CN107427985B - 金刚石表面的研磨方法及实施该研磨方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种研磨方法，其在利用含有金属或金属氧化物的研磨部件对被研磨物的金刚石表面进行研磨的方法中，解决引起研磨不均或基材露出的问题，不会对被研磨物的形状、金刚石的结晶尺寸造成影响地实现均匀的研磨。本发明的金刚石表面的研磨方法通过使至少含有金属或金属氧化物的所谓线状或者带状的长条形状的研磨部件揉搓其表面由金刚石形成的被研磨物从而进行研磨，该金刚石表面研磨方法的特征在于，根据揉搓部的所述研磨部件的材质和/或所述被研磨物的形状、金刚石的结晶尺寸，对所述研磨部件的按压力进行控制，以使得加工区域的接触面压力均匀。

Description

金刚石表面的研磨方法及实施该研磨方法的装置

技术领域

本发明涉及对金刚石及金刚石膜的表面进行研磨的方法及实施该研磨方法的装置。

背景技术

对于作为碳结晶的金刚石的特性，不仅硬度极高，耐磨性优异，并且，滑动性、热传导性也优异，此外，还具有高折射率。由于具备像这样的特性，所以，金刚石例如被用于车刀、立铣刀、锉刀等切削用工具方面、冲头、冲模等塑性加工模具方面、气门挺杆、轴承等滑动部件方面、散热器等散热部件方面、以及电子基板、透镜、窗等光学零部件等方面。像这样的金刚石产品多数情况根据用途进行加工，通常要求对其表面进行研磨而成为平滑的面。作为研磨后的金刚石的用途，可以举出：冲模、冲头等冲压模具、轴承、汽车零部件等的滑动部分、车刀、立铣刀等切削工具、以及电子设备的散热器、电子基板、光学零部件等。

对于金刚石表面的研磨，以往采用了：研磨机构也使用金刚石制的磨粒或磨石的机械研磨方法，但是，不仅研磨需要时间，并且为了形成共磨削，故而还存在工具寿命短的问题，另外，还存在不适合：待研磨的金刚石表面具有凹凸而非平面的立体表面的研磨的问题。

专利文献1中公开的研磨方法采用了利用激光照射的预加热法，通过使构成研磨部件的金属与金刚石表面的碳发生化学反应而进行研磨，但是，该发明的目的在于提供一种：不仅研磨部件的寿命长，其控制也容易，能够得到平滑度较高的表面并且还能够容易地应用于具有凹凸的立体表面的研磨的金刚石表面的研磨方法，另外，其目的还在于提供一种：能够使用由廉价的金属单体形成的研磨部件而不是使用像金属间化合物那样利用特殊的制法得到的昂贵的材料，来进行研磨的金刚石表面的研磨方法。因此，该发明提供一种金刚石表面的研磨方法，具体如下：如图10所示，在利用研磨部件进行研磨之前，通过激光2a等对该研磨部件3或金刚石表面1a进行加热，并且，所述研磨部件3使用了具有线状、带状的形状且至少表面由容易与碳发生反应的金属或浸炭性金属形成的材料，将该研磨部件3缠绕于所谓带轮、滚筒等研磨部件支承体4，并将研磨表面连续地或者间歇地进行导出，一边借助研磨部件支承体4而按压于金刚石表面，一边使被研磨物1移动从而进行研磨。

另外，专利文献2为本申请人之前提出过的专利申请的“金刚石表面研磨方法”发明的说明书，其内容为：一边除去金刚石表面所残留的研磨粉一边对金刚石进行研磨的方法。该发明为：使用金属制研磨部件，对该研磨部件和/或金刚石表面进行加热的金刚石表面研磨方法，其特征在于，一边通过揉搓而除去金刚石表面所残留的源自于该研磨部件的研磨粉，一边进行研磨，作为优选的具体例，给出了：(1)在除去所述研磨粉时，使用从由精加工工具、修整工具、喷丸机、流体喷射、静电力、磁力及粘着力构成的组中选择出的至少1个方法；(2)在除去所述研磨粉时，还使用鼓风或真空。根据该金刚石表面研磨方法，通过利用精加工工具等，对研磨中的金刚石表面进行揉搓，能够有效地除去附着于金刚石表面的凹凸处的、源自于研磨部件的金属粉(研磨粉)，能够解决因研磨粉被加热、按压而产生的粘连的问题。

