（机械制造及其自动化专业论文）单晶金刚石弹性浮动研磨技术研究.pdf

摘要 摘要 单晶金刚石具有高硬度、高弹性模量及优良的抗磨损、抗腐蚀和化学稳定性， 在许多工业领域有着广泛的应用前景，如高精度表面切削加工刃具、飞行器窗口 材料及各种科技产业等。随着科技及应用发展，人们对金刚石表面提出了更严格 的要求。由于金刚石材料的硬脆特性，一般地，获得有形状要求的高精度及粗糙 度值低的金刚石表面困难，因此开展金刚石的精密研磨技术研究，具有良好的应 用前景和实用价值。 首先，本论文针对研磨过程中诸如金刚石硬脆材料经常遇到的问题，提出一 种基于弹性浮动状态下进行金刚石研磨的加工方法，即令工件和磨具处于弹性浮 动状态，在此状态下适当地设计和选择弹性系统的参数，达到有效地减小或降低 传统加工过程振动等不利参数的影响，从而实现金刚石表面的超精密加工。论文 基于该原理，进行了实验装置的设计和改造，并通过计算机对弹性浮动研磨加工 运动轨迹控制，展开了实验研究。试验表明：弹性浮动加工方法可以获得高精度 的金刚石表面。论文还对弹性浮动加工的特点进行了总结。 实验观察到金刚石弹性浮动研磨过程中存在着三个不同的加工区域：金刚石 表面凹坑区、解理区、光滑区。研究认为三个区域分别与三个不同的加工阶段相 对应。本研究对这些区域的产生和特点进行了分析。并对其机理进行了探讨和研 究。研究认为在粗研磨盘研磨加工时，金刚石受较大载荷的冲击作用，表现为以 金刚石解理去除为主的机械去除。而随着加工进化，金刚石所受到的冲击大大的 减小，而且研磨盘不断的出现微刃，金刚石去除也以机械去除为主，但在弹性浮 动状态下，材料能够被均匀稳定地去除，从而获得金刚石光滑表面。 论文采用单因素方法，对弹性浮动加工系统中研磨盘的转速、弹性系数对加 工的表面质量的影响进行了研究。实验结果表明工艺参数的改变会对金刚石表面 产生影响，选择适中的研磨速度和弹性系统的弹性系数，可以获得高精度的金刚 石表面。研究表明，在目前系统下，疗= 1 8 0 r p m 和k = 1 3 2 n m i l l 条件下可以研磨 较好的金刚石表面。 论文最后对弹性浮动加工系统能有效地衰减或隔离加工过程中产生的各种 广东工业大学工学硕士学位论文 振动影响进行了实验分析和研究，此外，分析了弹性浮动加工过程中，加工进化 以及形成的微刃数对表面加工质量的影响，建立了微刃与金刚石表面冲击影响的 力学模型。 关键词：弹性浮动加工：研磨；金刚石；振动 i i a b s t r a c t a b s t r a c t s i n g l ec r y s t a ld i a m o n d h a st h eh i g h e s th a r d n e s s ，h i g he l a s t i cm o d u l u sa n dg o o d a n t i w e a ra n da n t i c o r r u p t i b i l i t y t o d a y ，t h e r ea r em a n y i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n so fs i n g l e c r y s t a ld i a m o n d ，i n c l u d i n gs i n g l ep o i n tc u t t i n g ，a i r c r a f tw i n d o w ，a n dm a n yo t h e r s s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf i e l d s w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f a p p l y i n gf i e l d ，p r e c i s e s u r f a c e sa r er e q u i r e d b u td u et oi t se s p e c i a lp h y s i c a lp r o p e r t i e so fd i a m o n d ，i ti s d i f f i c u l tt ob el a p p e d s oi th a sg o o da p p l i c a t i o nf u t u r et od or e s e a r c h e so np r e c i s e l a p p i n go f d i a m o n d f i r s t l y ，t h ee l a s t i cf l o a tl a p p i n gb a s e d o ne l a s t i cs y s t e mi sp r e s e n t e d w h e nt h e d i a m o n da n dt h el a p p i n gp l a t ea r ei ne l a s t i cs y s t e ma n dt h ee l a s t i cp a r a m e t e r sa r e d e s i g n e da n ds e l e c t e d ，i tc a nd