一種高精度金剛石玻式壓頭的機(jī)械刃磨方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適合于制造高精度金剛石玻式壓頭的機(jī)械刃磨方法，應(yīng)用于材料表面微納米尺度力學(xué)特性的檢測(cè)，屬于納米硬度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近三十年來(lái)，納米硬度測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料表面微納米尺度力學(xué)特性的檢測(cè)。納米硬度測(cè)量技術(shù)指的是通過(guò)使用高精度的金剛石壓頭壓入或刻劃材料表面從而檢測(cè)材料微小體積內(nèi)力學(xué)特性的一種方法。壓痕和劃痕的深度一般為微米甚至納米尺度，是進(jìn)行表面涂層、薄膜材料和材料微納尺度表面等力學(xué)特性測(cè)試的理想方式。按這種方法設(shè)計(jì)的納米壓痕儀通過(guò)實(shí)時(shí)連續(xù)地記錄壓頭在樣品表面的加載和卸載過(guò)程，能夠得到試驗(yàn)過(guò)程中施加在壓頭上的載荷與壓頭壓入材料深度的關(guān)系，這是傳統(tǒng)宏觀或顯微硬度檢測(cè)方法所不能達(dá)到的。
[0003]對(duì)于納米硬度測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，要獲得納米尺度的壓痕或劃痕，除了高精度的測(cè)試儀器、良好的測(cè)試環(huán)境以及符合要求的樣品表面以外，還需要高精度的金剛石壓頭。其中玻氏壓頭是目前大多數(shù)儀器化納米壓痕試驗(yàn)所使用的壓頭，與其它壓頭相比，它可以加工得非常尖銳，并且即使在很小的深度范圍內(nèi)，這種壓頭的形貌與理想壓頭的偏差也較小，非常適合壓入深度不大的壓痕試驗(yàn)。由于目前壓頭研磨水平的限制，即便是高精度玻氏壓頭的尖端也具有一定的鈍化，習(xí)慣上將尖端鈍化區(qū)域看做球面。在相同的深度下，非理想壓頭的橫截面面積大于理想壓頭的橫截面面積，而這將造成很多負(fù)面影響。例如用尖端較鈍的壓頭對(duì)極薄的膜進(jìn)行壓痕試驗(yàn)時(shí)，由于所需完全塑性變形的深度較大，而薄膜較薄，因此不能準(zhǔn)確測(cè)得薄膜的相關(guān)力學(xué)特性；反之，若壓頭尖端鈍圓半徑很小，則獲得可靠硬度測(cè)量結(jié)果的壓痕或劃痕深度越小，其能檢測(cè)的材料厚度也越薄。總之，金剛石壓頭的制造和加工質(zhì)量對(duì)材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果具有很大的影響。
[0004]金剛石是自然界中硬度最高的材料，因此對(duì)其研磨拋光非常困難。如何高效地制造高精度金剛石工具以及金剛石晶體的研磨去除機(jī)理是目前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。專門研究金剛石玻氏壓頭加工方法的資料較少，但金剛石壓頭作為金剛石工具的一種，分析其它金剛石刀具的制造工藝方法具有一定的普適性。目前，用于金剛石刀具加工的工藝方法有:機(jī)械刃磨法、離子濺蝕拋光法、化學(xué)拋光法、機(jī)械化學(xué)拋光法、化學(xué)輔助機(jī)械拋光法、熱化學(xué)拋光法、激光刻蝕法、熱機(jī)耦合刃磨法、聚焦離子束加工法等。綜合考慮到加工效率、成本和精度，傳統(tǒng)機(jī)械刃磨法還是制造高精度金剛石刀具的首選方法，當(dāng)前還沒(méi)有其它工藝方法能夠?qū)⑵涮娲?br>[0005]傳統(tǒng)機(jī)械刃磨方法一般采用涂覆有金剛石磨料的鑄鐵研磨盤對(duì)金剛石進(jìn)行研磨，金剛石磨粒嵌入鑄鐵研磨盤的表面微孔中或游離于研磨盤表面并對(duì)所研磨的金剛石表面進(jìn)行擠壓刻劃，從而達(dá)到去除材料的目的。金剛石壓頭也主要采用機(jī)械刃磨的方法進(jìn)行加工。根據(jù)國(guó)外金剛石壓頭生產(chǎn)商提供的產(chǎn)品資料，金剛石玻氏壓頭尖端鈍圓半徑已經(jīng)能夠研磨到20nm，遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的200nm。而國(guó)內(nèi)金剛石壓頭的制造商，如上海天然金剛石工具廠、豪速金剛石工具有限公司、東洋鉆石工具有限公司等廠家，提供的金剛石壓頭精度普遍不高，尖端鈍圓半徑為數(shù)百納米至數(shù)微米，甚至有明顯的破損，達(dá)不到納米硬度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。至于天然金剛石刀具，國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的宗文俊學(xué)者深入研究分析了金剛石刀具的機(jī)械刃磨過(guò)程，并對(duì)金剛石晶體表層材料的去除機(jī)理進(jìn)行了全新認(rèn)識(shí)，目前所研制的金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑能穩(wěn)定達(dá)到30?50nm(ZL 200510010404.X)。
