一種線上高頻淺層改質輔助製程之高精密研削系統開發應用於單晶鑽石工具快速成形研究

本計畫規劃開發具「線上高頻淺層改質輔助製程之高精密研削系統」，並利用此一系統，進行單晶鑽石探針的快速成型技術研究，以建立國人在關鍵單晶鑽石工具開發的高度自主技術能力。計畫目標在針對「針尖圓弧半徑1 µm」的單晶鑽石探針，以線上高頻淺層改質之輔助製程，進行快速研磨成形研究。為獲得高效能的單晶鑽石探針之成形加工，本研究提出一種「避熱式旋轉放電法(Heat-prevented rotation wire electrical discharge machining, Heat-prevented RWEDM)」，透由避熱路徑演算法，計算出銅線放電加工的最佳路徑，以便對真空焊接(Vacuum brazing)完成的含硼單晶鑽石(Boron-doped monocrystalline diamond, BD-MCD)進行旋轉式放電熔蝕加工。高溫火花熔蝕可無視於鑽石的高硬度，探針素材能被快速旋轉熔蝕至針尖10 µm的雛形，除了可移除鑽石與基材的大部分材料外，更可避免鑽石因高熱而脫離母材的問題，由於鑽石有最高的硬度，因此透由高溫熔蝕加工，著實能大幅減少鑽石後續研磨加工的時間。完成的鑽石探針雛型，續以所研發的「高精密研削系統」，以陶瓷結合劑鑽石磨輪進行切線式的粗加工、精加工研光及拋光。實驗發現，經由高頻淺層改質輔助製程後的鑽石表面，因高溫使得探針表面由sp3的鑽石結構降至sp2的石墨化層結構，有利於後續研磨過程中的潤滑。於研磨的最終階段，添加#14,000超微磨粒，並以進給深度0.1 µm/stroke進行精拋光，可使鑽石探針針尖半徑達1.0 µm，表面粗糙度達Ra86 nm，全程耗時僅2小時36分鐘。比起傳統僅以研磨方式成形，效率提高54%。最後由表面粗糙度量測儀對成形的鑽石探針進行量測驗證，證實本製品的量測結果能達JIS 2001規範的標準差範圍，顯示本計畫所開發的單晶鑽石探針，能應用於商用的表面粗糙度量測儀的量測，研究所提方法具「技術自主」及「商業化」價值。