e c r e a s et h eb a de l e m e n t sa n dg e tp r e c i s i o nd i a m o n d s u r f a c e b a s e do nt h i sp r i n c i p l e ，t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n tw a sd e s i g n e da n dr e b u i l t t h e l a p p i n g t r a c e sw e r ec o n t r o l l e db yc o m p u t e r t h er e s u l t ss h o wt h i sm e t h o dc a ng e t ah i g hp r e c i s i o no fd i a m o n ds u r f a c e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f e l a s t i cl a p p i n gw e r ea l s os t u d i e d t h r e ed i f f e r e n t l a p p i n gr e g i o n s ，i n c l u d i n g c r a t e ra r e ao fd i a m o n ds u r f a c e ， d i s s o c i a t i o na r e aa n ds m o o t ha r e a ，w e r eo b s e r v e dd u r i n gd i a m o n dl a p p i n gp r o c e s sb y e l a s t i cf l o a t l a p p i n g t h o s e t h r e e r e g i o n sc o r r e s p o n d t ot h r e ed i f f e r e n t l a p p i n g p r o c e s s e s t h es t u d i e so nh o w t h o s er e g i o n sc o m ei n t ob e i n gw e r ec a r r i e do u t t h e s t u d i e ss h o wt h a tw h e nad i a m o n dw a sl a p p e di nr o u g hl a p p i n gp l a t e ，t h er e m o v a l m e c h a n i s mo fd i a m o n di sr e s u l tf r o mm a c h i n er e m o v a l w i t ht h ee v o l u t i o no f l a p p i n g ， t h em a t e r i a lo fd i a m o n di s e q u a b l yr e m o v e di ne l a s t i c f l o a tl a p p i n g a n dap r e c i s e d i a m o n ds u r f a c ec a nb eg o t i nt h i sp a p e r ，t h ee f f e c t so f l a p p i n gs p e e da n d e l a s t i cc o e f f i c i e n to nt h eq u a l i t yo f d i a m o n ds u r f a c ea r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a n g e so f p a r a m e t e ra f f e c t t h eq u a l i t yo fs u r f a c e t h er e s u l t ss h o wt h a t 刀= 1 8 0 r p ma n dk = 1 3 2 m mi sg o o d f o rd i a m o n d l a p p i n g i 广东工业大学工学硕士学位论文 f i n a l l y , a v i b r a t i o nt e s to ne l a s t i c s y s t e m ，w h i c h a t t e n u a t e sa n ds e p a r a t e s v i b r a t i o n ，w a sd o n e b a s e do nt h et e s t s ，t h ee f f e c to fs u r f a c ei m p a c to nt h e s u r f a c e q u a l i t yi sa n a l y z e da n d am o d e lo fe l a s t i cf l o a tl a p p i n gw a se s t a b l i s h e d k e y w o r d s ：e l a s t i cf l o a tl a p p i n g ，l a p p i n g ，d i a m o n d ，v i b r a t i o n i v 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 金刚石是单一碳原子的结晶体，其晶体结构属等轴面心立方晶系( 一种原子 密度最高的晶系) f 。