专利名称：一种cvd金刚石厚膜眼科手术刀制作装置及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置及制作方法，属于工具技术 领域。
背景技术：
CVD厚膜金刚石手术刀主要用于白内障复明等眼科领域。现在我国白内障手术所 用刀具主要为金属刀片(若患者提议采用金刚石手术刀，需要加收不菲的费用)，它对组织 的损伤严重，导致愈合期加长，并影响治疗效果。金刚石制成的手术刀刀刃的平直度可以达 到0. 01 u m,即在500-5000倍显微镜下完美无缺；刀刃圆弧半径0. 005 u m,是硬质合金刀 具的千分之一，仅由几个碳原子规则排列而成，远远小于单个细胞，因此手术时刀刃仅将单 个细胞从中一分为二，而不伤及与其相邻的细胞与组织，不会导致出血，切口边缘极光洁整 齐，令伤口在细胞水平愈合，愈合无瘢痕，不产生散光。且金刚石刀具切削力小，使手术操作 轻快，同时也不会象金属刀具一样有可能使金属粉末残留在组织中而影响伤口愈合。近代科技成功地在低压条件下将普通气体(甲烷气体加氢气)转变成金刚石，称 为化学气相沉积(Chemical Vapor D印osition，简称CVD)金刚石，以区别于天然金刚石和 高温高压下合成的单晶和烧结成的聚晶金刚石(PCD)。CVD法生长金刚石技术的突破，CVD 金刚石为全晶质纯多晶金刚石，不象烧结金刚石PCD那样含有少量的非金刚石粘结材料， 所以它是最接近天然金刚石的人造材料，在很多应用领域可以替代昂贵的天然金刚石，从 而降低刀具制造成本。金刚石的优异性能，使它有广泛的应用范围，但也正是由于这些性质，使得对金刚 石的加工非常困难，传统抛光金刚石的方法是采用涂敷有金刚石粉的铸铁盘，在各向异性 的单晶金刚石的最软方向进行抛光。铸铁盘上金刚石粉的硬度为金刚石平均硬度，它高于 被抛光金刚石的最软方向，从而使抛光得以顺利进行。而金刚石薄膜，为聚晶形式的金刚 石，其各个方向的硬度都为金刚石的平均硬度，与铸铁盘上金刚石粉的硬度相当，所以采用 铸铁盘抛光金刚石薄膜，会出现二个方面的问题一是抛光速度极慢，需要几天的时间才能抛光完一片金刚石薄膜。二是质量差，抛 光出的金刚石薄膜的表面粗糙度一般只能达到Ra 0. lym的量级，距离镜面还相差很远， 更谈不上纳米级的表面。同时由于机械抛光时的剧烈冲击，还会产生较深的表面损伤层。已 经不能适用于对其的精密与超精密加工。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置 及制作方法。—种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置，有研磨盘、加热器、支架、测力应变片、 测温传感件、夹具、进气管、轴、轴承、工作台、支撑、电机和皮带轮；轴通过轴承固定在支撑 上，支撑连接固定工作台，轴的一端安装有皮带轮通过皮带与带有皮带轮的电机连接；轴的另一端固定连接研磨盘，在工作台的上方和研磨盘的下方有加热器固定在工作台上，工作台上有加工罩，加工罩的侧面有进气管，上面有观察窗，支架立在工作台上，另一端连接夹具，夹具从加工罩的顶面窗口插入，夹具装卡工 件待磨CVD金刚石，工件待磨CVD金刚石与研磨盘接触， 测力应变片安装在支架上，测温传感件安装在夹具中。本发明采用热化学研磨法在700°C以上的高温中，金刚石原子可以溶入铁或镍 等金属晶格中而被腐蚀。利用这一原理，在900°C高温下便金刚石与旋转中的纯铁盘面接 触，对金刚石进行热化学精确研磨，可以得到不错的研磨速度、高的金刚石表面质量、精密 的形状精度和刀刃质量。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制 作方法，含有以下步骤步骤1 采用激光方法对CVD金刚石厚膜材料进行切割，切割成需要的尺寸；步骤2 在上述的一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置上，进行外形研磨与抛 光；采用行星研磨抛光方式，转速60转/分，压力lKpa ；步骤3 厚度研磨抛光；磨成薄片，转速3000转/分，压力200Kpa ；步骤4 粗磨刀刃；采用热化学研磨方法；900°C温度下，转速60转/分，压力， lOKpa ；步骤5 精磨刀刃；900°C温度下；刀刃楔角为30-38-40度，刀刃平直度为0. liim;步骤6 研磨刀刃；900°C温度下；压力为10_50Kpa，磨削速度为0. 