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用金刚石刃片在机器上测量微刀具磨损和切削刃切屑

摘要

本文介绍了安装在三轴金刚石车床上的力传感器集成快速刀具伺服（FS-FTS）中使用的金刚石刀具的微型和微切削边缘切削的精确机上测量。具有纳米锐度的菱形边缘伪影安装在机床主轴上，其旋转轴沿Z轴作为参考边缘伪影。金刚石工具放置在FS-FTS的工具架中，以沿Z轴产生切割运动。通过移动安装FS-FTS的X-slide，可以通过金刚石工具扫描参考边缘。在扫描期间，工具的Z方向位置由FS-FTS闭环控制，刀尖与参考边缘之间的接触力基于FS-FTS的力传感器输出保持恒定。刀尖轮廓可以从刀尖的扫描轨迹获得，其X和Z方向坐标分别由X-slide的线性编码器的输出和FS-FTS中的位移传感器的输出提供。由于参考边缘伪影具有良好的硬度和纳米级锐度以确保测量的横向分辨率，因此金刚石工具的切削刃上的微钻从测量的工具边缘轮廓中固定。进行了刀具刃口轮廓和微型刀具磨损的在线测量实验，以证明所提出的系统的可行性。

关键词： 机上测量；切削刃轮廓；金刚石工具；磨损；快速刀具伺服；力传感器；切削力

1.引言

具有几何切割边缘的单点金刚石工具广泛应用于快速工具伺服（FTS）中，用于制造超精密表面，如衍射光学、微透镜阵列和自由曲面光学^[1–3]。刀具刃口对于确保加工表面质量至关重要^[4,5]。在超精密切削过程中，由于切削刃上的摩擦和热负荷，刀具磨损和切削刃切削严重影响加工工件的形状精度和表面光洁度^[6]。因此，定量测量金刚石刀具的磨损和切边不仅是了解磨损或切边机理与材料和切削参数的函数关系，而且是补偿刀具刃口形状误差以保持加工表面精度的重要问题。此外，还需要在不从制造仪器中移除金刚石刀具的情况下进行机上测量，以便测量结果很容易反馈到制造过程中。

超精密切削中刀具磨损和切削刃切削的尺寸通常为1微米甚至亚微米的小范围，而切削刃的尖端半径则高达密耳-里米。监测刀具磨损和切削刃切削的测量技术传统上分为直接和间接方法^[7]。直接方法是通过使用纳米分辨率的表面形状测量仪器扫描刀具边缘来实现的，其中刀具磨损或切削刃切屑是直接从测量的切削刃轮廓检测出来的。扫描电子显微镜（SEMS）以纳米分辨率提供了广阔的视野和大的聚焦深度^[8,9]。然而，扫描电镜图像本质上是三维（3D）物体的二维（2D）投影，定量信息不能直接从图像中提取出来^[10]。SEMS所需的真空环境也使其不适用于机器测量。原子力显微镜（AFMS）是用于亚纳米分辨率的三维profile测量的强大工具^[11]。然而，精确地将AFM悬臂探头与直径-蒙德切削刃对齐非常困难和耗时^[12,13]。光学方法，如CCD视觉和白光干涉仪，也用于工具磨损测量^[14–16]。虽然可以通过光学方法实现快速和无损评估，但由于衍射，横向分辨率限制在亚微米级，不足以定量测量刀具磨损。另一方面，通过对切削力^[17]、声发射（ae）^[18]、表面光洁度^[19]、切削屑^[20]等可测量工艺变量的过程中检测，对刀具磨损和切削刃切削进行间接监测。通过对加工过程中测量信号的分析，对刀具磨损进行了估算。虽然间接法在机床状态监测中得到了广泛的应用，但它只能用于刀具状态监测和刀具磨损的发生，因此，用间接法对刀具磨损进行定量表征是很困难的。

针对上述背景，作者提出了一种在力传感器集成的FTS上测量微金刚石刀具切削刃轮廓的自评估方法，称为FS-FTS，不使用任何额外的表面形状测量仪器^[21]。基于FS-FTS的力反馈控制，将安装在FS-FTS刀架上的金刚石切割工具作为力控制触针，扫描铝工件上的锐线结构，作为测量的主工件。扫描过程中，通过控制刀具位移，使刀刃与线结构的接触力保持恒定。切削刃轮廓由刀具的轨迹得到，是切削刃轮廓与线结构顶点形状的几何卷积。该方法可以实现对切削刃轮廓的在线测量。然而，由于铝线结构的锐度不够高，以及扫描过程中接触力对线结构造成的损坏，横向分辨率不足以使微刀具磨损特性化。

本研究的目的是证明具有亚微米分辨率和100微米测量范围的刀具磨损和切削刃切削的机器特征，这对于测量切削刃磨损非常有效。采用纳米锐度的金刚石参考边缘伪影代替铝线结构作为测量伪影，不仅提高了测量分辨率，而且避免了伪影表面的损伤，从而可以应用自评估方法测量金刚石工具的微磨损和切削刃切削。介绍了金刚石刀具的测量原理和系统设置，并进行了金刚石刀具刃口轮廓和磨损的定量表征实验。然后，将测量的工具边缘轮廓与商业触笔程序获得的轮廓进行比较，以证明所提出方法的可靠性。