由于金刚石中碳原子问的键为s p 3 杂化共价键，因此具有 很强的结合力、稳定性和方向性。独特的晶体结构使的金刚石具有自然界物质中 最高的硬度、刚性、折射率、导热系数及优良的抗磨损、抗腐蚀性和化学稳定性 等。 金刚石作为一种工程结构材料和功能材料，在装饰、电子、光学、机械等许 多领域有着广泛的应用前景。如利用金刚石的高强度、高弹性模量及良好的透射 能力，可用于高温高压下的透射元件，如用于飞行器的窗1 3 材料【2 1 。随着金刚石 材料应用领域的增大，对金刚石加工的要求越来越严格，高的表面精度、形状精 度、及无损伤表面都是目前高精度金刚石所要求的。 以机械领域来说，天然金刚石的优良性可以满足精密及超精密加工对刀具的 特殊要求，在精密、超精密加工领域取得了广泛的应用。天然金刚石内部无晶界 的均匀晶体结构使的刀具刃口理论上可以达到原子级的平直度和锋利度，切削时 切薄能力强、精度高、切削力小。天然金刚石高强度、抗腐蚀、抗磨损和化学稳 定性保证了刀具的超长使用寿命，能保证持续长久的稳定切削，并减小刀具磨损 对零件精度的影响。例如，菲涅尔透镜、复印机的感光磁鼓和激光扫描用多面反 射镜的铝合金的镜面加工等，都需要用超精密单晶金刚石刀具 3 1 。此外高精度轮 廓仪、原子力显微镜等仪器中使用的金刚石探针的前端球顶圆弧半径要求达到或 小于l 2 a m ，精度要求高于0 1 a m ；加工光通信用光栅表面的微细沟纹时，需 要使用刀尖圆弧半径为0 1 3 a m ，并具有相当高的尺寸与形状精度的金刚石雕 刻刀具。 由于金刚石加工技术涉及航空、航天领域，世界各国对此技术都保密，国外 很少有该技术的实质性的报道。目前国内所使用的圆弧刃金刚石刀具基本上是进 口的，价格十分昂贵。国内还没有高精度的圆弧刃金刚石刀具研磨设备，对金刚 广东工业大学工学硕士学位论文 石研磨工艺的研究还比较粗浅。所以我国开展金刚石加工技术的研究已经迫在眉 睫4 1 。 作为广东省自然科学基金项目“纳米机械加工及其在碳纳米管研究中应用” ( 项目号：2 0 0 1 0 0 3 3 ) 及广州市科技计划项目“实时可控纳米加工”( 项目号： 2 - d 2 0 4 1 ) 的一部分，本课题着重于探讨一种新的加工方法，研究在研磨机床中 创造性地应用弹性梁及弹性垫，使机床一工具一工件系统处于弹性浮动状态，有 效的控制弹性系统的参数，达到材料的微量去除，从而实现超微量进给、超微量 切削，并在弹性系统下解决减小端跳和振动对加工的影响问题，使工件表面获得 高精度。对探索和研究金刚石加工有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 本节对与本研究密切相关的金刚石的性质、及金刚石抛光技术研究的有关现 状、超光滑研磨技术目前的现状进行综述。 1 2 1 天然金刚石的性质 金刚石具有非常独特的性能，这些均取决于它的结构( 如图1 1 所示) 。在 金刚石晶体中每个碳原子均以共价键与最邻近的四个碳原子结合，形成图1 1 ( a ) 所示之四面体；该四面体又在三维空间相互联结构成图1 一l ( b ) 所示的立 方晶体，其中包含两个相互穿插的面心立方晶体【5 】。在金刚石中碳的共价键非常 强，所以四面体单元十分坚固。由于高密度强共价键存在，并且这种键又有很强 的方向性，所以晶体中只能有很狭的位错而且难以运动。金刚石的这种结构使得 金刚石具有的许多特性：高硬度、高弹性模量和高的塑性变形抗力，使之成为一 种特殊的高性能材料。 1 2 1 1 物理性质金刚石为目前地球上最硬的物质，天然金刚石的显微硬度在 9 5 0 0 0 1 0 0 6 0 0 n r a m 2 ，几种材料的显微硬度比较如表1 1 。金刚石的弹性模量 极高，约为9 1 0 5 船口，金刚石的抗弯强度不高，大约在2 1 0 5 0 0 n m m 2 ， 是硬质合金的1 4 1 3 。抗压强度为2 0 0 0 删2 ，约为硬质合金的1 2 ；抗断强度 2 第一章绪论 为7 9 1 0 5n c m 2 ；压缩系数为o 1 6 0 2 3 x 1 0 。5n m m 2 ；金刚石的导热性比较好， 热传导系数为o 3 5 c a r c m s c ，是硬质合金的5 倍；比热为o 5 j g c ，是硬质合金的 3 倍；金刚石的熔点是4 0 0 0 c 6 1 。 表1 1 几种材料显微硬度比较 t a b l e1 1 c o m p a r i s o n o fm i c r o s t i f f n e s so fs e v e r a lm a t e r i a l 金刚石氮化硼碳化钨刚玉黄玉石英碳化硼 显微硬度 1 0 0 0 0 0 7 5 0 0 0 1 7 3 0 02 0 6 0 01 4 2 7 01 1 2 0 03 7 0 0 0 ( 俨日)9 0 0 0 04 3 0 0 0 ( a ) 四面鹿单元( b ) 立方晶胞 在角上 在面内 0 在立方体内 图1 一l 金刚石的晶体结构 6 】 f i g 1 1c r y s t a ls t r u c t u r eo fd i a m o n d 【6 j 1 2 1 2 化学性质 金刚石的含碳量通常为9 6 9 9 9 ，最纯的金刚石也含有约 0 0 0 1 的杂质。