CN110442987B - 一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法 - Google Patents

Abstract

一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法，属于高精度纳米压痕压头制造技术领域。根据典型晶面微观抗剪切强度确定其易磨度因子，通过加权叠加计算得到一般晶面晶向的易磨度因子；基于坐标变换方法计算某一般晶面晶向的易磨度因子；对锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子进行计算；对特定半锥角、以不同晶向为轴线的单晶金刚石圆锥压头，计算沿不同研磨方向的锥面的易磨度因子标准差以选择轴线方向；对特定轴线为方向、特定半锥角单晶金刚石圆锥压头，计算锥面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差以选择压头的研磨角度。通过优选能够明显减弱单晶金刚石晶体各向异性特征对压头研磨精度的不利影响。

Description

一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法

技术领域

本发明属于高精度纳米压痕压头制造技术领域，尤其是一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法。

背景技术

随着人类社会科技水平的不断进步，微机电系统制造技术、生物工程和薄膜技术等发展迅速，对材料力学特性检测技术提出了新的要求。材料微纳尺度力学性能检测技术在这些新技术领域中扮演着至关重要的角色，纳米压痕技术是一种对材料微观力学性能进行检测的重要技术，其主要检测原理是将球形或锥形压头压入被测材料表面，在加载及卸载的过程中连续记录压入载荷和压入深度，通过分析载荷—位移曲线来表征材料的微观力学性能。纳米压痕技术可以对材料在微纳尺度下的显微硬度、弹性模量、断裂韧性、粘弹性与蠕变行为、残余应力和材料疲劳特性等多种力学性能进行综合检测。纳米压痕技术涉及的压入载荷和压入深度都非常小，通常压入载荷在毫牛量级，载荷测量分辨率在纳牛量级，压入深度在几百纳米量级，位移测量分辨率小于1nm。为了在如此小的检测尺度下实现材料表面力学性能的精确检测，必须使用高精度的压头。

单晶金刚石圆锥压头在纳米压痕检测中具有其独有的特点，圆锥压头可以避免像玻氏压头和维氏压头这类棱锥压头在压入试件表面时锋利棱边压入表面引起的复杂情况，比如锋利棱边压入脆性材料引起的表面裂纹现象以及锋利棱边压入材料时沿压痕周边的大应力梯度现象，利用圆锥压头进行纳米压痕实验，可以降低纳米压痕检测结果的分析难度。另外，与棱锥压头相比，圆锥压头具有完全对称的几何特点，面积函数简单，使用更为方便，在大多数尖压头压痕过程的有限元分析中，都采用圆锥形的几何模型。

天然金刚石是自然界中最坚硬的物质，其具有极其强烈的各向异性，是一种难加工材料。对金刚石棱锥压头的加工，只需针对特定的几个平面寻找其易磨方向，但是对金刚石圆锥压头的加工，由于金刚石单晶强烈的各向异性，在360°的回转空间上沿不同晶面不同晶向，其机械研磨效率差异很大，因此需要针对构成金刚石圆锥面的连续曲面寻找最优研磨角度。目前，金刚石圆锥压头加工的主要难点是圆锥面各向异性的表面粗糙度，以及由于研磨效率各向异性导致的压头面型误差。

金刚石圆锥压头的加工难度很大，但目前对高精度金刚石圆锥压头的轴向方向以及机械研磨角度选择方法鲜有报道，这无疑限制了圆锥压头在纳米压痕检测中的应用。此外，国内金刚石压头加工制造水平较低，高精度金刚石圆锥压头严重依赖进口。因此，研究金刚石圆锥压头的设计方法具有重要的意义，不仅可以提高我国金刚石圆锥压头加工技术水平，更可以对促进纳米压痕技术的发展起到积极作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法，通过对压头的轴线方向和研磨角度进行优选，能够在研磨加工时明显减弱单晶金刚石晶体各向异性特征对压头研磨精度的不利影响。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法，包括如下步骤：

