[发明专利]一种金刚石平行砂轮表面三维形貌表征与建模方法

说明书

本发明公开了一种金刚石平行砂轮表面三维形貌表征与建模方法，该方法首先进行磨粒密度和出刃高度的表征，然后根据测量结果依次对磨粒的方位、出刃高度和轴向位置、周向位置进行随机化建模，包括步骤：采用复形法和激光扫描共聚焦显微镜LSCM表征磨粒密度；采用复形法和激光扫描共聚焦显微镜表征磨粒出刃高度，得到磨粒出刃高度的统计分布；进行磨粒方位的随机化建模；根据磨粒出刃高度的统计分布，进行磨粒出刃高度和轴向位置的随机化建模；进行磨粒周向位置的随机化建模；判别上述拟添加磨粒与砂轮表面已存在磨粒之间的干涉，逐个添加磨粒直至达到测量得到的磨粒密度。本发明突破了表征仪器对砂轮尺寸的限制，实现砂轮表面形貌的高精度建模。

技术领域

本发明属于金刚石平行砂轮技术领域，具体涉及一种金刚石平行砂轮表面三维形貌表征与建模方法。

背景技术

超精密硬脆材料光学元件是激光核聚变装置、高分辨率对地观测系统、大型天文望远镜、微电子技术和消费电子设备等的关键部件，亚表面损伤是限制其使用性能的关键因素之一。硬脆材料光学元件一般需要采用金刚石砂轮磨削的方法进行加工，砂轮表面金刚石磨粒的形状、出刃高度即磨粒突出结合剂的高度值) 和磨粒密度(即单位表面积内磨粒的数量)对磨削时亚表面损伤的生成有重要影响。因此，实现金刚石砂轮表面三维形貌的表征和建模对于实现磨削过程仿真，进而优化磨削工艺和砂轮设计制备具有重要的意义。

在现有技术中，一般采用接触式测量法、激光三角法、扫描电子显微镜 (SEM)、光学显微镜和复形法等方法对砂轮的微观形貌进行测量。接触式测量的精度受限于探针的尺寸和接触力引起的变形。激光三角法测量速度快，且可用于砂轮三维形貌的在位检测，但是其水平分辨率有限。SEM和光学显微镜为二维测量方法，可以对砂轮进行直接测量，因此测量结果比较可靠，但是被测砂轮的大小受到测量仪器的限制。SEM的放大倍数可以在数倍到数万倍之间进行调整，且具有很大的景深，所以适用于磨粒的形状、微观磨损形貌和堆积密度等的测量。光学显微镜由于具有较小的景深，更适合用于测量金刚石砂轮的动态磨粒数目和磨粒的磨损平台面积。复形法不受测量仪器规格的限制，可以采用铅带或者聚合物对砂轮形貌进行压印复制。然而，在采用压印法测量砂轮表面磨粒密度和出刃高度时，尚有待于开发出高精度的评价步骤。

在现有技术中，在对金刚石砂轮表面形貌进行几何建模时，为了模拟磨粒空间位置的随机分布，往往先将磨粒按照体心立方或者简单立方进行规则排列，然后在保证磨粒互不干涉的前提下随机移动其位置。近年来，也有学者采用球体堆积的方法对磨粒位置进行随机化，从而获得更高的效率和随机化程度。对于单层磨料的金刚石砂轮，一般采用磨粒出刃高度这一概念对磨粒在径向方向的位置进行模拟，已有的研究假定出刃高度为恒定值，如磨粒尺寸的某一百分比，或者服从正态分布。后一种假设与实验结果更为接近，但是其往往假定正态分布的均值和标准偏差正比于磨粒的尺寸，与实际情况相比存在偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金刚石平行砂轮表面三维形貌表征与建模方法，以突破表征仪器对砂轮尺寸的限制，实现砂轮表面形貌的高精度建模。

为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金刚石平行砂轮表面三维形貌表征与建模方法，该方法首先进行磨粒密度和出刃高度的表征，然后根据测量结果依次对磨粒的方位、出刃高度和轴向位置、周向位置进行随机化建模，包括以下步骤：

步骤一：采用复形法和激光扫描共聚焦显微镜LSCM表征磨粒密度；

步骤二：采用复形法和激光扫描共聚焦显微镜表征磨粒出刃高度，得到磨粒出刃高度的统计分布；

步骤三：进行磨粒方位的随机化建模；

步骤四：根据磨粒出刃高度的统计分布，进行磨粒出刃高度和轴向位置的随机化建模；

步骤五：进行磨粒周向位置的随机化建模；