CN101848791B - 用于机械处理金刚石的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于通过机械部件(3)来处理金刚石(1)的表面(5)的方法和装置，该机械部件(3)相对于金刚石(1)的表面(5)运动，其中，未约束的金刚砂(2)位于机械部件(3)和金刚石(1)的表面(5)之间，机械部件(3)使得金刚砂(2)在金刚石(1)的表面(5)上进行滚转运动，这样，金刚砂(2)相对于机械部件(3)和金刚石(1)的表面(5)运动，机械部件(3)通过金刚砂(2)与金刚石(1)的表面(5)进行机械接触，该机械接触有接触长度(8)，在该接触长度上，金刚砂(2)主要根据机械部件(3)相对于金刚石(1)的表面(5)的相对运动的方向而在金刚石(1)的表面(5)上滚转，金刚砂(2)在滚转时通过机械部件(3)的支承而压入金刚石(1)的表面(5)中，因此在金刚石的表面(5)中产生微观裂缝(6)，然后，该金刚石表面将逐渐破碎。

Description

用于机械处理金刚石的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于机械处理金刚石表面的方法和装置。
背景技术
根据本领域的现有情况，金刚石以不同方式进行机械处理，例如劈、锯、切割和抛光。
在所有这些已知的机械处理方法中，使用工具例如盘或锯条，金刚石或金刚砂固定在该工具上，该工具拉动或推动越过金刚石的表面，以便由所述工具进行处理。
当通常成形和抛光金刚石时，由松散、未约束的金刚砂形成的研磨粉与某些油一起提供至旋转铸铁盘/抛光轮(scaif)上。金刚砂在铸铁的孔隙内部机械处理，因此，它们被限定并穿入要处理的金刚石的表面内。专利申请EP0354775A、GB2255923A和US4484418A介绍了铸铁盘/抛光轮，金刚砂限定在该铸铁盘/抛光轮上，用于以普通方式抛光金刚石。
这种普通处理方法与机械部件的抛光很类似，因此，研磨粉与某些油一起提供至例如旋转铸铁盘上，并机械固定在铸铁的孔隙中。
除了金刚石很难进行处理外，已知机械处理操作的效率还很依赖于金刚石的结晶结构相对于处理方向的方位。在某些方向排斥某些处理操作，且其它处理操作每次都需要通过试验来确定合适的处理方向。这限制了处理操作，使得处理操作复杂，并对生产时间和使用机器和工具的所需自由度产生影响。
因此，当抛光金刚石时，除去速率(要处理的金刚石的金刚石材料以该除去速率来除去)很依赖于处理方向相对于晶体方向的方位。而且，多晶金刚石(在多晶金刚石中，晶体具有不同方位)的机械处理非常难。
发明内容
本发明的目的是通过提供一种用于机械处理金刚石的方法来弥补这些缺点，通过该方法，处理过程几乎独立于处理方向相对于结晶方向的方位，因此对于要处理的金刚石的来源(例如天然、HPHT生长或CVD金刚石)、应用领域(例如宝石金刚石、工业金刚石或用于电子应用的金刚石)、外部几何形状或质量(例如单晶或多晶金刚石)没有进一步的限制。
因此，未约束金刚砂提供于机械部件和金刚石表面之间，因此，金刚砂进行滚转运动，这样，金刚砂相对于机械部件和金刚石表面在所述表面上面运动。因此，机械部件通过金刚砂而与金刚石表面进行机械接触。所述机械接触具有接触长度，在该接触长度上，金刚砂根据机械部件相对于金刚石表面的相对运动的主要方向而在金刚石表面上滚转。因此，金刚砂在滚转时通过机械部件的支承而压入金刚石的表面中，因此在表面中产生微观裂缝，因此，金刚石将逐渐切除。
实际上，金刚砂供给流体中，该流体处于金刚石和机械部件之间。
在一个优选方式中，金刚砂在机械部件和金刚石表面之间在接触长度上运动，该接触长度为金刚砂直径的至少3倍，优选是至少30倍。
金刚砂优选是具有不规则形状，平均直径在1μm和100μm之间。
本发明还涉及一种用于根据本发明方法处理金刚石表面的装置，因此，机械部件有接触表面，在流体中的未约束金刚砂位于该接触表面上，当要处理的金刚石搁置在未约束金刚砂上时，该金刚砂在机械部件相对于要处理的金刚石运动时在该表面上滚转。