步骤一：根据单晶金刚石晶体典型晶面微观抗剪切强度确定其易磨度因子，通过加权叠加计算得到单晶金刚石晶体一般晶面晶向的易磨度因子；

步骤二：基于坐标变换方法计算单晶金刚石晶体某一般晶面晶向的易磨度因子；

步骤三：对单晶金刚石圆锥压头的锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子进行计算；

步骤四：对特定半锥角、以不同晶向为轴线的单晶金刚石圆锥压头，分别计算其沿不同研磨方向的锥面的易磨度因子标准差，根据计算结果进行比较分析以选择压头的轴线方向；

步骤五：对特定轴线为方向、特定半锥角单晶金刚石圆锥压头，计算其锥面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差，根据计算结果进行比较分析以选择压头的研磨角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于单晶金刚石晶体一般晶面晶向的易磨度因子评价方法，建立了单晶金刚石圆锥压头锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子计算方法，实现了压头的轴线方向及研磨角度的优选，为高精度单晶金刚石圆锥压头的加工制造提供了科学依据；

2.本发明所提出的单晶金刚石圆锥压头的研磨角度的选择方法可以对任意压头轴线方向、任意半锥角的圆锥压头进行研磨角度优选，适用范围可以覆盖所有情况的单晶金刚石圆锥压头；

3.根据本发明的方法选择单晶金刚石圆锥压头的轴线方向及研磨角度后进行压头研磨加工，可以明显减弱金刚石晶体各向异性特征对压头研磨精度的不利影响。

附图说明

图1是本发明的根据单晶金刚石晶体晶面的投影球面设计建模区域的示意图；

图2是本发明的基于坐标变换方法，计算单晶金刚石晶体某一般晶面晶向的易磨度因子的流程图；

图3是本发明的对单晶金刚石圆锥压头机械研磨角度定义示意图；

图4是本发明的计算以<001>晶向为轴线的单晶金刚石圆锥压头锥面一圈晶面对应的向量以及研磨方向向量的原理图；

图5是本发明的任意轴线方向、任意半锥角单晶金刚石圆锥压头锥面一圈晶面向量以及研磨方向向量的示意图；

图6是本发明的<100>晶向为轴线、60°半锥角单晶金刚石圆锥压头的锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子计算结果表示图；

图7是本发明的60°半锥角、以不同晶向为轴线的单晶金刚石圆锥压头沿不同研磨方向的锥面的易磨度因子标准差计算结果曲线图；

图8是本发明的<100>晶向为轴线、60°半锥角单晶金刚石圆锥压头锥面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差计算结果曲线图；

图9是<100>晶向为轴线、60°半锥角单晶金刚石圆锥压头沿0°研磨角进行加工得到的压头尖端形貌图；

图10是<100>晶向为轴线、60°半锥角单晶金刚石圆锥压头沿120°研磨角进行加工得到的压头尖端形貌图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：如图1～图10所示，本发明公开了一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法，包括如下步骤：

步骤一：根据单晶金刚石晶体典型晶面微观抗剪切强度确定其易磨度因子，如图1所示，根据单晶金刚石晶体晶面的投影球面设计建模区域，并在建模区域的1/48区域内，通过对(100)、(110)和(111)三个典型晶面的易磨度因子进行加权叠加，计算得到单晶金刚石晶体一般晶面晶向的易磨度因子，其中，单晶金刚石晶体典型晶面微观抗剪切强度计算方法和由典型晶面晶向加权叠加评价一般晶面晶向物理特征值的计算方法为现有技术；

步骤二：基于坐标变换方法，根据图2所示流程，首先将单晶金刚石晶体某一般晶面晶向等效至步骤一所述建模区域的1/48区域内，然后根据晶面向量以及晶向角计算该一般晶面晶向的易磨度因子；

步骤三：根据图3所示对单晶金刚石圆锥压头定义的机械研磨角度，计算对单晶金刚石不同晶面不同研磨角度对应的晶向角，具体如下：

如图4所示，首先对<001>晶向为轴线的单晶金刚石圆锥压头，计算锥面一圈晶面向量以及不同研磨角度对应的研磨方向向量，然后利用坐标变换方法，根据<001>晶向为轴线的锥面一圈晶面向量以及不同研磨角度对应的研磨方向向量计算任意轴线方向、任意半锥角单晶金刚石圆锥压头锥面一圈晶面向量以及不同研磨角度对应的研磨方向向量，如图5所示，根据计算结果，利用步骤二计算一般晶面晶向易磨度因子的方法，计算锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子；