16m/s,步骤7:检测。一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀，刀尖角为35-50°，刀刃楔角为30_40° ；刀刃的 平直度达到0. 1 ii m，即在500-5000倍显微镜下完美无缺；刀刃圆弧半径0. 05 y m ；刀具表 面粗糙度小于RaO. 005 iim。本发明的有益效果相比传统的金刚石机械研磨方法，本发明的热化学方法研磨和抛光金刚石，具有 很多的优点它的研磨压力小，只有10-50Kpa，磨削速度可低至0. 16m/s,(机械方法分别为 l-5Mpa和30-50m/s)，大大降低了磨削过程中金刚石刀刃所受的冲击和振动，刀刃直线性 进一步提高，即使是研磨刀刃楔角只有38°的眼科手术刀，也能保证刀刃在500倍显微镜 下完美无缺。其次，热化学方法研磨金刚石时方向性不强，可以在金刚石任意晶面的任意方 向上研磨，这一特点使它可以抛光聚晶形式的金刚石薄膜。金刚石晶体在高温下还能释放 其中的部分内应力，使其性能得到提高。1.采用行星研磨抛光方式，使CVD金刚石厚膜表面的每个晶粒都能够在其最软方 向上研磨。2.采用空气轴承作为研磨抛光机器主轴，削除研磨抛光过程中的振动与冲击。3.利用金刚石高温扩散原理，创新的引入热化学扩散研磨方式研磨CVD金刚石厚 膜眼科手术刀，克服了 CVD金刚石厚膜长期存在的加工难题，属于国际先进水平，在国内是 首次研究与开发。
图1为本发明CVD金刚石厚膜眼科手术刀示意图。图2为本发明行星研磨抛光装置示意图。图3为本发明热化学研磨的制作装置示意图。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施例方式实施例1 如图1-3所示，一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀的制作方法，含有以下 步骤步骤1 采用激光方法对CVD金刚石厚膜材料进行切割，切割成需要的尺寸；步骤2 在CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置上，外形研磨与抛光；采用行星研 磨抛光方式，转速60转/分，压力lKpa;步骤3 厚度研磨抛光；磨成薄片，转速3000转/分，压力200Kpa ；天然金刚石是 典型的脆性材料，CVD金刚石厚膜相对还要更脆一些，且由于是聚晶结构，磨削硬度为金刚 石的平均硬度，不象天然金刚石那样有最软方向(金刚石晶粒上软硬方向上的研磨硬度相 差100倍以上)，所以磨削更加困难。在将其磨成0. 2XlX6mm的薄片过程中，金刚石很容易 折断。步骤4 在CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置上，向加工区域通过进气管加入氢 气，开启加热器加热，根据测温和测压的结果，调整温度和压力，900°C温度下，转速60转/ 分，压力，lOKpa，粗磨薄片的刀刃；步骤5 继续精磨薄片的刀刃；900°C温度下；刀刃楔角为30-38-40度，刀刃平直 度为0. 1 y m ；这是金刚石刀具制造过程中最主要也是最关键的工序，它决定金刚石刀具的 最终质量水平，根据测温和测压的结果，调整温度和压力；眼科手术刀的刀刃楔角为38度，如此小的楔角要做到0. 1 ii m的刀刃平直度，步骤6 继续研磨薄片的刀刃；根据测温和测压的结果，调整温度和压力，900°C温 度下；压力为10-50Kpa，磨削速度为0. 16m/s,步骤7:检测。