一种微纳米切削试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种微纳米切削试验装置，属于微位移、微小切削力测量技术领域。本发明专利技术包括三维微动平移台、手动平移台、夹具、二维微小力传感器、采集模块、控制系统、显示装置；手动平移台上设置有夹具，三维微动平移台上设置有二维微小力传感器，二维微小力传感器与采集模块相连，采集模块与显示装置相连，三维微动平移台包括控制系统。本发明专利技术结构简单和原理简单，操作起来比较容易，且具有比较高的测量精度，可手动实现X、Y、Z三个方向的位移进给，而且移动速度较为迅速，控制较为便捷，造价成本较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微纳米切削试验装置，属于微位移、微小切削力测量

技术介绍
目前，随着微机械和微机电系统（MEMS）的日益发展，超精密加工技术的加工精度已经达到几十纳米，表面粗糙度达到几纳米。但是在一定程度上，由于微纳米加工机理的缺乏，超精密加工
的发展受到了限制。例如在微纳米切削加工过程中，当切削深度达到几十纳米或几纳米，甚至 1nm 以下时，材料被看作是原子或分子的集合体，切削发生在很小的区域内，材料是以离散的数个原子或原子层的方式去除，由于加工工件不再是连续体，切削现象在本质上是原子的、离散的物理现象。因此在微纳米级切削过程中,采用建立在传统连续介质力学基础上的有限元方法和切削理论来解释纳米级切削机理显然是不合适的，所以必须从分子、原子的角度来研究微纳米切削加工的机理，目前利用分子动力学方法对微纳米切削过程进行计算和模拟来研究微纳米切削机理，但由于时间尺度等原因，仿真规模较小，而相应级别的切削实验困难，还不能进行直接验证。为了从实验的角度研究微纳米切削机理，实现微纳米切削，需要能够实现微位移进给以及微小切削力测量的实验装置。在国内外的研究过程中，都是在超精密机床以及纳米压痕仪上进行微纳米切削试验，而超精密机床、纳米压痕仪造价高，体积庞大，结构复杂，对周围环境的要求也很高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：本专利技术提供一种微纳米切削试验装置，用于解决现有的超精密机床、纳米压痕仪造价高，体积庞大，结构复杂，对周围环境的要求高、操作复杂、测量精度低、移动速度慢的问题，本专利技术技术方案是：一种微纳米切削试验装置，包括三维微动平移台8、手动平移台、夹具23、二维微小力传感器10、采集模块、控制系统、显示装置；手动平移台上设置有夹具23，三维微动平移台8上设置有二维微小力传感器10，二维微小力传感器10与采集模块相连，采集模块与显示装置相连，三维微动平移台8包括控制系统。作为本专利技术的优选方案，所述手动平移台包括X方向手动平移台、Y方向手动平移台、Z方向手动平移台。作为本专利技术的优选方案，所述X方向手动平移台包括基座1、连接件 2、直线导轨3、工作台4、精密滚珠丝杠5、轴承座6、连接件9、试件卡槽11；所述连接件2固定在基座1上，直线导轨3、轴承座6固定在连接件2上，工作台4与精密滚珠丝杠5进行配合，使其通过旋转精密滚珠丝杠5上的手动旋钮7，在直线导轨3运动，其主要作用是可以在X方向上较大范围的手动控制三维微动平移台的位置，带动二维微小力传感器10，实现它与刀具之间的快速位移进给。三维微动平移台8下端固定在工作台4上，连接件9固定在三维微动平移台8上端，二维微小力传感器10一端固定在连接件9上，其连接件 9作用实现三维微动平移台8与二维微小力传感器10的固定连接。实验所需试件卡在试件卡槽11上，试件卡槽11通过胶粘剂固定在二维微小力传感器10的另一端上；所述Y方向手动平移台包括拆卸式支撑架12、直线导轨13、工作台14、精密滚珠丝杠15、轴承座16；所述拆卸式支撑架12固定在基座1上，直线导轨13、轴承座16固定在拆卸式支撑架12上，工作台14与精密滚珠丝杠15进行配合，使其通过旋转精密滚珠丝杠15上的手动旋钮17，在直线导轨13运动；可手动快速实现带动刀具24在 Y方向上进行位移进给，迅速逼近试件。所述Z方向手动平移台包括直线导轨18、工作台19、精密滚珠丝杠20轴承座21；所述直线导轨18、轴承座21固定在工作台14上，工作台19与精密滚珠丝杠20进行配合，使其通过旋转精密滚珠丝杠20上的手动旋钮22，在直线导轨18运动，可手动快速实现带动刀具24在Z方向上位移进给。夹具23固定在工作台19上，夹具23上装夹刀具24。作为本专利技术的优选方案，所述夹具23采用L形夹具。作为本专利技术的优选方案，所述显示装置采用装有切削力曲线显示软件的计算机。该试验装置所采用的三维微动平移台可以采用哈尔滨芯明天有限公司生产的XP-611.XYZ纳米级精密定位平移台，是以压电陶瓷为驱动源的多轴纳米定位系统。其在三个方向均可实现100u m的定位扫描范围，台体结构紧凑，无摩擦、柔性铰链导向系统使得三维平台具有超高的分辨率和毫秒的响应时间，可实现开/闭环控制。