用以往的研磨方法对金刚石表面进行研磨的情况下，即便是在使研磨部件以一定的按压力与被研磨物表面接触的状态下进行研磨，如果被研磨物的形状为不是同样的平面而是凹凸形状等轮廓形状不均匀的，则会产生研磨不均的问题。

专利文献

专利文献1：日本特开2011－177883号公报“ダイヤモンド表面の研磨方法(金刚石表面的研磨方法)”2011年9月15日公开

专利文献2：日本特愿2013－241369号说明书“ダイヤモンド表面の研磨方法(金刚石表面的研磨方法)”2013年11月21日申请

发明内容

本发明的发明人对该现象进行了详细调查，结果发现，其原因在于：如果被研磨物的形状为凹凸形状而不是同样的平面，则与研磨部件之间的接触状态会发生变化，即便使研磨部件以一定的按压力接触，揉搓部的表面压力也会存在差异，而使研磨量出现差异。

另外，还发现：如果被研磨物表面的金刚石的结晶尺寸不同，则即便是在使研磨部件以一定的按压力与被研磨物表面接触的状态下进行研磨，研磨量也会出现差异。

本发明的课题在于提供一种研磨方法，其能够解决上述的问题点，即在利用含有金属或金属氧化物的研磨部件对被研磨物的表面进行研磨的方法中，解决引起研磨不均、基材露出的问题，不会对被研磨物的形状造成影响地实现均匀的研磨。

本发明的金刚石表面的研磨方法是通过使至少含有金属或金属氧化物的所谓线状或者带状的长条形状的研磨部件揉搓其表面由金刚石形成的被研磨物，来进行研磨，所述金刚石表面的研磨方法的特征在于，将该研磨部件的研磨表面连续地或者间断地导出，并且，根据揉搓部处的所述研磨部件的材质和/或所述被研磨物的形状，来控制所述研磨部件的按压力，以使得加工区域的接触面压力均匀。

另外，本发明的金刚石表面的研磨方法是根据表面的金刚石的结晶尺寸，对所述研磨部件的按压力进行修正。

本发明的金刚石表面的研磨装置具有对被研磨物进行保持的机构，且还具备：至少含有金属或金属氧化物的所谓线状或者带状的长条形状的研磨部件、将该研磨部件朝向该被研磨物的加工面按压的机构、以及使该研磨部件和该被研磨物相对运动而进行揉搓的机构，所述研磨装置的特征在于，具备：输入、存储被研磨物的形状或坐标信息的机构、以及根据所述被研磨物的形状而输入或运算按压力的机构，按照该运算得到的规定按压力而对所述按压机构进行控制。

另外，输入或运算按压力的机构以加工区域的接触面压力均匀的方式输入或运算按压力。

此外，具有将研磨部件连续地或者间断地进行导出的机构。

另外，具有使对被研磨物进行保持的机构旋转的机构。

此外，本发明的金刚石表面的研磨装置具备输入金刚石的结晶尺寸的机构，与所输入的结晶尺寸相对应地修正运算所述规定按压力。

本发明的金刚石表面的研磨方法根据揉搓部处的所述研磨部件的材质和/或所述被研磨物的形状而对所述研磨部件的按压力进行控制，以使得加工区域的接触面压力均匀，因此，能够实现：不会对被研磨物的形状造成影响、也不存在研磨不均、并且不会发生基材露出的情形的研磨。

另外，本发明的金刚石表面的研磨方法即便是表面的金刚石具有结晶尺寸分布的情况下，也能够根据该分布信息而修正所述研磨部件的按压力，由此，能够有效地补偿：因为基于金刚石的结晶尺寸而产生的研磨量差异所引起的研磨不均。

本发明所涉及的金刚石表面的研磨装置具备：输入、存储被研磨物的形状或坐标信息的机构、以及以与所述被研磨物的形状相对应地使得加工区域的接触面压力均匀的方式来运算按压力的机构，因此，能够将基于所输入、存储的信息而得到的适当的按压力施加于研磨部件，能够提供不会对被研磨物的形状造成影响、不存在研磨不均、并且不会产生基材露出的情形的研磨加工。

