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金剛石刀具刃口質量檢測裝置研究

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2020-02-03 訪問數:

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金剛石刀具刃口輪廓質量的綜合評價、判定和監控是獲得高質量工件的重要環節。但由于刀具刃口輪廓質量表征參數體系的復雜性和納米級精度,系統地測量及評價極為困難,刀具刃口輪廓質量評價與測量技術研究的滯后已成了制約高精度金剛石刀具制備及應用技術發展的關鍵因素之一。

課題組開展了金剛石刀具檢測技術與系統的研究,建立了金剛石刀具刃口輪廓質量綜合評價體系,研制了相關配套檢測設備,并在大型光學工程中取得了較好的應用效果,為KDP晶體超精密切削專用金剛石刀具刃口輪廓質量的評價提供了一定的技術支撐。為進一步提升檢測裝置性能,在院統籌項目的資助下,課題組在刀具刃口鋒利度評價算法優化、檢測裝置核心部件精度提升方面開展了進一步的研究工作,獲得的研究成果如下。

1  金剛石刀具刃口鋒利度評價算法

刃口鋒利度是刃口質量的核心技術指標之一,國內外學者和相關研究機構針對刀具刃口鋒利度的評價模型開展了大量的研究工作,建立了圓、拋物線擬合評價模型、形狀系數評價模型、改進的圓擬合評價模型等。目前,圓擬合仍是刀具刃口鋒利度評價的主要方法,但需要較好解決圓擬合方法中擬合點選取的難題;除此之外,AFM探針針尖的幾何尺寸與高精度金剛石刀具刃口鋒利度的尺寸接近或相當,有較明顯的尺寸效應,但現有的圓擬合評價模型中未考慮此影響。本研究基于圓擬合評價模型,建立了基于切點約束和針尖半徑補償的刃口鋒利度評價模型,如圖1所示。在本模型中,約束直線由刀具前、后刀面的數據點擬合而成,并采用切點對直線和圓弧進行約束,同時考慮針尖半徑大小對測量結果的影響,獲得的刀具刃口鋒利度值更加準確。

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2  刀具刃口質量檢測裝置研制

本研究不采用商品化的原子力顯微鏡主體結構,而是通過自主研制裝置的主體結構,并將精密回轉軸系立式放置。此布局方式下刀具位姿調整結構的設計可更加自由,也便于操作者調整刀具位姿,提高效率;同時,由于精密回轉立式放置,其徑向回轉精度可以進一步提升。

集成后的刀具刃口質量檢測裝置主要組件包括:(1)隔振系統;(2)精密調心系統;(3)立式精密回轉軸系及驅動系統;(4)臥式原子力掃描系統;(5)光學測量系統;(6)控制系統等。如圖2所示。

金剛石刀具刃口質量檢測裝置研究

精密回轉軸系是刀具檢測系統的核心部件之一,其精度直接影響了刀尖圓弧波紋度檢測精度。本裝置中的精密回轉軸系徑向回轉誤差的測試及結果如圖3所示。從測試結果可以看出,所測精密回轉軸系的徑向回轉誤差在0.029~0.032 μm,實驗標準偏差為0.001 6 μm;分離得出的標準球圓度誤差均值在0.035~0.038 μm,實驗標準偏差為0.001 4 μm。所研制的精密回轉軸系可以獲得約30 nm的徑向回轉誤差,滿足檢測裝置對精密回轉軸系的設計要求。

金剛石刀具刃口質量檢測裝置研究

采用VLSI公司標件,對檢測裝置上的原子力掃描系統的噪聲進行測試,獲得的原子力掃描系統噪聲為0.18 nm,如圖4所示,可以滿足刀具的測量需求。

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3  刀具刃口質量檢測實驗研究

刀具刃口檢測裝置要完成刃口鋒利度、微豁、刀尖圓弧波紋度、表面粗糙度等指標的檢測,其中,刀尖圓弧波紋度的測量涉及原子力掃描系統和精密回轉軸系,是最難準確測量和最能體現檢測裝置綜合性能的核心技術指標。

對某把刀具的刀尖圓弧波紋度進行10次測試,測量結果如表1和圖5所示。10次測量結果的均值為78.5 nm,實驗標準差為3.69 nm,滿足高精度刀具刀尖圓弧波紋度的測量需求。

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