劉 冰，徐宗偉，房豐洲，趙 兵

(1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)與儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

基于SEM的原位納米切削實(shí)驗(yàn)研究

劉 冰1,2，徐宗偉2，房豐洲1,2，趙 兵2

(1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)與儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

利用自主研制的納米切削裝置，對(duì)單晶銅材料開(kāi)展了基于SEM在線觀測(cè)的原位納米切削實(shí)驗(yàn)．分析了納米尺度切削深度為10～200,nm時(shí)的切屑形態(tài)以及材料去除機(jī)制．研究了金剛石刀具刃口半徑以及切削速度對(duì)切屑變形系數(shù)的影響．結(jié)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(dāng)切削深度小于刀具刃口半徑時(shí)，切屑變形系數(shù)急劇增大．此外，刃口半徑和切削速度對(duì)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(shù)的發(fā)展，對(duì)加工尺度和加工精度的要求越來(lái)越高．切削作為超精密加工的重要技術(shù)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(yīng)的影響，納米切削與傳統(tǒng)切削在材料去除機(jī)理方面有本質(zhì)的不同[1-4].對(duì)納米尺度下材料去除機(jī)理認(rèn)識(shí)的不足成為制約納米切削加工技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題．切削過(guò)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(guān)系．隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，對(duì)材料去除機(jī)理的研究顯得更為迫切．研究切削過(guò)程材料變形機(jī)制對(duì)保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)率和促進(jìn)超精密加工乃至納米加工技術(shù)的發(fā)展，有著至關(guān)重要的作用．

近年來(lái)，對(duì)納米切削機(jī)理的研究吸引了國(guó)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(shí)驗(yàn)研究[8-11]兩個(gè)方面．1998年，Xie等[7]通過(guò)FEA研究了切削過(guò)程剪切帶的萌生和擴(kuò)展，并指出FEA可以用于預(yù)測(cè)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(yùn)用有限元模擬的方法研究了金屬正交切削過(guò)程中的切屑形狀，工件和切屑中應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率分布以及工件、材料和刀具中的溫度場(chǎng)．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(guò)程．

2002年，Astakhov等[12]認(rèn)為可以用切屑變形系數(shù)來(lái)計(jì)算切削過(guò)程中外力做的總功，從而優(yōu)化切削過(guò)程．2006年，Ng等[13]對(duì)鋁材料7075-T6進(jìn)行了微納米切削實(shí)驗(yàn)，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(duì)AISI 1045鋼進(jìn)行正交微切削實(shí)驗(yàn)，利用光學(xué)顯微鏡和SEM對(duì)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(zhǔn)剪切-推擠切屑．2010年，周軍[15]研究了鋁合金不同切削速度時(shí)的切屑變形系數(shù)，并計(jì)算了微切削中的等效剪切角．2011年，Gao等[16]利用自行開(kāi)發(fā)的快速落刀裝置對(duì)鎳基合金進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高速切削時(shí)切屑呈鋸齒狀，并通過(guò)對(duì)切屑根部的金相圖分析，得出當(dāng)鋸齒屑形成時(shí)，剪切角減小并且剪切面轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟畜w，并建立了相應(yīng)的剪應(yīng)力、剪應(yīng)變模型．

綜上所述，目前研究納米尺度切削的實(shí)驗(yàn)方法大多采用的是離線表征手段，即通常待切削實(shí)驗(yàn)完成后，搜集切屑用SEM觀察分析；而且，目前對(duì)切屑形態(tài)及變形系數(shù)的研究中切削尺度較大，甚至達(dá)到微米級(jí)．本文借助課題組自行開(kāi)發(fā)的基于SEM原位觀測(cè)的納米切削裝置[17]，對(duì)單晶銅材料在納米尺度不同切深下的切屑形態(tài)進(jìn)行了分析，并研究了刀具刃口半徑和切削速度對(duì)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(guò)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(gè)變形量的大小計(jì)算比較復(fù)雜，通常采用變形系數(shù)來(lái)衡量切削過(guò)程中切屑變形程度．根據(jù)體積不變?cè)?，假設(shè)切屑的寬度不變，切屑變形系數(shù)可以通過(guò)測(cè)量得到的切屑厚度與預(yù)設(shè)的切削深度(簡(jiǎn)稱切深)之間的關(guān)系來(lái)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(guò)SEM直接測(cè)量的切屑厚度與預(yù)設(shè)切深的比值來(lái)計(jì)算切屑變形系數(shù)．

2 納米切削實(shí)驗(yàn)

