CN101972979B - 一种金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，采用复合材料作为研磨、抛光的工具磨盘，将其加热至适当的温度，然后作高速旋转运动；以一定压力将待加工金刚石膜/块压向磨盘表面，使其与磨盘表面发生高速摩擦，通过摩擦区的化学-机械复合循环作用，实现金刚石表面的高效研磨与抛光。该方法为化学-机械复合方式，研磨过程包括催化表层石墨化过程，机械刮除石墨层过程。在化学作用与机械作用的复合循环过程中，实现高效去除金刚石表面材料。所涉及的装置，集成了加热、加载功能，使用复合磨盘作为工具盘，其有益效果在于加工效率高，机械作用力小，加工质量好。本发明还涉及一种金刚石表面化学机械复合研磨抛光装置。
Description
所属领域
本发明涉及一种金刚石表面研磨、抛光方法与装置，属于机械加工领域。
技术背景
金刚石具有优良的机械性能与化学性能，是一种较为理想的工具材料。近年来，包括CVD金刚石膜、单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)复合片等工具材料已经广泛应用于航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。特别是随着超精密加工技术的高速发展，各类金刚石作为重要的切削刀具材料在超精密切削领域占有不可替代的地位。因此，有关金刚石工具材料的加工技术在金刚石刀具的开发、应用过程中显得非常重要。尤其是CVD金刚石膜、单晶金刚石片、PCD复合片表面研磨与抛光技术，直接影响到金刚石刀具的质量与应用性能。
有关金刚石研磨、抛光的方法比较多，例如：激光束扫描抛光，其效率较高，但是表面质量较低；离子刻蚀加工，表面质量较好，但是效率低下，并且设备昂贵，加工成本太高；热化学抛光法需要利用高温条件(750-1050℃)，使金刚石表面碳原子层产生活化而扩散到碳钢(或纯铁)研磨盘中而达到去除金刚石表面材料的目的，该方法的影响因素较多，如温度、研磨压力、研磨气体氛围等，工艺复杂，效率一般；而纯机械加工方式，由于研磨力较大，容易使金刚石表面受到机械损伤，影响表面质量。
专利“一种化学机械法金刚石膜抛光装置及其抛光方法”(专利号：ZL200510034023.5)公开了一种化学机械金刚石抛光方法，其主要特征在于在加热的研磨盘上添加适量的氧化剂NaNO3、KNO3及LiNO3，同时添加适量CrO3、SiO2添加剂，通过氧化剂的化学作用与研磨盘的机械作用来共同实现抛光加工。所设计的装置可以对抛光的压力、转速、温度等参数进行调节，能够实现金刚石膜的一次性精密抛光。
专利“金刚石膜高速精密抛光装置及抛光方法”(专利号：ZL 200410050364.7)公开了一种金刚石精密抛光方法及装置，该方法需要将抛光室密封，抽真空，再通入活性气体，使金刚石表面在高温下(600-850℃)发生扩散磨损，以此来抛光金刚石表面。
本发明提出了一种针对金刚石的新型化学机械复合研磨抛光工艺方法与装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有金刚石研磨、抛光技术设备复杂、效率低、加工质量不高等特点，提出一种新的金刚石化学机械复合研磨抛光工艺方法与装置，以提高金刚石膜研磨抛光的效率与质量。
一种金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，包括以下过程：(1)、将待加工金刚石膜/金刚石块压向磨盘表面；(2)、将磨盘加热；(3)、使待加工金刚石膜/金刚石块与磨盘表面发生高速摩擦通过摩擦区的化学-机械复合循环作用，实现金刚石膜/金刚石块压表面的高效研磨与抛光；其特征在于：上述磨盘是由碳化钨铜或碳化硅铜复合材料制成，其中作为硬质材料的碳化钨或碳化硅其微粒晶粒度大小为2至10微米，铜的质量百分含量为磨盘材料的20％至30％，上述磨盘工作表面光洁度小于0.8微米；上述第(2)步中磨盘加热温度在200-300摄氏度。
