基于P63压电纳米定位台、SEM及白光干涉仪的纳米切削装置

纳米切削中刀具的纳米级微进给、切削过程的高分辨率观测及加工后的测量都是纳米切削中需要解决的几个重要问题。为解决该系列问题，可通过利用压电纳米定位台、SEM扫描电子显微镜，分别完成刀具纳米级步进及高分辨率观测，加工完成后，再通过白光干涉仪对加工后的尺寸进行测量。其中，刀具的纳米车削进给是采用芯明天P63压电纳米定位台，它的行程为8µm，闭环分辨率可达0.6nm以上。

该纳米切削装置的结构及实际安装实物如下图中所示。

结构原理图

安装结构实物图

切削过程

通过粗调平台将刀具与待加工件间距离调整至2～3µm，通过SEM观测。再通过芯明天压电纳米定位系统控制刀具缓慢向待加工件表面移动，直至接触，并记录位置，再次移动刀具至加工点，预切削后，再通过压电纳米定位系统控制刀具进行纳米级车削，SEM进行整个切削过程的观测。P63压电纳米定位台具有X、Y、Z 三自由度的运动，并能够实现联动控制，该纳米切削过程可实现不同速度的切削、斜切以及正弦曲线切削等功能。

P63压电纳米定位台

P63压电纳米定位台技术参数：

运动自由度：XYZ

行程范围：8µm/轴

闭环分辨率：0.2nm

闭/开环阶跃时间：1.5ms/0.3ms

承载能力：400g

通过该装置进行了高真空条件下的纳米切削，实验测得在慢速切削（15~20s）下，对单晶铜设置切削50nm、150nm的切削深度，经过P63压电纳米定位系统车削加工后，再经白光干涉测量，实际切深为59.3nm、161.2nm。

切削精度受多种因素的影响，如材料性能（如硬度、脆性等）、刀具尺寸、温度等，在慢速切削下达到10nm左右的偏差，已能满足大部分纳米切削的精度要求。