專利名稱：一種金剛石膜的高效拋光加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超硬脆材料的特種加工方法，特別是一種金剛石膜的拋光加工方法。
天然金剛石的資源有限，而人工合成金剛石長(zhǎng)期以來用高溫高壓方法生產(chǎn)，只能是粒狀或粉末狀的，這就限制了其使用范圍。80年代以來，氣相沉積(CVD)金剛石薄膜技術(shù)得到迅速發(fā)展，但由于氣相沉積的金剛石膜是多晶膜，晶粒較多，表面凹凸不平，在許多情況下不能直接使用，因而金剛石膜的光整加工(拋光)已成為必不可少的工藝步驟。又由于金剛石膜硬度非常高，且厚度薄，整體強(qiáng)度低。因此在拋光時(shí)，不僅效率低，且極易發(fā)生膜的破裂及損傷。所以解決金剛石膜的拋光問題已成為擴(kuò)大金剛石膜應(yīng)用的關(guān)鍵之一。目前國外對(duì)金剛石膜的拋光主要有以下幾種方式(1)機(jī)械式拋光這種方式采用傳統(tǒng)的研磨或磨削加工手段。它可以進(jìn)行不同程度的粗拋光和精拋光。但效率極低，容易造成膜的損傷，且拋光面上實(shí)際上仍然存在磨削溝痕，降低了工件表面質(zhì)量。(2)熱化學(xué)反應(yīng)拋光它是利用某些化學(xué)元素在一定溫度下與金剛石表面產(chǎn)生熱化反應(yīng)，從而對(duì)金剛石的表面進(jìn)行蝕刻、拋光。(a)熱金屬板法在900度左右、一定的氣氛條件下，將金屬板(鐵等)和金剛石膜對(duì)磨，進(jìn)行無損傷的高表面質(zhì)量拋光，但所需時(shí)間為數(shù)小時(shí)(粗加工)或數(shù)十小時(shí)(精加工)。(b)金屬熔融法此法將稀有金屬膜或金屬粉與金剛石膜相對(duì)，通過高溫下金屬對(duì)金剛石的熔融進(jìn)行加工，效率遠(yuǎn)高于熱金屬板法，并可以進(jìn)行成型加工，但加工表面粗糙度高。(3)離子束加工采用離子束進(jìn)行粗精拋光，加工質(zhì)量好，但粗加工效率偏低，如Rmax＝50um拋光至15Mm約需24小時(shí)，Rmax＝3um拋光至0.5um約需8小時(shí)。(4)激光束蝕刻采用激光束掃描加工使金剛石加熱蒸發(fā)，可獲得較高的效率(約0.1cm/min)，但加工后的表面質(zhì)量通常不高，且使用該法對(duì)激光機(jī)有一定要求，操作工藝復(fù)雜。(5)懸浮磨料水射流加工利用高速高能的磨料流將膜表面的凸起尖鋒“切除”從而達(dá)到拋光的目的?？墒勾植诘慕饎偸け砻孑^快地達(dá)到Rmax＝1-2um較為光整的表面。但如何保證拋光質(zhì)量的均勻性仍然是個(gè)問題。國內(nèi)對(duì)熱化學(xué)反應(yīng)拋光和氧離子束加工金剛石膜進(jìn)行了不多的一些研究，在金剛石膜及其制品的研究工作中，大都用機(jī)械研磨加工法。研究新的高效高質(zhì)量加工金剛石膜的方法和工藝，滿足批量生產(chǎn)的要求，顯然是十分必要的。
本發(fā)明的目的是提供一種可較大地提高加工效率和質(zhì)量，并保護(hù)金剛石膜的晶界和防止熱沖擊損傷，加工穩(wěn)定性和持續(xù)性好，加工精度高、可有效應(yīng)用于工業(yè)化批量生產(chǎn)中的金剛石膜的光整加工方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在金剛石膜表面涂覆一層可使金剛石膜表面形成為導(dǎo)電膜的金屬涂覆層，然后進(jìn)行電蝕加工。
本發(fā)明的基本工作原理是首先在金剛石膜表面涂覆金屬材料，并選擇合適的金屬涂覆層的材料和厚度，利用金屬涂履層對(duì)金剛石的碳固溶性能，對(duì)金剛石進(jìn)行局部融蝕，使金剛石膜表面成為導(dǎo)電膜，然后進(jìn)行電蝕加工，通過旋轉(zhuǎn)電極的平面電蝕拋光加工，并優(yōu)選出合適的電壓、電流、脈寬、脈間轉(zhuǎn)速及電加工液成分等工藝參數(shù)，利用電加工產(chǎn)生的熱能及表面涂覆金屬的熱擴(kuò)散作用，快速對(duì)金剛石進(jìn)行局部碳固溶融蝕，并使金剛石受熱石墨化和汽化，使放電后金剛石表面的石墨化產(chǎn)生導(dǎo)電膜，保證電蝕過程得以適當(dāng)延續(xù)，以最大限度地提高金剛石的加工效率和質(zhì)量，即在最快時(shí)間內(nèi)以較低的成本達(dá)到最理想的加工精度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、可以在很短時(shí)間內(nèi)和用較低的成本獲得理想的加工精度，可在數(shù)分鐘內(nèi)將幾十微米的金剛石膜表面拋光至1微米以下，加工效率高；2、有效保護(hù)金剛石膜薄弱的晶界，防止熱沖擊損傷；3、高質(zhì)量旋轉(zhuǎn)電極的電蝕加工保證了放電加工的穩(wěn)定性、持續(xù)性和加工的表面質(zhì)量。4、加工工藝簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，工件不易破碎。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)和原理