天然金刚石的杂质主要有氮、铝、硅、钙、镁等。金刚石是非常 稳定的矿物，高浓度、高温度的氢氟酸、盐酸、王水对它不起作用。仅仅微溶于 硝酸纳、硝酸钾及碳酸纳的熔融体中。在高温下，某些金属如f e 、n i 等能熔蚀金 刚石。在空气中金刚石加热至8 5 0 c 高温时燃烧。金刚石加热燃烧后形成二氧化 碳。 1 2 1 3 光学性质对金刚石进行相互作用照射时，能够改变金刚石的物理化学性 能，如颜色、电阻、硬度等。用能量大的电子束照射时，无色的金刚石会变成青 广东工业大学工学硕士学位论文 色；当能量达到1 5 兆电子伏特时，金刚石变成青绿色：将金刚石加热到3 0 0 c 时，金刚石的青皮减小；当加热6 0 0 ( 3 时，青色变成绿色，紧接着出现黄色。这 是由于电子轰击金刚石时，颜色中心移动而改变金刚石的颜色。 1 2 2 天然金刚石及金刚石膜的加工技术现状 目前常用的金刚石及金刚石膜的抛光方法有：机械研磨抛光、离子束溅蚀法、 热化学抛光法、真空等离子化学抛光法、无损伤机械化学抛光法、纯化学抛光法、 氧化化学法、电火花抛光法、激光束抛光和磨粒水射流抛光。 机械研磨抛光通常采用金刚石研磨粉进行机械研磨，研磨盘由材料中孔隙的 形状、大小、和比例均经过优化的研磨金刚石专用高磷铸铁制成。研磨盘表面镶 嵌由金刚石研磨粉。研磨粉粒度、研磨盘表面状态及盘面的跳动、机床的振动都 对金刚石的研磨质量有一定的影响。 离子束溅蚀法主要原理是利用高能离子的轰击作用直接对加工表面进行物 理溅蚀，以实现对金刚石的原予级的加工【7 叫1 1 。采用扩散泵使加工室达到1 0 4 t o r r 的真空，然后充入压力为5 x 1 0 。4 t o r r 的工作气体( 如氩气) 。钨阴极与环状阳极 之间的电压为4 0 v ，可保证电极间的持续放电。永久磁铁产生的轴向磁场为热激 发电子形成一个螺旋形通道，可最大程度的使氩气电离为等离子体。由等离子体 释放出的离子束通过双层栅极聚焦系统，形成具有强方向性和低散射能的簇射离 子束。被加工的金刚石安装在一个倾斜角可调的旋转工作台上，通过改变回转轴 的倾角范围和旋转速度，可得到不同的加工形状和加工精度。加工速率和质量与 离子束能量、工件表面电流密度及离子束相对被加工表面的夹角有关。离子束溅 蚀最适于加工关键尺寸小于l a m 的微小金刚石工具，并可达到很高的形状精度。 采用离子束加工加工质量比较高，可以实现局部的原子级加工( r a l 9 n m ) ，但加 工效率较低 埔】。 热化学抛光法的主要原理是在温度为8 0 0 。c 时，若使金刚石表面与铁接触， 金刚石晶体中的碳原子能够摆脱自身晶格的约束，扩散到晶体晶格中去 n 。1 ”。热 化学即利用此机理对金刚石表面研磨加工达到金刚石材料的去除目的。在氢气气 氛中将铁质研磨盘加热到8 0 0 c ，使金刚石与铁盘接触并发生相对滑动，金刚石晶 格中的碳原子会扩散到铁晶体的晶格中，达到磨削金刚石的作用。进入铁晶格中 4 第一蕈绪论 的碳原子与氢气反应生成甲烷气体散发到空气中。这种抛光方法的抛光率取决于 碳原子向金属板扩散的速度，化学抛光的磨削速度为每秒4 0 - - 2 0 0 0 个原子。 真空等离子化学抛光法加工原理主要是让金刚石表面处于活化状态的碳原 子与研磨盘的氧化硅发生反应而形成磨削作用【1 。转动的磨盘被中间的高真空区 分为左右两部分。左边为沉淀区，用真空等离子物理气相沉淀法在研磨盘表面镀 上一层细晶粒氧化硅；右边为研磨区。在高真空中活化金刚石表面，与旋转的研 磨盘相接触。金刚石表面处于活化状态的碳原子与研磨盘的氧化硅发生反应。反 应生成的一氧化碳和二氧化碳被真空泵抽出反应室。这种方法的反应速度为1 3 0 0 0 州3 厶( 约为每秒0 2 5 7 5 0 个原子层) 。 无损伤机械化学抛光法的基本原理是在氢氧化钠溶液中加入一定的金刚石 细粉和更细的( 纳米级) 硅粉，带强负电的硅粉会吸附在比其大的多的金刚石颗 粒上，形成具有硅吸附层的金刚石研磨粉，然后将其涂覆在多孔的铸铁研磨盘上 m 。研磨金刚石时，吸附在金刚石研磨粉上的硅粉一方面阻止金刚石研磨粉对金 刚石表面的直接冲击，保护金刚石表面不被深度损伤。另一方面，与被加工表面 发生反应，通过微弱的磨削作用将反应层去除。该方法的磨削率非常低，为每分 钟一个原子层。 纯化学抛光的加工原理是利用某些活性很强的金属( 如镧等) ，在一定的工 艺条件下使得金刚石表面发生化学反应1 8 , 1 9 。抛光的实质是碳原子向熔融或固态 稀土金属中的扩散实现的。其抛光速度和抛光的温度有关。化学抛光的效率要高 于机械抛光的效率，在9 4 0 温度下反应可以将金刚石膜的表面粗糙度从r a l 2 降到r a l 6 口肌。 氧化化学抛光其原理是将金刚石沉浸在熔融状态的氧化剂k n o 。