该平移台控制系统主要有位置传感模块，功率放大模块，主控显示模块以及机箱电源模块组成。二维微小力传感器10可以采用南京神源生智能科技有限公司生产的微小力传感器，其型号为S2-001NHL001，方向分辨率为1mN，量程1000 mN，主要进行微纳米切削过程切削力的测量。其基本原理是把传感器中压电陶瓷受到的力转换成电信号传到电荷放大器中，再转换数据信号，然后通过数据采集系统进行输出。刀具采用直线刃金刚石刀具。本专利技术的工作过程是：在实验过程中，首先通过手动旋转旋钮移动X方向手动平移台，带动三维微动平移台上端的二维微小力传感器带有试件的一端快速接近刀具。然后通过手动旋钮手移动Y方向手动平移台，带动刀具进行水平方向快速移动，调整刀具位置，到达合适的距离后，通过手动旋钮手移动Z方向手动平移台，带动刀具进行垂直方向快速移动，迅速逼近试件，到达一定距离后，微调旋钮带动刀具缓慢靠近试件，然后通过控制系统驱动三维微动平移台向上进行微位移移动，带动二维微小力传感器带有试件的一端向上移动，逐步缓慢逼近试件，并通过二维微小力传感器的数据采集模块输出的切削力曲线，判断工件与刀具是否接触。当二维微小力传感器竖直方向的切削力曲线发生突变时，则认为试件与刀具接触，完成法向切削力加载过程，然后，通过控制系统驱动三维微动平移台进行水平微位移移动，移动一段距离后，完成微纳米切削过程。再驱动三维微动平移台向下移动，并通过二维微小力传感器的数据采集系统输出的切削力曲线，判断工件与刀具是否脱离，当二维微小力传感器竖直方向的切削力曲线发生突变时，则认为试件与刀具脱离，完成卸载过程。具体微纳米切削试验装置等轴测图如图1所示。本专利技术的有益效果是：（1）与现有的微纳米切削试验装置相比，此装置的有益效果在于结构简单和原理简单，操作起来比较容易，且具有比较高的测量精度，可以进行一些微纳尺度下材料切削试验研究。（2）此装置无需采用三维粗动平移台及其控制系统，利用精密滚珠丝杠可手动实现X、Y、Z三个方向的位移进给，而且移动速度较为迅速，控制较为便捷，造价成本较低。（3）此装置采用三维微动平移台即可实现法向切削力的加载，通过二维微小力传感器可测得法向切削力的大小，结构相对紧凑，在微纳切削过程中，对微小切削力测量具有良好的效果。（4）以从实验的角度研究微纳米切削机理，为民用工业和国防工业中高精度零件和元器件的超精密和微纳米加工提供必要的实验数据支撑，对超精密加工技术未来的发展有着极其深远的意义。附图说明图1是本专利技术等轴测图；图2是本专利技术主视图；图3是本专利技术左视图。图1-3中各标号：1-基座，2-连接件，3-直线导轨，4-工作台，5-精密滚珠丝杠，6-轴承座，7-手动旋钮，8-三维微动平移台，9-连接件，10-二维微小力传感器，11-试件卡槽，12-拆卸式支撑架，13-直线导轨，14-工作台，15-精密滚珠丝杠，16-轴承座，17-手动旋钮，18-直线导轨，19-工作台，20-精密滚珠丝杠，21-轴承座，22-手动旋钮，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微纳米切削试验装置，其特征在于：包括三维微动平移台（8）、手动平移台、夹具（23）、二维微小力传感器（10）、采集模块、控制系统、显示装置；手动平移台上设置有夹具（23），三维微动平移台（8）上设置有二维微小力传感器（10），二维微小力传感器（10）与采集模块相连，采集模块与显示装置相连，三维微动平移台（8）包括控制系统。

【技术特征摘要】
1.一种微纳米切削试验装置，其特征在于：包括三维微动平移台（8）、手动平移台、夹具（23）、二维微小力传感器（10）、采集模块、控制系统、显示装置；手动平移台上设置有夹具（23），三维微动平移台（8）上设置有二维微小力传感器（10），二维微小力传感器（10）与采集模块相连，采集模块与显示装置相连，三维微动平移台（8）包括控制系统。2.根据权利要求1所述的微纳米切削试验装置，其特征在于：所述手动平移台包括X方向手动平移台、Y方向手动平移台、Z方向手动平移台。3.根据权利要求2所述的微纳米切削试验装置，其特征在于：所述X方向手动平移台包括基座（1）、连接件（2）、直线导轨（3）、工作台（4）、精密滚珠丝杠（5）、轴承座（6）、连接件（9）、试件卡槽（11）；所述连接件（2）固定在基座（1）上，直线导轨（3）、轴承座（6）固定在连接件（2）上，工作台（4）与精密滚珠丝杠（5）进行配合，使其通过旋转精密滚珠丝杠（5）上的手动旋钮（7），在直线导轨（3）运动，三维微动平移台（8）下端固定在工作台（4）上，连接件（9）固定在三维微动平移台（8）上端，二维微小力传感器（10）一端固定在连接件（...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓京，李勇，袁锐波，钱俊兵，蒋红海，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53