用于拋光金剛石和金剛石復合體的方法和設備的制作方法

專利名稱：用于拋光金剛石和金剛石復合體的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明公開一種用于拋光金剛石和金剛石復合體(diamond composites)
的方法和設備。
背景技術：
多晶金剛石(PCD)復合片(compact)應用于(用于加工多種金屬和非金屬材料)的切削工具和許多其他的磨損表面/摩擦表面的應用中。PCD具有優良的性能，諸如極高的硬度、導熱性、強度和對于大多數腐蝕環境的化學惰性。在許多這類應用中(例如在精加工中)，PCD必須具有優良的表面光潔度和邊緣銳度(edge sharpness)。然而，由于金剛石具有極高的硬度和化學惰性，將PCD復合片拋光到這樣的光潔度和銳度已成為難題。
公知的某些機械研磨拋光技術的拋光速率極低，其拋光速率在每小時10納米的量級，因此耗時且成本高昂。近來，已探索了多種用以拋光PCD和金剛石膜的物理及化學手段。這些手段包括機械拋光、化學輔助機械拋光、熱化學/熱金屬板拋光、激光束/等離子束/離子束拋光以及動摩擦拋光。報告認為動摩擦方法是迄今為止最經濟有效的技術。
在動摩擦拋光(DFP)方法中，拋光金剛石復合片并不利用磨料，而是通過將金剛石復合片以預定的壓力壓在高速旋轉的金屬盤上以產生動摩擦。這種工藝示意性地示于圖1中。該工藝可在大氣條件下進行并利用由金剛石和金屬盤之間的動摩擦所引起的熱化學反應。這種工藝旨在提供例如單晶金剛石和PCD的高效無磨料拋光。
在DFP的拋光條件下，拋光界面的溫度會突然地上升，并且在升高的溫度下的化學反應在PCD的拋光中發揮重要的作用。這種拋光機制被描述為(a)通過摩擦加熱以及與催化金屬接觸，將金剛石相碳轉化為非金剛石相碳(non-diamond carbon)，并隨后機械去除所述非金剛石相碳；(b)碳原子擴散到配對金屬(counterpartmetal)內，并與該金屬產生化學反應以形成
7碳化物；以及(C)使碳氧化，并以CO或C02氣體的形式揮發。應理解的
是，碳的化學反應在PCD拋光過程中對于材料去除方面發揮著重要的作用，
其中碳在升高的溫度下與金屬起反應或氧化。
另外，PCD中的其他組分，諸如碳化硅(SiC)和硅(Si)也可以發生化學反應而轉化為無定形氧化硅和/或碳化硅，所述無定形氧化硅和/或碳化硅也在拋光過程中被去除。
近來對DFP工藝的研究涉及拋光效率、拋光機制以及最終形成的PCD表面光潔度。在某些情況中，在機床主軸(machine spindle)上安裝有金屬盤的磨削機(milling machine)上進行試驗。在US 6,585,565和US 6，592，436中，公開了多種金屬間化合物(例如鋯—鎳、鈦一鋁、鈦一鎳)在PCD、單晶金剛石和金剛石膜的動摩擦和熱化學拋光中的應用。然而，所需的測試是在公知的磨削機和/或公知的表面研磨機/接頭研磨機上進行的。已發現使用這種設備不可能有效地執行拋光工藝，并且難以控制諸如施加的壓力等工藝參數。迄今為止還未開發出用于DFP工藝的經濟可行的方法和設備。
這里對現有技術的援引并不是承認這些在先技術構成為在澳大利亞和其他地方的本領域技術人員的公知常識的一部分。

發明內容
在第一方案中，公開了一種用于拋光金剛石材料的方法，該方法包括以
下步驟
將金剛石材料樣品相對于可動的(movable)金屬表面進行定位；以及
使金剛石材料樣品與可動的金屬表面接觸，并同時進行金屬表面的運動以及金剛石材料樣品的旋轉。
已發現，同時轉動金屬表面和金剛石材料樣品可以使拋光工藝的效率顯著提高到使DFP成為經濟可行的拋光技術的水平。
在該第一方案的方法的通常實施形式中，金屬表面是可旋轉的，由此，可以將兩個或更多的金剛石材料樣品相對于可旋轉的金屬表面進行定位，從而使兩個或更多的樣品圍繞以金屬表面的旋轉軸線為圓心的假想圓的圓周而均勻地間隔布置。
在第二方案中，提供了一種用于拋光金剛石材料的方法，該方法包括以下步驟
將兩個或更多的金剛石材料樣品相對于可動的金屬表面進行定位，由此將所述兩個或更多的金剛石材料樣品圍繞以金屬表面的運動軸線為圓心的假想圓的圓周而均勻地間隔布置；以及
使所述兩個或更多的金剛石材料樣品與可旋轉的金屬表面接觸，同時使該金屬表面相對于該金屬表面的軸線運動。
已發現，將兩個或更多的樣品圍繞以該金屬表面的旋轉軸線為圓心的假想圓的圓周而均勻的間隔布置，能夠更好地控制諸如施加的壓力等工藝參數，進而能夠提高拋光工藝的效率。而且，均勻的間隔布置使金屬表面的偏
斜(deflection)最小化。此外，這些因素進一步有助于使DFP成為經濟可行的拋光技術。
在該第二方案的方法的通常實施形式中，金屬表面可圍繞一旋轉軸線轉動，以便當兩個或更多的金剛石材料樣品與可轉動的金屬表面接觸時，該金屬表面和所述金剛石材料樣品均可旋轉。此外，通過均勻的間隔布置和同時旋轉能夠在很大程度上提高拋光工藝的效率。
這里所用的術語"假想圓"是用于限定由兩個或更多的樣品相對于金屬表面的旋轉軸線而假設的幾何圖形。這里，該術語并不意味著在金屬表面上限定有實體圓，也不意味著金屬表面自身是圓形的。例如，金屬表面可限定為或形成為具有各種外部形狀的板或盤等的一部分，但是，該金屬表面圍繞一軸線旋轉，并且兩個或更多的樣品相對于該軸線均勻地間隔布置。