和k o h 中， 在进行机械研磨抛光的时，氧化剂k n 0 3 和k o h 与金刚石发生化学反应生成c o 和c o z 而去除材料【2 2 2 1 。这种方法抛光由于抛光中只是发生在与抛光盘相接触的 凸起部分，抛光的效率并不高，但抛光后的微观质量好，可以达到镜面光洁度。 电火花抛光是对金刚石膜表面进行合适的涂覆，使得金刚石膜成为导体。利 用电火花加工产生的热能及表面涂覆金属的热扩散作用，对金刚石膜材料局部蚀 除，放电加工过程金刚石表面石墨化产生导电膜，使得电火花放电过程得以继续 2 3 2 5 。其蚀除机理为：金刚石膜的气化、金剐石膜的氧化、金刚石膜向石墨和非 晶碳的转化、电火花放电产生的抛出力作用、热应力在金刚石表面微裂纹以及金 广东工业大学工学硕士学位论文 刚石晶粒的断裂破碎等。 激光束抛光是用激光束扫描金刚石表面，使得金刚石瞬时氧化或蒸发2 n 2 8 1 。 激光束抛光是一种非接触抛光，抛光效率较高。但抛光质量不高，且设备昂贵、 对操作和控制要求较高。 磨粒水射流抛光是将磨粒悬浮液高速喷向金刚石表面，靠水射流的冲击与摩 擦作用来抛光 2 9 , 3 0 。磨粒水射流抛光抛光效率较高，但抛光时材料去除不均匀， 且对金刚石和金刚石膜表面有较大的冲击，抛光的表面有微裂纹。 1 2 3 研磨技术的发展和现状 研磨技术作为一种古老的而且实用的技术具有其他技术无可比拟的优点。尤 其在现代得到了突发猛进的发展。目前对原有的研磨和抛光加工方法加工技术进 行变革或采用新的原理，产生了以降低元件表面粗糙度为主要目标的超光滑加工 技术。随着人们对亚纳米级光滑表面形成机理的认识的深入和超光滑表面检测技 术的提高，出现了许多应用化学、磁学、流体力学和能量场原理加工超光滑表面 的新的方法。现介绍如下： 1 2 3 1 非接触抛光在常规抛光中，工件与抛光模处于接触状态；抛光模通过抛 光粉颗粒旅加在工件表面的力，是造成晶体表面损伤、破坏其表面晶格完成的主 要原因。为减小施加给工件表面的抛光力，出现了以保证晶体表面的完整性为主 要目的的非接触抛光方法。其中包括：动压浮离抛光、浮动抛光、非接触化学抛 光、进行式化学抛光。 动压浮离抛光由渡边纯二( w a t a n a b ej u n j i ) 1 3 1 1 首先提出，它是运用流体现 象和粉末作用：当沿圆周方向制有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过 液体楔产生液体动压，使得保持环中的工件浮离圆盘表面，通过浮动间隙中的粉 末颗粒对工件进行抛光。因为没有摩擦热和工具的磨损，标准平面不会变化，因 此，可重复获得精密的工件表面。 浮动抛光由难波义治( y n a m b a ) 【3 2 1 提出，是使用高平面度并带有同心圆或 螺旋沟槽的锡抛光盘、高回转精度的抛光机，将抛光液覆盖在整个抛光盘的表面 上，使得抛光盘及工件高精度回转，在两者之间抛光液呈动压流体状态，并形成 第一章绪论 一层液膜，从而使得工件在浮起状态下进行抛光的一种平面度极高的非接触超精 密抛光方法。 非接触化学抛光由j g o r m l e y ”1 提出，是借助流体压力使得工件基片从抛光 盘面上浮起，利用具有腐蚀作用的液体作加工液的抛光方法。水面滑行抛光时工 件与抛光盘之间不接触，而且不使用磨料，是一种化学抛光方法。 进行式化学抛光( p m a c ) 由河西敏雄( t k a s a i ) 【3 4 j 首先提出，它是采用 特殊夹具，在同一加工表面上同时抛光不同硬度的工件，不同硬度材料的去除率 不同；随着抛光时间的延续，低硬度的工件因去除量较大，表面与抛光模之间的 接触状态至非接触，抛光力也相应地由大渐变为零，从而获得无损表面。 1 2 3 2 场效应辅助加工近年来，利用场效应的辅助抛光技术发展的很快，主要 针对复杂形状表面的镜面加工。其主要是利用和控制电、磁场的强弱使得磁流体 带动磨粒对工件施加压力，从而获得高形状精度、高表面质量和无晶格畸变的表 面抛光方法。其中包括：磁流体抛光、磁磨粒抛光、磁悬浮抛光。 磁磨料抛光m a f ( m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ) 技术是由进村武男( t s h i n m u r a ) 【3 习发展起来的。磁磨料抛光是在磁场中充满了微细磨粒，磁场作用使 得形成了磁力抛光刷，工件在其中边回转、边振动，从而实现工件表面的抛光。 磁流体抛光m f p ( m a g n e t i c f l u i dp o l i s h i n g ) 技术是由n ，u m e h a r a 【36 】发展起来。 m f p 技术将普通抛光粉混合在磁性流体内，工件与非磁浮板浸没于磁性抛光液 在。根据磁流体动力学原理，在磁场作用下，抛光液中的铁磁性颗粒被吸引向强 磁区运动，同时产生浮力将非磁性材料( 抛光粉) 推向低磁区，与工件接触。这 样，在磁流体的作用下，工件被浮板和抛光粉抛光。工件所受抛光粉的磨削力可 以精确控制，因而可以获得亚纳米级光滑表面。 1 2 3 3 新原理加工方法超光滑表面的抛光是工件材料以原子级被去除。为提高 超光滑表面加工的精度和效率，人们进行了大量研究工作，提出了许多的加工方 法。 