2.测量原理及系统设置

图1（a）所示为三轴金刚石车刀上测量系统的示意图，用于定量表征金刚石刀具的切削刃轮廓和圆头磨损。在金刚石车床的主轴室上安装了一个具有纳米锐度的参考刃，作为测量切削刃轮廓和磨损的伪影。主轴室可以通过Z滑块沿Z方向移动。安装在金刚石研磨机X滑块上的FS-FTS可以通过X滑块沿X方向移动。一个可能有微磨损的金刚石工具被安装在FS-FTS的刀架上。

图1（b）显示了基于图1（a）所示系统的测量原理示意图。FS-FTS由产生Z向刀具位移的压电（PZT）执行器、测量刀具边缘和参考边缘之间接触力的高度敏感力传感器、测量Z向刀具运动的位移传感器组成。当需要测量刀具磨损时，基于施加在FS-FTS上的接触力反馈控制回路，将FS-FTS上的金刚石刀具沿X方向扫描参考边缘。扫描过程中，通过控制Z向刀具位移，使刀具刃口与参考刃口之间的接触力保持恒定，从而可以通过参考刃口跟踪刀具刃口轮廓。跟踪程序的X向位移，即切削刃轮廓和参考边缘之间的几何卷积，由机器X滑块中的X线编码器测量，而跟踪程序的Z向位移则由FS-FTS中的位移传感器测量。如果参考边缘的顶点与切削刃的尺寸和刀具磨损相比，半径R是可忽略的，则测量的扫描轨迹直接表示切削刃的轮廓，从中也可以表示刀具磨损的形状。

图1 （a）机器测量系统示意图

图1 （b）三轴金刚石车床上用fs-fts测量金刚石工具的切削刃轮廓和刃口磨损的原理

3.实验

基于三轴金刚石车床的实验装置如图2所示。由于金刚石工具的边缘锐度通常在40–100纳米^[22,23]之间，与切削刃轮廓相比非常小，因此使用市售金刚石工具边缘作为工具磨损测量的参考边缘伪影，其中边缘通过超精密磨削方法进行精整^[24]。如图所示，参考边缘安装在主轴室上，作为测量工件。边缘与要评估的工具对齐，使得参考工件的间隙面法向与图2中的X轴平行。手动调节台用于调整参考边的Y方向位置。带有待测金刚石工具的FS-FTS安装在机床的X滑块上。FS-FTS的Z向行程为45微米，分辨率为1纳米。集成在FS-FTS中的力传感器的分辨率为0.06mN。FS-FTS在Z方向的刚度为953.3 N/mu;m。X-滑块的行程和分辨率分别为150 mm和10nm，Z-滑块的行程和分辨率分别为220 mm和10nm。

图2 机上测量系统照片结果进行了描述

参考边缘的锐度是决定测量分辨率的一个重要因素。因此，作为实验的第一步，使用商用AFM（原子力显微镜）仔细地将AFM悬臂探针对准参考边缘，以确认参考边缘的锐度。图3显示了参考边的测量三维轮廓。测量范围设置为850 nm 850 nm，而被测图像的像素数为512 512。通过使用最小二乘法确定测量轮廓的顶点部分，评估参考边缘的尖端半径约为45 nm。由于与金刚石工具的测量边缘轮廓相比，它足够锋利，因此被认为是合适的价值。顶角的名义值为83.00，测量值为85.65。应注意的是，AFM尖端的锐度和锥角会影响测量结果。

图3 使用商业触笔程序对参考边缘的特征

实验研究了力反馈控制器的噪声水平和跟踪精度。钻石工具是用来接触到一个已转动的镜面抛光铝表面。通过控制滑块，镜面以20纳米的步进移动，而金刚石工具跟踪镜面的运动，以保持恒定的力接触，因为力反馈控制器的激活。图4显示了结果。建议测量系统的噪声级和跟踪分辨率均被确定为约20纳米。

图4 力反馈控制器的噪声水平和跟踪分辨率的研究

为了验证该方法的可行性，利用参考刃口对刃口状况良好的微金刚石刀具的圆头进行了精确测量。被测金刚石工具的前端半径为90mu;m，前角为0，间隙角为7。图5（a）和（b）分别显示了用所述方法在机器上测量的金刚石工具和切削刃轮廓的光学显微图像。扫描范围设置为100mu;m，以覆盖被测刀具的圆头范围。扫描速度根据力反馈控制器的响应速度设定。在本研究中，扫描速度设定为20纳米/秒，以确保边缘轮廓能被参考边缘很好地追踪。采样频率为1赫兹，采样间隔为20纳米。为了进行比较，还使用商用触针profiler测量了刃口轮廓，触针顶点半径为2微米。在测量中，金刚石工具与平行于商用触针profiler扫描轴的前刀面垂直对齐。商用工具的触笔与金刚石工具的平面对齐。然后，通过使用分辨率为1微米的手动工作台移动金刚石工具，使切削刃尽可能靠近触针。对准后进行测量，测量结果可靠。测量结果如图5（b）所示。从图中可以看出，用机器上提出的方法测得的结果与用非机器商用触针测量仪测得的结果非常一致。两个测量轮廓之间的差异被评估为0.39mu;m。应注意的是，尽管作者已尽最大努力校准商用探针的探针，并且差异满足本研究中的亚微米目标，探针的相对较大半径和不可避免的探针对准误差在切削刃方面造成了这种差异。一种改进的方法是使用小半径的触针和具有更好运动分辨率的对准机构，这将作为今后的工作进行。