另外，即便是研磨部件的材料和形状非特定而是可选择的装置，所述输入存储机构也具备还能够输入、存储该信息的功能，具备对应于与被研磨物的组合而引起的研磨量差异来运算适当按压力的功能，能够提供适当的研磨加工。

此外，本发明的金刚石表面的研磨装置具备：被输入金刚石的结晶尺寸、并且将金刚石的粒子结晶尺寸和研磨部件的组合所对应的研磨量作为表信息来进行所述输入存储的机构，在所述运算机构，参照所述表信息，与基于金刚石的结晶尺寸而产生的研磨量差异相对应地修正运算规定按压力，具备这种修正运算规定按压力的功能的本发明的金刚石表面的研磨装置能够实施：与基于金刚石的结晶尺寸而产生的研磨量差异相对应的修正，所以，即便在具有金刚石的结晶尺寸分布的被研磨物的加工中，也能够实现适当的研磨加工。

附图说明

图1是对因为被研磨物的形状而使研磨量出现差异进行说明的图。

图2是综合地表示被研磨物的形状与研磨量的关系的图。

图3是表示被研磨物的金刚石的结晶尺寸及其照片以及研磨量的图。

图4是表示金刚石的研磨量如何与按压力相对应而不同的图表。

图5是对解决研磨不均的本发明的方法进行说明的图。

图6是表示本发明所涉及的研磨装置的控制部的基本构成的框图。

图7是表示实际测量下述的研磨量而得到的数据的图，即：对具有凸部和平面部的第一被研磨物进行研磨时的研磨量。

图8是对具有凹部和平面部的第二被研磨物进行研磨而计算出适当按压力的说明图。

图9是表示本发明的研磨装置的加工部的构成的图。

图10是表示专利文献1的金刚石表面的研磨方法的图。

符号说明：

1 被研磨物 1a 被加工面(金刚石表面)

2 激光照射机构 2a 激光

3 研磨部件 4 研磨部件支承体

5 金刚石结晶 11 输入机构

12 存储部 13 运算控制部

14 研磨头按压机构 15 研磨部件加热机构

16 研磨头驱动机构 17 被研磨物加热机构

18 被研磨物保持机构 19 马达

具体实施方式

首先，对本发明的课题的发现进行说明。如图1所示，将长条形状的研磨部件3卷绕于研磨部件支承体4而在被研磨物表面上连续地或者间歇地进行导出，并且，一边借助所述研磨部件支承体4而按压于被研磨物的表面1a，一边进行研磨，在该方式的研磨中，金属线的研磨部件3的前端形状为圆形，被研磨物1的形状具备直线部和R部，在这种情况下，如果使研磨部件3以均匀的按压力与被研磨物1接触的状态下实施研磨加工，则确认发现了：在R部的研磨量比直线部的研磨量多的现象。对其原因进行详细调查，结果能够得到如下发现：即便针对平面形状和凸形状部分施加相同的按压力，与研磨部件之间的接触状态也会发生变化，即，在平面形状区域会更宽广地进行接触，而在凸形状部分，接触区域会减小，由此，每单位面积的压力就会出现差异，其导致研磨量存在差异。如果在被研磨物的形状存在有凹部的情况下，则在凹部区域，相比平面形状区域会更宽广地与研磨部件接触，因此，研磨量会进一步减小。该表面压力的差异所导致的研磨量的不同如图2所示，在凹部、平面、凸部，两者的接触面积分别为大、中、小，表面压力与其相反，表面压力高的位置容易进行研磨，也容易发生基材露出的现象。总之，如果以相同的按压力对两者进行研磨，则还会发生研磨不均，或者，在施加过度的表面压力的情况下，导致表面的金刚石被削掉，使基材露出。

另外，对于表面的金刚石的结晶尺寸因位置不同而存在有差异的被研磨物，如果在同一条件下进行研磨处理，则有可能发生研磨不均，并且，产生基材露出的问题。如图3的照片所示，确认到了：金刚石结晶具有大结晶和小结晶，结晶尺寸越小，研磨量越多。