森勇藏( ym o r i ) 【3 7 】提出了e e m ( e l a s t i ce m i s s i o nm a c h i n i n g ) 加工方法， 这种方法是采用抛光液浸没工件方式，利用聚氨酯小球在工件表面旋转，二者之 间产生约i 历厚的液膜；聚氨酯小球带动抛光液中粒度为数十纳米的抛光粉颗 7 广东工业大学工学硕士学位论文 粒，在液膜中以极高速度碰撞工件表面，从而使得工件表面产生原子级弹性破坏， 导致材料的去除。 1 3 本课题的来源与主要研究内容 1 3 i 课题来源 广东省自然科学基金项目( 项目号：2 0 0 1 0 0 3 3 ) ： 纳米机械加工及其在碳纳米管研究中应用 广州市科技计划项目( 项目号：2 - d 2 0 4 1 ) ： 实时可控纳米加工 1 3 2 课题研究的主要目标 探讨基于弹性系统的金刚石弹性研磨加工获得金刚石超光滑表面的可能性 并分析弹性浮动加工方法的特点。 通过试验研究，分析和探讨金刚石采用弹性浮动研磨加工的材料去除特性。 1 3 3 课题研究的主要内容 设计基于弹性系统的金刚石弹性研磨加工试验装置。 试验研究和分析金刚石弹性浮动加工方法的特点。 通过试验和分析，对金刚石采用弹性浮动研磨加工的材料去除特性进行研究。 建立弹性浮动加工中微刃数与表面冲击的力学模型，分析弹性系统在衰减及 隔离加工过程中的各种振动影响。 通过不同参数下的加工结果对比试验，优化工艺参数，实现金刚石的超精密 表面的获得。 第二章弹性浮动研磨原理、装置设计和初步实验 第二章弹性浮动研磨原理、装置设计和初步试验 本章首先提出了基于弹性系统的弹性浮动研磨加工原理，依据该原理进行了 试验装置的设计和改制。以该装置进行初步试验，在该实验基础上分析了弹性浮 动加工与传统加工方法的区别，并对弹性浮动加工方法的特点进行了总结和分析。 2 1 研究背景 随着科技及应用发展，人们对金刚石表面提出了更严格的要求。由于金刚石 材料的硬脆特性，一般地，获得有形状要求的高精度及粗糙度值低的金刚石表面 困难，因此开展金刚石的精密研磨技术研究，具有良好的应用前景和实用价值。 国内目前金刚石的加工水平还比较落后，以金刚石刀具为例，国内所使用的 圆弧刃金刚石刀具基本上是进口的，价格十分昂贵。国内外开展了一系列的金刚 石加工方法的研究。但最新的抛光存在成本高、效率低、操作过程复杂等问题， 需要系统的研究其机理、各种加工参数对加工效率和质量的影响。如无损伤机械 化学抛光法，该方法加工效率非常低，仅为每分钟一个原子层【l 7 j ；离子束溅蚀法 及真空等离子化学抛光法，也同样存在设备复杂，制造成本高的缺点【1 0 1 1 , 1 6 ；激 光束抛光设备昂贵且抛光质量不高 2 6 , 2 7 】；磨粒水射流抛光也存在抛光时材料去除 不均匀，且对表面有较大的冲击等缺点 2 9 , 3 0 。并且这些方法都难以获得高精度的 平面。 而机械研磨作为一种传统的加工方法，具有加工稳定、易于控制、加工成本 低，还在被广泛使用。并且许多新的技术不断的应用于金刚石的机械研磨中，如 静压空气轴承、动平衡和静平衡技术等 3 ”。目前金刚石高精度的机械研磨主要依 靠高精度的机床来保证，加工精度依赖于加工机床的精度，即遵循“母性原则”。 但通过提高机床的机构部件的精度来减小加工误差的裕度已经很小 39 1 ，故只能寻 求从加工机理上着手提高金刚石加工精度。加工机理是加工方法的本质，是超精 密加工的关键。目前，随着人们对亚纳米级光滑表面形成机理的认识的深入和超 光滑表面检测技术的提高，出现了许多应用化学、磁学、流体力学和能量场原理 9 广东工业大学工学硕士学位论文 加工超光滑表面的新的方法，其本质就是要有效的、可控的实现纳米级材料的去 除。 而另外，金刚石对振动和冲击非常敏感，冲击和振动是影响金刚石加工的一 个重要影响因素，如何有效的减小振动和冲击是金刚石加工研究的一个重要问题， 现有技术一般采用空气静压主轴结构或磁悬浮轴承技术使研磨主轴的跳动控制在 0 1 埘甚至o 0 1 埘以内，并保证研磨盘的平面度和动平衡以获得高精度刃口质 量，但存在成本高昂、生产效率低。弹性系统作为一种优良的减振和消振系统【4 ， 如何利用弹性系统、并进行合理的设计来降低加工中的振动及外界的振动，从而 获得好的加工表面，也是一个很好的思路。 本研究将弹性系统这种一种自适应的系统应用于加工中，即令工件和磨料处 于弹性浮动状态下进行加工，来获得高精度的研磨表面。 2 2 弹性浮动研磨原理 作为一种“进化性加工”方法，本论文首次提出基于弹性系统的弹性浮动研 磨技术：将被加工工件与研磨工具置于弹性系统中，通过两者的相互运动来实现 材料的去除加工。 基于弹性系统的弹性浮动加工原理是被加工工件和磨粒处于弹性系统中，令 工件和研磨工具作相互运动，从而实现材料的加工。在工件与研磨工具运动的过 程中，因为弹性系统的存在，实现材料的有选择的去除，并且相互提高精度。其 原理见图2 一l 。 获得高精度的表面还需要材料的均匀去除来保证。传统加工中，工件被刚性 把持或在载荷的作用下，工件与磨粒进行接触，因为磨盘的端跳及外界的振动， 难以控制加工过程中的冲击能量，进而难以控制工件材料的去除量，造成加工表 面质量的下降。基于弹性系统的弹性浮动加工状态下，作用在工件上的载荷，通 过弹性系统来施加，可以保证作用在工件上力的均匀性，从而使得材料均匀去除。 