發(fā)生突變時，則認為試件與刀具接觸，完成法向切 削力加載過程，然后，通過控制系統(tǒng)驅(qū)動三維微動平移臺進行水平微位移移動，移動一段距 離后，完成微納米切削過程。再驅(qū)動三維微動平移臺向下移動，并通過二維微小力傳感器的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的切削力曲線，判斷工件與刀具是否脫離，當二維微小力傳感器豎直方 向的切削力曲線發(fā)生突變時，則認為試件與刀具脫離，完成卸載過程。具體微納米切削試驗 裝置等軸測圖如圖1所示。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是： (1)與現(xiàn)有的微納米切削試驗裝置相比，此裝置的有益效果在于結(jié)構(gòu)簡單和原理簡單， 操作起來比較容易，且具有比較高的測量精度，可以進行一些微納尺度下材料切削試驗研 究。
[0013] (2)此裝置無需采用三維粗動平移臺及其控制系統(tǒng)，利用精密滾珠絲杠可手動實 現(xiàn)X、Y、Z三個方向的位移進給，而且移動速度較為迅速，控制較為便捷，造價成本較低。
[0014] (3)此裝置采用三維微動平移臺即可實現(xiàn)法向切削力的加載，通過二維微小力傳 感器可測得法向切削力的大小，結(jié)構(gòu)相對緊湊，在微納切削過程中，對微小切削力測量具有 良好的效果。
[0015] (4)以從實驗的角度研究微納米切削機理，為民用工業(yè)和國防工業(yè)中高精度零件 和元器件的超精密和微納米加工提供必要的實驗數(shù)據(jù)支撐，對超精密加工技術(shù)未來的發(fā)展 有著極其深遠的意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明等軸測圖； 圖2是本發(fā)明主視圖； 圖3是本發(fā)明左視圖。
[0017] 圖1-3中各標號：卜基座，2-連接件|:，3-直線導軌I:，4-工作臺I，5-精密滾珠絲杠f:， 6-軸承座i:，7-手動旋鈕，8-三維微動平移臺，9-連接件II，10-二維微小力傳感器，11-試件 卡槽，12-拆卸式支撐架，13-直線導軌il，14-工作臺II，15-精密滾珠絲杠tl:，16-軸承座， 17-手動旋鈕tf，18-直線導軌IS，19-工作臺:_，20-精密滾珠絲杠_，21-軸承座_，22-手 動旋鈕_，23-L形夾具，24-刀具。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。
[0019] 實施例1:如圖1-3所示，一種微納米切削試驗裝置，包括三維微動平移臺8、手動平 移臺、夾具23、二維微小力傳感器10、采集模塊、控制系統(tǒng)、顯示裝置;手動平移臺上設置有 夾具23,三維微動平移臺8上設置有二維微小力傳感器10,二維微小力傳感器10與采集模塊 相連，采集模塊與顯示裝置相連，三維微動平移臺8包括控制系統(tǒng)。
[0020] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述手動平移臺包括X方向手動平移臺、Y方向手動平移 臺、Z方向手動平移臺。
[0021] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述X方向手動平移臺包括基座1、連接件妓、直線導軌I 3、工作臺|4、精密滾珠絲杠15、軸承座|6、連接件H 9、試件卡槽11; 所述連接件f 2固定在基座1上，直線導軌|3、軸承座1:6固定在連接件12上，工作臺|4與 精密滾珠絲杠1:5進行配合，使其通過旋轉(zhuǎn)精密滾珠絲杠i 5上的手動旋鈕1:7，在直線導軌f 3 運動，其主要作用是可以在X方向上較大范圍的手動控制三維微動平移臺的位置，帶動二維 微小力傳感器10,實現(xiàn)它與刀具之間的快速位移進給。三維微動平移臺8下端固定在工作臺 14上，連接件S9固定在三維微動平移臺8上端，二維微小力傳感器10-端固定在連接件119 上，其連接件懸::9作用實現(xiàn)三維微動平移臺8與二維微小力傳感器10的固定連接。實驗所需 試件卡在試件卡槽11上，試件卡槽11通過膠粘劑固定在二維微小力傳感器10的另一端上； 所述Y方向手動平移臺包括拆卸式支撐架12、直線導軌1113、工作臺fl:14、精密滾珠絲杠 技15、軸承座社16; 所述拆卸式支撐架12固定在基座1上，直線導軌S13、軸承座116固定在拆卸式支撐架 12上，工作臺S14與精密滾珠絲杠SU5進行配合，使其通過旋轉(zhuǎn)精密滾珠絲杠U15上的手動 旋鈕減17,在直線導軌組13運動；可手動快速實現(xiàn)帶動刀具24在Y方向上進行位移進給，迅 速逼近試件。
[0022] 所述Z方向手動平移臺包括直線導軌議18、工作臺_19、精密滾珠絲杠薩20軸承座 ii2i； 所述直線導軌_ 18、軸承座_ 21固定在工作臺114上，工作臺麵19與精密滾珠絲杜_ 20進行配合，使其通過旋轉(zhuǎn)精密滾珠絲杠_ 20上的手動旋鈕III 22，在直線導軌￡0 18運動， 可手動快速實現(xiàn)帶動刀具24在Z方向上位移進給。夾具23固定在工作臺19上，夾具23上裝 夾刀具24。
