單晶金剛石刀具的新型加工方法
時(shí)間:2011-05-25 12:19:02 來源:未知
1 引言
采用傳統(tǒng)的機(jī)械研磨方法制造金剛石刀具時(shí)，因研磨線速度高，局部壓力大，對(duì)刀具表面及刃口沖擊劇烈，不可避免地會(huì)導(dǎo)致刀具表面產(chǎn)生微小溝紋和較厚的加工變質(zhì)層，且刀刃鋸齒度較大，從而限制了刀具質(zhì)量的進(jìn)一步提高。試驗(yàn)表明，采用機(jī)械方法研磨金剛石的表面粗糙度極限值約為3nm，刀刃鋸齒度最小只能達(dá)到幾十納米的數(shù)量級(jí)，表面加工變質(zhì)層厚度約為200nm。
隨著超精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展以及加工精度的不斷提高，對(duì)金剛石刀具的精度及質(zhì)量要求也更為苛刻。研究還發(fā)現(xiàn)，刀具表面變質(zhì)層厚度將直接影響刀具的壽命與零件的加工質(zhì)量。因此，開發(fā)新型的金剛石刀具加工方法無疑是突破機(jī)械研磨方法對(duì)刀具質(zhì)量限制的有效途徑。
此外，如高精度輪廓儀、隧道掃描顯微鏡、原子力顯微鏡等儀器中使用的金剛石探針的前端球頂圓弧半徑要求達(dá)到或小于1～2µm，精度要求高于0.1µm；加工光通信用光柵表面的微細(xì)溝紋時(shí)，需要使用刀尖圓弧半徑為0.1～3µm，并具有相當(dāng)高的尺寸與形狀精度的金剛石雕刻刀具。對(duì)于此類特殊要求，采用傳統(tǒng)的機(jī)械研磨方法或者無法達(dá)到，或者加工成本極高，因此也迫切需要開發(fā)新型的金剛石工具加工方法。
下面介紹近年來出現(xiàn)的四種較為典型的金剛石工具加工方法。
圖1 離子束濺蝕法的加工原理
2 離子束濺蝕法
離子束濺蝕法是利用高能離子的轟擊作用直接對(duì)被加工工件進(jìn)行物理濺蝕，以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的微細(xì)加工。離子束濺蝕法的加工原理如圖1所示。采用擴(kuò)散泵使加工室達(dá)到10-5torr的真空，然后充入壓力為5×10-4torr的工作氣體(如氬氣)。鎢陰極與環(huán)狀陽極之間的電壓為40V，可保證電極間的持續(xù)放電。永久磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場為熱激發(fā)電子形成一個(gè)螺旋形長通道，可最大程度地使氬氣電離為等離子體。由等離子體中釋放出的離子束通過雙層?xùn)艠O聚焦系統(tǒng)(其中內(nèi)柵起隔離作用，外柵用于離子束的加速)，由此形成具有強(qiáng)方向性及低散射能的簇射離子束。被加工的金剛石安裝在一個(gè)傾斜角可調(diào)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，距柵極約5mm。通過改變回轉(zhuǎn)軸的傾角范圍和回轉(zhuǎn)速度，可得到不同的加工形狀及加工精度。加工速率及質(zhì)量與離子束能量、工件表面電流密度及離子束相對(duì)于被加工表面的夾角有關(guān)。離子束濺蝕法最適于加工關(guān)鍵尺寸小于1µm的微小金剛石工具，并可達(dá)到很高的形狀精度。
3 真空等離子化學(xué)拋光法
