[发明专利]一种圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧圆度的检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧圆度的检测装置。

背景技术

超精密切削加工技术是20世纪60年代专门针对现代化技术需要而发展起来的制造技术，是一种向传统加工方法的高精度极限挑战的机械加工新工艺。作为高科技领域的基础技术，它集成了电子、传感、光学、控制和测量等领域的前沿技术。随着超精密切削加工技术的应用与推广，在几十年的时间里，机械加工精度提高了1～3个数量级，并正向更高精度的纳米级精度发展，日本、美国、英国、德国和俄罗斯等工业发达国家都将超精密加工和纳米加工技术列入了21世纪优先发展的工业计划，使之不仅成为学术研究的热点，而且成为代表一个国家制造业水平的标志和新的经济增长点。

超精密加工的技术指标主要有表面加工质量和形状精度，如X射线望远镜中的掠射镜面铝基衬底要求达到0.2μm的轴向形状精度，2μm/1.5m的径向圆弧精度，5nm的表面粗糙度RMS；同步辐射X线光刻技术中的高导无氧铜椭圆柱面，在几百mm轴向长度范围内，需达到0.13μm的形状精度和0.043μm的表面RMS；又如计算机硬盘存储器铝盘片，其表面超精密切削加工的质量决定了存储容量和磁头读盘速率；CCD、数码相机、激光打印机和复印机等装有光学系统的仪器设备，其曲面和平面透镜、反射镜及其他光学零件表面的加工精度会影响光线透射率和成像误差。激光核聚变装置中的各类反射镜、透射镜以及聚焦透镜等光学零件表面的超精密切削加工精度直接影响到各路高能激光的散射和透射程度，尤其是KDP晶体倍频转换器等零件，面形精度小于λ/6、表面粗糙度RMS小于5nm时，透射率才能达到使用要求。

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超光滑，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。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ΔR(也称为刀尖圆弧圆度)和前刀面粗糙度值Ra。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。

圆弧刃金刚石刀具在研磨时，必须精密检测刃口钝圆半径、刀尖圆弧圆度和前后刀面表面粗糙度Ra等刀尖参数。在这些参数当中，重要的参数是刃口钝圆半径和圆弧圆度，它们是保证被加工表面质量和面形精度的重要指标。其中金刚石切削刃钝圆半径的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，而刀尖圆弧的圆度是评定圆弧刃刀具研磨质量的另一重要指标。目前刀尖圆弧圆度的测量还没有统一的方法，圆弧刃金刚石刀具刀尖圆弧半径很小(一般为1～5mm左右)，角度范围很窄(一般都在120°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120°范围内圆度误差小于0.1μm，60°圆弧范围内圆度误差小于0.05μm)。目前比较常见的刀尖圆弧圆度的测量方法有目测法、体视显微测量法、SEM测量法和圆度仪测量法等。这四种方法的基本原理、测量特点、测量精度和缺点如表1所示。

表1已有测量刀尖圆弧圆度方法的特点

续表1已有测量刀尖圆弧圆度方法的特点

其中目测法：通过衍射条纹观察圆弧的制造精度，为定性测量方法。即从后刀面的白光衍射条纹可以看出刀尖圆弧圆度的优劣。如果刀尖圆弧圆度很好，则衍射条纹中只有一条亮带；如果刀尖圆弧圆度不好就有两个或者两个以上的亮带。这种方法中照明光源对测量结果的影响大，而且没有依据的准则，只能依靠经验判别。

体视显微测量法：这种方法属于正投影测量法，使用体视显微镜对刀具进行测量，并使用圆曲线对刀尖圆弧进行拟合。此方法精度较差，测量结果不但有光学误差，还有测量误差和拟合误差。

SEM测量法：它和体视显微测量法有些类似，只是使用的显微镜由光学提高到了SEM，这样得到的图像不会受光学误差的影响。SEM可以达到很高的放大倍数，对观测表面的形貌是一种不错的方法。这种测量方法的缺陷和体视显微测量的缺陷类似，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。