CN101596641B

CN101596641B - 大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法

Info

Publication number: CN101596641B
Application number: CN2009100724040A
Authority: CN
Inventors: 王波; 金会良; 张彦富; 王景贺
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: CN101596641A

Abstract

大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法，属于大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法。本发明的目的是为了解决目前金刚石刀具采用机械式研磨进行加工之后，刀具研磨表面及刃口存在的微观缺陷无法去除，从而影响到金刚石刀具的切削性能和使用寿命的问题。本方法为向等离子体发生器的阴极和阳极之间通入等离子体气体和反应气体的混合物，并在阴极和阳极上施加射频功率信号，然后在两个电极之间产生等离子体放电，将研磨完成的金刚石刀具置于等离子体放电区域之内加工10-30分钟后取出，即可实现对刀具的修整，电极的内部空腔通入循环冷却水。本发明用作对金刚石刀具表面微观缺陷的去除。

Description

大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法

技术领域

本发明涉及一种大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法。

背景技术

天然单晶金刚石由于具有高硬度、高强度、耐磨损、化学稳定性与导热性好以及可获得十分锋锐的刃口钝圆半径等优良特性，被广泛用于超精密切削用刀具的材料。单晶金刚石刀具的刃口锋锐度、刃口及刀面的表面粗糙度和刃口的几何精度等重要刃磨技术指标都必须符合要求。随着航空、航天及民用等超精加工行业的发展，对产品的加工精度要求越来越高，金刚石刀具的各项技术指标也被相应提高。如高精度的单晶金刚石刀具研磨后的刃口钝圆半径必须在50～100nm之间，刃口及刀面表面粗糙度值Ra要优于10nm，刃口线轮廓度或圆轮廓度则要优于50nm。

目前金刚石刀具的加工基于机械式研磨的方法来实现，由于属于接触式加工，研磨机床的振动、研磨盘的不平衡、金刚石原石的内部缺陷均可能影响到刀具的锋锐度、刃口和前刀面的表面粗糙度，造成刀具研磨表面及刃口的微观缺陷，这最终会影响到金刚石刀具的切削性能和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前金刚石刀具采用机械式研磨进行加工之后，刀具研磨表面及刃口存在的微观缺陷无法去除，从而影响到金刚石刀具的切削性能和使用寿命的问题，而提供一种大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法。

实现本发明方法的装置由射频电源、阻抗匹配器、冷却水泵、等离子体发生器、气体混合室、第一流量控制器、第二流量控制器、等离子体气体瓶、反应气体瓶和输气管组成，等离子体发生器包括互相平行放置的板式阴极和阳极或同轴套装的圆筒式阴极和阳极，阴极的内部空腔通过管线与冷却水泵的第一出口相连接；射频电源的负极、正极经阻抗匹配器阻抗匹配后分别与等离子体发生器的阴极、阳极相连，输气管的出口端位于阴极和阳极之间所形成的区域内，输气管的进口端连通气体混合室，气体混合室分别通过第一流量控制器、第二流量控制器与反应气体瓶、等离子体气体瓶连通；修整的步骤为：

步骤一、打开冷却水泵，使等离子体发生器的阴极的内部空腔通入循环冷却水；

步骤二、预热射频电源、第一流量控制器和第二流量控制器，预热时间为5-10分钟；

步骤三、完成预热后，打开等离子体气体瓶和反应气体瓶，等离子体气体瓶中等离子体气体为He或Ar，反应气体瓶中反应气体为纯度为99％～99.9％的氧气，通过第一流量控制器和第二流量控制器调节等离子体气体与反应气体的流量，等离子体气体的流量为1升/分钟～40升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶1000；

步骤四、当等离子体发生器的阴极和阳极之间所形成的区域内充满等离子体气体与反应气体的混合气体后，启动射频电源，逐步增加射频电源的功率，使功率达到200W～500W，同时控制反射功率为零，在射频电源工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使阴极和阳极之间有一个稳定的等离子体气体放电区域；

