基于垂直掃描白光干涉法的金剛石刀具表面粗糙度測量*

岳曉斌 劉 波 雷大江 徐 敏

(①復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光科學(xué)與工程系，上海200433;②中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽621900)

超精密加工技術(shù)是現(xiàn)代制造科學(xué)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，超精密加工可分為超精密切削、超精密磨削、研磨、拋光及超精密微細(xì)加工等。單點(diǎn)金剛石切削(single point diamond turning，SPDT)技術(shù)是超精密加工技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。隨著國家需求及未來新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，單點(diǎn)金剛石切削技術(shù)在國防及民用方面有著巨大的現(xiàn)實(shí)及潛在需求，如國防、宇航、光學(xué)、核技術(shù)中所需的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和載人飛船用球面及非球面大型零件、微光學(xué)器件、激光核聚變反射鏡以及各類功能表面的制造。

高精度金剛石刀具是進(jìn)行單點(diǎn)金剛石超精密切削的基本條件之一。刀具的質(zhì)量是影響產(chǎn)品質(zhì)量(面形精度和表面質(zhì)量)和加工效率的重要因素。例如，通過對工件表面粗糙度指標(biāo)分析可以發(fā)現(xiàn)，由于金剛石刀具的切削刃是由前后刀面相交而成的，故切削刃的粗糙度會(huì)受到前、后刀面粗糙度的影響，當(dāng)機(jī)床在理想狀態(tài)下工作時(shí)，刃口的形狀會(huì)直接復(fù)印到工件表面上，切削刃的粗糙度將會(huì)對工件表面的粗糙度產(chǎn)生重要影響。因此，金剛石刀具前、后刀面粗糙度的高精度測量具有重要的意義。

目前，金剛石刀具前、后刀面粗糙度可以達(dá)到納米級(jí)。微納米級(jí)表面粗糙度的測量主要有觸針法、光學(xué)探針法、干涉法、原子力法等。本文采用掃描白光干涉法，實(shí)現(xiàn)了對金剛石刀具前、后刀面表面粗糙度納米、亞納米級(jí)精度的測量。

1 垂直掃描白光干涉測量原理

垂直掃描白光干涉原理如圖1 所示。光源發(fā)出的光束經(jīng)過干涉顯微物鏡系統(tǒng)的分光鏡分成兩束，一束有參考鏡反射回來，另一束由試樣表面反射，經(jīng)過顯微放大后在像平面形成干涉圖像，干涉圖像由CCD 接收。當(dāng)通過PZT 驅(qū)動(dòng)顯微物鏡垂直方向掃描時(shí)，兩束光的光程差發(fā)生改變，干涉圖像也隨之改變，測量區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)變化值將被CCD 記錄。

掃描白光干涉法利用白光作為光源，利用白光干涉條紋的特殊性質(zhì)來進(jìn)行表面微觀形貌的測量。白光光源即有一定光譜寬度的光源，這類光源的相干長度很短，為幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米左右，因此當(dāng)各個(gè)波長的光非相干性疊加，兩支光束的光程差很小才能發(fā)生干涉，在光程差為零的位置光強(qiáng)值最大，此處出現(xiàn)零級(jí)條紋。由于1 組白光干涉條紋中對比度的不同，它可實(shí)現(xiàn)絕對位置測量，并且零級(jí)干涉條紋的位置和波長大小無關(guān)。在微表面形貌的測量中，白光干涉條紋是由各色光譜成分的光波干涉圖像疊加形成的。被測表面深度不同，干涉條紋的對比度不同，兩束光干涉光強(qiáng)不同，組成干涉條紋的光譜成分不同?？梢?，在白光干涉微表面形貌測量中，被測表面的深度信息被編碼到干涉條紋圖像的強(qiáng)度、光譜成分及對比度等信息中，利用這些信息達(dá)到深度測量范圍的擴(kuò)展。圖2 給出了垂直掃描過程中某一像素點(diǎn)的光強(qiáng)隨光程差的變化曲線，其中，干涉信號(hào)強(qiáng)度最大位置即零光程差位置。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