2.1 工件材料

本文實(shí)驗(yàn)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(guò)超精密車床將工件表面車平，再利用FIB技術(shù)將工件加工出一些矩形槽，留出寬度約為刀具刃長(zhǎng)10,μm的矩形凸臺(tái)，如圖2所示．這樣，不僅避免了工件與刀具側(cè)刀面的摩擦作用對(duì)切削結(jié)果造成影響，而且便于SEM直接測(cè)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(shí)，由于尺寸效應(yīng)，金剛石刀具刃口半徑的大小對(duì)切削過(guò)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(duì)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(guān)鍵．聚焦離子束以其納米尺度制造精度、直寫(xiě)加工、靈活性好等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在納米制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[18]，特別是在納米尺度刃口、復(fù)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(shù)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(shí)間的不同，獲得不同刃口的刀具．實(shí)驗(yàn)采用的金剛石刀具前角0°，后角8°，直線刃刃長(zhǎng)10,μm，刃口半徑分別為25.0,nm和42.5,nm．圖3為利用FIB技術(shù)所制備的金剛石刀具形貌．

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

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)計(jì)

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

圖4 納米切削實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental setup for nanometric cutting

實(shí)驗(yàn)研究了不同切深對(duì)切屑形態(tài)的影響以及刃口半徑和切削速度對(duì)切屑變形系數(shù)的影響．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示．進(jìn)行了3次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，取其平均值．

表1 納米切削實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Parameters of nanometric cutting experiments

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 切屑形態(tài)分析

基于SEM的原位納米切削實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于它能夠?qū)崿F(xiàn)切削過(guò)程的在線觀測(cè)，并能夠?qū)η行夹蚊策M(jìn)行原位測(cè)量，省去超精密車床實(shí)驗(yàn)中的搜集納米尺度切屑的步驟，避免對(duì)切屑帶來(lái)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(shí)驗(yàn)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(dāng)切深小于等于40,nm(圖5(a)～5(d))時(shí)，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(dāng)切深為50～100,nm(圖5(e)～5(g))時(shí)，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(guò)渡階段．而當(dāng)切深逐漸增加到100,nm及其以上(圖5(h)～5(j))時(shí)，切屑中產(chǎn)生明顯的剪切滑移帶，說(shuō)明此時(shí)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(zhǎng)，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(shí)的切屑厚度測(cè)量結(jié)果．為表示切削變形程度，將結(jié)果轉(zhuǎn)化為切屑變形系數(shù)與切深的關(guān)系，如圖6所示．實(shí)驗(yàn)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(shì)，并且當(dāng)切深小于40～50,nm時(shí)，這種增大趨勢(shì)更為明顯．該切深與刀具刃口半徑大小相當(dāng)．分析發(fā)現(xiàn)，由于納米尺度刃口效應(yīng)的影響，在切深小于刃口半徑時(shí)，切削過(guò)程中實(shí)際上是負(fù)前角切削，切深越小，負(fù)前角越大．大負(fù)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?。?dāng)切深超過(guò)刃口半徑時(shí)，材料變形系數(shù)變化較小，刃口效應(yīng)逐漸減弱，材料與刀具的擠壓作用沒(méi)有大負(fù)前角切削時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)切削速度對(duì)切屑變形系數(shù)有一定的影響．當(dāng)切削速度較快時(shí)，溫度較高，切屑和前刀面之間的摩擦減小，進(jìn)而造成前刀面對(duì)切屑的運(yùn)動(dòng)約束減小，產(chǎn)生更薄的切屑，從而導(dǎo)致切屑變形系數(shù)較小．

表2 不同切削速度、不同切深時(shí)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(shí)，呈現(xiàn)一個(gè)變化趨勢(shì)的拐點(diǎn)．為了研究刀具刃口半徑的尺寸效應(yīng)對(duì)切屑變形系數(shù)的影響，采用不同刃口半徑的刀具進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)．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(shí)所測(cè)得的切屑厚度值與切屑變形系數(shù)．從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，在切削深度小于80,nm時(shí)，刃口半徑越大，切屑變形系數(shù)越大，這是因?yàn)槿锌诎霃捷^大時(shí)增大了實(shí)際切削的負(fù)前角．而切深超過(guò)80,nm后，刀具刃口半徑相對(duì)切深較小，尺寸效應(yīng)不明顯，導(dǎo)致切屑變形系數(shù)相近．而且，同圖6的規(guī)律一樣，當(dāng)切深在刃口半徑附近時(shí)，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(guān)．

表3 不同刃口半徑、不同切深時(shí)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(jié) 語(yǔ)