圖1是本發(fā)明的加工方法示意圖；實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例首先在金剛石膜1表面通過化學(xué)鍍或真空蒸發(fā)鍍的方法涂覆一層鎳或鎳合金2，其中鎳或鎳合金的鍍層厚度根據(jù)金剛石膜的表面粗糙度(Ra)來確定，一般選擇鍍層厚度為表面粗糙度的0.01-0.05倍，本實(shí)施例的鎳或鎳合金的鍍層厚度與金剛石表面粗糙度(Ra)的關(guān)系如表1所示，涂覆的一層鎳或鎳合金使金剛石膜表面形成導(dǎo)電膜，使其可以進(jìn)行電蝕加工，然后進(jìn)行電蝕加工，該電蝕加工是在數(shù)控銑床上采用立式旋轉(zhuǎn)電極的平面電蝕拋光加工，通過利用脈沖電源并采用細(xì)顆粒高表面質(zhì)量的電極材料作電極3在主軸上旋轉(zhuǎn)，工作面縱向進(jìn)給的方式來進(jìn)行，其中電極3的幾何形狀為柱形，最好是帶槽的柱形，且槽的形狀可以為螺旋狀槽或徑向槽，同時(shí)該電蝕加工的工藝參數(shù)也根據(jù)金剛石的表面粗糙度(Ra)和加工的精度來選擇，各工藝參數(shù)的選擇如表2所示，電加工液一般采用煤油，以方便清洗，這樣在金剛石膜1涂覆的鎳或鎳合金2，使金剛石膜1表面進(jìn)行局部融蝕，提高加工質(zhì)量和效率，又由于它同金剛石的導(dǎo)熱性能差異，可有效保護(hù)金剛石薄弱的晶界，防止熱沖擊損傷，且放電后金剛石膜表面的石墨化產(chǎn)生導(dǎo)電膜，使電蝕過程可以適當(dāng)延續(xù)，用高質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)電極3進(jìn)行拋光加工，改善了電極間隙沉積的滲出，縮短了放電時(shí)間，使電極磨損均勻并保持幾何精度，保證了拋光加工的穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。為提高質(zhì)量的金剛石膜，電蝕加工完成后，還進(jìn)行表面清洗和超精加工。
表1
表2
實(shí)施例2本實(shí)施例的加工方法同實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于將鍍層金屬換成銅或銅合金，且相應(yīng)的鍍層厚度作一些變化，銅或銅合金的鍍層厚度與金剛石表面粗糙度(Ra)的關(guān)系一般是鍍層厚度為金剛石表面粗糙度(Ra)的0.01-0.05倍，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。
表3
實(shí)施例3本實(shí)施例的加工方法同實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于將鍍層金屬換成鈦或鈦合金，且相應(yīng)的鍍層厚度也作一些變化，鈦或鈦合金的鍍層厚度與金剛石表面粗糙度(Ra)的關(guān)系一般是鍍層厚度為金剛石表面粗糙度(Ra)的0.005～0.01倍，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。
表權(quán)利要求
1.一種金剛石膜的高效拋光加工方法，其特征在于首先在金剛石膜表面涂覆一層金屬涂覆層，然后進(jìn)行電蝕加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述金剛石膜的高效拋光加工方法，其特征在于上述電蝕加工完成后還進(jìn)行表面清洗和超精加工。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述金剛石膜的高效拋光加工方法，其特征在于上述金屬涂覆層的厚度為金剛石膜表面粗糙度Ra的0.005倍-0.05倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述金剛石膜的高效拋光加工方法，其特征在于上述金屬涂覆層通過化學(xué)鍍或真空蒸發(fā)鍍的方法鍍?cè)诮饎偸け砻妗?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述金剛石膜的高效拋光加工方法，其特征在于上述金屬涂覆層的材料為鎳、銅、鈦金屬或其合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述金剛石膜的高效拋光加工方法，其特征在于上述電蝕加工采用立式旋轉(zhuǎn)電極的平面電蝕拋光加工方法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述金剛石膜的高效拋光加工方法，其特征在于上述電蝕加工的工藝參數(shù)如下加工電流0.2-4.0A，電源脈寬1-40us，電源脈間5-24us，電極旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速700-1500vmp。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述金剛石膜的高效拋光加工方法，其特征在于上述電板的幾何形狀為柱形或帶螺旋槽的柱形。
全文摘要
一種金剛石膜的高效拋光加工方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是在金剛石膜表面涂覆一層可使金剛石膜表面形成為導(dǎo)電膜的金屬涂覆層,然后進(jìn)行電蝕加工。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:1、可以在很短時(shí)間內(nèi)和用較低的成本獲得理想的加工精度,加工效率高;2、有效保護(hù)金剛石膜薄弱的晶界,防止熱沖擊損傷;3、高質(zhì)量旋轉(zhuǎn)電極的電蝕加工保證了放電加工的穩(wěn)定性、持續(xù)性和加工的表面質(zhì)量。4、加工工藝簡(jiǎn)單,成本低,易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C23C16/26GK1266111SQ9910490
公開日2000年9月13日 申請(qǐng)日期1999年3月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月9日
發(fā)明者王成勇, 郭鐘寧, 魏昕 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)