以<100>晶向为轴线、60°半锥角单晶金刚石圆锥压头为例，其锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子计算结果如图6所示；

步骤四：对特定半锥角、以不同晶向为轴线的单晶金刚石圆锥压头，分别计算其沿不同研磨方向的锥面的易磨度因子标准差，根据计算结果进行比较分析以选择压头的轴线方向；

以60°半锥角单晶金刚石圆锥压头为例，对能代表所有轴线方向的所有特征轴线方向分别计算沿不同研磨方向的锥面的易磨度因子标准差，其计算结果如图7所示，根据计算结果进行比较分析选择确定压头的轴线方向；

步骤五：对特定轴线为方向、特定半锥角单晶金刚石圆锥压头，计算其锥面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差，根据计算结果进行比较分析以选择压头的研磨角度；

以<100>晶向为轴线、60°半锥角单晶金刚石圆锥压头为例，其锥面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差如图8所示，根据计算结果进行比较分析选择确定压头的研磨角度。

根据上述方法对单晶金刚石圆锥压头的轴线方向及研磨角度进行选择所加工的单晶金刚石圆锥压头，可以显著减弱单晶金刚石晶体各向异性特征对研磨精度的不利影响，以<100>晶向为轴线、60°半锥角单晶金刚石圆锥压头为例，单晶金刚石圆锥压头未通过上述方法选择轴线方向及研磨角度，以沿0°研磨角进行加工为例，参照图9所示，其尖端棱状明显，通过上述方法选择轴线方向及研磨角度，选择沿120°研磨角进行加工，参照图10所示，其尖端棱状显著减弱。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤一中设单晶金刚石晶体典型晶面晶向的抗剪切强度为τ，则其易磨度因子计算式为：

对单晶金刚石晶体典型晶面晶向，其易磨度因子越大则越易磨，反之则越难磨。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤二中单晶金刚石晶体某一般晶面晶向可用六维向量来表示为：

(x_po,y_po,z_po,x_d,y_d,z_d)

根据图2所示流程，将单晶金刚石晶体某一般晶面晶向等效至步骤一所述建模区域的1/48区域内，得到等效六维向量为：

(x'_po,y'_po,z'_po,x'_d,y'_d,z'_d)

对晶面点(x'_po,y'_po,z'_po)，其对应晶面向量为：

该晶面点的初始晶向表示为：

(x_s,y_s,z_s)

则对于晶向(x'_d,y'_d,z'_d)，其对应晶向角为：

根据晶面向量以及晶向角计算结果可以计算得到该一般晶面晶向的易磨度因子。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤三中计算任意轴线方向、任意半锥角单晶金刚石圆锥压头锥面一圈晶面向量以及不同研磨角度对应的研磨方向向量的具体过程如下：

如图4所示，以<001>晶向为轴线的单晶金刚石圆锥压头的锥面一圈晶面对应的向量P'可表示为：

(sinαcosθ,sinαsinθ,cosα)

式中θ——锥面一圈晶面对应的晶面角；

α——单晶金刚石圆锥压头半锥角的余角；

利用下列公式计算对晶面角θ，研磨方向角δ对应的研磨方向向量D'：

如图5所示，设轴线方向向量为A：

(1,m_A,n_A)(0≤m_A≤1,0≤n_A≤m)

将以<001>晶向为轴线的单晶金刚石圆锥压头的锥面一圈晶面对应的向量P'以及研磨方向角δ对应的研磨方向向量D'分别先绕y轴逆时针转动γ_y，再绕x轴顺时针转动γ_x，得到轴线方向向量A对应的单晶金刚石圆锥压头锥面一圈晶面对应的向量P以及研磨方向角δ对应的研磨方向向量D，γ_x和γ_y的计算式分别为：

分别对所有晶面向量P以及研磨方向向量D计算其易磨度因子，可以计算锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤四中计算特定半锥角单晶金刚石圆锥压头沿不同研磨方向的锥面的易磨度因子标准差，选择确定压头的轴线方向的具体方法如下：