本文開(kāi)展了納米尺度切削實(shí)驗(yàn)研究，利用納米切削裝置在SEM高真空環(huán)境下進(jìn)行了單晶銅的原位納米切削實(shí)驗(yàn)．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(shí)驗(yàn)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(dá)到刃口半徑以下時(shí)，尺寸效應(yīng)導(dǎo)致切屑變形更為明顯．切削速度對(duì)切屑變形系數(shù)有影響，速度越快，切屑變形系數(shù)越?。?/p>

［1］ Fang F Z，Venkatesh V C. Diamond cutting of silicon with nanometric finish[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology，1998，47(1)：45-49.

［2］ Fang F Z，Wu H，Zhou W，et al. A study on mechanism of nano-cutting single crystal silicon[J]. Journal of Materials Processing Technology，2007，184(1)：407-410.

［3］ Fang F Z，Zhang G X. An experimental study of edge radius effect on cutting single crystal silicon [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2003，22(9/10)：703-707.

［4］ Lai M，Zhang X D，F(xiàn)ang F Z. Study on critical rake angle in nanometric cutting [J]. Applied Physics A：Materials Science and Processing，2012，108(4)：809-818.

［5］ Mamalis A G，Horvath M，Branis A S，et al. Finite element simulation of chip formation in orthogonal metal cutting[J]. Journal of Materials Processing Technology，2001，110(1)：19-27.

［6］ Kim C J，Mayor R，Ni J. Molecular dynamics simulations of plastic material deformation in machining with a round cutting edge[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2012，13(8)：1303-1309.

［7］ Xie J Q，Bayoumi A E，Zbib H M. FEA modeling and simulation of shear localized chip formation in metal cutting [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，1998，38(9)：1067-1087.

［8］ Gao W，Hocken R J，Patten J A，et al. Construction and testing of a nanomachining instrument [J]. Precision Engineering，2000，24(4)：320-328.

［9］ Yuan Z J，Zhou M，Dong S. Effect of diamond tool sharpness on minimum cutting thickness and cutting surface integrity in ultraprecision machining [J]. Journal of Materials Processing Technology，1996，62(4)：327-330.

［10］ Lee S H. Analysis of ductile mode and brittle transition of AFM nanomachining of silicon [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2012，61：71-79.

［11］ 徐飛飛，張效棟，房豐洲. 金剛石刀具單點(diǎn)切削單晶硅加工表面特性[J]. 納米技術(shù)與精密工程，2013，11(6)：485-491. Xu Feifei，Zhang Xiaodong，F(xiàn)ang Fengzhou. Characterization of single point diamond machined singlecrystal silicon[J]. Nanotechnology and Precision Engineering，2013，11(6)：485-491(in Chinese).

［12］ Astakhov V P，Shvets S. The assessment of plastic deformation in metal cutting[J]. Journal of Materials Processing Technology，2004，146(2)：193-202.

［13］ Ng C K，Melkote S N，Rahman M，et al. Experimen-tal study of micro-and nano-scale cutting of aluminum 7075-T6[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46：929-936.

［14］ Simoneau A，Ng E，Elbestawi M A. Chip formation during microscale cutting of a medium carbon steel[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46(5)：467-481.

［15］ 周 軍. 鋁合金7050-T7451微切削加工機(jī)理及表面完整性研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2010. Zhou Jun. Research on Mechanism and Surface Integrity for Micro Cutting Al7050-T7451 Alloy[D]. Jinan：School of Mechanical Engineering，Shandong University，2010(in Chinese).

［16］ Gao D，Hao Z P，Han R D，et al. Study of cutting deformation in machining nickel-based alloy Inconel 718[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2011，51(6)：520-527.

［17］ 劉 冰，徐宗偉，兀 偉，等. 基于SEM納米切削裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2015，48(1)：56-61. Liu Bing，Xu Zongwei，Wu Wei，et al. Design and experiment on SEM based nanometric cutting device[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2015，48(1)：56-61(in Chinese).

［18］ Xu Z W，F(xiàn)ang F Z，Zhang S J. Fabrication of micro DOE using micro tools shaped with focused ion beam [J]. Optics Express，2010，18(8)：8025-8032.

［19］ Mallock A. The action of cutting tools[J]. Proceedings of the Royal Society of London，1881，33(216/217/218/ 219)：127-139.

(責(zé)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB706703)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275559).

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

徐宗偉，zongweixu@163.com.

時(shí)間：2015-03-12. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.n.20150312.1449.005.html.