接下来，验证：改变针对于金刚石结晶尺寸相同的被研磨物表面的按压力而进行研磨时的研磨状态。进行如下试验：对被研磨物表面照射激光(输出41W)进行加热，使用金属的研磨部件，在将其前端温度加热到200℃的状态下，使其以规定按压力按照100mm/s揉搓被研磨物。如图4所示，将按压力设定为5N、10N、30N、60N，将揉搓次数为30次、60次以及120次时的表面粗糙度进行数据化而用图表表示。由该结果能够确认到了：按压力越大，研磨量越多，按压力对研磨加工造成较大影响。

接下来，关于本发明的研磨加工法，对构成其基本的技术思想进行说明。关于解决由被研磨物的形状不同所引起的研磨不均(课题1)，有如下发现：与前述的被研磨物表面为凹部、平面、凸部的情形相对应地，与研磨部件之间的接触面积为大、中、小，而表面压力则与其相反，表面压力高的位置容易进行研磨，也容易发生基材露出的现象，基于该发现，本发明对研磨部件的按压力进行了控制，以使得加工区域的表面压力均匀。即，如下控制：与凹部、平面、凸部相对应地，按压力为小、中、大。图5的上段示意性地表示在平面部增大按压力、在凸部减小按压力。

关于解决研磨量与被研磨物表面的金刚石结晶尺寸相对应地发生变化的问题(课题2)，如上所述，考虑到其主要原因在于：结晶尺寸越小、越容易被研磨的特性，本发明采用与金刚石的结晶尺寸相对应地对研磨部件的按压力进行控制的方法。即，在结晶尺寸较大的部分，增大研磨部件的按压力，在结晶尺寸较小的部分，减小研磨部件的按压力。图5的下段示意性地表示出：在结晶尺寸较大的(大粒径)区域增大按压力、在结晶尺寸较小的(小粒径)区域减小按压力。

图6中以框图表示没有发生研磨不均及基材露出的本发明的研磨装置中的控制系统的基本构成，对动作功能进行说明。11为：输入基础信息、设定信息或者发出动作指令的像键盘这样的输入机构，12为：存储有与研磨部件、被研磨物的组合相对应的研磨量差异、或者由金刚石的结晶尺寸确定的按压力的修正量等的存储部，13为：从存储部12读取基于所设定的条件而得到的对应信息，从而运算适当控制量并输出给研磨头的按压机构14、研磨部件的加热机构15、研磨头的驱动机构16以及被研磨物加热机构17等本装置的各机构的运算控制部。与金刚石之间的化学反应、机械摩擦力因为研磨部件的材质不同而不同，并且，研磨量还会因为研磨部件的形状以及与被研磨物的形状之间的组合而发生变化，因此，建立与各选择条件相对应的研磨信息的数据库并累积存储于存储部12。另外，研磨量还会因为金刚石的结晶尺寸而发生变化，因此，关于其修正量，也作为表信息而建立数据库并累积存储于存储部12。另外，优选该存储部12具备能够从像USB存储器这样的外部存储器输入数据的构成。这些累积存储信息作为与设定条件相对应的一览表而发挥作用，从存储部12读取必要信息，发送给运算控制部13。该运算控制部13中，与设定条件相对应地运算：本装置的研磨头的按压机构14、研磨部件的加热机构15、研磨头的驱动机构16以及被研磨物加热机构17等各机构的适当控制量，并向各机构输出。

图7是表示实际测量：对具有凸部和平面部的第一被研磨物进行研磨时的研磨量而得到的数据的图。第一被研磨物的规格如附图左所示，形状为外径内径厚度35mm的环形状，关于表面粗糙度，最大高度Rz为2.5μmRz，其是通过热丝CVD法在超合金制基材上涂覆金刚石而得到的。以该第一被研磨物为试验样品，使用照射条件为输出值30W、点径的光纤激光，将钽()制的金属线亦即研磨部件的温度调整为200℃，将圆周速度设定为300mm/s，将金属线进给速度设定为0.36mm/s，将研磨头的进给间距设定为0.01mm，对环状的被研磨物实施研磨。将研磨部件的按压力设定为30N，对环的外周面(凸面部)和平面部，重复擦过次数。两者在同一条件下进行研磨，在60次测定研磨量，在120次再次测定研磨量。其结果用图7的右侧的图表表示。能够确认到：凸面部的研磨量比平面部的研磨量多，并能较快地进行研磨。此外，对于此处的研磨量，测量研磨完成情况的表面粗糙度，以与初期值的差值的形式，采用其值。该测量时用东京精密公司制表面粗糙度计(SURFCOM 2000SD3)，依据JISB0601-20001，测定最大高度Rz。加工余量为0.8。

