基于SEM的原位納米切削實驗研究

劉 冰，徐宗偉，房豐洲，趙 兵

(1. 天津大學機械工程學院，天津 300072；2. 天津大學精密測試技術與儀器國家重點實驗室，天津 300072)

基于SEM的原位納米切削實驗研究

劉 冰1,2，徐宗偉2，房豐洲1,2，趙 兵2

(1. 天津大學機械工程學院，天津 300072；2. 天津大學精密測試技術與儀器國家重點實驗室，天津 300072)

利用自主研制的納米切削裝置，對單晶銅材料開展了基于SEM在線觀測的原位納米切削實驗．分析了納米尺度切削深度為10～200,nm時的切屑形態(tài)以及材料去除機制．研究了金剛石刀具刃口半徑以及切削速度對切屑變形系數(shù)的影響．結果表明，隨著納米尺度切削深度的減小，切屑變形系數(shù)逐漸增大，且當切削深度小于刀具刃口半徑時，切屑變形系數(shù)急劇增大．此外，刃口半徑和切削速度對切屑變形系數(shù)也有著重要的影響．刃口半徑越大，切屑變形系數(shù)越大，而切削速度越快，切屑變形系數(shù)越?。?/p>

納米切削；掃描電子顯微鏡；切屑；變形系數(shù)；刃口半徑

隨著超精密加工技術的發(fā)展，對加工尺度和加工精度的要求越來越高．切削作為超精密加工的重要技術手段之一，已經(jīng)從廣為人知的傳統(tǒng)切削發(fā)展到微切屑乃至納米切削．由于尺度效應的影響，納米切削與傳統(tǒng)切削在材料去除機理方面有本質的不同[1-4].對納米尺度下材料去除機理認識的不足成為制約納米切削加工技術發(fā)展的瓶頸問題．切削過程中的許多物理現(xiàn)象，如切削力、切削熱、刀具磨損等，都與金屬材料的變形及其變化規(guī)律有著密切的關系．隨著新材料、新工藝、新技術的不斷出現(xiàn)，對材料去除機理的研究顯得更為迫切．研究切削過程材料變形機制對保證加工質量、提高生產(chǎn)率和促進超精密加工乃至納米加工技術的發(fā)展，有著至關重要的作用．

近年來，對納米切削機理的研究吸引了國內(nèi)外大量的科研工作者．研究方法主要集中在模擬仿真[5-7]和實驗研究[8-11]兩個方面．1998年，Xie等[7]通過FEA研究了切削過程剪切帶的萌生和擴展，并指出FEA可以用于預測和比較金屬切削中不同材料的切屑去除行為．2001年，Mamalis等[5]運用有限元模擬的方法研究了金屬正交切削過程中的切屑形狀，工件和切屑中應力、應變、應變率分布以及工件、材料和刀具中的溫度場．2012年，Kim等[6]利用MD模擬，研究了切削深度從刀具刃口半徑的10%,～90%,的材料塑性去除過程．

2002年，Astakhov等[12]認為可以用切屑變形系數(shù)來計算切削過程中外力做的總功，從而優(yōu)化切削過程．2006年，Ng等[13]對鋁材料7075-T6進行了微納米切削實驗，并研究了不同切削速度下的切屑變形系數(shù)．同年，Simoneau等[14]對AISI 1045鋼進行正交微切削實驗，利用光學顯微鏡和SEM對切屑的觀察得出，隨著切深接近材料中最小平均晶粒尺寸，連續(xù)切屑逐漸變成一種新類型的準剪切-推擠切屑．2010年，周軍[15]研究了鋁合金不同切削速度時的切屑變形系數(shù)，并計算了微切削中的等效剪切角．2011年，Gao等[16]利用自行開發(fā)的快速落刀裝置對鎳基合金進行切削實驗，發(fā)現(xiàn)高速切削時切屑呈鋸齒狀，并通過對切屑根部的金相圖分析，得出當鋸齒屑形成時，剪切角減小并且剪切面轉變?yōu)榧羟畜w，并建立了相應的剪應力、剪應變模型．

綜上所述，目前研究納米尺度切削的實驗方法大多采用的是離線表征手段，即通常待切削實驗完成后，搜集切屑用SEM觀察分析；而且，目前對切屑形態(tài)及變形系數(shù)的研究中切削尺度較大，甚至達到微米級．本文借助課題組自行開發(fā)的基于SEM原位觀測的納米切削裝置[17]，對單晶銅材料在納米尺度不同切深下的切屑形態(tài)進行了分析，并研究了刀具刃口半徑和切削速度對切屑變形系數(shù)的影響規(guī)律．

1 切屑變形系數(shù)理論研究

由圖1的納米切屑變形模型可以看出，在材料的切削加工過程中，被切削材料在刀具的推擠作用和前刀面的摩擦力作用下被壓縮，切屑厚度通常大于切削深度．這個變形量的大小計算比較復雜，通常采用變形系數(shù)來衡量切削過程中切屑變形程度．根據(jù)體積不變原理，假設切屑的寬度不變，切屑變形系數(shù)可以通過測量得到的切屑厚度與預設的切削深度(簡稱切深)之間的關系來表示，即