机械部件例如可以包括铸铁或塑料盘，该铸铁或塑料盘局部或整体在具有松散的未约束金刚砂的水/油乳剂中转动。
附图说明
通过下面对本发明的方法和装置的实施例的介绍，将清楚本发明的其它特征和优点，本说明书只是作为实例，而决不是以任何方式限制要求保护的范围；下面将参考附图说明。
图1是根据现有技术装置的结构的示意图，其中，固定的金刚砂已经插入机械部件内。
图2是本发明的装置的结构的示意图，其中，金刚砂在金刚石的表面上滚转，并在机械部件的支承的情况下压入所述表面中。
图3是本发明的装置的实际结构的示意图，其中，机械部件由在具有金刚砂的流体中旋转的盘来形成。
图4a至4c为装置的其它可能结构的一系列示意图，这些装置并不根据本发明的方法来工作，或者至少并不是优选。
图4d至4h为根据本发明的方法来工作的装置的其它可能结构的一系列示意图。
图5是根据现有技术的处理金刚石的表面的40000倍放大图，其中，使用限定在机械部件上的金刚砂。
图6是根据本发明的方法处理的金刚石的预抛光表面的1000倍放大图，其中，使用低浓度的金刚砂。
图7是图6的详图，其中，处理的金刚石的表面放大40000倍。
图8是根据本发明的方法处理的金刚石的表面的40000倍放大图，其中，使用高浓度的金刚砂。
在不同的图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。
具体实施方式
在用于机械处理金刚石的现有方法中，使用限定在机械部件4例如旋转盘中的金刚砂，或者采取措施来尽可能高效地约束自由金刚砂，例如如图1中所示。
相反，如图2中示意所示，本发明的方法使用没有限定在固体支承件上的金刚砂2，但是该金刚砂由流体10承载，流体10例如液体或气体。在该方法中，必须可以使用自由、未约束的金刚砂2。
根据本发明方法的一个可能实施例，如图3中所示，金刚石1根据进给方向A而朝着机械部件3运动，从而与它在特定接触区域通过金刚砂2来进行机械接触，该金刚砂2布置在金刚石1和部件3之间。
机械部件3按照方向B而相对于金刚石1运动。因此，未约束的金刚砂2置于要处理的金刚石和机械部件3之间。
由于机械部件3相对于金刚石1的表面5进行相对运动B，因此，未约束的金刚砂2在接触区域中在机械部件3上并在机械部件3和金刚石1的表面5之间进行滚转运动。因此，未约束的金刚砂2将在金刚石1的表面5上几乎自由地运动，主要是沿机械部件3相对于金刚石1的表面5的相对运动方向B。
重要的是，机械部件3通过金刚砂2而与要处理的金刚石1的表面5接触，且该接触根据机械部件3相对于要处理的金刚石1的表面5的相对运动方向B而在特定的接触长度8上进行。
因此，接触长度8表示在要处理的金刚石1的表面5上的距离，在该距离上，机械部件3根据机械部件3相对于要处理的金刚石1的表面5的相对运动方向而通过未约束的金刚砂2与要处理的金刚石1的表面5进行接触。
该接触长度8几乎等于硬金刚砂2在机械部件3和要处理的金刚石1的表面5之间引导或滚转的距离，或者换句话说，等于金刚砂2在要处理的金刚石1的表面5上在机械部件3和要处理的金刚石1的表面5之间行进的距离。
金刚砂2在机械部件3的表面上行进的距离并不必须等于接触长度8，而是它可以大于在金刚石1的表面5上的接触长度8。
优选是，金刚砂2并不为完全球形，而是它们为不规则形状，具有可变直径，因此，它们偏离球形，这样，在滚转过程中，所述金刚砂2并不与金刚石1的表面5和机械部件3恒定地接触。
机械部件3的相对运动使得金刚砂2有一定速度，因此，所述金刚砂2在滚转运动过程中撞击金刚石1的表面5，和/或因此金刚砂2的凸出部分将通过机械部件3的支承而插入金刚石1的表面5中。这样，在金刚石1的表面5中产生微裂缝6。
因为金刚砂2并不为完全球形，因此，它们自身将在滚转运动过程中通过机械部件3的支承而压入金刚石1的表面5中，因此，在表面5中产生微裂缝或裂纹6。