高精度的表面要求具有高的尺寸精度、低的粗糙度和表面缺陷。研具对超精 密研磨质量和精度有直接的影响。在超精密研磨中，研磨盘的平面度会复印到工 件表面。基于弹性系统的弹性浮动加工中，在非强制力作用下，能自动的选择局 部凸处进行加工，故仅仅切除两者凸出处的材料，从而使研具和工件相互修整并 l o 第二章弹性浮动研磨原理、装置设计和初步实验 逐步提高精度。 金刚石加工中，振动和冲击对金刚石加工的影响很大。弹性系统作为一种优 良的减振和消振系统4 0 1 ，可以用来消除加工中的振动及外界的振动，从而获得高 精度的金刚石表面。 局部微 接触点 + v 图2 1 弹性浮动加工原理图 f 螗2 1r i h ep i j n 喃) k o f e l a s t i c f l o a t l a p p i n g 从以上分析，基于弹性系统的弹性浮动加工具有以下优点，其一：外加载荷 通过弹性体施加在工件上，可以保证加工中磨粒和工件作用力的均匀性，从而实 现材料的均匀去除。其二：弹性系统能有效的消除外界和加工过程产生的振动。 其三：弹性浮动加工可以使得研具和被加工金刚石表面同时在加工过程中进化， 从而加工精度得到提高，获得好的表面。 2 3 金刚石弹性浮动研磨装置的设计 为基于弹性系统的弹性浮动加工原理应用于金刚石的超精密加工中，本论文 在该原理的基础上进行装置的设计和改制。 在装置的设计应遵循精密研磨的设计原则。实现超精密加工所要求遵循的原 广东工业大学工学硕士学位论文 则包括：进化性加工原则、超微量进给原则及超稳定系统原则h 1 1 。 其一：进化性加工原则：采取各种有效措施，使研磨加工工具与被加工金刚 石表面在加工过程中精度得到不断提高，从而随着加工的进行最终获得高精度表 面。 其二：超微量进给原则：为实现精密获超精密加工，必要求超微量切除。也 就是要使得工件最后一道加工工序能够从工件表面上除去小于或等于最后精度等 级的表面层。 其三：超级稳定原则：机床一工具一工件系统及加工过程中产生的干扰，对 超精密加工的工件的尺寸精度、几何形状精度及表面粗糙度都有极大的影响。其 中加工工艺系统的弹性变形、热变形及工具和工件之间的振动位移是三个主要的 干扰因素。因此要达到具有抗力、抗热、抗振的超级稳定性。同时还必须保证工 件材料具有良好的尺寸稳定性。 在研磨过程中，工件始终受到磨具的加工作用。正是由于研磨的这种特性， 使研磨盘自身的精度会以不同的方式不同的程度“复印”到工件表面。欲加工出 高精度的工件一定要求有高精度、高质量、高稳定性的研磨盘，但是在工件被加 工的同时研磨盘本身也被磨损。所以如何保证研磨盘本身的精度也被提出来。 目前针对这些问题，人们提出了各种各样的方法【4 2 ：其一，使工件与研磨盘 间作比较复杂规律的相对运动，从而使工件均匀的走遍研磨盘有效工作面的各部 分，使研磨盘均匀磨损。但目前均采用行星机构，其机构复杂，成本较高。例如 三偏心外摆线式研磨运动轨迹。其二，采用c n c 控制，实时检测研磨盘的精度， 以决定工件与研磨盘的精度，以决定工件与研磨盘的相对运动轨迹，达到研磨盘 均匀磨损的目的。但该方法需要大量高精度的实时检测设备，成本极高，若生产 规模不大也不适合使用。其三，采用修整环实时修正，但如何设计修正环的运动， 达到对研磨盘的修正也是一个问题。 传统金刚石研磨中，是依赖操作者不停的移动金刚石。最新的金刚石研磨设 备也是采用行星式机构，行星机构在机械上易于实现，但其运动轨迹较复杂，不 利于研究研磨中轨迹对加工表面质量的影响。本设计中，将计算机控制技术应用 到装置中，通过程序的设计来获得明确且复杂的平面轨迹，可以保证消除磨盘的 划痕，也可以利于研究轨迹对加工的影响。 在遵循以上一些基本原则的基础上，设计以弹性梁和弹性垫为弹性件，将金 第二章弹性浮动研磨原理、装置设计和初步实验 刚石磨盘固定在弹性垫的上面，并绕主轴旋转。将金刚石固定在弹性梁上，弹性 梁组件安装在由计算机控制的x y 工作台上，可依据要求任意设计运动轨迹，使 得金刚石在金刚石磨盘表面产生复杂的平面运动。主运动为磨盘的运动，载荷通 过弹性梁施加在金刚石上，从而实现金刚石的研磨。其装置设计方案如图2 2 所示。 压力 磨盘 图2 2 弹性浮动加工方案设计图 f i 9 2 2 t h ep r o j o c to fe l a s t i cf l o a tl a p p i n g 自行设计和改造的弹性浮动研磨装置由机械部分和控制部分组成。改造后的 实验装置如图2 3 所示。 机械部分分为；主轴运动机构、弹性梁组件、x y 工作台三部分。 主轴运动机构在一台d a p v 型行星式研磨机进行改造，利用该设备的主轴 运动部分为弹性浮动加工设备的主运动机构。该d a p v 型研磨机的主轴速度范 围0 6 0 0 r p m ，速度可调。弹性垫使用泡沫海绵，金刚石磨盘及海绵垫固定在研 磨盘主轴的上面，形成弹性浮动加工的主运动。 弹性梁使用钢锯条( 材料t 8 ) 。为试验研究弹性梁的弹性系数及响应频率与 研磨后表面质量的关系，弹性梁可调整长度，来改变弹性系数。 弹性梁组件安装在x y 工作台上，x y 工作台由两个步进电机( 常州电机厂， 4 5 b f 0 0 5 一i i 型) 和两个导轨组成，并由计算机控制可在平面上形成任意的轨迹。 