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目前加工方法如上圖所示,金剛石加工方法細(xì)分有21種。參考以前的研究將上述細(xì)分方法合并整理,現(xiàn)將研究較多的金剛石的拋光方法分類為:機(jī) 械研磨、熱化學(xué)拋光、動(dòng)摩擦拋光、化學(xué)-機(jī)械拋光(包括化學(xué)機(jī)械拋光、機(jī)械化學(xué)拋 光、化學(xué)輔助機(jī)械拋光和真空等離子化學(xué)拋光)、激光拋光、離子拋光(等離子體拋光 和離子?xùn)c拋光)、電火花拋光等。但有些研究較少的加工方法也很值得關(guān)注,如利用氧官能團(tuán)加工金剛石的研究,復(fù)合加工方法等;近年新興拋光方法 還有紫外線輔助拋光(Ultraviolet rays assisted polishing ) i和震動(dòng)超級(jí)研磨 (Superfinishing vibropolish) 這里僅對(duì)研究較多的拋光方法進(jìn)行介紹:
機(jī)械研磨是最早最傳統(tǒng)的金剛石加工方法,該法將混有金剛石微粉的研磨膏涂于研 磨盤上,利用金剛石粉末來加工金剛石。在加工過程中,磨料與金剛石試件表面之間產(chǎn)生劃擦和沖擊作用,使得金剛石試件表層的高點(diǎn)發(fā)生微破碎,從而達(dá)到平坦化的目的。機(jī)械研磨不需要特殊的加工環(huán)境,而且機(jī)械研磨法效率較高,是目前工業(yè)應(yīng)用的主要加 工方法。但是該方法加工的試件表面粗糙度偏大,損傷層較厚;同時(shí)研磨盤端面跳動(dòng)、機(jī)床振動(dòng)都會(huì)一定程度地影響金剛石的加工質(zhì)量。若要獲得較高的加工質(zhì)量,對(duì)加工設(shè)備和操作的人要求較高,成本也將大幅提高。國(guó)外以英國(guó)、日本和荷蘭研究居多,早在 1983英國(guó)的Jeynes就對(duì)機(jī)械研磨的機(jī)理進(jìn)行研究,1994年荷蘭的Couto研究了金剛 石機(jī)械研磨中在“軟方向”上的去除機(jī)理。由此可以看到國(guó)外機(jī)械研磨研究較國(guó)內(nèi)至少早15年左右,并且研究的較為細(xì)致深入。機(jī)械研磨方法的研究國(guó)內(nèi)以哈爾濱工業(yè)大 學(xué)為代表,1998年孫濤發(fā)表了單晶金剛石刀具機(jī)械刃磨和刃口檢測(cè)的介紹性文章。 2007年哈工大的宗文俊等人對(duì)比了機(jī)械研磨與熱化學(xué)拋光認(rèn)為機(jī)械研磨可獲得Ra 0.8nm表面,而熱化學(xué)拋光只能獲得2.0 nm表面,并加工出10 nm以下的單晶金剛 石車刀刃口。2010年又對(duì)單晶金剛石不同晶面的軟硬方向進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。
熱力學(xué)理論認(rèn)為,較軟的石墨是碳單質(zhì)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),而堅(jiān)硬的金剛石卻處在亞穩(wěn)態(tài) 的,只要獲得足夠的能量,金剛石就很容易轉(zhuǎn)化成石墨。較為典型的做法是將金剛石與 高溫的鐵盤相接觸,金剛是表面的晶格在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)槭Y(jié)構(gòu),并擴(kuò)散到鐵盤中,然 后流動(dòng)的氧氣將擴(kuò)散到鑄鐵盤里面的碳原子還原,生成甲焼氣體,這樣可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的 拋光金剛石。該方法拋光的金剛石表面的表面粗糖度為幾個(gè)納米,表面損傷層也較淺。后來發(fā)展到應(yīng)用與鐵材料結(jié)構(gòu)相似的鎳、鈷、猛等金屬和稀有金屬飾、鑭等。近年有研 究人員用高溫的銅盤來加工金剛石,2009年Fumshiroa等人用加熱的銅盤拋光單晶金剛 石,利用銅在空氣中氧化產(chǎn)生的氧化銅與金剛石反應(yīng),6小時(shí)去除高度為7mn?？傮w 來看,該類方法無論針對(duì)單晶金剛石還是性能不均勻的多晶金剛石都有較好的加工質(zhì)量和較高的加工效率,但是由于加工溫度在70(rC以上甚至高于looor,將產(chǎn)生諸多問題, 例如拋光盤軟化變形、耐磨性下降、加工環(huán)境惡劣、操作不便和設(shè)備復(fù)雜等問題。
動(dòng)摩擦拋光技術(shù)實(shí)際上是對(duì)熱化學(xué)拋光技術(shù)高溫問題的改進(jìn),用摩擦產(chǎn)生瞬時(shí)局部 高溫來代替整體加熱產(chǎn)生高溫。最早該方法由日本的學(xué)者Suzuki等在1996年提出動(dòng)摩 擦拋光技術(shù)(Dynamic friction polishing,DFP) [28],應(yīng)用的拋光盤材料也大多是熱化學(xué) 拋光中所用的材料。2003年Suzuki等對(duì)動(dòng)摩擦拋光金剛石的機(jī)理進(jìn)行了研究,認(rèn)為去 除是由于摩擦熱引起的碳原子擴(kuò)散和隨后的氧化2009年大連理工大學(xué)苑澤偉博士 等人將金屬合金化技術(shù)應(yīng)用到新型拋光盤的制作中,用金屬間化合物對(duì)金剛石進(jìn)行拋 光,改善了拋光盤的性能,獲得較好的加工效果。2009年,該方法的提出者Suzuki 等人發(fā)表了一篇在低壓力下由加熱方法提高去除效率的論文所謂的低壓力為2-5 MPa,速度為2500 nrmin-、由此看來動(dòng)摩擦壓力過大和轉(zhuǎn)速過高問題是存在的。