所述化学-机械复合循环作用是指：研磨、抛光过程包含了软质相(铜)催化金刚石表层石墨化过程和硬质相(硬质颗粒)机械刮除石墨层过程。磨盘中的软质相-铜能促使金刚石在较低的温度下发生石墨化，而后所生成的石墨层在高速摩擦过程中被磨盘中的硬质相-硬质微粒(WC，SiC等)所刮除，露出新生表面；新生表面再次被石墨化，然后再次被机械刮除，两过程循环作用，实现金刚石表面材料的高效去除。硬质材料微粒晶粒度大小在2至10微米，其中较大硬质颗粒作为主要的刮除工具，较小的颗粒在脱落后以游离的形态辅助刮除石墨层。铜的含量为20％至30％，若铜含量过少，则催化效果不明显，过多则硬质磨料相对较少，会影响机械刮除效果。将磨盘适当加热可以促进催化金刚石表层石墨化过程，无须提供800摄氏度以上的高温条件。
上述的金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，其特征在于：上述第(3)步中磨盘高速转动，转速为1000至1500转/分；待加工金刚石膜/金刚石块压低速转动，转速为5-15转/分。
上述的金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，其特征在于：所述待加工金刚石膜/金刚石块压低速转动为速度大小按正弦规律变化的变速转动。副驱动电机带动装夹板做正弦变化的低速转动.一方面可以使待加工金刚石膜/金刚石块在磨盘上的摩擦轨迹变得不规则，避免在磨盘上留下固定的划痕，影响磨盘使用性能；另一方面，变速转动使得待加工金刚石膜/金刚石块与磨盘的相对滑动速度有一个相对加速和减速的过程，有利于更好的发挥机械刮除作用。
一种实现权上述金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法的研磨抛光装置，包括安装于装置底座上的主驱动电机、与主驱动电机输出轴相联的复合磨盘、安装于磨盘下方的加热装置；还包括安装于装置立柱上的升降台、安装于升降台上的加载传动组件、以及安装于加载传动组件末端的装夹板；其特征在于：上述复合磨盘是由和碳化钨铜或碳化硅铜材料制成，其中作为硬质材料的碳化钨或碳化硅其微粒晶粒度大小为2至10微米，铜的质量百分含量为磨盘材料的20％至30％，该复合磨盘工作表面光洁度小于0.8微米。
上述金刚石表面化学机械复合研磨抛光装置，其特征在于：上述加热装置为电磁加热台，它由导磁体和励磁线圈组成。可实现快速加热旋转磨盘。
上述金刚石表面化学机械复合研磨抛光装置，其特征在于：该装置还包括安装于升降台上的副驱动电机，该副驱动电机输出轴与所述的加载传动组件相联，用以驱动加载装置。所述加载传动组件包括花键传动轴、套于花键传动轴上的加载弹簧、配合安装于花键传动轴下端与加载弹簧接触的花键套筒。所述花键套筒外侧标有指示载荷大小的刻度。花键轴与花键套筒、压缩弹簧的配合既可以实现传动功能又可以实现轴向的加载。
本发明的有益效果是：区别于已有的金刚石研磨工艺，借助铜对金刚石石墨化的催化作用以及高速研磨过程中的摩擦热，在相对较低的温度下，提高金刚石表层材料石墨化的效率；再加上硬质颗粒材料的机械刮除作用，从而整体提高研磨抛光效率。另外，由于机械刮除石墨层的力很小，研磨过程平稳、震动小，加工质量高。这一方面保证了金刚石表面的研磨质量，同时也延长了工具磨盘的使用寿命。
附图说明
图1为本发明所涉及的金刚石化学-机械复合研磨抛方法示意图；