[0006]如上所述，若直接參照天然金剛石刀具的機(jī)械刃磨工藝參數(shù)加工金剛石玻氏壓頭，理論上應(yīng)該能直接得到小于50nm的鈍圓半徑。但根據(jù)我們前期的研究表明，采用金剛石刀具的機(jī)械刃磨工藝參數(shù)加工金剛石玻氏壓頭，尖端鈍圓半徑要達(dá)到小于200nm的ISO標(biāo)準(zhǔn)還較為困難。因此，為了實(shí)現(xiàn)高精度金剛石玻氏壓頭制造的國(guó)產(chǎn)化，并達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的最高技術(shù)水平，需要詳細(xì)研究機(jī)械刃磨過(guò)程中各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)壓頭尖端鈍圓半徑的影響，尋求較好的機(jī)械刃磨工藝參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了加工各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到ISO 14577要求的金剛石玻式壓頭，提出了一種適合于制造高精度金剛石玻式壓頭的機(jī)械刃磨方法。本發(fā)明主要從金剛石晶體明顯的各向異性和極高的耐磨性特征入手，結(jié)合前期積累的金剛石刀具機(jī)械刃磨加工經(jīng)驗(yàn)，亦采用機(jī)械刃磨的方法加工金剛石玻式壓頭。通過(guò)金剛石壓頭的研磨工藝實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析金剛石磨料粒度、研磨壓力、研磨盤轉(zhuǎn)速、往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)金剛石玻氏壓頭研磨所得鈍圓半徑的影響，包括尖端鈍圓半徑和棱邊鈍圓半徑，并建立優(yōu)化的金剛石玻氏壓頭研磨工藝。為打破國(guó)外的技術(shù)壁皇、提高我國(guó)金剛石玻式壓頭的加工水平，邁出了探究性的一步。
[0008]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]一種高精度金剛石玻式壓頭的機(jī)械刃磨方法，基于金剛石晶體是各向異性、超硬難加工材料，對(duì)加工中的金剛石磨料粒度、研磨壓力、研磨盤轉(zhuǎn)速、往復(fù)運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行綜合分析，建立參數(shù)優(yōu)選后的機(jī)械刃磨工藝，以此獲得鈍圓半徑小于30nm、角度誤差達(dá)到ISO14577標(biāo)準(zhǔn)要求的金剛石玻式壓頭。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0010]步驟一:選擇規(guī)整的六面體天然金剛石顆粒作為壓頭頭部材料，選擇熱膨脹系數(shù)極低的鐵鎳合金作為壓頭柄材料，根據(jù)壓頭柄設(shè)計(jì)參數(shù)和六面體金剛石顆粒大小準(zhǔn)備好壓頭柄。
[0011]步驟二:使用真空釬焊方法實(shí)現(xiàn)金剛石顆粒與壓頭柄的穩(wěn)固連接。
[0012]步驟三:把壓頭柄安裝到鉆石工具研磨機(jī)的分度夾具上，使壓頭柄垂直于金剛石砂輪盤后，采用W50金剛石或碳化硅砂輪將壓頭端部多余的焊料和壓頭柄材料去除，露出金剛石本體，然后把壓頭柄卸下并在光學(xué)顯微鏡下對(duì)金剛石晶體定向，選定晶向后在壓頭柄上做好標(biāo)記。
[0013]步驟四:將壓頭柄按標(biāo)記重新安裝到分度夾具上，并在研磨機(jī)自帶的光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)下調(diào)校壓頭柄安裝誤差，使壓頭柄與分度夾具軸線盡可能平行，調(diào)整后的安裝誤差為:壓頭柄進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)，端部左右擺動(dòng)量小于20 ym。
