基于原子力显微镜扫描的金刚石刀具纳米刃口轮廓测量方法研究

　　1　引　言

　　应用天然金刚石刀具对铁族以外的金属及非金属材料进行超精密切削加工是极其重要的一种超精密加工方法。金刚石刀具纳米级刃口轮廓参数对超精密加工表面质量的影响极为重要。近年来的研究成果表明,切削量进入纳米量级后,切削面表层质量、最小切削厚度、表面微观形貌、表面冷硬度、晶格组织位错等都与天然金刚石刀具刃口锋利度有着非常直接的关系,不同的刃口轮廓值将会产生不同的表面几何和物理特征。因此,研究每次切削加工后的表层质量,首先应当准确了解刃口轮廓的准确值及在本次加工中是否有磨损量或缺陷产生等,这需要一种特定的可靠方法实时测量金刚石的刃口轮廓。无论从理论上进行能量平衡原理分析,还是从最小切薄实验结果看,刃口锋锐轮廓可以被研磨到几个纳米。因此,精确测定刃口几何锋锐轮廓,就可以进一步分析刀具对加工表层质量的影响机理,尤其是对纳米加工表层微观组织结构、微机械特性的影响机理。

　　目前刃口锋利度一直用刃口半径值表示,测量锋利程度在亚微米级的刃口半径的通用方法是扫描电子显微镜(SEM)测量法[1]。当锋利度大于0.1μm时(即刃口半径值ρ<100nm),此方法比较可靠,是国际上一种通用的测量方法。近十几年随着加工精度的提高,超精加工所用的刀具刃口半径往往小于0.1μm,一般在几十纳米,用SEM观测ρ<100nm的刃口半径分辨力不够,图像边缘比较模糊,要实现精密测量比较困难,而且由于表面镀了一层厚度不确定的导电金膜,使通过观察得到的传统方法的结果有很大误差,且不适于实时测量。

　　为了准确测定纳米量级的刃口半径,八十年代末期,世界上掀起了一个研究超精刃口测量方法的热潮,一些方法先后提出,如印膜法[2]、切屑法[3]、改进的SEM法[4]等。但这些方法均为间接测量,精度不能达到纳米量级。九十年代随着原子力显微镜在工业领域应用的逐步扩大,国外有学者提出了应用原子力显微原理测量金刚石刀具刃口半径的方法[5][6]。其基本原理是将金刚石刀具垂直安放在AFM探头下面的二维工作台上,使刀刃位于探针尖的正下方,探针垂直于刃口进行扫描,得到刃口的AFM扫描图像。但文献[5][6]中只给出刃口的AFM扫描图象,均未给出刃口半径的准确测量值,也未对刃口各参数进行评定。事实上,刃口半径的定义不一定是很确切的,也可用其他方式如椭圆、抛物线等作评定标准。基于应用AFM可以测量金刚石刀具刃口半径这一思想,笔者在以国产AFM为核心构造的实验系统上进行了测量实验研究,得到了扫描图象和一组刃口截面的坐标值。并首次进行了刃口锋锐轮廓数值AFM扫描原理下的评定。