图2为铜催化金刚石表层石墨化过程和硬质磨料机械刮除石墨层过程示意图；
图3为本发明所涉及的一种研磨抛光装置结构示意图；
图4为电磁加热组件示意图；
图5为装夹板加载传动结构示意图；
其中，1-装置底座，2-主驱动电机，3-传动轴，4-电磁加热台，401-励磁线圈，402-导磁体，403-陶瓷隔板，5-复合磨盘，501-碳化钨硬质颗粒，502-铜，6-防护罩，7-金刚石试样，701-石墨层，8-装夹板，9-驱动加载组件，901-花键传动轴，902-花键套筒，903-加载弹簧，904-防护套筒，905-防护端盖，10-联轴器，，11-副驱动电机，12-装置立柱，13-升降台，14-导线，15-电源控制系统，100-铜催化金刚石表面石墨化过程，200-硬质磨料机械刮除石墨层过程。
具体实施方案
本发明涉及一种金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，尤其适用于单晶金刚石、PCD(聚晶金刚石)复合片、CVD金刚石膜表面的研磨与抛光加工，其特征在于：采用复合材料作为研磨、抛光的工具磨盘，将其加热至适当的温度，然后作高速旋转运动；以一定压力将待加工金刚石膜/块压向磨盘表面，使其与磨盘表面发生高速摩擦，通过摩擦区的化学-机械复合循环作用，实现金刚石表面的高效研磨与抛光。
所述化学-机械复合循环作用是指：研磨、抛光过程包含了软质相(铜)催化金刚石表层石墨化过程(100)和硬质相(硬质颗粒)机械刮除石墨层过程(200)。复合磨盘(5)中的软质相-铜(502)能促使金刚石在较低的温度下发生石墨化，而后所生成的石墨层在高速摩擦过程中被磨盘中的硬质相-硬质微粒(501)(WC，SiC等)所刮除，露出新生表面；新生表面再次被石墨化，然后再次被机械刮除，两过程循环作用，实现金刚石表面材料的高效去除。
其中所述的复合磨盘(5)是由铜和硬质材料(如碳化钨WC、碳化硅SiC)微粒按比例混合后经压制、高温烧结、熔渗等工序制成的圆形复合磨盘，工作表面 经过精车，光洁度小于0.8微米。硬质材料微粒晶粒度大小在2至10微米，其中较大硬质颗粒作为主要的刮除工具，较小的颗粒可能发生脱落，以游离的形态辅助刮除石墨层。铜的含量为20％至30％，若铜含量过少，则催化效果不明显，过多则硬质磨料相对较少，会影响机械刮除效果。
一种金刚石表面研磨、抛光装置，包括：底座1，主驱动电机2，传动轴3，电磁加热台4，复合磨盘5，防护罩6，立柱12，升降台13，导线14，副驱动电机11，联轴器10，装夹板8及其驱动加载组件9，以及电源控制系统15。
其中：所述复合磨盘5是由碳化钨铜(WC-Cu)合金制成，其中铜含量为20％-30％，碳化钨晶粒尺寸在2-10微米，工作表面经过精加工，表面粗糙度小于1微米。所述电磁加热台4是由励磁线圈401，导磁体402，陶瓷隔板403组成。所述装夹板驱动加载组件由花键传动轴901，花键套筒902，加载弹簧903，防护套筒904，以及防护端盖905组成。
该装置的主驱动电2机通过传动轴3带动复合磨盘5做高速旋转运动，转速可在0转/分钟至18000转/分钟之间按档位调节。
该装置的副驱动电机11通过花键传动轴901、以及套在其上的花键套筒902带动装夹板8转动；花键轴901与花键套筒902配合部分能够上下滑动，并通过套在花键轴上的弹簧903实现轴向加载，花键套筒外表面上标有经过标定的载荷刻度。
该装置的副驱动电机11采用变速控制，能实现低转速下平滑变速转动。
该装置的电磁加热台4为环形，固定于底座1上，励磁线圈的内、外侧以及底部均由导磁体包裹，上端靠近复合磨盘，底部垫在陶瓷隔板上。励磁线圈由电源15经导线14通入高频感应电流。
