基于AFM的纳米机械刻划切屑形成研究

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扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)是扫描隧道显微镜及各种新型探针显微镜的统称,是国际上近年发展起来的表面分析仪器,是综合运用各种现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。原子力显微镜(AFM)是继扫描隧道显微镜(STM)之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器,可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测,或者直接进行纳米操纵,其分辨率高,可以在真空、大气和液体环境下工作的优势,在纳米技术研究领域得到了广泛的应用。基于原子力显微镜的机械刻划加工具有精度高而且加工同时可以对表面监测等优点。因此,对基于原子力显微镜的纳米刻划相关技术进行深入研究,具有重要的理论意义与实用价值。   切屑的形成和对切屑产生影响的因素是机械加工中的一项重要研究内容。本文通过基于AFM的机械刻划加工方法,对超精密加工中切屑的形成、形貌的影响因素进行了研究。   本文首先对针尖刻划过程以及基于AFM的刻划机理进行了分析。基于AFM的刻划加工可以分为两个过程,即压入过程和刻划过程。针尖压入样品表面,随着针尖的移动,针尖前材料堆积增多,发生断裂随着针尖被带走,形成切屑。本文随后通过变化不同参数(进给量、刻划速度、垂直载荷、循环次数和不同进给方向等)进行刻划试验,通过扫描电镜(SEM)对刻划后试件形成切屑进行观察。通过实验结果,分析各种参数的切屑形成、形貌的影响和变化规律。最后,本文对基于AFM的机械刻划的最小切削厚度进行了研究,推导出最小切削厚度与针尖圆弧半径、垂直载荷与切向力比值以及针尖与样品间摩擦系数的近似关系。然后通过改变载荷的大小,进行刻划单线加工,加工后用原子力显微镜进行成像,找到形成切屑的临界载荷值以及加工厚度,之后又变换试件材料进行对比试验研究。实验结果与推导值相对比,基本相符。
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