圖1 納米切削切屑變形模型Fig.1 Chips deformation model of nanometric cutting

式中ζ、tc、t分別為切屑變形系數(shù)、切屑厚度、切削深度．本文通過SEM直接測量的切屑厚度與預設切深的比值來計算切屑變形系數(shù)．

2 納米切削實驗

2.1 工件材料

本文實驗所采用的工件材料為單晶銅．在(001)晶面上沿＜110＞晶向切削．首先通過超精密車床將工件表面車平，再利用FIB技術將工件加工出一些矩形槽，留出寬度約為刀具刃長10,μm的矩形凸臺，如圖2所示．這樣，不僅避免了工件與刀具側刀面的摩擦作用對切削結果造成影響，而且便于SEM直接測量切屑厚度．

圖2 單晶銅樣品納米切削SEM形貌圖Fig.2SEM micrograph of single crystal copper during nanometric cutting

2.2 金剛石刀具

在納米尺度下切削金屬材料時，由于尺寸效應，金剛石刀具刃口半徑的大小對切削過程中切屑形態(tài)以及切削變形有著重要的影響，而商用化的金剛石刀具刃口半徑較大，因此對金剛石刀具納米尺度刃口半徑的有效控制成為研究納米切削的關鍵．聚焦離子束以其納米尺度制造精度、直寫加工、靈活性好等優(yōu)勢，近年來在納米制造領域得到了廣泛應用[18]，特別是在納米尺度刃口、復雜刃形的金剛石刀具制造方面．本文首先利用聚焦離子束(FIB)技術將刀具刃口修銳到25,nm，然后采用FIB輻照切削刃的方法，隨著輻照時間的不同，獲得不同刃口的刀具．實驗采用的金剛石刀具前角0°，后角8°，直線刃刃長10,μm，刃口半徑分別為25.0,nm和42.5,nm．圖3為利用FIB技術所制備的金剛石刀具形貌．

圖3 利用FIB技術制備的金剛石刀具形貌Fig.3 Diamond cutting tool fabricated by FIB technology

2.3 實驗裝置和設計

實驗裝置采用課題組前期自組搭建的納米切削平臺，它集成于SEM樣品室內(nèi)，具有高分辨率原位觀測功能，能夠在SEM中實現(xiàn)納米切削及原位表征，避免離線表征所帶來的污染．實驗裝置實物如圖4所示．金剛石刀具和刀柄固定在納米移動臺上，納米移動臺具有x、y、z 3個自由度，通過閉環(huán)反饋控制使其定位精度達3,nm，分辨率可達0.6,nm，能夠帶動刀柄和刀具實現(xiàn)納米量級穩(wěn)定厚度的切削．SEM真空樣品室為納米切削實驗提供了恒溫、隔震的條件．

圖4 納米切削實驗裝置Fig.4 Experimental setup for nanometric cutting

實驗研究了不同切深對切屑形態(tài)的影響以及刃口半徑和切削速度對切屑變形系數(shù)的影響．實驗設計參數(shù)如表1所示．進行了3次重復性實驗，取其平均值．

表1 納米切削實驗設計參數(shù)Tab.1 Parameters of nanometric cutting experiments

3 實驗結果與討論

3.1 切屑形態(tài)分析

基于SEM的原位納米切削實驗的優(yōu)勢在于它能夠實現(xiàn)切削過程的在線觀測，并能夠對切屑形貌進行原位測量，省去超精密車床實驗中的搜集納米尺度切屑的步驟，避免對切屑帶來額外的損傷．圖5為切深10～200,nm所獲得的單晶銅切屑形態(tài)SEM圖．實驗所使用的刀具刃口半徑為42.5,nm，切削速度為1.4,mm/s．

從圖5可以看出，當切深小于等于40,nm(圖5(a)～5(d))時，切屑沿著前刀面以推擠的方式被去除，與前刀面摩擦的一面很光滑，而另外一面呈現(xiàn)不規(guī)則的褶皺形貌．這是由于切屑受前刀面的擠壓作用形成的．當切深為50～100,nm(圖5(e)～5(g))時，切屑呈現(xiàn)與傳統(tǒng)切削類似的剪切帶，但又存在著一定的不規(guī)則褶皺形態(tài)，處于納米切削與傳統(tǒng)切削的過渡階段．而當切深逐漸增加到100,nm及其以上(圖5(h)～5(j))時，切屑中產(chǎn)生明顯的剪切滑移帶，說明此時材料的去除是由于金剛石刀具與材料之間的剪切作用形成的，被去除材料晶粒被拉長，形成了經(jīng)典卡片模型的切屑[19]．

