[发明专利]一种金刚石刀具刀尖圆弧圆度的高效高精度检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石刀具刀尖圆弧圆度的高效高精度检测装置 ，属于刀具检测装置技术领域。

背景技术

超精密加工技术已经成为在国际竞争中取得成功的关键技术。发展尖端技术、发展国防工业、发展微电子工业等都需要超精密加工制造出来的仪器设备。现在超精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接切出超光滑的加工表面。超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位。

超精密切削加工的高精度不仅体现在对表面粗糙度的要求上，还体现在对面形精度的要求上。对于超精密切削加工来说，要获得零件形状尺寸的高精度和加工表面的光滑，除了必须拥有超精密的机床、高精度和高分辨率的检测仪器和超稳定的加工环境等条件以外，还必须具备进行切削加工的高精度金刚石刀具，尤其是高精度的圆弧刃金刚石刀具。高质量的金刚石刀具是进行金刚石切削加工以及开展相关超精密加工研究工作的重要依托。圆弧刃金刚石刀具有三个主要参数，刃口钝圆半径（也称为锋利度）、刀尖圆弧半径变化值（也称为刀尖圆弧圆度）和前后刀面粗糙度值。刃口钝圆半径值决定了车削过程中的最小切削厚度，反映了刀具的切削能力，它在很大程度上制约了被加工表面的粗糙度值。而刀尖圆弧半径值的变化主要影响工件的面形精度，会对被加工表面的波纹度值产生极大的影响。特别是当采用双主轴数控超精密车床进行加工时，圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧上的各点都将参与切削，当以恒定的速度进给时，刀尖圆弧圆度将会影响被加工工件的表面形状精度。

由上述可知，合理准确的测量刃口钝圆半径、刀尖圆弧圆度和前后刀面表面粗糙度等刀尖参数不仅可以指导刀具刃磨工艺技术，检测金刚石刀具的磨削状况，测量得到的数据更能反映研磨机床的动态特性，同样也可以为数控车削中的刀具补偿提供数据支持。在这些参数当中，重要的参数是刃口锋利度和刀尖圆弧圆度，它们是保证被加工表面质量和面形精度的重要指标。目前，国内外针对刃口锋利度的检测进行了大量的研究，测量方法已经有多种，包括扫描电子显微镜方法(SEM)、原子力显微镜(AFM)方法等。与刃口锋利度不同的是刀尖圆弧圆度的测量还没有统一的方法，国内外也很少有相关方面的文献报道。圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧半径很小(一般1～5mm左右)，角度范围很窄（一般都在120o范围之内），而且圆度误差很小（研磨质量较好的圆弧刃金刚石刀具一般能保证在120o范围内圆度误差小于0.1μm，60o圆弧范围内圆度误差小于0.05μm）。目前比较常见的方法有目测法、体视显微测量法、SEM测量法和圆度仪测量法等。

目测法是通过观测后刀面的反光情况进行测量，完全凭个人经验，为非接触式测量，其测量精度低，且无标准；体视显微测量法是采用体视显微镜进行光学成像测量，其分辨率可以达到几十μm，为非接触式测量，但其精度较低；SEM即扫描电子显微镜，SEM法就是采用SEM测量刀尖图像做判断，分辨率可以达到几百nm，为非接触式测量，其缺点是测量得到的只是图像，没有给定测量点的坐标值，要计算圆度误差还需要对圆周上的点作特征提取，很难精确计算；圆度仪法是接触式测量，通过圆度仪测头接触后刀面进行测量，分辨率为几个μm，测量过程中圆度仪的红宝石或者蓝宝石测头和刀具后刀面相接触，会对刀具后刀面产生一定的损伤。这个轻微的损伤对超精密加工来说是非常致命的，使用其进行车削加工后的表面完整性会显著降低。并且现有的圆度仪对小圆弧的测量精度不是很高，很难达到要求的纳米级测量精度。

随着金刚石刀具刃磨技术的进步，金刚石刀具刃口轮廓参数的检测技术也进入到纳米计量的范围，而且要与刀具实际形貌特征相结合。图7是部分测量方法的测量范围和分辨率的示意图。

由图7可知大多测量方法可以实现垂直方向的纳米级精度分辨率，但是水平分辨率除了SPM和SEM外都比较低，即它们只能实现一维纳米尺度测量无法实现三维空间测量。因此，目前刃口轮廓参数测量的研究重点主要集中在如何有效使用SPM和SEM进行检测。

扫描探针显微镜(SPM)的出现，为人类在微纳米尺度上观察和改造世界提供了最有力的工具，其家族中的原子力显微镜(AFM)更是以检测精度高、可分辨包括绝缘体在内的各种材料的表面形貌、工作时与材料表面准接触等特点，得到了广泛的应用。然而由于AFM自身扫描范围很小，不能直接对刀具的后刀面形貌进行整体测量，因此无法直接获得刀具刀尖圆弧的圆度。

发明内容