步骤五、将金刚石刀具置于等离子体气体放电区域，加工10-30分钟后取出，完成金刚石刀具修整。

本发明的优点是：

本发明在不影响金刚石刀具几何精度的前提下，去除研磨表面及刃口在加工过程中产生的纳米级微观缺陷，使刀具的研磨表面及刃口可以均匀去除数纳米至数十纳米的微观缺陷层，从而有效提高切削表面的质量，并有效提高刀具的耐用度；本发明在等离子体气体的作用下通过氧化反应的方法实现金刚石材料表面微观缺陷的去除，使得原本需要在上千度的温度条件下才得以进行的化学反应在常温下就可以实现，并且化学反应过程稳定可控；本发明在开放的大气条件下实现，避免了采用真空反应容器，使成本降低，并减少工业界真空设备的投资；由于本发明为非接触式化学反应过程，能够实现各向同性的原子级的材料去除，形成超光滑的表面，并且不会在研磨表面及刃口形成新的损伤。

附图说明

图1是实现本发明方法装置的整体结构示意图，图2是沿图1中A-A线的剖视图，图3是实施例二中采用的等离子体发生器的结构示意图，图4是实施例四中采用的等离子体发生器的结构示意图，图5是实施例五中采用的等离子体发生器的结构示意图，图6是沿图5中B-B线的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，实现本发明方法的装置由射频电源1、阻抗匹配器2、冷却水泵3、等离子体发生器4、气体混合室5、第一流量控制器6、第二流量控制器7、等离子体气体瓶8、反应气体瓶9和输气管10组成，等离子体发生器4包括互相平行放置的板式阴极4-2和阳极4-3或同轴套装的圆筒式阴极4-2和阳极4-3，阴极4-2的内部空腔通过管线与冷却水泵3的第一出口相连接；射频电源1的负极、正极经阻抗匹配器2阻抗匹配后分别与等离子体发生器4的阴极4-2、阳极4-3相连，输气管10的出口端位于阴极4-2和阳极4-3之间所形成的区域C内，输气管10的进口端连通气体混合室5，气体混合室5分别通过第一流量控制器6、第二流量控制器7与反应气体瓶9、等离子体气体瓶8连通；修整的步骤为：

步骤一、打开冷却水泵3，使等离子体发生器4的电极的内部空腔通入循环冷却水；

步骤二、预热射频电源1、第一流量控制器6和第二流量控制器7，预热时间为5-10分钟；

步骤三、完成预热后，打开等离子体气体瓶8和反应气体瓶9，等离子体气体瓶8中等离子体气体为He或Ar，反应气体瓶9中反应气体为纯度为99％～99.9％的氧气，通过第一流量控制器6和第二流量控制器7调节等离子体气体与反应气体的流量，等离子体气体的流量为1升/分钟～40升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶1000；

步骤四、当等离子体发生器4的阴极4-2和阳极4-3之间所形成的区域C内充满等离子体气体与反应气体的混合气体后，启动射频电源1，逐步增加射频电源1的功率，使功率达到200W～500W，同时控制反射功率为零，在射频电源1工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使阴极4-2和阳极4-3之间有一个稳定的等离子体气体放电区域D；

步骤五、将金刚石刀具置于等离子体气体放电区域D，加工10-30分钟后取出，完成金刚石刀具修整。

本实施方式中射频电源1的功率和加工时间取决于对金刚石刀具材料去除量的要求，金刚石刀具在等离子体气体放电区域的滞留时间由具体的工艺要求决定。

具体实施方式二：下面结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于等离子体发生器4的阴极4-2的外表面镀有绝缘膜，阳极4-3为金刚石刀具的刀体，射频电源1的阳极经阻抗匹配器2阻抗匹配后与金刚石刀具的刀体相连，阴极4-2采用平板电极，金刚石刀具的刀体与阴极4-2互相平行放置；步骤三中，等离子体气体的流量为5升/分钟～10升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶40。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

本实施方式中将金刚石刀具的刀体作为等离子体发生器4的阳极，如图3所示，通过向电极之间通入等离子体气体和反应气体的混合气体，并在电极上施加射频功率信号，等离子体放电即会在电极之间产生，在放电的同时完成金刚石刀具的修整。本实施方式中输气管10的出口端位于阴极4-2与金刚石刀具的刀体相对放置所形成的区域的中心位置。

具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于等离子体发生器4的组成还包括绝缘介质4-1，阳极4-3和阴极4-2为两个同轴套装的圆筒，内筒作为阳极4-3，外筒作为阴极4-2，阳极4-3和阴极4-2的一端由绝缘介质4-1隔离；阳极4-3的外表面镀有绝缘膜，阳极4-3的内部空腔通过管线与冷却水泵3的第二出口相连接；步骤三中，等离子体气体的流量为20升/分钟～40升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶40。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