真空等離子化學(xué)拋光法的加工原理如圖2所示。轉(zhuǎn)動(dòng)的磨盤被中間的高真空區(qū)分為左右兩部分。左邊為沉積區(qū)，采用真空等離子物理氣相沉積法在磨盤表面鍍上一層細(xì)晶粒氧化硅；右邊為研磨區(qū)，金剛石表面處于活化狀態(tài)的碳原子通過與磨盤上的氧化硅發(fā)生分子級(jí)化學(xué)反應(yīng)而形成磨削作用。反應(yīng)生成的一氧化碳或二氧化碳?xì)怏w被真空泵抽出反應(yīng)室。該方法的研磨速度為1～3000µm3/s，約每秒0.25～750個(gè)原子層，可研磨出極高質(zhì)量的刃口。該方法最先被美國刀刃技術(shù)公司用于研磨超精密金剛石鏡面切削刀具，該刀具可廣泛用于加工各種納米級(jí)精度的超精表面。
圖2 真空等離子化學(xué)拋光法的加工原理
4 無損傷機(jī)械化學(xué)拋光法
該方法是在NaOH溶液中加入適量的細(xì)金剛石粉和更細(xì)微(達(dá)納米級(jí))的硅粉，帶強(qiáng)負(fù)靜電的細(xì)微硅粉會(huì)吸附在粒度大得多的單個(gè)金剛石微粒上形成具有硅吸附層的金剛石磨料，然后將其涂敷在多孔的鑄鐵磨盤上對(duì)被加工金剛石進(jìn)行研磨。研磨時(shí)，吸附在金剛石微粒上的硅粉一方面可阻止金剛石微粒對(duì)被加工金剛石表面的直接沖擊，保護(hù)金剛石表面不會(huì)產(chǎn)生深度損傷，另一方面可與被加工金剛石表面發(fā)生反應(yīng)并通過其微弱的磨削作用將反應(yīng)層去除。該方法的磨削速度非常低，僅為每分鐘一個(gè)原子層。
#p#分頁標(biāo)題#e#5 熱化學(xué)拋光法
在溫度為800℃時(shí)，若使金剛石表面與鐵接觸，金剛石晶體中的碳原子能夠擺脫自身晶格的約束，擴(kuò)散到鐵晶體晶格中去。熱化學(xué)拋光法即是運(yùn)用此機(jī)理對(duì)金剛石表面進(jìn)行研磨加工。
研磨時(shí)，在氫氣氣氛中將鐵質(zhì)研磨盤加熱到800℃，使被加工金剛石表面與鐵質(zhì)研磨盤接觸并相對(duì)滑動(dòng)，金剛石晶格中的碳原子就會(huì)擴(kuò)散到鐵晶體晶格中，達(dá)到磨削金剛石的目的。進(jìn)入鐵晶格中的碳又與氫氣反應(yīng)生成甲烷并隨氣流散發(fā)到空氣中。該方法的磨削速度為每秒40～2000個(gè)原子層。
利用該方法刻蝕金剛石，還可在其表面加工出圖案和花紋，制成各種精美的金剛石工藝品。
圖3 機(jī)械研磨與化學(xué)研磨的刀刃圓弧比較淺，可提高金剛石刀具的壽命。
6 結(jié)語
上述加工方法具有以下共同特點(diǎn)：
- 對(duì)被加工金剛石表面無沖擊，避免了機(jī)械加工方法造成的表面沖擊溝痕，使被加工表面異常光潔，其表面粗糙度可達(dá)1nm。
- 被加工金剛石表面與研磨盤之間的接觸力非常小，易于研磨出高質(zhì)量的刀刃。
- 被加工金剛石表面的損傷與變質(zhì)層較
- 磨削速度很低，只適用于精磨加工后的超精密拋光。
此外，采用機(jī)械方法加工制成的金剛石刀具用于鏡面切削時(shí)，通常存在一個(gè)“磨合期”，即需要經(jīng)過一段時(shí)間的切削過程，刀具才能達(dá)到最佳加工效果。究其原因，是由于刀刃圓弧實(shí)際是由一些不規(guī)則的折線組成。研究文獻(xiàn)表明，化學(xué)研磨方法可得到比機(jī)械加工方法光滑得多的刀具刃口圓弧(如圖3所示)，制成的刀具在使用過程中可消除“磨合期”，且工件表面加工質(zhì)量得以大幅度提高。