固結磨料研磨CVD金剛石膜的運動軌跡仿真及試驗研究

羅和平，劉永吉，何 艷，汲 軍， 苑澤偉

(1.沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142；2.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

金剛石具有優(yōu)越的物理化學性能，如最高的硬度，較高的熱傳導性，寬的帶隙，低的摩擦系數(shù)和良好的化學穩(wěn)定性等，這使得金剛石成為當前極具影響力的工程材料[1-4]。然而，天然金剛石較為稀少，價格高昂，導致其無法滿足市場上的大量需求。幸運的是，化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)的出現(xiàn)，使得金剛石膜可以在多種基體表面生長，也將金剛石從傳統(tǒng)的刀具、模具領域擴展為光學、熱學、電子半導體和航空航天等領域。但隨著金剛石膜厚度的增加，其表面粗糙度值也相應增大，已無法滿足上述各應用領域，需通過特種加工技術進行精密拋光后，將其表面粗糙度值降低到納米級以后方可使用。

目前，國內外各學者已研究出多種CVD金剛石膜加工技術，如機械拋光[5,6]、熱化學拋光[7,8]、離子束拋光[9,10]、激光加工[11,12]等。這些拋光方法中，熱化學拋光主要利用加熱后拋光盤去除，離子束拋光需在真空下進行，而且價格高昂，激光拋光同樣造價不菲，而且激光溫度較難控制，加工后部分形貌粗糙，機械拋光為最原始的金剛石拋光方法，其加工工藝較為簡單，通常采用金剛石磨料和鑄鐵盤拋光作為研磨物料，可進行金剛石膜大面積研磨[13]，已在各企業(yè)得到了廣泛使用。由于機械拋光主要為物理去除，研磨壓力較難控制，容易造成表面劃傷、亞表面損傷，嚴重時可出現(xiàn)邊緣碎裂等問題。

本文針對在機械研磨不同型號拋光盤時出現(xiàn)的轉速不均勻現(xiàn)象，導致拋光盤與金剛石膜接觸不均勻，材料去除率降低等問題，提出了運動軌跡仿真試驗，主要借助Matlab軟件建立工件在拋光盤形成的運動軌跡并進行仿真，選出最優(yōu)的拋光轉速組合，并結合機械拋光試驗，觀察金剛石形貌及表面粗糙度，實現(xiàn)CVD金剛石的快速研磨。

1 運動軌跡仿真

試驗裝置如圖1所示，采用金剛石拋光盤拋光CVD金剛石膜。拋光時，存在金剛石膜表面拋光不均勻現(xiàn)象，且拋光盤表面出現(xiàn)環(huán)形溝槽，最終導致拋光過程中拋光盤劇烈震動，試驗無法進行。因此對其拋光運動軌跡進行分析，確定最為合適的拋光轉速組合。由于拋光盤與工件之間不存在磨粒，所以不考慮磨粒在各種影響下的運動形式，大大簡化了分析難度。本文首先分析拋光盤和工件間的相對運動；然后建立模型進行運動的計算，拋光盤與工件運動模型如圖2所示。

在垂直于工件和拋光盤旋轉軸的平面內，拋光盤的旋轉軸為O1，工件的旋轉軸為O2，O1、O2間的距離為偏心距e。在該平面內以拋光盤圓心和工件圓心為原點建立坐標系O1X1Y1和O2XY。兩坐標系中的O1X1和O2X軸均為沿O1O2連線方向。原點分別為O1、O2。點A為拋光盤上的任一點，不失一般性，不妨設點A初始位置在O1O2連線上，距O1點的距離為RA。因此，最終可歸結為點A相對于工件的運動。

圖1 實驗裝置圖

圖2 拋光盤與工件相對運動模型

(1)

(2)

A′的軌跡方程，即拋光盤上點A相對工件的運動方程為

x=RAcos(θ1-θ2)-ecosθ2

(3)

y=RAsin(θ1-θ2)+esinθ2

(4)

由此可見，A′相對工件的軌跡是一簇擺線，由式(3)、(4)可得

(5)