這里所用的術語"金剛石材料"包括天然金剛石及人造金剛石、厚的/薄的金剛石膜、多晶金剛石及金剛石復合體。因此，在此公開的方法和設備可應用于任何這類金剛石材料。
所提到的金剛石材料的"樣品(sample)"包括一個和多個金剛石材料樣本(specimen)，這一點將在下文中明確說明。換言之， 一個"金剛石材料樣品"可包括一個或多個各種尺寸的金剛石材料的獨立樣本。
這里所用的術語"金屬表面"包括金屬的及含有金屬的表面，諸如鋼和各種合金，尤其是不銹鋼、鐵、鎳、鉻、鈷、鈦、鋯以及這些金屬的各種合金等。因此，術語"金屬表面"旨在涵蓋包含有催化與金剛石材料的反應的金屬的任何材料。在第一方案和第二方案的方法中，該(或各所述)金剛石材料樣品相對
于金屬表面的平均滑動速度可在5到60m/s (更典型地為15到30m/s)的范圍內。例如，平均滑動速度為約21m/s被證明是有效的。已經發現該滑動速度的范圍能夠最大限度地促進DFP技術。所述平均滑動速度的范圍可隨著施加到樣品上的壓力的變化而變化，并隨著金剛石材料的表面粗糙度和金剛石材料的熱性能的變化而變化。
在第一方案和第二方案的方法中，該(或各所述)金剛石材料樣品可包括至少兩個金剛石材料樣本，所述金剛石材料樣本未與該樣品的旋轉軸線對齊(non-aligned)。因此，由于樣品能圍繞其旋轉軸線轉動，所以樣本也圍繞該軸線轉動。例如，兩個或更多的樣本也能夠圍繞假想圓的圓周而在樣品上均勻地間隔布置，但此時該假想圓是以該樣品的旋轉軸線為圓心的。金剛石樣本的這種未對齊的布置同樣有助于促進各樣本的均勻(例如平坦的)拋光并且防止金屬表面上產生溝槽。
在第一方案和第二方案的方法中，該(或各所述)樣品的旋轉軸線可以平行于該金屬表面的旋轉軸線。軸線的這種設置使得該方法的幾何圖形的設置更為容易。
在第一方案和第二方案的方法中，通常該(或各所述)金剛石材料樣品被壓制成與該金屬表面接觸。例如，已發現施加到該(或各所述)金剛石材料樣品上的有效壓力在2_25 MPa的范圍內、例如大約為3.5 MPa時能夠最佳地提升DFP技術。所施加的壓力大小可以與平均滑動速度、與對于待拋光的金剛石材料類型而言優選的選定速度和壓力成反向地變化。在這點上，當壓力增大時，平均滑動速度可以減小(反之亦然)。
第一方案和第二方案的方法均可以包括動摩擦拋光階段和隨后的研磨拋光階段，其中該動摩擦拋光階段的持續時間可為l一5分鐘(例如大約3分鐘)，該研磨拋光階段的持續時間可為l一20分鐘(例如大約15分鐘)。該研磨拋光階段可在直接鄰接該金屬表面的研磨表面上進行。
在第三方案中，提供了一種用于拋光金剛石材料的設備，該設備包括保持器，用于將金剛石材料樣品相對于可動的金屬表面進行定位；以及驅動裝置，用于使所述金剛石材料樣品與可動的金屬表面接觸，并用于使該金屬表面的運動和所述金剛石材料樣品的轉動同時進行。當利用第一方案的方法時，該金屬表面和該金剛石材料樣品的同時轉動顯著提高了拋光工藝的效率。
在該第三方案的設備的通常實施形式中，該驅動裝置能夠設置為通過使保持器轉動而使金剛石材料樣品轉動，但該驅動裝置也能夠被設置為使金屬表面轉動。
該第三方案的設備可包括兩個或更多的保持器，用以保持兩個或更多的
相應的(respective)金剛石材料樣品，所述保持器可設置為使兩個或更多的金剛石材料樣品圍繞以金屬表面的旋轉軸線為圓心的假想圓的圓周而均勻地間隔布置。
在第四方案中，提供了一種用于拋光金剛石材料的設備，該設備包括
兩個或更多的保持器，用于保持兩個或更多的相應的金剛石材料樣品，所述保持器設置為使所述樣品相對于可動的金屬表面進行定位，從而使兩個或更多的金剛石材料樣品圍繞以該金屬表面的運動軸線為圓心的假想圓的圓周而均勻地間隔布置；以及
驅動裝置，用于使兩個或更多的金剛石材料樣品與金屬表面接觸，同時使金屬表面相對于該金屬表面的軸線運動。
當利用第二方案的方法時，使兩個或更多的樣品圍繞以該金屬表面的旋轉軸線為圓心的假想圓的圓周而均勻的間隔布置，能夠更好地控制所施加的壓力并使金屬表面的偏斜最小化，從而能夠提高拋光效率。
在該第四方案的設備的通常實施形式中，該金屬表面能夠圍繞旋轉軸線轉動，由此該驅動裝置可以設置為使該金屬表面和各金剛石材料樣品同時轉動。此外，該驅動器能夠通過使各所述保持器轉動而使得各所述金剛石材料樣品轉動。
在第三和第四方案的設備中，該驅動器可包括分別用于驅動各金剛石材料樣品保持器和該金屬表面的馬達，各馬達可設置為驅動所述保持器或表面圍繞相應的旋轉軸線轉動。使用相應的馬達進行驅動能夠獨立地控制(多個)樣品保持器和金屬表面的轉速。
第三和第四方案的設備可構造為，使該(或各所述)樣品保持器的旋轉軸線平行于該金屬表面的旋轉軸線。當利用第一和第二方案的方法時，軸線的這種設置使得該設備的幾何圖形的設置更為容易。然而，如下文所述，也可選擇使用多軸設備。
在第三方案和第四方案的設備中，該(或各所述)樣品保持器可以包括至少兩個樣本安裝位置，各所述樣本安裝位置用于安裝相應的金剛石材料樣本，所述安裝位置偏離該樣品旋轉軸線設置。所述樣本安裝位置能夠圍繞以該樣品的旋轉軸線為圓心的假想圓的圓周均勻地間隔布置。而且，樣本安裝位置圍繞假想圓的圓周均勻的間隔布置，能夠更好地進行拋光控制并施加更均勻的壓力，并且還使金屬表面的偏斜最小化。這樣就使得拋光更為均勻并提髙了拋光效率。
在第三方案和第四方案的設備中，該驅動裝置還可包括動力缸(ram)，