本实施方式中通过向同轴电极之间通入等离子体气体和反应气体的混合物，并在同轴电极上施加射频功率信号，等离子体放电即会在同轴电极之间产生。本实施方式中输气管10的出口端位于阴极4-2与阳极4-3之间被绝缘介质4-1封闭的一端，等离子体随等离子体气体的流动被引出同轴电极，从而形成等离子体射流。将研磨完成的单晶金刚石刀具置于等离子体射流之内即可实现刀具的修整。

具体实施方式四：下面结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于等离子体发生器4的阳极4-3和阴极4-2的外表面镀有绝缘膜，阳极4-3的内部空腔通过管线与冷却水泵3的第二出口相连接，阳极4-3和阴极4-2互相平行放置；步骤三中，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶40。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

本实施方式中通过向平行电极之间通入等离子体气体和反应气体的混合物，并在平行电极上施加射频功率信号，等离子体放电即会在平行电极之间产生。将研磨完成的单晶金刚石刀具置于等离子体放电区域D之内即可实现刀具的修整。本实施方式中输气管10的出口端位于阴极4-2与阳极4-3相对放置所形成的区域C的中心位置。

具体实施方式五：下面结合图1、图5和图6说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于等离子体发生器4的组成还包括绝缘介质4-1，阳极4-3和阴极4-2采用两个圆形平板电极互相平行放置并且圆心在同一直线上，两个圆形平板电极之间由绝缘介质4-1封闭形成密闭的空间，等离子体发生器4的阴极4-2圆心处加工有直径为1mm～5mm的圆孔；等离子体发生器4的阳极4-3和阴极4-2的外表面镀有绝缘膜，阳极4-3的内部空腔通过管线与冷却水泵3的第二出口相连接；步骤三中，等离子体气体的流量为1升/分钟～5升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶40。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

本实施方式中通过向平行电极之间通入等离子体气体和反应气体的混合物，并在平行电极上施加射频功率信号，等离子体放电即会在两个电极之间产生。等离子体随等离子体气体的流动，通过阴极4-2上的圆孔被引出放电区域，从而形成等离子体射流。将研磨完成的单晶金刚石刀具置于等离子体射流区域之内即可实现刀具的修整。

工作原理：

氧气在等离子体气体的作用下能够发生电离，产生激发态的氧原子，激发态的氧原子与金刚石材料表面的C元素发生化学反应，生成气态的CO或CO₂，它可以很顺利地从刀具表面挥发掉，从而实现材料的原子级去除，最终生成超光滑表面，并且不会在刀具表面产生新的损伤层。相关化学反应方程式如下：

O₂+e→O^＊+O^＊+e (1)

C+O^＊→CO↑ (2)

C+O^＊+O^＊→CO₂↑ (3)

式(1)中e代表激发的等离子体气体中的电子，式(1)、(2)和(3)中O^＊是表示激发态的氧原子。

本发明中等离子体发生器4的电极表面镀有绝缘膜，和电极一起形成介质阻挡放电，通过介质阻挡射频等离子体辉光放电的方法得到稳定的等离子体区域，在其中通入氧气，氧气被等离子体电离，生成大量的激发态氧原子，将经过精研的金刚石刀具置入等离子体区域内，其中的激发态氧原子会与金刚石表面原子发生化学反应，生成CO和CO₂，并顺利地从金刚石刀具表面去除。由于整个过程是在开放的大气环境中进行，材料的去处将主要以氧原子与金刚石表面C原子的化学反应为主，等离子体中的电子、氧离子由于气体密度很高，其在电场加速下的动能很快就会被相互的碰撞给抵消掉了。因此，该过程将是一个各向同性的化学反应过程，从而保证了刀具表面材料的均匀去除。

具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤三中，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶20～1∶800。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤三中，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶50～1∶500。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与实施方式一、二、三、四、五、六或七的不同之处在于步骤四中，射频电源1的功率为250W～450W。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与实施方式一、二、三、四、五、六或七的不同之处在于步骤四中，射频电源1的功率为300W～400W。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