例如，图6中表示了金刚石1的预抛光表面5放大1000倍的放大图，该金刚石在之后通过低质量浓度(＜1％(g/100ml))的金刚砂2进行处理。在该表面5中，我们可以清楚看见已经由滚转金刚砂2产生的微裂缝6。这些裂缝6主要沿在要处理的金刚石1和机械部件3之间之间的相对运动B的方向延伸。另外，也产生沿其它方向的裂缝。图7示出了以40000倍放大的微裂缝6的详细图。在微裂缝6中可以看见压入的自由金刚砂2的折断碎片2′。
由于显示了微裂缝6的损坏表面5，所述表面5的一部分脱开，因此除去一层材料。通过在处理过程中减小在金刚石1和机械部件3之间的距离，金刚砂2将总是将其自身压入接触区域内，这样，所涉及的金刚石1的表面5材料可以一层接一层地除去。除去的材料又可以用作金刚砂2的新供给源。
图8表示了金刚石1的表面5的40000倍放大图，该金刚石1通过高浓度自由金刚砂2来处理。所述表面5表示了由于由滚转金刚砂2产生的大量裂缝6而除去的金刚石碎片的痕迹。
与例如用于金刚石涂覆抛光盘中的约束金刚砂相反，未约束金刚砂2并不在金刚石1的表面5上遵循固定通路，而是它们或多或少遵循着机械元件相对于金刚石的相对运动的通路，因此，小裂纹6将在表面5中在任意位置产生。
使用约束的金刚砂的特征(例如当传统地抛光金刚石时)将根据抛光方向在金刚石1的表面5中产生直的抛光线和/或槽，如图5中所示。因此，抛光方向清楚可见。不过，在根据本发明方法处理的金刚石1的表面5中(如图8中所示)，抛光方向不再清楚可见。
因为小裂纹6通过本发明的方法由未约束金刚砂2形成，而不是由约束的金刚砂产生的抛光线和/或槽形成，因此，该方法不再依赖相对于结晶结构方向的方位或处理方向。
因此，重要的是金刚砂2并不象普通抛光金刚石时或抛光金属时那样粘附在机械部件3上。仍然固定在机械部件3中的金刚砂2在处理过程中将不再具有有效部分，因为它们不再与金刚石1的表面5接触。因此，这些约束的金刚砂2不再对金刚石1的表面5起作用。
不同参数将影响金刚砂2在机械部件3和要处理的金刚石1之间的滚转运动。这些参数可以根据结构来确定和优化。因此，处理例如受到金刚砂2的颗粒尺寸、机械部件3的粗糙度和材料以及机械部件3相对于金刚石1的尺寸或相对速度的影响。例如，机械部件3的粗糙度优选是小于金刚砂2的平均直径。机械部件3的表面优选是可稍微弹性变形以限制它的磨损。
金刚石1的形成表面5的除去速率和质量可能受到使用的颗粒尺寸、几何形状以及金刚砂2在介质10中的浓度的影响。因此，当使用高浓度的金刚砂2时除去速率将增大。优选是，根据本发明的方法，在机械部件3和金刚石1的表面5之间每mm2的接触表面有至少1个未约束金刚砂2，特别是有至少10个未约束金刚砂2。
在本发明装置的实际实施例中，如图3所示，使用由铸铁盘3形成的机械部件3，该铸铁盘3在具有松散金刚砂2的水/油乳剂10中旋转。金刚砂2的质量浓度为23％，或者230g金刚砂2每升水/油乳剂10。松散的金刚砂的直径为4至26μm，它们与水/油乳剂10一起通过盘3的回转运动B来运送。因此，在水/油乳剂10中的松散金刚砂2竖在盘3和金刚石1之间。盘的周边速度vs达到大约14m.s-1。要进行处理的金刚石1固定在机械支承件(图中未示出)上，该机械支承件用于进行进给运动A。要处理的金刚石1的表面5朝着盘3运动。盘3在具有松散金刚砂2的乳剂10中旋转，因此，所述盘3通过松散金刚砂2而与金刚石1的表面5接触。通过盘3相对于金刚石1的相对运动，松散的金刚砂2被迫在要处理的金刚石1的表面5上滚转。因为这些金刚砂2并不为完全球形，因此它们将在滚转时在要处理的表面5中产生微裂缝6。当产生大量微裂缝6时，将通过盘3在金刚石1上获得平表面。这可以在例如单晶金刚石中形成表面，而并不相对于晶格方位寻找合适的处理方向。
本发明的方法其它优点是：对于所有结晶方向，要处理的金刚石的表面的除去速率平均高于普通处理方法；机械部件可以以低成本很容易地制造，因为它不必包含任何约束的金刚砂；机械部件相对于要处理金刚石的相对速度可以比已知普通处理方法的普通切割速度低得多；可以很容易地处理具有不同结晶方向的多晶金刚石；机器所需的自由度数目更少，因为金刚石的结晶方向不再重要；已经从要处理的金刚石的表面除去的金刚石材料可以用作在流体中的有效金刚砂；以及要处理的金刚石的温度升高比大部分现有机械处理低得多，因此受损的危险小得多。