控制部分由计算机、p c l 7 3 0 控制卡、步进电机驱动电源箱组成。 p c l 一7 3 0 为3 2 通道的光隔离i o 卡 4 3 1 ，p c l 7 3 0 提供3 2 个隔离i o 通道 ( 1 6 d i 1 6 d o ) 及3 2 个t t l 电平数字i o 通道( 1 6 d i 1 6 d o ) ，其隔离i o 通道可隔断 广东工业大学工学硕士学位论文 现场与计算机的地回路，保护计算机不受损坏。隔离电压为2 5 0 0 v d c 。p c l - 7 3 0 卡有1 个3 7 芯d 型连接头。板内有i o 地址8 位拨码开关，分别接在p c 机地址 总线上。可以设置i o 卡的地址。 图2 3 弹性浮动研磨装置 f i g 2 4d e v i c eo fe l a s t i cf l o a tl a p p i n g 步进电机的驱动方式有多种：单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱 动、集成电路驱动4 4 1 。本装置的是实验用的步进电机驱动电源箱，该电源箱采用 单电压限流型驱动方式，其特点是电路较简单，但电路损耗大，效率低。 步进电机的脉冲分配方法有两种：软件法和硬件法。本装置采用软件法来实 现步进电机的脉冲分配，即按照给定的通电换向顺序即a a b b b c - c c a ，通过 7 3 0 i o 卡向驱动电路发出控制脉冲。 脉冲的频率决定了步进电机的转速，本程序中，通过延时的方式来对步进电 机进行调速。 2 4 实验考察及特点分析 为探讨采用基于弹性系统的弹性浮动加工技术能否获得良好的金刚石表面， 我们在改进的装置上进行实验，并采用s e m 对表面进行观察。实验结果与目前 1 4 第二章弹性浮动研磨原理、装置设计和初步实验 工业用金刚石进行比较。在这基础上我们设计实验与传统加工方法的结果进行对 比，进一步探讨弹性浮动加工方法的特点。 2 4 1 金刚石弹性浮动研磨表面 我们采用该装置对金刚石进行实验。将金刚石粘在弹性梁上。试验用金刚石 采用同一批次天然金刚石。试验结果经超声波洗净，用干净过滤纸吸干后，采用 扫描电子显微镜观察。 试验用研磨工具：2 0 0 0 # 金刚石研磨盘。 因本次试验尚未研究金刚石磨抛轨迹对加工质量的影响，加工轨迹为直线， 只沿磨盘中心线运动，迸给速度由计算机设定，为v = 7 8 m m m i n 。 图2 4 弹性浮动研磨后的金刚石s e m 照片 f i 9 2 - - 4 s e m p i c t u r eo fd i a m o n di ne l a s t i cf l o a tl a p p i n g 加工时加工参数为：弹性梁的弹性系数为k = 1 6 n m m 、工作压力为p = 2 0 0 0 n 、 研磨盘的转速为n = 1 9 0 r p m ，在该条件下进行金刚石的表面研磨。图2 4 为加 工后的金刚石表面扫描电子显微图。图片观察到金刚石表面平整、光滑，基本上 无剥落坑及加工沟痕。 与传统金刚石机械研磨加工方法比较，传统的机械研磨与研磨粉粒度、研磨 力和方向等多种因素有关【4 5 1 。而且加工表面往往带有明显的刮削沟槽，甚至会带 有明显的微裂纹【4 “，并且在传统的研磨中，在研磨过程中磨粒会不断的打碎或损 失，在研磨过程中需要经常向盘面添加新的研磨膏。磨料处于游离态，加工效率 较低。 广东工业大学工学硕士学位论文 与目前较受关注的热化学抛光方法【4 7 】比较，热化学抛光的金刚石表面整体上 较平整，无明显的刮削沟槽，但沿切削方向仍然分布有一些凹坑，坑的边缘较整 齐，无明显毛刺，坑深约为4 r i m 。 采用固着磨料的金刚石研磨盘及弹性浮动的机构可以实现高效率的微小量 的切除加工，从而获得高质量的金刚石表面。 2 4 2 金刚石研磨表面的比较 超精密切削用工业金刚石刀具是金刚石工业应用的一个主要方面，目前金刚 石刀具的刃口己可达到纳米级【4 ”，这是与相应的表面加工技术密切相关的。可以 说金刚石刀具表面的研磨质量代表着目前金刚石研磨的一个水平。 对采用弹性浮动加工的金刚石表面和超精密切削用工业金刚石刀具表面进 行比较，采用扫描电子显微镜对金刚石表面进行观察。图2 5 ( a ) 为采用弹性 浮动加工后的表面s e m 照片，图2 5 ( b ) 为广州某厂家生产的精密切削用金刚 石刀具的表面s e m 照片，可以观察到工业用金刚石表面有明显的加工痕迹。 a ) 弹性浮动加工的金刚石表面s e m 图b ) 工业用金刚石表面s e m 图 图2 5 与工业用金刚石的比较 f i g 2 5c o m p a r i s o nw i t hd i a m o n du s e di ni n d u s t r y 传统的金刚石机械研磨，采用刚性把持，金刚石的研磨加工在铸铁研磨盘上 进行，金刚石粉与橄榄油或其他类似物混合成研磨膏，放置一段时间使研磨膏充 分渗入研磨盘的铸铁孔隙中，再用一较大的金刚石在研磨盘的进行来回的预研磨， 1 6 第二章弹性浮动研厝原理、装置设计和初步实验 以进一步强化金刚石粉在铸铁孔隙中的镶嵌作用。 为对基于弹性系统的弹性浮动研磨技术与传统刚性把持的加工方法的比较， 探讨