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基于AFM的圆弧刃金刚石刀具全刃口锋利度检测与评价技术研究

作　者: 张晓峰
导　师: 王宝瑞
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 金刚石刀具原子力显微镜全刃口锋利度气浮轴系评价方法
分类号: TG711
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

天然金刚石刀具是进行金刚石超精密切削加工及相关科研工作的重要工具。研究表明：金刚石刀具纳米级别的刃口锋利度对超精密加工表面质量,特别是表面微观几何形貌有着重要影响,锋利度大小不同,其加工件表面的几何特征和物理化学参数有着较大差异。因此,刃口锋利度是表征金刚石刀具性能的重要技术参数之一。目前,金刚石刀具刃口锋利度测量难点主要有两个方面：一是常规轮廓检测设备无法有效进行刃口轮廓检测；二是圆弧刃金刚石刀具纳米级刃口锋利度的评价理论尚未统一本文在分析圆弧刃金刚石刀具刃口锋利度检测关键技术的基础上,提出了基于原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的全刃口锋利度测量方法,建立了一种新型的测量系统。此系统以AFM为主要测试平台,附加一套精密回转气浮轴系和驱动系统,实现了圆弧刃金刚石刀具在刃口刀尖方向的可控微小进给,在刀具一次装夹的情况下可完成刃口部位的多点扫描,进行间接的全刃口检测。本文分析了测量系统的误差来源,重点阐明了气浮主轴径向回转误差、AFM扫描误差等多个误差源的耦合关系和解耦方法,有效抑制了系统噪声对观测结果的影响。对测量系统的测试表明：所研制气浮主轴的径向回转精度、定位精度和整个系统的静态测量噪声等多项指标基本达到了检测全刃口锋利度的要求。金刚石刀具刃口锋利度现有的评价方法还存在不足,本文对其进行了改进。金刚石刀具刃口截面轮廓由两段直线与一段类圆弧曲线组成,一般认为刃口锋利度由刃口钝圆半径表征。本文应用了基于二次曲率法的截面轮廓特征点的提取办法,分离出前后刀面直线点和待拟合圆弧点,计算结果表明该方法计算简单,寻点快速准确。同时从刀具刃磨的实际工艺出发,提出了成形的理想钝圆圆弧必然与前、后刀面相切的观点,建立了以前、后刀面线与圆弧相切为约束条件的钝圆半径最小二乘法求解模型,该评价模型所得半径值与实际刃口形貌情形更符合。同时本文尝试从分析刀具全刃口锋利度对表面加工质量的影响出发,以局部锋利度表征为基础对刀具全刃口锋利度的评价方法进行了探索研究。最后分析了锋利度评价过程中的误差。在构建的测量系统上进行了金刚石刀具刃口锋利度测量实验：在局部锋利度测量实验中,当锋利度大小为70nm级别时,测量结果的不确定度约为5nm；对某一区域进行多次测量,其计算结果表明检测重复性好；并将计算结果与其他方法进行了对比,表明新的圆弧拟合方法可以更加真实反映刀具刃口的轮廓信息,具有较高精度和可信度。在全刃口锋利度的测量实验中,通过多次测量利用统计学方法进行了全刃口锋利度参数表征,所得结果在一定意义上可反映刀具的锋利性能。本文通过理论分析和实验研究,对圆弧刃金刚石刀具全刃口锋利度检测与评价技术进行探索研究,所得到的成果和结论为刀具质量评价提供了参考,为刀具刃磨提供了技术支撑。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-21
  1.1 引言  10
  1.2 金刚石刀具的技术特点  10-11
  1.3 金刚石刀具刃磨技术发展现状  11-12
  1.4 金刚石刀具刃口锋利度的表征及评价意义  12-16
    1.4.1 金刚石刀具刃口锋利度表征  12-13
    1.4.2 金刚石刀具刃口锋利度对表面质量影响  13-15
    1.4.3 金刚石刀具刃口锋利度对脆性材料切削的影响  15
    1.4.4 金刚石刀具刃口锋利度检测对刃磨工艺的指导  15-16
  1.5 金刚石刀具刃口锋利度检测与评价方法的国内外发展概况及存在问题  16-19
    1.5.1 常用检测与评价方法  17-18
    1.5.2 现有方法存在的主要问题  18-19
  1.6 课题的来源、研究目的和研究意义  19-20
  1.7 论文研究的主要内容  20-21
第二章金刚石刀具锋利度测量系统总体设计  21-32
  2.1 AFM基本原理及计量中存在的问题  21-25
    2.1.1 AFM基本原理  21-22
    2.1.2 基于AFM精确测量面临的问题  22-25
  2.2 全刃口锋利度的评价  25-27
  2.3 测量系统总体功能分析  27-29
  2.4 测量系统总体方案设计  29-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章金刚石刀具锋利度测量装置研制  32-55
  3.1 测量装置总体设计要求  32
  3.2 测量装置结构设计  32-38
    3.2.1 精密气浮轴系设计  33-34
    3.2.2 传动方式选择  34
    3.2.3 刀具夹装设计及对测量的影响  34-38
  3.3 测控系统设计  38-43
    3.3.1 伺服驱动装置与圆光栅选择  38-40
    3.3.2 控制程序编制  40-43
  3.4 测量装置集成与性能测试  43-54
    3.4.1 总体布局设计  43-44
    3.4.2 AFM测量误差校准  44-48
    3.4.3 气浮主轴径向回转误差测量  48-51
    3.4.4 系统静态精度测试  51-54
  3.5 本章小结  54-55
第四章金刚石刀具刃口锋利度评价方法研究  55-73
  4.1 AFM扫描图像平滑  55-58
  4.2 AFM扫描图像坐标变换  58-60
  4.3 单截面锋利度大小求解  60-67
    4.3.1 截面轮廓特征点提取  60-63
    4.3.2 钝圆半径求解  63-67
  4.4 全刃口锋利度评价  67-68
  4.5 圆弧刃金刚石刀具刃口锋利度评价流程  68-69
  4.6 锋利度评价过程误差分析  69-72
  4.7 本章小结  72-73
第五章金刚石刀具锋利度测量实验研究  73-90
  5.1 AFM扫描参数对测量的影响及扫描参数的选择  73-74
    5.1.1 扫描范围  73
    5.1.2 扫描速度  73-74
    5.1.3 反馈增益  74
  5.2 实验设计  74-76
    5.2.1 实验步骤  74-76
    5.2.2 实验条件  76
  5.3 锋利度实验研究  76-88
    5.3.1 刃口局部锋利度测量实验研究  76-82
    5.3.2 全刃口锋利度测量实验研究  82-87
    5.3.3 切削试验验证  87-88
  5.4 本章小结  88-90
第六章总结与展望  90-93
  6.1 研究工作总结  90-91
  6.2 技术进步与创新点  91
  6.3 研究工作展望  91-93
致谢  93-94
参考文献  94-98
附录Ⅰ 攻读硕士学位期间发表的论文  98
附录Ⅱ 攻读硕士学位期间参加的学术活动  98

基于AFM的圆弧刃金刚石刀具全刃口锋利度检测与评价技术研究

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