該動力缸用于將(多個)樣品保持器推向該金屬表面，并將該(或各所述)金剛石材料樣品推到該金屬表面上。該動力缸可以是氣動的，并且該動力缸能夠通過安裝到可動構件上的(多個)樣品保持器而在該設備的固定構件和
可動構件之間操作。氣壓動力缸提供了簡單但足夠穩定的(robust)獲得DFP所需的壓力的方法。
可以用質量塊(weight)來替代動力缸，所述重物能夠被添加到該設備上或從該設備上移除以改變施加到所述樣本的壓力。
該可動構件可形成提升及放置機構的一部分，用于將所述樣本以能不偏斜的方式放置在可動的該金屬表面上(例如，該機構由此防止了在更換和移除所述樣本期間的橫向偏斜)。
在該提升及放置機構的一個實施形式中，該可動構件的相對端部均能可滑動地安裝到各自的線性支承件(bearing)上，所述線性支承件通過該動力缸限制該可動構件的運動為朝向或遠離該金屬表面的線性運動。線性支承件是限制該可動構件的橫向和其他不平穩運動的非常有效的方式，從而也有助于更均勻的拋光并提高拋光效率。
在該提升及放置機構的這種實施形式中，該固定構件可由使用中的(in-use)上部橫梁所限定，該上部橫梁的相對端部由該設備的支柱支撐，所述支柱從該設備的機箱延伸出。該可動構件可由使用中的下部滑動橫梁所限定，該下部滑動橫梁能夠相對于該設備的機箱上下運動。該線性支承件可安裝在各支柱上以提高該設備的剛度。所述固定構件和可動構件以及支柱均可由結構性部件制成，以確保該設備的強度和剛度。
12在該提升及放置機構的另一實施形式中，該可動構件的一端樞轉地安裝 到鉸鏈上，并且該鉸鏈還能夠適合于將該可動構件的運動限制為圍繞該鉸鏈 的弧形運動，以便將所述樣本移向或移離該金屬表面。在另外的實施方式下， 該固定構件可以限定在該鉸鏈上或由該鉸鏈來限定。該鉸鏈可安裝到該設備 的機箱或機架上或結合到該設備的機箱或機架中。該弧形運動還可能受到在 該可動構件上操作的驅動裝置(例如動力缸、質量塊等)的作用。另外，該 鉸鏈能夠提供限制該可動構件的橫向和其他不平穩運動的、簡單而有效的方 式。
在第三和第四方案的設備中，該金屬表面可形成金屬盤的一部分，該金 屬盤由驅動裝置的一部分驅動而圍繞該盤的中心軸線轉動。該盤可以呈環 形，該環形限定動摩擦拋光表面。
由此可以限定設置在該環形內部的研磨拋光表面。在第三和第四方案的 設備中，該驅動裝置能夠適合于移動該(或各所述)樣品保持器，從而將該 (或各所述)樣品從該動摩擦拋光表面移動到該研磨拋光表面。
用于形成研磨拋光表面的材料可包括金剛石復合體、立方氮化硼(cubic boron nitride)、碳化硼等。
在第五方案中，提供了一種用于拋光金剛石材料的設備，該設備包括 保持器，用于使金剛石材料樣品相對于可動的金屬表面進行定位；
提升及放置機構，其設置為用以與所述保持器或該金屬表面協同操作， 以便將該樣品以能不偏斜的方式定位在該金屬表面上。
提升及放置機構是限制所述樣品的橫向運動和其他不平穩運動的非常 有效的方式，從而有助于更均勻的拋光及提高拋光效率。
盡管該提升及放置機構通常被設置為與保持器協同操作，以將所述保持 器移向或移離該金屬表面，但該提升及放置機構也可設置為與該金屬表面協 同操作，以將該金屬表面移向或移離該保持器。在又一個變型中，該提升及 放置機構能夠被設置為既與該保持器協同操作又與該金屬表面協同操作，以 使兩者移向彼此或移離彼此。
在該第五方案中，該提升及放置機構可包括一構件，所述保持器或該金 屬表面相對于該構件而被支撐。隨后，可設置用以在該構件上操作的驅動裝 置，以便將該樣品以能不偏斜的方式放置在可動的金屬表面上。該驅動裝置
13可以由氣壓或液壓動力缸限定，或由質量塊等限定。
在第五方案的一個實施形式中，所述保持器能夠相對于該構件安裝，并 且該構件的相對端部均能夠可滑動地安裝到相應的用以限制該構件移動的 線性支承件上，由此使所述保持器以線性方式移向或移離該金屬表面。
雖然在這種實施形式中所述保持器相對于該構件安裝以便隨著該構件 移動，但可選地或附加地，該金屬表面能夠相對于同一個構件或另一個構件 安裝，以使該金屬表面以被該線性支承件支撐及限制的方式移動。
在這一實施形式中，該構件可相對于一固定構件運動，該固定構件是由 使用中的上部橫梁限定的，該上部橫梁的相對端部由該設備的支柱支撐，所 述支柱從該設備的機箱延伸出。該可動構件則可由使用中的下部滑動橫梁限 定，該下部滑動橫梁能夠相對于該設備的機箱上下運動。該線性支承件可安 裝在各支柱上，以提高該設備的剛度。該固定構件、該可動構件以及所述支 柱均可由結構性部件制成，以確保該設備的強度和剛度。
在第五方案的另一實施形式中，該構件的一端能夠樞轉地安裝到一鉸鏈 上，該鉸鏈同樣能夠適合于將該構件的運動限制為圍繞該鉸鏈的弧形運動， 從而將所述樣品移向或移離該金屬表面。在另一實施形式中，該構件可相對 于限定在該鉸鏈上或由該鉸鏈所限定的固定構件運動。該驅動裝置還能夠在 該固定構件和該可動構件之間進行操作。另外，該鉸鏈可安裝到該設備的機 箱或機架上或結合到該設備的機箱或機架中。另外，該鉸鏈可以提供用于限 定該可動構件的橫向和其他不平穩運動的、簡單但有效的方式。
第五方案的設備還可以與第三和第四方案中所限定的設備不同。


盡管其他的實施形式可被如發明內容中所披露的方法和設備所涵蓋，現 在將僅以例舉的方式參照附圖來描述所述方法和設備的特定的實施例，在附 圖中