图5 （a）金刚石工具的光学显微图像（b）与非机器商用触针测量仪测量的切削刃轮廓的机上测量结果比较

然后将实验扩展到切削刃切削的定量评估。在FS-FTS的刀架上安装了一个带有微切削刃的金刚石刀具作为测量样本。金刚石刀具的刀尖半径为200微米。图6（a）显示了整个轮廓的机上测量结果，图6（b）显示了图6（a）中刀具刃口磨损部分的闭合图像。扫描范围为180微米，扫描速度为20纳米/秒。测量进行了两次，以显示重复性，测量结果分别由图6中的第1个和第2个表示。从结果可以看出，本文提出的机上测量方法不仅能够测量切削刃的整个轮廓，而且能够表征磨损的切削刃的形状。刀具磨损的特征尺寸约为1微米。

图6 （a）使用切削刃切削的金刚石切削刃的机器轮廓测量结果（b）刀具边缘磨损部分的闭合图像

图7显示了在机器上测量的金刚石刀具的切削刃轮廓，该刀具在整个切削刃上有磨损。实验参数设置为与以前的实验相同。为了进行比较，还使用非机器商业触笔程序对磨损的工具进行了评估。从图中可以看出，切削刃上的大磨损具有机上方法和机外商业触针程序的特点。同时，切削刃亚微米级的小磨损只能用所提出的机上方法识别。由于机器测量的参考边缘的锐度为45纳米，比商用触针探针的探针尖的锐度小得多（大约几微米），因此机器测量方法显示出比商用触针探针的分辨率更高。通过机上方法和非机上商用设备测量的峰谷差（pv）评估为0.44mu;m。造成测量值差异的主要因素包括参考边缘半径和触针半径的差异，以及商用触针相对于切削刃的对准误差。

图7 磨损刀具刃口轮廓的机上测量结果与非机上商用触针测量结果的比较

4.讨论

上述测量结果证明了该方法的可行性。然而，由于所提出的方法是接触式测量，一个令人关注的问题是被测金刚石工具的切削刃可能受到的损坏，这将在本节中讨论。如图8所示，假设参考边缘和被测金刚石工具的尖端半径R相同，并且参考边缘和被测金刚石工具之间施加的接触力为F。如图8左上角所示，金刚石工具和参考边缘之间的接触面积可被识别为两个圆柱，相互交叉的对齐对象。基于赫兹理论^[25]，对于半径为r的两个圆柱形物体，两个物体之间的总弹性变形幅度d包括测量的金刚石工具的弹性变形和沿Z方向的参考边缘，以及 沿X方向的变形区域w的宽度可分别由以下等式表示。

d=)^1/3* ()^2/3*F^2/3()^1/3 （1）

w= （2）

其中E和v分别是金刚石材料的杨氏模量和泊松比。由于被测金刚石工具和参考边缘的尖端半径均假定为r，因此被测金刚石工具和参考边缘的弹性变形均等于d/2。根据公式。（1）和（2），d和w关于从0 mN到0.5 mN的接触力的计算如图9所示。如图所示，当接触力控制在0.1 mN以下时，沿Z方向的弹性变形将仅为数纳米；这是在切削刃和磨损测量的安全范围内。此外，引起测量误差的弹性变形顺序也可以忽略。

图8 测量的金刚石工具与参考边缘之间的接触示意图

图9 金刚石工具接触区弹性变形及接触力引起的参考边的模拟

图10（a）和（b）分别显示了用扫描电镜和光学显微镜测量金刚石工具在机器测量前后的刃口。在切削刃顶部区域进行了三次重复测量。扫描范围和速度分别设置为180mu;m和20 nm/s。接触力设置为0.1 mN。如图所示，在机器测量后，金刚石工具的切削刃上没有发现任何变化。结果表明，接触力小到可以避免扫描过程中对切削刃的损伤。

图10 （a）之前和之后的工具条件的扫描电镜和光学显微图像

（b）机器测量后

5.结论

基于力传感器集成快速刀具伺服系统（FS-FTS），提出了一种以金刚石参考刃为测量工具刃口磨损的机上测量方法。该方法不同于传统的表面形状测量仪器的测量方法，它采用了FS-FTS的测量功能，在不使用任何其他表面形状测量仪器的情况下，实现了刀具磨损和切削刃切削的机上亚微米测量，使机上测量设置简

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