應(yīng)用天然金剛石刀具對非鐵族金屬及非金屬材料進(jìn)行超精密切削加工是一種重要的超精密加工方法。因此，控制金剛石刀具的幾何形狀，尤其是刀具刃口半徑參數(shù)對超精加工表面質(zhì)量的影響就顯得尤為重要。

       目前國際上測量亞微米級刃口半徑的通用方法是掃描電子顯微鏡（SEM）測量法。近年來，隨著加工精度的不斷提高，加工超精表面所用的刀具刃口半徑往往小于0．1μm，一般約為幾十納米。用SEM觀測ρ＜100nm的刃口半徑時，由于分辨力不夠，圖像邊緣比較模糊，難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量；而且由于刃口表面鍍了一層厚度不確定的導(dǎo)電金屬膜，使觀測結(jié)果存在較大誤差；此外，SEM法不適用于實(shí)時測量。

       為了準(zhǔn)確測量納米級的刃口半徑，八十年代末期，國外學(xué)者對超微刃口測量技術(shù)進(jìn)行了大量研究，先后提出了一些新的測量方法，如印膜法、切屑法、改進(jìn)的SEM法等。但這些方法均為間接測量，測量精度很難達(dá)到納米級。隨著原子力顯微鏡（AFM）在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，九十年代，一些學(xué)者提出了應(yīng)用原子力顯微原理測量金剛石刀具刃口半徑的方法［5，6］，測量方法是將金剛石刀具垂直安放在AFM探針下的二維工作臺上，使刀刃位于探針的正下方，探針垂直于刃口進(jìn)行掃描，即可得到刃口的AFM掃描圖像。但文獻(xiàn)［5］、[6] 中均未給出刃口半徑的準(zhǔn)確測量值，也未對測量誤差進(jìn)行分析。為此，我們應(yīng)用國產(chǎn)AFM進(jìn)行了這一測量的試驗(yàn)研究，得到了刃口掃描圖象和一組刃口截面坐標(biāo)值。

一、測量原理

1．AFM工作原理

       AFM利用一個一端固定，另一端裝有探針的彈性微懸臂來檢測樣品表面性質(zhì)及特征［7］。當(dāng)非常尖銳的探針與被測樣品表面距離很接近時進(jìn)行掃描，此時，與相互距離有關(guān)的針尖與樣品表面間的相互作用力將使微懸臂產(chǎn)生彎曲變形，用一束激光照射微懸臂背面（如圖1所示），通過位置檢測器檢測激光反射點(diǎn)位置的變化，即可得到探針掃描時樣品表面的特征變化。掃描模式一般有三種，即接觸式、非接觸式和輕敲式，我們使用的AFM工作在接觸模式下，即針尖與樣品接觸掃描，二者原子的電子云重疊并產(chǎn)生10－8～10－11的庫侖排斥力.



2．用AFM測量刀具刃口

       測量裝置主體為CSPM－930型原子力顯微鏡，參見圖2。金剛石刀具刀頭顆粒5粘貼在位于掃描陶管3上方的樣品臺4上，刀具預(yù)先用酒精清洗并用清潔的空氣吹干，被測刀具刀刃垂直向上正對探針6。測量前，控制系統(tǒng)操縱步距角為0．3°的精密電機(jī)實(shí)現(xiàn)探針的微進(jìn)給，當(dāng)探針逼近被測刀具時，聚焦在微懸臂上的激光束反射到光位置檢測器10上，微懸臂變形量將由檢測器四個象限中的強(qiáng)度差值得到，當(dāng)強(qiáng)度差值發(fā)生變化時，說明已完成探針的逼近，步進(jìn)電機(jī)自動停止。刀具刀刃的對準(zhǔn)及探針的逼近均可通過顯微攝像系統(tǒng)11在監(jiān)視器上觀察。



1．基座　2．微進(jìn)給裝置　3．掃描陶管　4．樣品臺
5．被測刀具　6．探針及微懸臂　7．激光器　8．前反射鏡
9．后反射鏡　10．位置檢測器　11．顯微攝像系統(tǒng)
12．控制系統(tǒng)　13．主控計(jì)算機(jī)

圖2　AFM測量金剛石刀具刃口基本原理

       測量時，掃描陶管3采用樣品掃描方式進(jìn)行掃描，反饋系統(tǒng)根據(jù)檢測器電壓的變化，通過向掃描陶管3加給Z方向電壓來不斷調(diào)整被測刀具的Z向位置，以保持針尖與刀具的作用力恒定，記錄下的Z向電壓以及對應(yīng)加給陶管3的X向及Y向電壓（分別體現(xiàn)X向和Y向的掃描位置）通過圖象處理程序的處理，即可得到被測樣品——刀具刃口的空間三維形貌。

二、測量數(shù)據(jù)及分析

1．測量數(shù)據(jù)

       選取儀器參數(shù)：ScanGain＝30，VGain＝1，IGain＝5。
       掃描得到的圖象經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，變?yōu)閃INDOWS下的BMP圖形文件，如圖3所示。



       此掃描圖象經(jīng)圖形處理程序處理，得到如下圖形參數(shù)：Zmin＝－810，Zmax＝919，times＝13．00。某一截面各點(diǎn)的Z值經(jīng)圖形處理程序處理后得到的直方圖如圖4所示。



2．測量數(shù)據(jù)分析

       選取刃口半徑ρ作為評定刃口鋒利度的參數(shù)。根據(jù)刀具刃口幾何角度（前角0°，后角7°），在直方圖基礎(chǔ)上建立XZ直角坐標(biāo)系。刃口截面形狀是由曲線圓弧和兩個直線段連接而成，對圓弧段的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘處理，可得到圓心坐標(biāo)和半徑R值。采用將圓方程轉(zhuǎn)換為二元線性方程的方法（即曲線改直法）［8］，經(jīng)計(jì)算得ρ＝120nm，其計(jì)算誤差e＝11nm。

3．誤差分析

（1）因光路誤差和位置檢測器誤差引起的圖象誤差很小，一般約為1nm；
（2）XOZ平面與Y向的不垂直度誤差最大為5nm；
（3）計(jì)算誤差為12nm；
（4）探針半徑造成的圖象畸變誤差約為2nm；

       測量總誤差為以上四項(xiàng)誤差的平方和根，約為13nm。

三、結(jié)　論

       與傳統(tǒng)的SEM測量法相比，AFM測量法操作簡便，數(shù)據(jù)可靠，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量，是一種較理想的的刃口鋒銳輪廓測量法。此方法還需做如下改進(jìn)：

（1）由于刃口對準(zhǔn)比較困難，需增加一套長物距的放大系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)探針的瞄準(zhǔn)；

（2）由于儀器本身限定為樣品掃描方式，還無法實(shí)現(xiàn)大尺寸樣品的測量，若將儀器改裝為探針掃描方式，則可實(shí)現(xiàn)其它類型刀具的大尺寸樣品掃描；

（3）刃口評定理論還需進(jìn)一步完善。