圖1示出了動摩擦拋光的示意圖2以三維方式描繪了本文所公開的動摩擦拋光設備的樣機；
圖3示出了本文所公開的動摩擦拋光設備的前視局部剖面示意圖4示出了表明滑動速度對拋光率的影響的兩個標繪圖(a)和(b):標繪圖(a)中示出了第一種PCD (含有約65%的、粒度為6微米 的金剛石顆粒)；
標繪圖(b)中示出了第二種PCD (含有約75%的、粒度為25微
米的金剛石顆粒)；以及
圖5三維地描繪了PCD樣本的表面(a)利用動摩擦技術拋光；以及(b)
(拋光前)獲得的。
具體實施例方式
圖1示意性地示出了動摩擦拋光DFP工藝。如圖所示，多晶金剛石復合 片(PCD)樣本安裝在樣本保持器(holder)內。該保持器被按壓(加載) 以迫使該樣本以一預定壓力壓在高速轉動的專用金屬盤上，進而產生動摩 擦。DFP工藝通常在大氣條件下進行，并在PCD和金屬盤之間產生(由動 摩擦引起的)熱化學反應。該工藝還能夠在富氧氣氛中進行以加速該工藝過 程(即通過促進碳的氧化來加速該工藝過程)。DFP工藝能夠對例如單晶金 剛石或PCD進行無磨料拋光(abrasive-free polishing)。
現在將參照圖2和圖3描述用于以有效和可控制的方式執行DFP的方法 和設備。
就此而言，用于拋光金剛石材料的設備以拋光機10的形式示出。圖示 的拋光機10包括兩個樣本保持器12，每一個樣本保持器均用于將多個(例 如四個)PCD樣本14定位在可旋轉的金屬盤16上。當然，該拋光機能夠容 易地適合于設置多于兩個的樣本保持器，并且每一樣本保持器均能夠適合于 保持少到一個或遠多于四個的樣本。
多個樣本保持器12設置為環繞以機床主軸線A為圓心的假想圓的圓周 而均勻地間隔布置，而該可旋轉的金屬盤16同樣以該軸線為中心。多個樣 本保持器12圍繞假想圓的圓周均勻的間隔布置，能夠更好地控制所施加的 壓力并使盤16的偏斜最小，從而提高拋光效率。
多個PCD樣本14固定于可設置在多個樣本保持器12中的多個安裝套 爪(mounting collet)上。這些套爪偏離樣本保持器的軸線B設置，并環繞 以樣本保持器的軸線B為圓心的假想圓的圓周而均勻地間隔布置。所述偏離 設置的并均勻的間隔布置的套爪能夠使每一個樣本的被拋光表面上獲得更
15平坦的表面，同時防止在金屬盤16中形成溝槽。這種偏離還可以使拋光更 穩定，并使壓力的施加更為均勻，這又提高了拋光效率。
軸線B通常平行于主軸線A。軸線的這種設置使機床的幾何尺寸的設定 更為容易。然而，在多軸(例如5軸)機床(如下所述)中，所使用的軸線
可相對于待拋光樣品的幾何尺寸而有意地、受控制地傾斜。
該機床還包括驅動裝置，其用于使PCD樣本與可旋轉的金屬盤16接觸， 并用于使該金屬表面盤和樣本保持器12同時轉動。
第一，該驅動器包括相應的數控馬達18，以用于旋轉地驅動各個樣本保 持器12，各馬達18經由驅動軸20而連接到各自的樣本保持器。各馬達18 使各自的保持器12圍繞各自的軸線B旋轉。
為了獲得各個樣本14與盤16之間的最佳平均滑動速度，使用額定功率 為370W的馬達，該功率是利用估測的樣本和盤之間的摩擦系數(COF)而 計算得出的。在拋光機10中，各保持器圍繞其軸線B的轉速在25到50rpm 的范圍內，最優地為約30rpm。對于不同的樣本壓力，以及對于不同的樣本 表面粗糙度、熱性能和幾何尺寸，該轉速范圍將有所變化。
第二，該驅動裝置包括數控主馬達22，用于旋轉地驅動金屬盤16，該 馬達22經由驅動帶(belt drive) 25、皮帶輪26和主馬達輸出軸28而連接到 金屬盤的驅動輪24。如圖所示，金屬盤和主馬達的各部件容置在機箱30內。
并且，為了獲得最佳平均滑動速度，利用估測的COF計算得出主馬達 的額定功率為18kW。在拋光機10中，盤16圍繞軸線A的轉速在1000到 1350 rpm的范圍內，最優地約為1300 rpm。對于不同的機床規格，以及對于 不同的樣本表面粗糙度、熱性能和幾何尺寸，該轉速范圍將會有所變化。
馬達18和22能夠使樣本保持器12和金屬盤16同時旋轉。已發現，這 種同時旋轉能顯著地提高拋光工藝的效率并有助于促進背景技術中描述的 機制(a) 、 (b)和(c)。使用多個獨立的馬達還能夠對樣本保持器和金屬 盤的轉速進行特定和獨立的控制，以顧及不同材料和拋光需求。
第三，該驅動裝置包括氣壓動力缸32，用以將樣本保持器12推向金屬 盤16，進而將各個PCD樣本14推入金屬盤16中。該氣壓動力缸提供了實 現DFP所需壓力的簡單但穩定的方式。在較大的機床中可使用液壓動力缸， 而在較簡單的變型中，可使用可移除的質量塊來代替動力缸。動力缸32安裝到呈上部橫梁34形式的固定構件上，該動力缸32的驅 動桿36延伸并連接到呈滑動橫梁38形式的可動構件上。如圖所示，各馬達 18分別經由各自的支承結構40安裝到滑動橫梁38上，由此，樣本保持器 12和各PCD樣本14均間接地安裝為與滑動橫梁38 —起移動。
滑動橫梁38的相對端部均可滑動地安裝到各自的線性支承件42上，而 線性支承件42則安裝到各自的支柱44上，所述支柱44從機箱30向上延伸 以支撐上部橫梁34，從而保持機床的剛度。所述線性支承件42可以具有緊 公差(dose tolerance)以將由動力缸32驅動的滑動橫梁的運動非常高度地 限制為朝向或遠離金屬盤16的直線運動。己發現，線性支承件提供了限制 滑動橫梁的橫向和其他不平穩運動的非常有效的方法，從而又有助于更均勻 的拋光及拋光效率的提高。