式中，ρ為點A′軌跡曲線的向徑；由此可知，向徑ρ是拋光盤轉角的周期函數(shù)，拋光盤旋轉一周，ρ變化一個周期，ρ取值范圍為

ρmax=RA+e

(6)

ρmin=|RA-e|

(7)

表明工件的半徑只能在(|RA-e|，RA+e)范圍內選取，否則將有一部分工件無法被拋光。

在程序的編制中，把時間確定為選取計算點的物理量，即隨著時間的推移，單個拋光盤上磨粒將依次出現(xiàn)在工件的不同位置，然后把多個時間點聯(lián)系起來就夠成了這個磨粒的運動軌跡。在運算時，每隔0.01 s取一個運算時間點。考慮距離拋光盤中心30 mm是單個磨粒相對于工件的運動軌跡，即方程中的RA為30。為了能清晰觀察單個磨粒周期性的運動軌跡，時間t可以選擇長一些，在程序的編制過程中，t取100 s。

拋光盤的轉速選定為60 r/min，采用Matlab進行仿真直到找出最佳的拋光轉速組合，得到的具有代表性的仿真運動軌跡如圖3所示。

圖3 運動軌跡仿真結果

仿真過程為：輸入ω1=60，ω2=10，結果如圖3a所示，這樣的運動軌跡使得拋光盤表面接觸不均勻，長期拋光后盤面粗糙度不一，材料去除率下降；輸入ω1=60，ω2=32，結果如圖3b所示，此時得到的結果已經比較滿意；再進一步調整，輸入ω1=60，ω2=31，結果如圖3c所示，由圖可以看到，拋光軌跡分布更為均勻，可以更合理的利用拋光盤。最終，得出拋光盤轉速為60 r/min時，載樣盤31 r/min拋光效果最好。

2 機械拋光試驗

本試驗的拋光盤為直徑200 mm的300#電鍍金剛石拋光盤，配重塊為不銹鋼塊，直徑為80 mm，配重塊之間用螺桿聯(lián)結，如圖1所示。金剛石膜為多晶的CVD金剛石膜，尺寸為10 mm×10 mm×2 mm。由于302膠的固化過程比較慢，粘接后的平整度較好，因此選用302膠將金剛石膜粘在配重塊上，拋光載荷為58.8 N。采用的電鍍金剛石拋光盤表面形貌如圖4所示。

采用Matlab軌跡仿真得到最佳的拋光轉速組合(ω1=60，ω2=31)進行拋光試驗，拋光過程中金剛石膜表面粗糙度的變化如圖5所示。隨著拋光時間的延長，只要有材料去除，有峰的磨鈍，表面粗糙度值就會減小。但當金剛石膜的尖峰基本去除后，形成大片金剛石膜表面時，表面粗糙度值變化趨于平緩，拋光10 h后獲得的表面粗糙度值為1.32 μm，接近于300#電鍍金剛石拋光盤所能獲得的極限粗糙度值。因此要想獲得更好的表面粗糙度需要換用小粒度的金剛石拋光盤。金剛石膜表面形貌的變化如圖6所示，金剛石膜的硬度極大，去除很小，因此金剛石膜的拋光過程實際上是對CVD金剛石膜尖峰的磨鈍過程。隨著拋光的進行，被磨鈍的峰所占的區(qū)域面積在增加，未磨到的谷所占的區(qū)域面積在減少，最后出現(xiàn)了多個峰連成一片的現(xiàn)象，且露出光整的表面。

圖4 金剛石拋光盤顯微形貌

圖5 金剛石膜表面粗糙度的變化

圖6 金剛石膜表面形貌變化

3 結論

首先分析拋光盤和工件之間的相對運動關系，然后建立拋光盤與工件簡化運動模型。通過Matlab軟件對拋光盤與工件之間運動軌跡進行仿真，優(yōu)化拋光轉速組合。當拋光盤轉速選定為60 r/min時，工件的轉速為31 r/min，拋光軌跡均勻性最好。

采用仿真得到的最優(yōu)拋光轉速組合，選用粒度為300#電鍍金剛石盤拋光CVD金剛石膜，表面質量得到了一定的改善，最后獲得的表面粗糙度值在1.32 μm左右。

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