STM用于超精机械加工表面微观形貌检测与分析的研究

　　扫描隧道显微镜(STM)是利用量子理论中的隧道效应原理[1],将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极,在探针上加负偏压(该偏压通常为几十mV到几百mV,使电子具有大于费米级的能量),当样品与针尖的距离非常接近时(常小于1 nm),在外加电场的作用下,电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极,产生隧道效应.此时电子流就形成了隧道电流.隧道电流的大小与隧道间隙呈负指数的关系,隧道电流对隧道间隙变化高灵敏度的特征,即为STM进行微观形貌检测的机理,通过计算机采样隧道电流的变化值绘出三维形貌图.STM基于空气环境中检测,检测方式简单,是非接触式检测,具有高分辨率、三维检测及数字化处理检测数据和图像等特点.而传统的检测表面参数的粗糙度测量仪是基于二维检测,采取划线点测量求平均值的方式;且测针的末端是球半径,对于小于球半径的表面信息没法检测而滤掉大量的微观信息.采用STM则能检测到nm级的大量微观信息,能从微观的角度来提供探讨超精加工表面质量评价的手段[2].

　　STM用于超精表面微观形貌检测研究,可以观察微观形貌的结构和缺陷特征,了解相关的加工机理及缺陷发生的原因,为提高超精加工表面质量及优化加工工艺过程提供参考依据.

　　1　CBN砂轮高速磨削试件表面的检测及测试结果分析

　　1.1　CBN砂轮高速磨削试件的制备、条件

　　试件在MS1320高速外圆磨床上用立方氮化硼(CBN)砂轮精磨得到,工件加工条件为

　　(1)砂轮　采用立方氮化硼(CBN)砂轮;砂轮硬度为140#/170#;结合剂为陶瓷;尺寸规格为40 mm×40 mm×127 mm.

　　(2)机床　MS1320型高速外圆磨床.

　　(3)工件　45#淬火钢(HRC 50～55),工件外径×厚度×内径=120 mm×8 mm×40 mm.

　　(4)磨削液　100%煤油,供液流量为100 L/min.

　　(5)砂轮修整　片状金刚石修整器ds=0.3 m/min,dt=0.005～0.010 mm/单程.

　　(6)砂轮转速(ns): 1 710 r/min,2 370 r/min,3 000 r/min.

　　(7)工件转速(nw) :242 r/min,122 r/min,168 r/min.

　　(8)砂轮进给速度(vf):5μm/s,15μm/s,25μm/s,30μm/s.

　　1. 2　磨削工件表面微观形貌特征的分析及磨削工艺参数对微观形貌的影响

　　由于CBN砂轮具有极高的耐用度和磨削比,硬度大,磨削力小和不产生烧伤,可以有效改善其加工的磨削试件的表面质量和加工精度,使磨削加工表面粗糙度稳定性提高,文献[3]实验表明,在磨削用量的三个参数中,砂轮速度对加工表面粗糙度的影响最大,其次为砂轮进给速度,而工件转速的影响极不显著.为了研究CBN砂轮在超精磨削下的机理,采用STM对磨削试件表面进行微观检测,了解超精磨削试件表面是否具有明显的微观特征.