采用本发明所述的装置研磨抛光金刚石表面主要步骤如下：
步骤1：将本发明所述的复合磨盘安装到工作台上，启动主驱动电机02，设定工作台低速转速(50-100转/分)；
步骤2：接通电磁加热电源，将复合磨盘在低速旋转状态下加热至200-300摄氏度，尽量使复合磨盘表面受热均匀；
步骤3：启动副驱动电机，设定转速10转/分，调节升降台，使装有待加工金刚石的装夹板靠近磨盘，然后继续调节升降台，给磨盘缓慢加载，通过花键套 筒外的刻度确定载荷大小(抛光时载荷设定2-5N，研磨与高效去除时载荷设定12-20N)。
步骤4：通过控制电路调节主电机转速至高速阶段(1000至1500转/分)，并使副电机工作在正弦变速状态，使装夹板以5-15转/分的速度自传。
以上仅是本发明的一种实施情况，本发明内容不局限于此。
Claims (8)
1.一种金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，包括以下过程：
(1)、将待加工金刚石膜/金刚石块压向磨盘表面；
(2)、将磨盘加热；
(3)、使待加工金刚石膜/金刚石块与磨盘表面发生高速摩擦，通过摩擦区的化学-机械复合循环作用，实现金刚石膜/金刚石块表面的高效研磨与抛光；
其特征在于：
上述磨盘是由碳化钨铜或碳化硅铜复合材料制成，其中作为硬质材料的碳化钨或碳化硅粉末颗粒大小为2至10微米，铜的质量百分含量为磨盘材料的20％至30％，上述磨盘工作表面光洁度小于0.8微米；
上述第(2)步中磨盘加热温度在200-300摄氏度。
2.根据权利要求1所述的金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，其特征在于：
上述第(3)步中磨盘高速转动，转速为1000至1500转/分；待加工金刚石膜/金刚石块低速转动，转速为5-15转/分。
3.根据权利要求2所述的金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法，其特征在于：
所述待加工金刚石膜/金刚石块低速转动为速度大小按正弦规律变化的变速转动。
4.一种实现权利要求1所述金刚石表面化学机械复合研磨抛光方法的研磨抛光装置，
包括安装于装置底座(1)上的主驱动电机(2)、与主驱动电机(2)输出轴相联的复合磨盘(5)、安装于复合磨盘(5)下方的加热装置；
还包括安装于装置立柱(12)上的升降台(13)、安装于升降台上的加载传动组件(9)、以及安装于加载传动组件(9)末端的装夹板(8)；
其特征在于：
上述复合磨盘是由碳化钨铜或碳化硅铜复合材料制成，其中作为硬质材料的碳化钨或碳化硅粉末颗粒大小为2至10微米，铜的质量百分含量为磨盘材料的20％至30％，上述磨盘工作表面光洁度小于0.8微米。
5.根据权利要求4所述金刚石表面化学机械复合研磨抛光装置，其特征在于：上述加热装置为电磁加热台(4)，它由导磁体(402)和励磁线圈(401)组成。
6.根据权利要求5所述金刚石表面化学机械复合研磨抛光装置，其特征在于：该装置还包括安装于升降台(13)上的副驱动电机(11)，该副驱动电机(11)输出轴与所述的加载传动组件(9)相联。
7.根据权利要求4所述金刚石表面化学机械复合研磨抛光装置，其特征在于：所述加载传动组件(9)包括花键传动轴(901)、套于花键传动轴(901)上的加载弹簧(903)、配合安装于花键传动轴(901)下端与加载弹簧(903)接触的花键套筒(902)。
8.根据权利要求4所述金刚石表面化学机械复合研磨抛光装置，其特征在于：所述花键套筒(902)外侧标有指示载荷大小的刻度。
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