[发明专利]基于纳米氧化铜的天然金刚石刀具真空热化学腐蚀方法

说明书

技术领域

本发明属于超精密切削加工技术领域，特别涉及一种天然金刚石刀具真空热化学腐蚀方法。

背景技术

天然金刚石刀具以硬度高、耐磨损、化学惰性优良而著称，但对于精度要求严格的应用场合，刀具刃口的耐磨损性能还需特殊考虑。而随着人类逐步深入认识天然金刚石晶体的物理、力学性能，若不考虑冷却液（气）、振动辅助、低温和表面改性等工艺措施，晶体筛选法和晶面优选法被认为是提高刀具刃口耐磨损性能最传统、且行之有效的方法。

为了提高天然金刚石刀具刃口的耐磨损性能，Decker等人提出了X射线预选晶面的方法，并采用扫描和透射电子显微镜对刀具刃口质量进行跟踪、对比。天然金刚石晶体具有明显的各向异性特征，采用X射线从不同角度照射晶体表面，会出现不同的X射线衍射图案，而根据不同晶面的特征图案即可选择合适的晶面。此后不久，袁哲俊等学者提出了近似原理的天然金刚石刀具晶面预选方法，即激光晶体定向方法。

Ikawa、Shimada和Yamaguchi等日本学者提出了基于赫兹压痕实验并结合红外吸收（infrared absorption，简称IRA）和电子自旋共振技术（electron spin resonance，简称ESR）来筛选天然金刚石晶体，从而提高刀具刃口轮廓的稳定性。他们认为，天然金刚石晶体的IRA系数和ESR相对强度可在一定程度上体现出晶体内部微量杂质的含量，两者的数值越低，赫兹压痕实验得到的天然金刚石晶体强度就越高，相应的刀具刃口越耐磨损。与此筛选原理类似，目前已出现基于X射线荧光光谱分析技术的天然金刚石晶体筛选方法。

袁哲俊等学者则提出了基于摩擦因数的晶面优选法。他们通过采样分析天然金刚石晶体不同晶面与有色金属间的摩擦因数，认为把摩擦因数越小的晶面定向为天然金刚石刀具的前后刀面，就越能提高刀具的耐磨损性能。

此外，基于X射线、激光预选晶面方法，不少学者又提出了采用切削实验的逆向优选晶面方法。他们先用X射线或激光定向法选择前后刀面具有不同晶面组合的天然金刚石刀具，然后通过大量切削实验对比分析刀具刃口磨损数据，由实验数据筛选出完美刃口保持最长的晶面组合。

但是近年来，随着尖端科学技术的迅猛发展，技术指标的不断攀升已反过来对天然金刚石刀具刃口的耐磨损性能提出了更苛刻的要求，而传统的晶体筛选法和晶面优选法已不能完全满足技术要求。因此，为了适应尖端科学技术的发展趋势，在晶体筛选法和晶面优选法的基础上，进一步提高金刚石刀具刃口耐磨损性能已成为亟需解决的技术难题。

针对上述全新的应用需求，有学者从天然金刚石刀具刃磨工艺环节考虑，提出了刀具表层工艺损伤层消除方法。如美国学者Frederick等人提出了化学抛光方法制备高精度天然金刚石刀具。该方法采用真空等离子物理气相沉积工艺在研磨盘表面沉积上氧化硅镀层，然后把天然金刚石刀具直接置于氧化硅镀层上进行刃磨。刃磨过程中，摩擦生热致天然金刚石刀具表面碳原子活化，并在氧化硅镀层作用下发生氧化，生成CO或CO₂后由真空泵抽出。使用该工艺可获取较完美的刀具刃口。日本学者Haisma则又提出了无损伤机械化学抛光法。此工艺需先在NaOH溶液中加入金刚石微磨粒和纳米硅土粉，通过强静电作用使硅土粉吸附在金刚石微磨粒上，蒸干处理后把它们涂覆于铸铁研磨盘，即可对天然金刚石刀具进行加工。该工艺利用纳米硅土粉与刀具表面碳原子发生化学反应，反应层则在金刚石磨粒的微切作用下被去除。上述两种方法可在一定程度上缓解天然金刚石刀具的刃磨损伤层问题。

日本学者Furushiro等人提出了大气条件下的铜盘抛光方法，即用机械刃磨工艺预先加工出天然金刚石刀具成品，然后继续在加温铜盘的光洁表面进行抛光。他们认为，该后置抛光方法利用化学氧化原理，可有效去除机械刃磨工艺导入刀具表面的损伤层，减少微裂纹等缺陷。实践证明，该方法有效解决了大尺寸微结构模辊超精密切削加工中的微圆弧、尖刃金刚石刀具刃口耐磨损性能不足的关键技术难题。

但是，化学抛光方法和无损伤机械化学抛光方法的工艺复杂，对磨料制备工艺的稳定性要求高，因此生产成本较高。大气环境下的铜盘抛光方法虽然工艺简单，但要预先抛光铜盘获得超光滑表面，因此整体加工效率低。综上所述，为了克服上述技术方法的工艺复杂和加工效率低的不足，本发明提出了基于纳米氧化铜的天然金刚石刀具真空热化学腐蚀方法。

发明内容