線性支承件僅僅是當樣本定位在盤16上時用于限制樣本的橫向及其他 不平穩運動的提升及放置機構的其中一種類型。可替代線性支承件的機構是 基于鉸鏈(hinge-based)的機構，其中該鉸鏈形成為機箱30的一部分或安裝 到機箱30上，且梁38的一端安裝在該鉸鏈上以圍繞該鉸鏈樞轉。此外，如 圖所示，保持器12能夠相對于梁38固定，并且能夠向下朝向盤16樞轉或 向上遠離盤16樞轉。
橫梁34和38、以及支柱44通常由結構部件構成，以便為拋光機10提 供強度、剛度和穩定的操作(robust operation)。
金屬盤可以是限定動摩擦拋光表面的圓形板或環形件。該盤可以由金屬 或含有金屬的材料制成，且通常僅包括由這類材料制成的、安裝在價格較低 廉的基板上的上部工作表面。合適的制造盤的材料包括鋼和多種合金，尤其 是不銹鋼、鐵、鎳、鉻、鈷、釹、鋯以及這些金屬的各種合金。實際上，該 金屬盤的工作表面可包括任何能夠催化與金剛石材料的反應的金屬。
隨后，可在該環形件內部限定和設置研磨拋光表面。這種研磨拋光表面 所用的材料可包括金剛石復合體、立方氮化硼、碳化硼等。
此外，在開始動摩擦拋光之后，該驅動裝置能夠適合于立即將該(或各 所述)樣本保持器12以及PCD樣本14從金屬盤的動摩擦拋光表面移動到 研磨拋光表面。
通過兩個或任意數量的保持器能夠實現樣本保持器12環繞假想圓圓周
17的均勻地間隔布置，保持器的數量僅受該機床的幾何尺寸的限制(即該圓的 直徑及保持器尺寸將限制可以設置在機床中的樣本保持器的數量)。類似地， 均勻環繞樣本保持器12的PCD樣本的間距將受到圍繞軸線B的假想圓的直 徑的限制，該間隔還受到各保持器的尺寸的限制，并受到各樣本的尺寸和數 量的限制。
例如，在圖示的設備中，樣本的直徑為12mm。在商業應用中，該半徑 可以在5到75 mm之間變化，因此可相應地改變該機床的幾何尺寸。
雖然圖2和圖3中描述的方法和設備示出了 PCD金剛石材料樣本的拋 光，但應理解的是，該方法和設備同樣適用于包括這里所公開的尺寸的任何 尺寸的任何金剛石材料。
另外，雖然圖2和圖3中描述的方法和設備示出了用于在豎直方向上進 行操作的設置，但該方法和設備也能夠構造為在水平方向上(或其他的傾斜 方向上)進行操作。可選擇地，該設備可以是倒置的(即，盤在樣本的上方 旋轉)。
實例
現在將描述DFP工藝的非限制性實例。 實例1
操作圖2的機床以在約18分鐘內將一組PCD樣本拋光到特定的表面粗 糙度(例如Ra為0.06微米)，艮卩，3分鐘的DFP以及15分鐘的研磨拋光。 注意，在傳統的研磨拋光中這樣的工藝過程需要約3小時。因而圖2的機床 節省了大量的時間和成本。
在拋光過程中，使用樣本保持器驅動系統來控制PCD樣本的旋轉確保 了 PCD的均勻拋光。
圖2的機床設置允許在每一保持器上同時拋光兩個樣本。所述樣本保持 器能夠被容易地改型為同時拋光3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 IO等數量的樣本。
由于多晶金剛石復合片、單晶體金剛石和金剛石膜具有極高的硬度，以 及在圖2的機床中使用DFP方法可獲得優良的表面光潔度，因此能夠以低成 本制造廣泛應用的各種金剛石部件。注意，這些應用包括用于精加工的切削 工具、電子部件、生物醫學植入物(implant)及裝置、珠寶、光學部件、模具、散熱裝置和耐磨部件。 實例2
在大氣條件下，在圖2的拋光機上執行PCD的動摩擦拋光(DFP) 。 PCD 樣本的拋光是當樣本保持器以30 rpm的轉速旋轉時，以3.5 MPa的壓力將樣 本壓在以1300 rpm的高轉速旋轉的金屬盤上來實現的。PCD樣本在該金屬 盤上以21 m/s的平均滑動速度滑動。樣本保持器的旋轉以及由此引起的PCD 樣本的旋轉使得PCD被均勻地拋光。通過改變金屬盤轉速和/或施加在PCD 樣本上的壓力來控制拋光速率(或材料去除速率)。
使用不銹鋼SUS304作為拋光盤材料，理由如下
(i) SUS304中的元素成分，特別是Fe、 Cr、 Ni和Mn是用于在高壓下 商業化生產人造金剛石的催化劑的主要合金組分，并且還能夠在低壓和700 °C以上的溫度條件下對金剛石到石墨的轉換進行催化；
(ii) 低碳含量(<0.06%)，其有利于通過熱化學反應使碳擴散；
(iii) 低導熱率，其有助于保持金剛石樣品的高溫，而不會釋放由動摩 擦所產生的熱量；
(iv) SUS304的奧氏體結構，其同樣有利于碳的擴散。 圖2的拋光機的部件和/或其功能如下
(1) 金屬(不銹鋼)拋光盤，將直徑為400mm、厚度為20 mm的SUS304 盤用螺栓固定到直徑為400mm、厚度為80 mm的低碳鋼盤上，從而獲得用 于拋光金剛石的剛性盤工具。
(2) 金屬拋光盤的驅動組件，該組件包括主交流電機、皮帶輪和齒帶。 主交流電機的額定功率為18 kW，其速度在0-2800 rpm的范圍內可連續變化。
(3) 多個樣本保持器，其保持四個PCD樣本。為此，使用鋼制的套爪。
(4) 多個樣本保持器驅動組件，該組件包括多個370W的交流馬達、 聯接器和保持器驅動軸。
(5) 滑動橫梁，其承載兩個樣本保持器及所述兩個樣本保持器的驅動 組件。該滑動橫梁在安裝于兩個支柱上的線性支承件上上下滑動，所述支柱 固定于形成在機箱上的平坦表面上。
