固结磨料研磨CVD金刚石膜的运动轨迹仿真及试验研究

罗和平，刘永吉，何 艳，汲 军， 苑泽伟

(1.沈阳机床股份有限公司，辽宁 沈阳 110142；2.沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 前言

金刚石具有优越的物理化学性能，如最高的硬度，较高的热传导性，宽的带隙，低的摩擦系数和良好的化学稳定性等，这使得金刚石成为当前极具影响力的工程材料[1-4]。然而，天然金刚石较为稀少，价格高昂，导致其无法满足市场上的大量需求。幸运的是，化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)的出现，使得金刚石膜可以在多种基体表面生长，也将金刚石从传统的刀具、模具领域扩展为光学、热学、电子半导体和航空航天等领域。但随着金刚石膜厚度的增加，其表面粗糙度值也相应增大，已无法满足上述各应用领域，需通过特种加工技术进行精密抛光后，将其表面粗糙度值降低到纳米级以后方可使用。

目前，国内外各学者已研究出多种CVD金刚石膜加工技术，如机械抛光[5,6]、热化学抛光[7,8]、离子束抛光[9,10]、激光加工[11,12]等。这些抛光方法中，热化学抛光主要利用加热后抛光盘去除，离子束抛光需在真空下进行，而且价格高昂，激光抛光同样造价不菲，而且激光温度较难控制，加工后部分形貌粗糙，机械抛光为最原始的金刚石抛光方法，其加工工艺较为简单，通常采用金刚石磨料和铸铁盘抛光作为研磨物料，可进行金刚石膜大面积研磨[13]，已在各企业得到了广泛使用。由于机械抛光主要为物理去除，研磨压力较难控制，容易造成表面划伤、亚表面损伤，严重时可出现边缘碎裂等问题。

本文针对在机械研磨不同型号抛光盘时出现的转速不均匀现象，导致抛光盘与金刚石膜接触不均匀，材料去除率降低等问题，提出了运动轨迹仿真试验，主要借助Matlab软件建立工件在抛光盘形成的运动轨迹并进行仿真，选出最优的抛光转速组合，并结合机械抛光试验，观察金刚石形貌及表面粗糙度，实现CVD金刚石的快速研磨。

1 运动轨迹仿真

试验装置如图1所示，采用金刚石抛光盘抛光CVD金刚石膜。抛光时，存在金刚石膜表面抛光不均匀现象，且抛光盘表面出现环形沟槽，最终导致抛光过程中抛光盘剧烈震动，试验无法进行。因此对其抛光运动轨迹进行分析，确定最为合适的抛光转速组合。由于抛光盘与工件之间不存在磨粒，所以不考虑磨粒在各种影响下的运动形式，大大简化了分析难度。本文首先分析抛光盘和工件间的相对运动；然后建立模型进行运动的计算，抛光盘与工件运动模型如图2所示。

在垂直于工件和抛光盘旋转轴的平面内，抛光盘的旋转轴为O1，工件的旋转轴为O2，O1、O2间的距离为偏心距e。在该平面内以抛光盘圆心和工件圆心为原点建立坐标系O1X1Y1和O2XY。两坐标系中的O1X1和O2X轴均为沿O1O2连线方向。原点分别为O1、O2。点A为抛光盘上的任一点，不失一般性，不妨设点A初始位置在O1O2连线上，距O1点的距离为RA。因此，最终可归结为点A相对于工件的运动。

图1 实验装置图

图2 抛光盘与工件相对运动模型

(1)

(2)

A′的轨迹方程，即抛光盘上点A相对工件的运动方程为

x=RAcos(θ1-θ2)-ecosθ2

(3)

y=RAsin(θ1-θ2)+esinθ2

(4)

由此可见，A′相对工件的轨迹是一簇摆线，由式(3)、(4)可得

(5)

式中，ρ为点A′轨迹曲线的向径；由此可知，向径ρ是抛光盘转角的周期函数，抛光盘旋转一周，ρ变化一个周期，ρ取值范围为

ρmax=RA+e

(6)

ρmin=|RA-e|

(7)

表明工件的半径只能在(|RA-e|，RA+e)范围内选取，否则将有一部分工件无法被抛光。

在程序的编制中，把时间确定为选取计算点的物理量，即随着时间的推移，单个抛光盘上磨粒将依次出现在工件的不同位置，然后把多个时间点联系起来就够成了这个磨粒的运动轨迹。在运算时，每隔0.01 s取一个运算时间点。考虑距离抛光盘中心30 mm是单个磨粒相对于工件的运动轨迹，即方程中的RA为30。为了能清晰观察单个磨粒周期性的运动轨迹，时间t可以选择长一些，在程序的编制过程中，t取100 s。

抛光盘的转速选定为60 r/min，采用Matlab进行仿真直到找出最佳的抛光转速组合，得到的具有代表性的仿真运动轨迹如图3所示。

图3 运动轨迹仿真结果

仿真过程为：输入ω1=60，ω2=10，结果如图3a所示，这样的运动轨迹使得抛光盘表面接触不均匀，长期抛光后盘面粗糙度不一，材料去除率下降；输入ω1=60，ω2=32，结果如图3b所示，此时得到的结果已经比较满意；再进一步调整，输入ω1=60，ω2=31，结果如图3c所示，由图可以看到，抛光轨迹分布更为均匀，可以更合理的利用抛光盘。最终，得出抛光盘转速为60 r/min时，载样盘31 r/min抛光效果最好。

2 机械抛光试验

本试验的抛光盘为直径200 mm的300#电镀金刚石抛光盘，配重块为不锈钢块，直径为80 mm，配重块之间用螺杆联结，如图1所示。金刚石膜为多晶的CVD金刚石膜，尺寸为10 mm×10 mm×2 mm。由于302胶的固化过程比较慢，粘接后的平整度较好，因此选用302胶将金刚石膜粘在配重块上，抛光载荷为58.8 N。采用的电镀金刚石抛光盘表面形貌如图4所示。

采用Matlab轨迹仿真得到最佳的抛光转速组合(ω1=60，ω2=31)进行抛光试验，抛光过程中金刚石膜表面粗糙度的变化如图5所示。随着抛光时间的延长，只要有材料去除，有峰的磨钝，表面粗糙度值就会减小。但当金刚石膜的尖峰基本去除后，形成大片金刚石膜表面时，表面粗糙度值变化趋于平缓，抛光10 h后获得的表面粗糙度值为1.32 μm，接近于300#电镀金刚石抛光盘所能获得的极限粗糙度值。因此要想获得更好的表面粗糙度需要换用小粒度的金刚石抛光盘。金刚石膜表面形貌的变化如图6所示，金刚石膜的硬度极大，去除很小，因此金刚石膜的抛光过程实际上是对CVD金刚石膜尖峰的磨钝过程。随着抛光的进行，被磨钝的峰所占的区域面积在增加，未磨到的谷所占的区域面积在减少，最后出现了多个峰连成一片的现象，且露出光整的表面。

图4 金刚石抛光盘显微形貌

图5 金刚石膜表面粗糙度的变化

图6 金刚石膜表面形貌变化

3 结论

首先分析抛光盘和工件之间的相对运动关系，然后建立抛光盘与工件简化运动模型。通过Matlab软件对抛光盘与工件之间运动轨迹进行仿真，优化抛光转速组合。当抛光盘转速选定为60 r/min时，工件的转速为31 r/min，抛光轨迹均匀性最好。

采用仿真得到的最优抛光转速组合，选用粒度为300#电镀金刚石盘抛光CVD金刚石膜，表面质量得到了一定的改善，最后获得的表面粗糙度值在1.32 μm左右。

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