[0023] 在實驗過程中，首先通過手動旋轉(zhuǎn)旋鈕移動X方向手動平移臺，帶動三維微動平移 臺上端的二維微小力傳感器帶有試件的一端快速接近刀具。然后通過手動旋鈕手移動Y方 向手動平移臺，帶動刀具進行水平方向快速移動，調(diào)整刀具位置，到達合適的距離后，通過 手動旋鈕手移動Z方向手動平移臺，帶動刀具進行垂直方向快速移動，迅速逼近試件，到達 一定距離后，微調(diào)旋鈕帶動刀具緩慢靠近試件，然后通過控制系統(tǒng)驅(qū)動三維微動平移臺向 上進行微位移移動，帶動二維微小力傳感器帶有試件的一端向上移動，逐步緩慢逼近試件， 并通過二維微小力傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊輸出的切削力曲線，判斷工件與刀具是否接觸。 當二維微小力傳感器豎直方向的切削力曲線發(fā)生突變時，則認為試件與刀具接觸，完成法 向切削力加載過程，然后，通過控制系統(tǒng)驅(qū)動三維微動平移臺進行水平微位移移動，移動一 段距離后，完成微納米切削過程。再驅(qū)動三維微動平移臺向下移動，并通過二維微小力傳感 器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的切削力曲線，判斷工件與刀具是否脫離，當二維微小力傳感器豎 直方向的切削力曲線發(fā)生突變時，則認為試件與刀具脫離，完成卸載過程。
[0024] 上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實 施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下 作出各種變化。
【主權(quán)項】
1. 一種微納米切削試驗裝置，其特征在于:包括三維微動平移臺（8)、手動平移臺、夾具 (23)、二維微小力傳感器（10)、采集模塊、控制系統(tǒng)、顯示裝置;手動平移臺上設置有夾具 (23)，三維微動平移臺（8)上設置有二維微小力傳感器(10)，二維微小力傳感器(10)與采集 模塊相連，采集模塊與顯示裝置相連，三維微動平移臺（8)包括控制系統(tǒng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米切削試驗裝置，其特征在于:所述手動平移臺包括X方 向手動平移臺、Y方向手動平移臺、Z方向手動平移臺。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納米切削試驗裝置，其特征在于:所述X方向手動平移臺包 括基座（1)、連接件1(2)、直線導軌1(3)、工作臺1(4)、精密滾珠絲杠1(5)、軸承座1(6)、連接 件_(9)、試件卡槽(11); 所述連接件i(2)固定在基座（1)上，直線導軌1(3)、軸承座i(6)固定在連接件1(2)上，工 作臺1(4)與精密滾珠絲杠i:(5)進行配合，使其通過旋轉(zhuǎn)精密滾珠絲杠i (5)上的手動旋鈕| (7)，在直線導軌i:(3)運動，三維微動平移臺（8)下端固定在工作臺1(4)上，連接件il (9)固 定在三維微動平移臺（8)上端，二維微小力傳感器（10)-端固定在連接件論(9)上，實驗所 需試件卡在試件卡槽(11)上，試件卡槽(11)通過膠粘劑固定在二維微小力傳感器(10)的另 一端上； 所述Y方向手動平移臺包括拆卸式支撐架（12)、直線導軌|| (13)、工作臺|| (14)、精密滾 珠絲杠S (15 )、軸承座H (16 ); 所述拆卸式支撐架（12)固定在基座（1)上，直線導軌S(13)、軸承座11(16)固定在拆卸式 支撐架（12)上，工作臺2( 14)與精密滾珠絲杜&( 15)進行配合，使其通過旋轉(zhuǎn)精密滾珠絲杠 a (15)上的手動旋鈕a (17)，在直線導軌a (13)運動； 所述Z方向手動平移臺包括直線導軌通（18)、工作臺111(19)、精密滾珠絲杠艇(20)軸承 座 _(21); 所述直線導軌_(18)、軸承座_(21)固定在工作臺( 14)上，工作臺通（19)與精密滾 珠絲杠m(20)進行配合，使其通過旋轉(zhuǎn)精密滾珠絲杠_(20)上的手動旋鈕li(22)，在直線 導軌通（18)運動，夾具(23)固定在工作臺111(19)上，夾具(23)上裝夾刀具(24)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米切削試驗裝置，其特征在于:所述夾具（23)采用L形夾 具。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米切削試驗裝置，其特征在于:所述顯示裝置采用裝有切 削力曲線顯示軟件的計算機。
【文檔編號】G01N3/58GK106053278SQ201610519462
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月5日
【發(fā)明人】楊曉京, 李勇, 袁銳波, 錢俊兵, 蔣紅海
【申請人】昆明理工大學