(6) 上部橫梁，其防止支柱在載荷狀態下的任何變形。該橫梁上安裝有氣壓動力缸。
(7) 氣壓動力缸，其控制該滑動橫梁的移動和樣本上的載荷/壓力。
(8) 機箱，其用于容置金屬盤及其驅動組件，該機箱由12.5 mm厚的 鋼板制成，以確保剛度、穩定性和操作人員的安全。
實例3
在圖2所示的設置中，機床能夠同時拋光四個PCD樣本。為了控制主 馬達和兩個370W馬達的速度而分別使用單獨的數控單元。基于PCD樣本的 預定滑動速度，利用主馬達的數字控制器使金屬盤以合適的速度(例如1300 -1350 rpm)旋轉。利用用于370W馬達的數字控制器使樣本保持器也以預 定轉速(例如30rpm)旋轉，并使樣本逐漸降低到該盤上。在一秒鐘之內， 樣本在滿載荷狀態下在該盤上滑動。通過調節氣壓缸的氣壓來獲得所需的載 荷。
典型的拋光參數如下
平均滑動速度大約21.2m/s (主馬達以1350rmp的轉速驅動金屬盤， 同時PCD樣本在該盤上300—400 mm之間的直徑處旋轉)。 壓力樣本上的壓力大約為3.5MPa。
拋光時間1—3分鐘。該時間取決于平均滑動速度、壓力、PCD樣本 的初始表面粗糙度等。
圖2所示的機床能夠有效地執行動摩擦拋光工藝，以將PCD復合片拋 光到所需的表面光潔度。
實例4
圖4示出了拋光參數(壓力和速度)對兩種PCD的材料去除率的影響， 其中各符號代表實驗結果，且線條為相應的線性回歸擬合(linearregression fit)。第一種PCD含有約65%的粒度為6微米的金剛石顆粒(其余為SiC 和Si)，其拋光前的PCD表面粗糙度Ra約為0.7微米。第二種PCD含有 約75。X的粒度為25微米的金剛石顆粒(其余為SiC和Si)，其拋光前的PCD 表面粗糙度Ra約為1.6微米。
當速度較低(例如10m/s)時，僅可以部分拋光PCD (或根本不拋光)。 這是由于溫度還沒有高到足以在拋光界面處激發相變和化學反應。在較高的
20滑動速度(例如高于12m/s)下，可以觀察到拋光速率幾乎隨著滑動速度的 增大而線性地增大。另外，在給定的拋光速度下，較高的壓力會導致較高的
拋光速率。然而，要注意的是，在深度反應條件(severe condition)下可能 產生破裂，例如那些位于圖4中的虛線上方的情況。
為實現令人滿意的拋光，選擇合適的拋光參數(諸如壓力、滑動速度等) 以在PCD金屬界面上產生所需的溫度。圖4中示出了所確定的適于有效拋 光的壓力一速度組合。如上所述，圖4中的虛線表示安全拋光區域的大致邊 界，在該邊界的下方可以進行拋光而不產生破裂。
在所測試的條件中，第一種PCD(圖4(a))的合適的拋光參數為(1) 壓力=2.7MPa，滑動速度二20至25m/s; (2)壓力=3.1MPa，滑動速度 二16至25m/s;以及(3)壓力=3.8 MPa，滑動速度=16 m/s。上述壓力/ 速度組合的拋光時間為2分鐘。第二種PCD (圖4 (b))的合適的拋光參 數為(1)壓力=2.7MPa，滑動速度=25m/s; (2)壓力=3.1MPa，滑 動速度二18至25m/s; (3)壓力=3.8MPa，滑動速度=16m/s;以及(4) 壓力=5 MPa，滑動速度=12 m/s。上述壓力/速度組合的拋光時間為3分鐘。
實例5
在某些情況下，發現需要機械地去除附著在拋光后的PCD樣本表面上 的一層薄鋼和/或金屬氧化物。已經開始著手進行研究以確定不發生鋼和/或 金屬氧化物附著的拋光條件。如下所述，將用以去除鋼和/或金屬氧化物的機 械手段以研磨拋光步驟的形式結合到拋光機中。另外，還發現這種研磨拋光 可以提高PCD的最終表面粗糙度。
為了獲得0.06微米的拋光后的PCD的表面粗糙度Ra (該粗糙度通常是 商業PCD切削工具所要求的)，在DFP之后，在另一臺機床上使用金剛石 砂輪進行研磨拋光。當研磨拋光工藝內建在例如圖2所示的機床中時，在鋼 盤(此時呈圓環狀)內部設置研磨輪，這樣就省略了第二設置步驟，并可以 在一部機床上高效地完成整個PCD拋光工藝。
另外，已開始進行研究，將拋光機床設備的部件結合到多軸數控(CNC) 加工中心。例如可以使用5軸(諸如上/下順向/前/后/盤的斜向)加工中心來 執行自由表面拋光。注意到利用多軸機床的數字控制能夠對更復雜的樣品的幾何形狀進行某些非常高級的拋光(例如自由表面拋光)。 對比實例
進行對比測試，以比較使用公知的研磨方法與使用圖2所示的設備的動 摩擦拋光(DFP)技術所獲得的拋光后的樣本的表面粗糙度以及拋光時間。 對比結果列于表l中。
表1.使用研磨拋光和DFP所獲得的PCD復合片的表面粗糙度以及拋光時間。_
拋光技術 研磨 本發明的設備/方法
表面粗糙度Ra (微米)a 0.06 0.06
、,, w ,勺 ，4 18分鐘(3分鐘DFP 拋光時間 3小時 、w^a _及15分鐘研磨)
a表面粗糙度測試設備三豐(Mitutoyo)表面粗糙度測量儀(Surftest) 402及Surftest分析儀
圖5 (a)中示出了使用本發明的設備/方法拋光的PCD樣本表面，與所 獲得(as-received)的樣本(圖5 (b))相比，使用本發明的設備/方法以18 分鐘的拋光獲得了光學表面光潔度。
以上結果清楚地示出了本發明的拋光設備能夠顯著地縮短金剛石拋光 時間。
雖然上文已經描述了拋光金剛石材料的方法和設備的多個實施例，但應 理解的是，所述方法和設備可在多種其他形式下實施。