本发明的处理可以用于任意可能的金刚石处理应用，其中，根据在处理过程中在要处理的金刚石1和机械部件3之间的相对运动方向有特定接触长度。因此，图4d至4h示意表示了机械部件3和要处理的金刚石1的一些可能结构。在机械部件3和金刚石1的表面5之间的接触可以通过曲线或直线的平表面或弯曲表面来进行。在图4d和4h中，所述接触是线接触，而在图4e、4f和4g中，所述接触包括扁平或弯曲的接触表面。
如上所述，在这些结构中，金刚石1根据进给方向A供给机械部件3，因此，通过布置在它们之间的金刚砂2而与机械部件3接触。机械部件3根据方向B相对于金刚石1运动，且根据处理作用，金刚石1也根据方向C运动。因此，根据方向C的运动也确定机械部件3相对于金刚石1的表面5的相对运动。
当在要处理的金刚石1和机械部件3之间有与相对运动垂直的线接触时，如图4a、4b和4c所示，该原则并不是优选的应用，或者根本不可应用，因为松散的金刚砂2不会开始在要处理的金刚石1和机械部件3之间滚转。
在图4a、4b和4c所示的结构中，当根据方向C的运动速度被设置较慢时，这些结构将转变成可工作状态，因为处理将有机会根据机械部件3相对于要处理的金刚石1的表面5的相对运动方向保持接触长度8。在这种情况下，不再具有与相对运动成直角的线接触，沿方向C的旋转速度(在该旋转速度下产生可工作状态)还取决于使用的金刚砂2的颗粒尺寸以及所述金刚砂2在流体10中的浓度。
例如在图4a中所示的结构并不是根据本发明可在金刚石1沿方向C的旋转速度下的可工作的结构，其中金刚石的旋转速度大于0.5转每分钟，它有以下限制条件：金刚石1的直径等于4.5mm；机械部件3包括PVC盘，该PVC盘的直径为170mm；所述盘的周边速度等于14m.s-1；盘在金刚砂2的质量浓度为20％(g/100ml)的水/油乳剂中旋转；金刚砂2的直径等于4至26μm。金刚石1的带形或柱形部分不能在大于0.5转每分钟的旋转速度下由图4a的结构根据本发明的方法来切割，或者只能在很困难的情况下切割。
本发明的装置包括框架(图中未示出)，机械部件3固定在该框架上。该机械部件3可以为盘形，具有接触表面，该接触表面可以由铸铁或塑料形成。优选是，接触表面每mm2包含少于1个的约束金刚砂。优选是每10mm2少于1个金刚砂，甚至每100mm2少于1个金刚砂。优选是，可能限定在接触表面上的金刚砂并不实际参与处理，因为它们并不与要处理的金刚石1直接接触。
本发明的装置优选是在框架上包含用于金刚砂2的循环系统，该循环系统被动或主动地使得流体中的所述金刚砂进行循环。被动循环系统例如可以包括具有流体的池，该流体例如水/油乳剂，金刚砂2存在于其中。未约束的金刚砂2可以捕获于该池中。因为机械部件3的接触表面局部或整体在该池中运动，因此金刚砂2由该接触表面携带。主动循环系统例如可以包括泵，该泵使得流体中的捕获金刚砂2进行循环，从而使它们再次到接触表面上。优选是，循环系统例如能够捕获离开接触表面的金刚砂2，并使它们回到接触表面上。
而且，该装置还包括夹持系统，该夹持系统与框架连接，用于夹持要处理的金刚石，这样，它能够相对于机械部件3在所需位置运动。优选是，夹持装置能够使得金刚石相对于机械部件3的接触表面进行线性和/或旋转运动。夹持装置可以通过允许这样运动的固定装置而固定在框架上。
当然，本发明并不局限于在附图中所示的上述方法和装置。
因此，机械部件可以由塑料盘形成，该塑料盘例如由PVC或POM制造。
因此，机械部件3可以局部由约束的金刚石或金刚砂2来覆盖，该金刚石或金刚砂2并不与金刚石1的表面5进行任何直接接触，因此在加工处理中不具有有效部分。

Claims (10)

