一种高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法，从金刚石晶体明显的各向异性和极高的耐磨性特征入手，结合前期积累的金刚石刀具机械刃磨加工经验，亦采用机械刃磨的方法加工金刚石玻式压头。通过金刚石压头的研磨工艺实验，详细分析金刚石磨料粒度、研磨压力、研磨盘转速、往复运动对金刚石玻氏压头研磨所得钝圆半径的影响，包括尖端钝圆半径和棱边钝圆半径，并建立优化的金刚石玻氏压头研磨工艺。为打破国外的技术壁垒、提高我国金刚石玻式压头的加工水平，迈出了探究性的一步。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法
本专利技术涉及一种适合于制造高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法，应用于材料表面微纳米尺度力学特性的检测，属于纳米硬度测量

技术介绍
近三十年来，纳米硬度测量技术广泛应用于材料表面微纳米尺度力学特性的检测。纳米硬度测量技术指的是通过使用高精度的金刚石压头压入或刻划材料表面从而检测材料微小体积内力学特性的一种方法。压痕和划痕的深度一般为微米甚至纳米尺度，是进行表面涂层、薄膜材料和材料微纳尺度表面等力学特性测试的理想方式。按这种方法设计的纳米压痕仪通过实时连续地记录压头在样品表面的加载和卸载过程，能够得到试验过程中施加在压头上的载荷与压头压入材料深度的关系，这是传统宏观或显微硬度检测方法所不能达到的。对于纳米硬度测量技术来说，要获得纳米尺度的压痕或划痕，除了高精度的测试仪器、良好的测试环境以及符合要求的样品表面以外，还需要高精度的金刚石压头。其中玻氏压头是目前大多数仪器化纳米压痕试验所使用的压头，与其它压头相比，它可以加工得非常尖锐，并且即使在很小的深度范围内，这种压头的形貌与理想压头的偏差也较小，非常适合压入深度不大的压痕试验。由于目前压头研磨水平的限制，即便是高精度玻氏压头的尖端也具有一定的钝化，习惯上将尖端钝化区域看做球面。在相同的深度下，非理想压头的横截面面积大于理想压头的横截面面积，而这将造成很多负面影响。例如用尖端较钝的压头对极薄的膜进行压痕试验时，由于所需完全塑性变形的深度较大，而薄膜较薄，因此不能准确测得薄膜的相关力学特性；反之，若压头尖端钝圆半径很小，则获得可靠硬度测量结果的压痕或划痕深度越小，其能检测的材料厚度也越薄。总之，金刚石压头的制造和加工质量对材料力学性能测试结果具有很大的影响。金刚石是自然界中硬度最高的材料，因此对其研磨抛光非常困难。如何高效地制造高精度金刚石工具以及金刚石晶体的研磨去除机理是目前的研究热点和难点。专门研究金刚石玻氏压头加工方法的资料较少，但金刚石压头作为金刚石工具的一种，分析其它金刚石刀具的制造工艺方法具有一定的普适性。目前，用于金刚石刀具加工的工艺方法有：机械刃磨法、离子溅蚀抛光法、化学抛光法、机械化学抛光法、化学辅助机械抛光法、热化学抛光法、激光刻蚀法、热机耦合刃磨法、聚焦离子束加工法等。综合考虑到加工效率、成本和精度，传统机械刃磨法还是制造高精度金刚石刀具的首选方法，当前还没有其它工艺方法能够将其替代。传统机械刃磨方法一般采用涂覆有金刚石磨料的铸铁研磨盘对金刚石进行研磨，金刚石磨粒嵌入铸铁研磨盘的表面微孔中或游离于研磨盘表面并对所研磨的金刚石表面进行挤压刻划，从而达到去除材料的目的。金刚石压头也主要采用机械刃磨的方法进行加工。根据国外金刚石压头生产商提供的产品资料，金刚石玻氏压头尖端钝圆半径已经能够研磨到20nm，远优于国际标准规定的200nm。而国内金刚石压头的制造商，如上海天然金刚石工具厂、豪速金刚石工具有限公司、东洋钻石工具有限公司等厂家，提供的金刚石压头精度普遍不高，尖端钝圆半径为数百纳米至数微米，甚至有明显的破损，达不到纳米硬度测量的标准。至于天然金刚石刀具，国内哈尔滨工业大学的宗文俊学者深入研究分析了金刚石刀具的机械刃磨过程，并对金刚石晶体表层材料的去除机理进行了全新认识，目前所研制的金刚石刀具的切削刃钝圆半径能稳定达到30～50nm(ZL200510010404.X)。