在所附的權利要求書及前述的說明中，除非由于語言表達或必要的暗示 所需，用語"包括"或其變體諸如"包括了"、"包括有"的含義均為包含 之意(即表明出現所述特征，但不排除在不同的實施例中出現或加入另外的 特征)。
2權利要求
1. 一種用于拋光金剛石材料的方法，該方法包括以下步驟將金剛石材料樣品相對于可動的金屬表面進行定位；以及使該金剛石材料樣品與可動的該金屬表面接觸，并使該金屬表面的運動以及該金剛石材料樣品的旋轉同時進行。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中該金屬表面是可旋轉的，由此將兩個或更多的金剛石材料樣品相對于可旋轉的該金屬表面進行定位，并由此 將所述兩個或更多的金剛石材料樣品圍繞以該金屬表面的旋轉軸線為圓心 的假想圓的圓周而均勻地間隔布置。
3. —種用于拋光金剛石材料的方法，該方法包括以下步驟 將兩個或更多的金剛石材料樣品相對于可動的金屬表面進行定位，由此將所述兩個或更多的金剛石材料樣品圍繞以該金屬表面的運動軸線為圓心 的假想圓的圓周而均勻地間隔布置；以及使所述兩個或更多的金剛石材料樣品與可旋轉的該金屬表面接觸，同時 使該金屬表面相對于該金屬表面的軸線運動。
4. 根據權利要求3所述的方法，其中該金屬表面能圍繞一旋轉軸線旋 轉，當所述兩個或更多的金剛石材料樣品與旋轉的該金屬表面接觸時，該金 屬表面和所述金剛石材料樣品都旋轉。
5. 根據權利要求2或4所述的方法，其中所述金剛石材料樣品或各所述金剛石材料樣品圍繞該樣品的旋轉軸線旋轉。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中所述金剛石材料樣品或各所述金 剛石材料樣品包括至少兩個金剛石材料樣本，所述金剛石材料樣本未與所述 樣品的旋轉軸線對齊，以便使所述樣本圍繞該旋轉軸線旋轉。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中兩個或更多的樣本圍繞以所述樣品的旋轉軸線為圓心的假想圓的圓周而在該樣品上均勻地間隔布置。
8. 根據權利要求5至7中任一項所述的方法，其中所述樣品的旋轉軸線或各所述樣品的旋轉軸線平行于該金屬表面的旋轉軸線。
9. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述金剛石材料樣品 或各所述金剛石材料樣品相對于該金屬表面的平均滑動速度在5到60 m/s的范圍內。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中該平均滑動速度為大約21m/s。
11. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述金剛石材料樣品 或各所述金剛石材料樣品被壓在該金屬表面上。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中所述金剛石材料樣品或各所述 金剛石材料樣品上的壓力在2.5至25 MPa的范圍內。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中該壓力大約為3.5MPa。
14. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中該方法包括動摩擦拋 光階段和隨后的研磨拋光階段。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中該動摩擦拋光階段的持續時間 為l一5分鐘。
16. 根據權利要求14或17所述的方法，其中該研磨拋光階段的持續時 間為l一20分鐘。
17. 根據權利要求14至16中任一項所述的方法，其中該研磨拋光階段 是在直接鄰接該金屬表面的研磨表面上實施的。
18. —種如在此參照實例和附圖所描述的用于拋光金剛石材料的方法。
19. 一種用于拋光金剛石材料的設備，該設備包括保持器，用于使金剛石材料樣品相對于可動的金屬表面進行定位； 驅動裝置，用于使該金剛石材料樣品與可動的該金屬表面接觸，并用于 使該金屬表面的運動和該金剛石材料樣品的旋轉同時進行。
20. 根據權利要求19所述的設備，其中該驅動裝置設置為通過使該保 持器旋轉而使該金剛石材料樣品旋轉，并且該驅動裝置還設置為使得該金屬 表面旋轉。
21. 根據權利要求20所述的設備，其中該設備包括兩個或更多的樣品 保持器，用于兩個或更多的相應的金剛石材料樣品，所述保持器設置為使兩 個或更多的金剛石材料樣品圍繞以該金屬表面的旋轉軸線為圓心的假想圓 的圓周而均勻地間隔布置。
22. —種用于拋光金剛石材料的設備，該設備包括 兩個或更多的樣品保持器，用于兩個或更多的相應的金剛石材料樣品，所述保持器設置為使得所述樣品相對于可動的金屬表面進行定位，從而使兩個或更多的金剛石材料樣品圍繞以該金屬表面的運動軸線為圓心的假想圓的圓周而均勻地間隔布置；以及驅動裝置，用于使所述兩個或更多的金剛石材料樣品與該金屬表面接 觸，同時使該金屬表面相對于該金屬表面的軸線運動。
23. 根據權利要求22所述的設備，其中該金屬表面能夠圍繞一旋轉軸 線旋轉，由此該驅動裝置設置為使得該金屬表面和各所述金剛石材料樣品同 時旋轉。
24. 根據權利要求23所述的設備，其中該驅動裝置通過使各所述保持 器旋轉而使得各所述金剛石材料樣品旋轉。