3.2 納米尺度切屑變形系數(shù)分析

表2為單晶銅材料在不同切削速度、不同切深時的切屑厚度測量結果．為表示切削變形程度，將結果轉化為切屑變形系數(shù)與切深的關系，如圖6所示．實驗所用單晶金剛石刀具刃口半徑為42.5,nm．由變形系數(shù)曲線可以看出，隨著切削深度的減小，切屑變形系數(shù)呈增大的趨勢，并且當切深小于40～50,nm時，這種增大趨勢更為明顯．該切深與刀具刃口半徑大小相當．分析發(fā)現(xiàn)，由于納米尺度刃口效應的影響，在切深小于刃口半徑時，切削過程中實際上是負前角切削，切深越小，負前角越大．大負前角造成了更明顯的刀具與材料之間的擠壓耕犁作用，而不是剪切，從而增大了材料的變形．隨著切深的增大，變形系數(shù)逐漸減?。斍猩畛^刃口半徑時，材料變形系數(shù)變化較小，刃口效應逐漸減弱，材料與刀具的擠壓作用沒有大負前角切削時那樣明顯．

圖5 不同切深下單晶銅的切屑形態(tài)Fig.5 Chips morphology of single crystal copper under different depths of cut

此外，實驗結果發(fā)現(xiàn)切削速度對切屑變形系數(shù)有一定的影響．當切削速度較快時，溫度較高，切屑和前刀面之間的摩擦減小，進而造成前刀面對切屑的運動約束減小，產(chǎn)生更薄的切屑，從而導致切屑變形系數(shù)較?。?/p>

表2 不同切削速度、不同切深時的切屑厚度Tab.2Chips thickness of different cutting speeds and different depths of cut

圖6 不同切削深度下的切屑變形系數(shù)Fig.6Chips deformation coefficient with different depths of cut

上文提到切屑變形系數(shù)在切深為刀具刃口半徑值附近時，呈現(xiàn)一個變化趨勢的拐點．為了研究刀具刃口半徑的尺寸效應對切屑變形系數(shù)的影響，采用不同刃口半徑的刀具進行切削實驗．表3和圖7所示為不同金剛石刀具刃口半徑、不同切削深度時所測得的切屑厚度值與切屑變形系數(shù)．從實驗結果可以得出，在切削深度小于80,nm時，刃口半徑越大，切屑變形系數(shù)越大，這是因為刃口半徑較大時增大了實際切削的負前角．而切深超過80,nm后，刀具刃口半徑相對切深較小，尺寸效應不明顯，導致切屑變形系數(shù)相近．而且，同圖6的規(guī)律一樣，當切深在刃口半徑附近時，曲線斜率變化明顯增大，因此，可推斷出切屑變形系數(shù)與刃口半徑有關．

表3 不同刃口半徑、不同切深時的切屑厚度Tab.3 Chips thickness of different edge radius and different depths of cut

圖7 不同刃口半徑下切屑變形系數(shù)Fig.7 Chips deformation coefficient with different edge radius

4 結 語

本文開展了納米尺度切削實驗研究，利用納米切削裝置在SEM高真空環(huán)境下進行了單晶銅的原位納米切削實驗．利用聚焦離子束制備的刃口半徑為25.0,nm和42.5,nm的金剛石刀具，實驗研究了切深在10～200,nm范圍內(nèi)的單晶銅切屑形態(tài)．研究切屑變形系數(shù)發(fā)現(xiàn)，隨著切深的減小，切屑變形系數(shù)明顯增大，尤其切深達到刃口半徑以下時，尺寸效應導致切屑變形更為明顯．切削速度對切屑變形系數(shù)有影響，速度越快，切屑變形系數(shù)越?。?/p>

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(責任編輯：趙艷靜)

Experimental Study on In-Situ Nanometric Cutting Based on SEM

Liu Bing1,2，Xu Zongwei2，F(xiàn)ang Fengzhou1,2，Zhao Bing2
(1. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The in-situ nanometric cutting experiments on single crystal copper were carried out with online observation，using a nanometric cutting device under SEM chamber. The chips morphology and removal mechanism of different depths of cut from 10,nm to 200,nm were analyzed. The influencesof the tool edge radius and cutting speed on chip deformation coefficient were studied. The results indicate that the chip deformation coefficient increases with the decreases of the depth of cut，especially when the depth of cut less than the tool edge radius. Moreover，the edge radius and cutting speed also have important effects on chip deformation coefficient. The larger the edge radius，the larger the chip deformation coefficient，and the faster the cutting speed，the smaller the chip deformation coefficient. Keywords：nanometric cutting；scanning electron microscope；chips；deformation coefficient；edge radius

TH122；TH69；TH162＋.1

A

0493-2137(2015)11-1035-06

10.11784/tdxbz201501067

2015-01-23；

2015-02-10.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2011CB706703)；國家自然科學基金資助項目(51275559).

劉 冰（1985— ），男，博士研究生，13920809662@163.com.

徐宗偉，zongweixu@163.com.

時間：2015-03-12. 網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.n.20150312.1449.005.html.