图8是对具有凹部和平面部的第二被研磨物进行研磨并算出适当按压力的说明图。第二被研磨物的规格如附图左所示，形状为外径内径厚度15mm的环形状，对于表面粗糙度，最大高度Rz为1.7μmRz，其是通过热丝CVD法在超合金制基材上涂覆金刚石而得到的。以该第二被研磨物为试验样品，在与第一被研磨物同样的加工条件(其中，停止激光的照射)下，将研磨部件的按压力切换到30N、50N、65N，揉搓120次，结果，平面部的研磨量较多。将其值用图8的右侧的图表表示。能够确认到：以30N研磨平面部(顶面)的状态和以65N研磨凹部时的研磨量大致匹敌。因此，对该第二被研磨物进行研磨的情况下，只要在平面部的研磨中施加30N的按压力，在凹部的研磨中施加65N的按压力，就能够进行不会发生研磨不均的适当的研磨。

像这样，取得与各选择条件相对应的适当按压力的数据并进行累积存储，具体而言，对应于研磨部件的材料以及前端形状与被研磨物的形状之间的组合而建立数据库。另外，关于金刚石的结晶尺寸，也准备多个样品，取得同一按压力下的研磨量数据，将结晶尺寸与研磨量的关系制成表数据，再依次改变按压力，以多段的表数据的形式建立数据库。

实施例

接下来，对实施本发明的研磨方法的研磨装置之一例进行说明。图9所示的结构为表示本发明所涉及的研磨装置的加工部的构成的例子。在研磨头驱动机构16上设置有研磨部，通过该驱动机构来确定两者相对于被研磨物1而言的位置及姿势。

另外，研磨部件3使用金属线状的部件，研磨部的前端为研磨头，将该研磨头按压于加工面的研磨头按压机构14也配置在研磨头驱动机构16上。

被研磨物通过被研磨物保持机构18而被保持，利用马达19驱动旋转，与研磨头进行揉搓。被研磨物工件的外周面为凸部形状，顶面为平面，因此，在外周面减小按压力，在顶面增大按压力，进行研磨。

产业上的可利用性

本说明书中，对本发明的研磨部件的表面具有容易与碳发生反应的金属或浸炭性的金属并且进行化学研磨的方案进行了说明，但并不限定于此，只要为长条状的研磨部件能够连续地或者间歇地导出、卷取的方案即可，还可以适应于使用了金刚石砂纸、带状研磨部件或者金刚石金属线等的机械研磨方式。

Claims (2)

1.一种金刚石表面的研磨方法，其通过使至少含有金属或金属氧化物的线状或者带状的长条形状的研磨部件揉搓其表面由金刚石形成的被研磨物从而进行研磨，

所述金刚石表面的研磨方法的特征在于，

将该研磨部件的研磨表面连续地或者间断地进行导出，并且，根据揉搓部处的所述被研磨物的材质和/或所述被研磨物的形状，来控制所述研磨部件的按压力，以使得加工区域的接触面压力均匀，并且根据所述被研磨物的金刚石表面的结晶尺寸，修正所述研磨部件的按压力。

2.一种金刚石表面的研磨装置，其具有对被研磨物进行保持的机构，且具备：至少含有金属或金属氧化物的线状或者带状的长条形状的研磨部件、将该研磨部件朝向该被研磨物的加工面按压的机构、以及使该研磨部件和该被研磨物相对运动而进行揉搓的机构，

所述装置的特征在于，

具备：输入、存储该被研磨物的形状或坐标信息的机构、根据该被研磨物的形状来输入或运算按压力的机构、以及输入金刚石的结晶尺寸的机构，

按照该输入或运算得到的规定按压力来对所述按压机构进行控制，并且具有与所输入的结晶尺寸相对应地对所述规定按压力进行修正运算的机构，按照运算得到的该规定按压力来对所述按压机构进行控制。