Claims

1.一种大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法，实现本方法的装置由射频电源(1)、阻抗匹配器(2)、冷却水泵(3)、等离子体发生器(4)、气体混合室(5)、第一流量控制器(6)、第二流量控制器(7)、等离子体气体瓶(8)、反应气体瓶(9)和输气管(10)组成，等离子体发生器(4)包括互相平行放置的板式阴极(4-2)和阳极(4-3)或同轴套装的圆筒式阴极(4-2)和阳极(4-3)，阴极(4-2)的内部空腔通过管线与冷却水泵(3)的第一出口相连接；射频电源(1)的负极、正极经阻抗匹配器(2)阻抗匹配后分别与等离子体发生器(4)的阴极(4-2)、阳极(4-3)相连，输气管(10)的出口端位于阴极(4-2)和阳极(4-3)之间所形成的区域(C)内，输气管(10)的进口端连通气体混合室(5)，气体混合室(5)分别通过第一流量控制器(6)、第二流量控制器(7)与反应气体瓶(9)、等离子体气体瓶(8)连通；其特征在于修整的步骤为：

步骤一、打开冷却水泵(3)，使等离子体发生器(4)的阴极(4-2)的内部空腔通入循环冷却水；

步骤二、预热射频电源(1)、第一流量控制器(6)和第二流量控制器(7)，预热时间为5-10分钟；

步骤三、完成预热后，打开等离子体气体瓶(8)和反应气体瓶(9)，等离子体气体瓶(8)中等离子体气体为He或Ar，反应气体瓶(9)中反应气体为纯度为99％～99.9％的氧气，通过第一流量控制器(6)和第二流量控制器(7)调节等离子体气体与反应气体的流量，等离子体气体的流量为1升/分钟～40升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶1000；

步骤四、当等离子体发生器(4)的阴极(4-2)和阳极(4-3)之间所形成的区域(C)内充满等离子体气体与反应气体的混合气体后，启动射频电源(1)，逐步增加射频电源(1)的功率，使功率达到200W～500W，同时控制反射功率为零，在射频电源(1)工作的过程中持续稳定的通入混合气体，使阴极(4-2)和阳极(4-3)之间有一个稳定的等离子体气体放电区域(D)；

步骤五、将金刚石刀具置于等离子体气体放电区域(D)，加工10-30分钟后取出，完成金刚石刀具修整。

2.根据权利要求1所述的大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法，其特征在于：等离子体发生器(4)的阴极(4-2)的外表面镀有绝缘膜，阳极(4-3)为金刚石刀具的刀体，射频电源(1)的正极经阻抗匹配器(2)阻抗匹配后与金刚石刀具的刀体相连，阴极(4-2)采用平板电极，金刚石刀具的刀体与阴极(4-2)互相平行放置；步骤三中，等离子体气体的流量为5升/分钟～10升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶40。

3.根据权利要求1所述的大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法，其特征在于：等离子体发生器(4)的组成还包括绝缘介质(4-1)，阳极(4-3)和阴极(4-2)为两个同轴套装的圆筒，内筒作为阳极(4-3)，外筒作为阴极(4-2)，阳极(4-3)和阴极(4-2)的一端由绝缘介质(4-1)隔离；阳极(4-3)的外表面镀有绝缘膜，阳极(4-3)的内部空腔通过管线与冷却水泵(3)的第二出口相连接；步骤三中，等离子体气体的流量为20升/分钟～40升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶40。

4.根据权利要求1所述的大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法，其特征在于：等离子体发生器(4)的阳极(4-3)和阴极(4-2)的外表面镀有绝缘膜，阳极(4-3)的内部空腔通过管线与冷却水泵(3)的第二出口相连接，阳极(4-3)和阴极(4-2)互相平行放置；步骤三中，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶40。

5.根据权利要求1所述的大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法，其特征在于：等离子体发生器(4)的组成还包括绝缘介质(4-1)，阳极(4-3)和阴极(4-2)采用两个圆形平板电极互相平行放置并且圆心在同一直线上，两个圆形平板电极之间由绝缘介质(4-1)封闭形成密闭的空间，等离子体发生器(4)的阴极(4-2)圆心处加工有直径为1mm～5mm的圆孔；等离子体发生器(4)的阳极(4-3)和阴极(4-2)的外表面镀有绝缘膜，阳极(4-3)的内部空腔通过管线与冷却水泵(3)的第二出口相连接；步骤三中，等离子体气体的流量为1升/分钟～5升/分钟，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶10～1∶40。

6.根据权利要求1所述的大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法，其特征在于步骤三中，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶20～1∶800。

7.根据权利要求1所述的大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法，其特征在于步骤三中，反应气体与等离子体气体的流量比为1∶50～1∶500。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法，其特征在于步骤四中，射频电源(1)的功率为250W～450W。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的大气低温等离子体化学修整金刚石刀具表面缺陷的方法，其特征在于步骤四中，射频电源(1)的功率为300W～400W。