如上所述，若直接参照天然金刚石刀具的机械刃磨工艺参数加工金刚石玻氏压头，理论上应该能直接得到小于50nm的钝圆半径。但根据我们前期的研究表明，采用金刚石刀具的机械刃磨工艺参数加工金刚石玻氏压头，尖端钝圆半径要达到小于200nm的ISO标准还较为困难。因此，为了实现高精度金刚石玻氏压头制造的国产化，并达到国际同类产品的最高技术水平，需要详细研究机械刃磨过程中各个工艺参数对压头尖端钝圆半径的影响，寻求较好的机械刃磨工艺参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了加工各项指标达到ISO14577要求的金刚石玻式压头，提出了一种适合于制造高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法。本专利技术主要从金刚石晶体明显的各向异性和极高的耐磨性特征入手，结合前期积累的金刚石刀具机械刃磨加工经验，亦采用机械刃磨的方法加工金刚石玻式压头。通过金刚石压头的研磨工艺实验，详细分析金刚石磨料粒度、研磨压力、研磨盘转速、往复运动对金刚石玻氏压头研磨所得钝圆半径的影响，包括尖端钝圆半径和棱边钝圆半径，并建立优化的金刚石玻氏压头研磨工艺。为打破国外的技术壁垒、提高我国金刚石玻式压头的加工水平，迈出了探究性的一步。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法，基于金刚石晶体是各向异性、超硬难加工材料，对加工中的金刚石磨料粒度、研磨压力、研磨盘转速、往复运动等进行综合分析，建立参数优选后的机械刃磨工艺，以此获得钝圆半径小于30nm、角度误差达到ISO14577标准要求的金刚石玻式压头。具体实现步骤如下：步骤一：选择规整的六面体天然金刚石颗粒作为压头头部材料，选择热膨胀系数极低的铁镍合金作为压头柄材料，根据压头柄设计参数和六面体金刚石颗粒大小准备好压头柄。步骤二：使用真空钎焊方法实现金刚石颗粒与压头柄的稳固连接。步骤三：把压头柄安装到钻石工具研磨机的分度夹具上，使压头柄垂直于金刚石砂轮盘后，采用W50金刚石或碳化硅砂轮将压头端部多余的焊料和压头柄材料去除，露出金刚石本体，然后把压头柄卸下并在光学显微镜下对金刚石晶体定向，选定晶向后在压头柄上做好标记。步骤四：将压头柄按标记重新安装到分度夹具上，并在研磨机自带的光学监控系统下调校压头柄安装误差，使压头柄与分度夹具轴线尽可能平行，调整后的安装误差为：压头柄进行360°回转，端部左右摆动量小于20μm。步骤五：采用W50金刚石或碳化硅砂轮对压头柄端部进行滚磨加工，滚磨锥角应符合压头柄设计参数，滚磨至露出金刚石颗粒即可停止。步骤六：恒温控制研磨机周围环境条件为23℃，恒温精度±0.5℃；在主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载静置研磨机，使其性能达到稳定状态。步骤七：重新对摆轴进行清零操作，清零完成后设置分度夹具轴线与研磨盘夹角为65.03°，该参数代表了金刚石压头侧面与压头柄轴线夹角。步骤八：采用800#的铜基金刚石砂轮粗磨金刚石压头三个侧面，定位被刃磨面的好磨方向，然后设置刃磨工艺参数为：砂轮盘附加往复运动，主轴转速4200r/min，研磨压力20N，金刚石压头侧面与金刚石砂轮接触点位置距离主轴中心30mm。在此工序中，可从分度夹具上拆下压头柄，然后采用光学显微镜离线检测金刚石压头三个侧面，若800×下尖端和棱边无肉眼可见缺陷则可进入精磨工序，否则重复步骤八至无肉眼可见缺陷为止。步骤九：用铸铁研磨盘替换800#金刚石砂轮盘，然后在铸铁盘表面均匀涂覆W0.1的金刚石研磨膏，接着用研磨块在研磨盘表面手工预研10分钟后刮除研磨盘表面多余研磨膏。步骤十：对金刚石压头三个侧面进行精磨，精磨工艺参数设置为：铸铁研磨盘附加往复运动，主轴转速4200r/min，研磨压力15N，金刚石压头侧面与铸铁研磨盘接触点位置距离主轴中心的距离为30mm。