以60°半锥角单晶金刚石圆锥压头为例，对能代表所有轴线方向的所有特征轴线方向分别计算沿不同研磨方向的锥面的易磨度因子标准差，根据图7所示的易磨度因子标准差，对该半锥角单晶金刚石圆锥压头，锥面的易磨度因子标准差整体较小的轴线方向为<100>和<111>方向，因此选择确定这两个方向为压头的轴线方向。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤五中计算特定轴线方向、特定半锥角单晶金刚石圆锥压头其锥面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差，选择确定压头的研磨角度的具体方法如下：

以<100>晶向为轴线、60°半锥角单晶金刚石圆锥压头为例，根据图8所示的其锥面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差，对该单晶金刚石圆锥压头，锥面的易磨度因子标准差最小的研磨角度为60°、120°、240°和300°，这四个角度都可以选择确定为压头的研磨角度进行机械研磨加工。

本发明的主要方法是定义单晶金刚石晶体晶面沿不同方向的抗剪切强度倒数为易磨度因子，建立计算单晶金刚石圆锥压头锥面一圈晶面沿不同研磨方向的易磨度因子的理论模型，计算对特定半锥角、不同晶向为压头轴线时单晶金刚石圆锥压头锥面一圈晶面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差，从而选择压头最佳的轴线方向，计算对特定半锥角、特定轴线方向圆锥压头锥面一圈晶面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差，从而确定压头最佳的研磨角度，可以为单晶金刚石圆锥压头的轴线方向以及研磨角度选择方法提供理论依据，对推动高精度单晶金刚石圆锥压头加工制造技术的发展，促进纳米压痕技术的发展起到积极作用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法，其特征在于：所述选择方法包括如下步骤：

步骤一：根据单晶金刚石晶体典型晶面微观抗剪切强度确定其易磨度因子，根据单晶金刚石晶体晶面的投影球面设计建模区域，并在建模区域的1/48区域内进行加权叠加，计算得到单晶金刚石晶体一般晶面晶向的易磨度因子，设单晶金刚石晶体典型晶面晶向的抗剪切强度为τ，则其易磨度因子计算式为：

对单晶金刚石晶体典型晶面晶向，其易磨度因子越大则越易磨，反之则越难磨；

步骤二：基于坐标变换方法计算单晶金刚石晶体某一般晶面晶向的易磨度因子，单晶金刚石晶体某一般晶面晶向可用六维向量来表示为：

(x_po,y_po,z_po,x_d,y_d,z_d)

将单晶金刚石晶体某一般晶面晶向等效至步骤一所述建模区域的1/48区域内，得到等效六维向量为：

(x'_po,y'_po,z'_po,x'_d,y'_d,z'_d)

对晶面点(x'_po,y'_po,z'_po)，其对应晶面向量为：

该晶面点的初始晶向表示为：

(x_s,y_s,z_s)

则对于晶向(x'_d,y'_d,z'_d)，其对应晶向角为：

根据晶面向量以及晶向角计算结果可以计算得到该一般晶面晶向的易磨度因子；

步骤三：对单晶金刚石圆锥压头的锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子进行计算，首先计算锥面一圈晶面向量以及不同研磨角度对应的研磨方向向量，然后利用坐标变换方法，根据锥面一圈晶面向量以及不同研磨角度对应的研磨方向向量计算任意轴线方向、任意半锥角单晶金刚石圆锥压头锥面一圈晶面向量以及不同研磨角度对应的研磨方向向量，利用步骤二计算一般晶面晶向易磨度因子的方法，计算锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子；

步骤四：对特定半锥角、以不同晶向为轴线的单晶金刚石圆锥压头，分别计算其沿不同研磨方向的锥面的易磨度因子标准差，根据计算结果进行比较分析以选择压头的轴线方向；

步骤五：对特定轴线为方向、特定半锥角单晶金刚石圆锥压头，计算其锥面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差，根据计算结果进行比较分析以选择压头的研磨角度。

2.根据权利要求1所述的一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法，其特征在于：所述步骤四中选择易磨度因子标准差最小值对应的轴线方向作为压头的轴线方向。

3.根据权利要求1所述的一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法，其特征在于：所述步骤五中选择易磨度因子标准差最小值对应的研磨角度作为压头的研磨角度。

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