采用垂直掃描白光干涉法的儀器較多，這里選擇Taylor-Hobson 公司的非接觸光學(xué)輪廓儀Talysurf CCI Lite 測量金剛石刀具前、后刀面粗糙度。Talysurf CCI Lite 利用相干相關(guān)干涉算法和高分辨的數(shù)字?jǐn)z像列陣，通過在Z 方向?qū)l紋的掃描，產(chǎn)生1 個(gè)表面結(jié)構(gòu)的三維表示，對得到的信息進(jìn)行處理，可將條紋數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為量化的三維圖像。

2.1 金剛石刀具前刀面粗糙度測量

刀具前刀面為超光滑平面，因此光學(xué)輪廓儀選擇“20 ×”物鏡，“Smooth or Stepped”表面類型，在全分辨率模式下測量金剛石刀具前刀面粗糙度。圖3 給出了金剛石刀具前刀面二維及三維測量圖像，并給出了刀具前刀面高度參數(shù)的三維測量結(jié)果。其中，Sq是輪廓均方根偏差，Sa是輪廓算術(shù)平均偏差。

對刀具前刀面二維圖像進(jìn)行分析，得到前刀面的二維粗糙度結(jié)果。圖4 給出了刀具前刀面的二維粗糙度測量曲線，及相應(yīng)的振幅參數(shù)測量結(jié)果。

表1 刀具前刀面粗糙度10 次重復(fù)測量結(jié)果

在相同條件下，進(jìn)行10 次重復(fù)測量實(shí)驗(yàn)，測量結(jié)果見表1。10 次測量平均值為:

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為:

圖5 是利用原子力顯微鏡(AFM)測量金剛石刀具前刀面獲得的測量圖像及結(jié)果，其中imageRq、imageRa分別對應(yīng)光學(xué)輪廓儀中的三維粗糙度參數(shù)Sq及Sa。根據(jù)AFM 獲取的前刀面三維測量圖像，利用原子力顯微鏡分析軟件，可以得到Rq=0.86 nm。通過比較，當(dāng)在納米亞納米級(jí)高精度測量時(shí)，光學(xué)輪廓儀與AFM 對金剛石刀具前刀面粗糙度測量的結(jié)果基本一致，具有很好的相關(guān)性。

2.2 金剛石刀具后刀面粗糙度測量

由于金剛石刀具后刀面一般為圓柱面或者圓錐面，光學(xué)輪廓儀在設(shè)置參數(shù)“表面類型”時(shí)，與測量刀具前刀面有所不同。光學(xué)輪廓儀選擇“20 ×”物鏡，“Sloped or Curved”表面類型，在全分辨率模式下測量金剛石刀具后刀面粗糙度。圖6 給出了金剛石后刀面三維圖像，圖7 給出了形狀刪除的后刀面圖像。

對形狀刪除之后的刀具后刀面進(jìn)行分析，得到后刀面二維粗糙度結(jié)果。圖8 給出了刀具后刀面二維粗糙度測量曲線，及相應(yīng)的振幅參數(shù)測量結(jié)果。

表2 刀具后刀面粗糙度10 次重復(fù)測量結(jié)果

在相同條件下，進(jìn)行了10 次重復(fù)測量實(shí)驗(yàn)，測量結(jié)果見表2。10 次測量平均值為:

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為:

3 結(jié)語

垂直掃描白光干涉測量法已成為表面粗糙度、臺(tái)階高度、局部區(qū)域平面度和一些尺寸測量的有效工具。將垂直掃描白光干涉法應(yīng)用于金剛石刀具表面粗糙度測量，可以實(shí)現(xiàn)被測零件快速、高重復(fù)性和高精度的測量。利用非接觸光學(xué)輪廓儀，實(shí)現(xiàn)了金剛石刀具前、后刀面納米、亞納米級(jí)表面粗糙度高精度測量。在高精度測量時(shí)，光學(xué)輪廓儀與AFM 對超光滑表面粗糙度測量的結(jié)果具有很好的相關(guān)性。

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