步骤十一：从分度夹具拆下压头柄，采用光学显微镜离线检测金刚石压头三个侧面，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法，其特征在于所述方法步骤如下：步骤一：选择规整的六面体天然金刚石颗粒作为压头头部材料，选择热膨胀系数极低的铁镍合金作为压头柄材料，根据压头柄设计参数和六面体金刚石颗粒大小准备好压头柄；步骤二：使用真空钎焊方法实现金刚石颗粒与压头柄的稳固连接；步骤三：把压头柄安装到钻石工具研磨机的分度夹具上，使压头柄垂直于金刚石砂轮盘后，采用W50金刚石或碳化硅砂轮将压头端部多余的焊料和压头柄材料去除，露出金刚石本体，然后把压头柄卸下并在光学显微镜下对金刚石晶体定向，选定晶向后在压头柄上做好标记；步骤四：将压头柄按标记重新安装到分度夹具上，并在研磨机自带的光学监控系统下调校压头柄安装误差；步骤五：采用W50金刚石或碳化硅砂轮对压头柄端部进行滚磨加工，滚磨至露出金刚石颗粒即可停止；步骤六：恒温控制研磨机周围环境条件为23℃，恒温精度±0.5℃；在主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载静置研磨机，使其性能达到稳定状态；步骤七：重新对摆轴进行清零操作，清零完成后设置分度夹具轴线与研磨盘夹角为65.03°；步骤八：采用800#的铜基金刚石砂轮粗磨金刚石压头三个侧面，定位被刃磨面的好磨方向，然后设置刃磨工艺参数为：砂轮盘附加往复运动，主轴转速4200r/min，研磨压力20N，金刚石压头侧面与金刚石砂轮接触点位置距离主轴中心30mm；步骤九：用铸铁研磨盘替换800#金刚石砂轮盘，然后在铸铁盘表面均匀涂覆W0.1的金刚石研磨膏，接着用研磨块在研磨盘表面手工预研10分钟后刮除研磨盘表面多余研磨膏；步骤十：对金刚石压头三个侧面进行精磨；步骤十一：从分度夹具拆下压头柄，采用光学显微镜离线检测金刚石压头三个侧面，若1400×下尖端和棱边无肉眼可见缺陷，则可采用AFM继续检测压头尖端形貌并计算压头钝圆半径；若1400×下尖端和棱边有肉眼可见缺陷，则视为不合格，应重新按步骤十进行精磨；步骤十二：对于AFM检测合格的金刚石玻氏压头进行压头柄的加工；步骤十三：压头柄加工完成后，采用激光共聚焦显微镜对金刚石玻氏压头各角度参数的制造误差进行检测；步骤十四：检测完成后用酒精对金刚石玻氏压头进行清洁，并装护套、装盒保护。...

【技术特征摘要】
1.一种高精度金刚石玻式压头的机械刃磨方法，其特征在于所述方法步骤如下：步骤一：选择规整的六面体天然金刚石颗粒作为压头头部材料，选择热膨胀系数极低的铁镍合金作为压头柄材料，根据压头柄设计参数和六面体金刚石颗粒大小准备好压头柄；步骤二：使用真空钎焊方法实现金刚石颗粒与压头柄的稳固连接；步骤三：把压头柄安装到钻石工具研磨机的分度夹具上，使压头柄垂直于金刚石砂轮盘后，采用W50金刚石或碳化硅砂轮将压头端部多余的焊料和压头柄材料去除，露出金刚石本体，然后把压头柄卸下并在光学显微镜下对金刚石晶体定向，选定晶向后在压头柄上做好标记；步骤四：将压头柄按标记重新安装到分度夹具上，并在研磨机自带的光学监控系统下调校压头柄安装误差；步骤五：采用W50金刚石或碳化硅砂轮对压头柄端部进行滚磨加工，滚磨至露出金刚石颗粒即可停止；步骤六：恒温控制研磨机周围环境条件为23℃，恒温精度±0.5℃；在主轴冷却水循环系统正常工作情况下，空载静置研磨机，使其性能达到稳定状态；步骤七：重新对摆轴进行清零操作，清零完成后设置分度夹具轴线与研磨盘夹角为65.03°；步骤八：采用800#的铜基金刚石砂轮粗磨金刚石压头三个侧面，定位被刃磨面的好磨方向，然后设置刃磨工艺参数为：砂轮盘附加往复运动，主轴转速4200r/min，研磨压力20N，金刚石压头侧面与金刚石砂轮接触点位置距离主轴中心30mm；步骤九：用铸铁研磨盘替换800#金刚石砂轮盘，然后在铸铁盘表面均匀涂覆W0.1的金刚石研磨膏，接着用研磨块在研磨盘表面手工预研10分钟后刮除研磨盘表面多余研磨膏；步骤十：对金刚石压头三个侧面进行精磨；步骤十一：从分度夹具拆下压头柄，采用光学显微...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗文俊，吴东，姚学磊，李增强，孙涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23