25. 根據權利要求20、 21、 23或24所述的設備，其中該驅動裝置包括 用于各所述樣品保持器以及該金屬表面的相應的馬達，各所述馬達設置為使 所述保持器或該金屬表面圍繞相應的旋轉軸線旋轉。
26. 根據權利要求25所述的設備，其中該設備構造為使所述樣品的旋 轉軸線或各所述樣品的旋轉軸線平行于該金屬表面的軸線。
27. 根據權利要求25或26所述的設備，其中所述樣品保持器或各所述 樣品保持器包括至少兩個樣本安裝位置，各所述樣本安裝位置分別用于安裝 相應的金剛石材料樣本，所述樣本安裝位置相對于所述樣品的旋轉軸線偏 置。
28. 根據權利要求27所述的設備，其中所述樣本安裝位置圍繞以所述 樣品的旋轉軸線為圓心的假想圓的圓周均勻地間隔布置。
29. 根據權利要求19至28中任一項所述的設備，其中該驅動裝置還包 括動力缸，用于將所述樣品保持器推向該金屬表面，進而將所述金剛石材料 樣品或各所述金剛石材料樣品推到該金屬表面中。
30. 根據權利要求29所述的設備，其中該動力缸是氣動的且在該設備 的固定構件和可動構件之間進行操作，同時所述樣品保持器相對于該可動構 件安裝。
31. 根據權利要求30所述的設備，其中該可動構件形成提升及放置機 構的一部分，該提升及放置機構用于將所述樣品以能不偏斜的方式放置在該 金屬表面上。
32. 根據權利要求31所述的設備，其中該可動構件的相對端部分別可滑動地安裝到相應的線性支承件上，所述線性支承件限制由該動力缸引起的 該可動構件朝向或遠離該金屬表面的線性運動，同時該固定構件由使用中的 上部橫梁限定，該上部橫梁的相對端部由該設備的支柱支撐，所述支柱從該 設備的機箱延伸出，并且該可動構件由使用中的下部滑動橫梁限定，該下部 滑動橫梁能夠相對于該設備的機箱上下運動。
33. 根據權利要求32所述的設備，其中所述線性支承件安裝在各所述 支柱上。
34. 根據權利要求31所述的設備，其中該可動構件的一端樞轉地安裝 到一鉸鏈上，該鉸鏈適合于將所述可動構件的運動限制為圍繞該鉸鏈的弧形 運動，從而將該樣品移向或移離該金屬表面，同時該固定構件限定在該鉸鏈 上或由該鉸鏈限定，且該鉸鏈安裝到該設備的機箱或機架上或結合到該設備 的機箱或機架中。
35. 根據權利要求19至34中任一項所述的設備，其中該金屬表面形成 一金屬盤的一部分，該金屬盤由驅動裝置的一部分驅動為圍繞盤中心軸線旋轉。
36. 根據權利要求35所述的設備，其中該金屬盤為環形件，該環形件 限定動摩擦拋光表面，同時在該環形件的內部限定并設置研磨拋光表面。
37. 根據權利要求36所述的設備，其中該驅動裝置適合于移動所述樣 品保持器或各所述樣品保持器，由此將所述樣品或各所述樣品從該動摩擦拋 光表面移動到該研磨拋光表面。
38. —種用于拋光金剛石材料的設備，該設備包括保持器，用于使金剛石材料樣品相對于可動的金屬表面進行定位； 提升及放置機構，其設置為用以與該保持器或該金屬表面協同操作，以 便將該樣品以能不偏斜的方式定位在可動的該金屬表面上。
39. 根據權利要求38所述的設備，其中該提升及放置機構包括一構件， 該保持器或該金屬表面相對于該構件支撐。
40. 根據權利要求39所述的設備，還包括驅動裝置，該驅動裝置設置 為在該構件上進行操作，以便將該樣品以能不偏斜的方式定位在可動的該金 屬表面上。
41. 根據權利要求38至40中任一項所述的設備，其中該保持器相對于該構件安裝，且該構件的相對端部分別可滑動地安裝到相應的線性支承件 上，所述線性支承件限制該構件的運動，由此使該保持器以線性方式移向或 移離該金屬表面。
42. 根據權利要求41所述的設備，其中該構件相對于一固定構件運動， 該固定構件由使用中的上部橫梁限定，該上部橫梁的相對端部由該設備的支 柱支撐，所述支柱從該設備的機箱延伸出，并且可動構件由使用中的下部滑 動橫梁限定，該下部滑動橫梁能夠在安裝于各所述支柱上的線性支承件上相 對于該設備的機箱上下運動。
43. 根據權利要求38至40中任一項所述的設備，其中該構件的一端樞 轉地安裝到一鉸鏈上，該鉸鏈適合于將該構件的運動限制為圍繞該鉸鏈的弧 形運動，從而將該樣品移向或移離該金屬表面。
44. 根據權利要求43所述的設備，其中該鉸鏈安裝到該設備的機箱或 機架上或結合到該設備的機箱或機架中。
45. 根據權利要求38至44中任一項所述的設備，其中該設備另外由權 利要求19至37中任一項所限定。
46. —種如在此參照附圖所描述的用于拋光金剛石材料的設備。
全文摘要
本發明公開了一種用于拋光金剛石材料的方法和設備。該方法包括如下步驟將金剛石材料樣品相對于可動的金屬表面進行定位；使金剛石材料樣品與可動的該金屬表面接觸，并使該金屬表面的運動和該金剛石材料樣品的旋轉同時進行。可將兩個或多個金剛石材料樣品圍繞以金屬表面的運動軸線為圓心的假想圓的圓周均勻地間隔布置，以與可動的該金屬表面接觸，同時使金屬表面相對于其軸線運動。該設備可包括驅動裝置，其設置為實現這種運動；以及提升及放置機構，其用以限制樣品的運動。
文檔編號B24B7/00GK101500751SQ200780029428
公開日2009年8月5日 申請日期2007年6月22日 優先權日2006年6月22日
發明者布魯斯·奧列弗, 章亮熾, 約瑟夫·亞歷山大·阿爾塞丘拉爾阿特納, 陳一清 申請人:悉尼大學