[0014]步驟五:采用W50金剛石或碳化硅砂輪對(duì)壓頭柄端部進(jìn)行滾磨加工，滾磨錐角應(yīng)符合壓頭柄設(shè)計(jì)參數(shù)，滾磨至露出金剛石顆粒即可停止。
[0015]步驟六:恒溫控制研磨機(jī)周圍環(huán)境條件為23 °C，恒溫精度±0.5°C ;在主軸冷卻水循環(huán)系統(tǒng)正常工作情況下，空載靜置研磨機(jī)，使其性能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
[0016]步驟七:重新對(duì)擺軸進(jìn)行清零操作，清零完成后設(shè)置分度夾具軸線與研磨盤夾角為65.03°，該參數(shù)代表了金剛石壓頭側(cè)面與壓頭柄軸線夾角。
[0017]步驟八:采用800#的銅基金剛石砂輪粗磨金剛石壓頭三個(gè)側(cè)面，定位被刃磨面的好磨方向，然后設(shè)置刃磨工藝參數(shù)為:砂輪盤附加往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)速4200r/min，研磨壓力20N，金剛石壓頭側(cè)面與金剛石砂輪接觸點(diǎn)位置距離主軸中心30mm。在此工序中，可從分度夾具上拆下壓頭柄，然后采用光學(xué)顯微鏡離線檢測(cè)金剛石壓頭三個(gè)側(cè)面，若800X下尖端和棱邊無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷則可進(jìn)入精磨工序，否則重復(fù)步驟八至無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷為止。
[0018]步驟九:用鑄鐵研磨盤替換800#金剛石砂輪盤，然后在鑄鐵盤表面均勻涂覆W0.1的金剛石研磨膏，接著用研磨塊在研磨盤表面手工預(yù)研10分鐘后刮除研磨盤表面多余研磨膏。
[0019]步驟十:對(duì)金剛石壓頭三個(gè)側(cè)面進(jìn)行精磨，精磨工藝參數(shù)設(shè)置為:鑄鐵研磨盤附加往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)速4200r/min，研磨壓力15N，金剛石壓頭側(cè)面與鑄鐵研磨盤接觸點(diǎn)位置距離主軸中心的距離為30mm。
[0020]步驟十一:從分度夾具拆下壓頭柄，采用光學(xué)顯微鏡離線檢測(cè)金剛石壓頭三個(gè)側(cè)面，若1400X下尖端和棱邊無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷，則可采用AFM繼續(xù)檢測(cè)壓頭尖端形貌并計(jì)算壓頭鈍圓半徑；若1400X下尖端和棱邊有肉眼可見(jiàn)缺陷，則視為不合格，應(yīng)重新按步驟十進(jìn)行精磨。
[0021]步驟十二:對(duì)于AFM檢測(cè)合格的金剛石玻氏壓頭進(jìn)行壓頭柄的加工。
[0022]步驟十三:壓頭柄加工完成后，采用激光共聚焦顯微鏡對(duì)金剛石玻氏壓頭各角度參數(shù)的制造誤差進(jìn)行檢測(cè)。
[0023]步驟十四:檢測(cè)完成后用酒精對(duì)金剛石玻氏壓頭進(jìn)行清潔，并裝護(hù)套、裝盒保護(hù)。
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的有益效果:
[0025]1、本發(fā)明提供了一種適合于制造高精度金剛石玻式壓頭的機(jī)械刃磨方法，基于金剛石晶體明顯的各向異性和極高耐磨性特征，對(duì)加工中的金剛石磨料粒度、研磨壓力、研磨盤轉(zhuǎn)速、往復(fù)運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行綜合分析，優(yōu)化機(jī)械刃磨工藝參數(shù)組合，即先采用粗磨粒的銅基金剛石砂輪粗磨，快速形成壓頭三棱錐的幾何形貌，再采用涂覆粒徑W0.1金剛石研磨膏的鑄鐵研磨盤進(jìn)行精磨，得到加工質(zhì)量良好以及各項(xiàng)角度參數(shù)達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求的高精度金剛石玻式壓頭。
[0026]2、本發(fā)明不僅加工效率高，而且加工的玻式壓頭非常鋒利，尖端和棱邊鈍圓半徑可小于30nm，壓頭角度參數(shù)完全符合ISO 14577標(biāo)準(zhǔn)。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是用于加工金剛石玻式壓頭的鉆石工具研磨機(jī)；
[0028]圖2是鉆石工具研磨機(jī)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)示意圖；