1.用于通过机械部件(3)处理金刚石(1)的表面(5)的方法，所述机械部件(3)相对于金刚石(1)的表面(5)运动，其特征在于：
(i)未约束的金刚砂(2)位于机械部件(3)和金刚石(1)的表面(5)之间，
(ii)机械部件(3)使未约束的金刚砂(2)在金刚石(1)的表面(5)上进行滚转运动，使得未约束的金刚砂(2)相对于机械部件(3)和金刚石(1)的表面(5)运动，
(iii)机械部件(3)通过未约束的金刚砂(2)与金刚石(1)的表面(5)进行机械接触，所述机械接触具有接触长度(8)，在所述接触长度上，未约束的金刚砂(2)主要按照机械部件(3)相对于金刚石(1)的表面(5)的相对运动的方向在金刚石(1)的表面(5)上滚转，
(iv)未约束的金刚砂(2)在滚转时通过机械部件(3)的支承将自身压入金刚石(1)的表面(5)中，因此在金刚石的表面(5)中产生微观裂缝(6)，随后，所述金刚石的表面将逐渐破碎。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将未约束的金刚砂(2)供给在流体中，所述流体位于金刚石(1)的表面(5)和机械部件(3)之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：未约束的金刚砂(2)在机械部件(3)和金刚石(1)的表面(5)之间在接触长度(8)上运动，所述接触长度(8)为未约束的金刚砂(2)的直径(9)的至少3倍。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：未约束的金刚砂(2)在机械部件(3)和金刚石(1)的表面(5)之间在为金刚砂(2)的直径(9)的至少30倍的接触长度(8)上运动。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：金刚砂(2)具有任意形状，其中，颗粒尺寸在1μm和100μm之间。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：机械部件(3)相对于金刚石(1)的表面(5)以低于40m·s-1的速度运动。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：机械部件(3)由约束的金刚砂部分地覆盖，所述约束的金刚砂不与金刚石(1)的表面(5)进行任何的直接接触，使得所述约束的金刚砂在加工处理中不具有有效部分。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：机械部件(3)由铸铁或塑料盘形成。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：机械部件(3)至少部分地在具有未约束的金刚砂(2)的流体中旋转，其中所述流体为水/油乳剂(10)。
10.用于根据权利要求1至9中任意一个所述的方法处理金刚石(1)的表面(5)的装置，所述装置包括未约束的金刚砂(2)和具有机械部件(3)的框架，所述机械部件(3)可相对于所述框架运动，从而通过未约束的金刚砂(2)与要处理的金刚石(1)的表面(5)接触，其特征在于：
机械部件(3)具有接触表面，未约束的金刚砂(2)在流体中置于所述接触表面上，当要处理的金刚石的表面(5)搁置在所述未约束的金刚砂(2)上时，所述未约束的金刚砂在机械部件(3)相对于所述要处理的金刚石的表面(5)运动时在所述接触表面上滚转，
所述装置还包括夹持系统，所述夹持系统与框架相关联，用于夹持金刚石(1)，所述夹持系统使得具有要处理的表面(5)的金刚石朝着机械部件运动，以便与在流体中置于所述机械部件(3)的接触表面上的未约束的金刚砂(2)进行接触，
所述装置包括循环系统，所述循环系统固定在框架上，所述循环系统包括流体(7)，所述流体(7)将未约束的金刚砂带到机械部件(3)的接触表面上。
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