一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置，有研磨盘2、加热器3、支架4、测力应变 片5、测温传感件6、夹具7、进气管9、轴15、轴承10、工作台、支撑、电机和皮带轮11 ；轴15 通过轴承10固定在支撑12上，支撑12连接固定工作台14，轴15的一端安装有皮带轮11 通过皮带与带有皮带轮的电机连接；轴15的另一端固定连接研磨盘2 ；夹具7上有配重16;在工作台14的上方和研磨盘2的下方有加热器3固定在工作台14上；工作台14上有加工罩13，加工罩13的侧面有进气管9，上面有观察窗8 ；支架立在工作台14上，另一端连接夹具7，夹具7从加工罩13的顶面窗口插入，夹 具7装卡工件待磨CVD金刚石1，工件待磨CVD金刚石1与研磨盘2接触；测力应变片5安装在夹具7上，测温传感件6安装在夹具7中。测力应变片5为市售的应变式测力传感器与市售的压力显示装置连接。加热器3的结构采用可燃气体加热方式，加热器3为天然气或煤气的灶眼；或采取电加热方式，加热器3为电炉丝结构；测温传感件6与市售的测温仪连接；轴承10为超高精度空气轴承。
实施例2 结构如实施例1，本发明通过独创的行星研磨抛光方式、热化学研磨方法及超高精度空气轴承作为 研磨抛光机器的主轴，空气轴承采用高洁净的高压空气膜作为支承主轴的介质等加工方 式，有效地解决了 CVD金刚石厚膜材质脆，硬度平均无最软方向，易损坏的技术难点，实现 了眼科手术刀的高精度要求。项目完成后将开启国产金刚石手术刀的新时代，完全达到进 口金刚石手术刀的加工精度及锋利程度要求，替代传统的金属刀片，大大降低眼科手术对 眼部的损伤度。金刚石眼科手术刀金刚石刀头部分的典型形状如图1所示其外形尺寸为 0. 2XlX6mm，刀尖角为45°，刀刃楔角为38°。要求刀刃的平直度达到0. 1 y m，即在 500-5000倍显微镜下完美无缺；刀刃圆弧半径0. 05 u m。1.厚度研磨抛光，天然金刚石是典型的脆性材料，CVD金刚石厚膜相对还要更脆 一些，且由于是聚晶结构，磨削硬度为金刚石的平均硬度，不象天然金刚石那样有最软方向 (金刚石晶粒上软硬方向上的研磨硬度相差100倍以上)，所以磨削更加困难。在将其磨成 0. 2XlX6mm的薄片过程中，金刚石很容易折断。2.研磨刀刃，这是金刚石刀具制造过程中最主要也是最关键的工序，它决定金刚 石刀具的最终质量水平。长期以来，众多的金刚石刀具专家都在从事这方面的研究与创新， 以期获得更加精密、更加锋利的金刚石刀刃。眼科手术刀在此方面的难点还要更加突出一些一般金刚石机械加工刀具的刀刃 楔角在80度以上，而眼科手术刀的刀刃楔角只有38度，如此小的楔角要做到0. 1 y m的刀 刃平直度，其难度可想而知；此外，CVD金刚石脆性更大，强度更小，更加增加了达到上述要 求刀刃的难度。针对上述难点，本发明首先创新性的采用如图2所示的行星研磨抛光方式在下部研磨砂轮高速旋转的同时，砂轮上面装有金刚石厚膜的夹具带动金刚石沿 自身轴线低速转动。此种方式由于使磨削方向遍及金刚石表面的所有方向，能够使金刚石 表面的每个晶粒都有在其最软方向磨削的机会，所以磨削速度大大提高，且减少了金刚石 厚膜折断损坏的危险。其次，本发明还采用了超高精度空气轴承作为研磨抛光机器的主轴，空气轴承采 用高洁净的高压空气膜作为支承主轴的介质，旋转阻力小，旋转精度高(端面跳动小于 0.5um),高速转动平稳无振动，且空气膜本身有很强的吸振能力，能够完全吸收磨削过程 自身产生的微小振动，使整个研磨抛光过程在基本无任何微小振动的条件下进行，从而保 证金刚石薄片的抛光质量。最重要的是，本发明创新地采用的刀刃研磨方法为热化学研磨方法，其原理如图3 所示在摄氏700度以上温度时，若使金刚石表面与铁接触，金刚石晶体中的碳原子能 够摆脱自身晶格的约束，扩散到铁晶体晶格中去。运用此机理的研磨过程是在氢气气氛中把铁质磨盘加热到900°C，使金刚石与铁质磨盘接触并相对滑动，金刚石晶格中的碳原子会扩散到铁晶体晶格中，达到磨削金刚石的目的。进入铁晶格中的碳又与氢气反应生成甲烷并随气流散发到空气中。这种方法的磨削速度为每秒40-2000个原 子层。相比传统的金刚石机械研磨方法，用这种热化学方法研磨和抛光金刚石，具有很 多的优点它的研磨压力小，只有10-50Kpa，磨削速度可低至0. 16m/s,(机械方法分别为 l-5Mpa和30-50m/s)，大大降低了磨削过程中金刚石刀刃所受的冲击和振动，刀刃直线性 进一步提高，加工出的金刚石表面极其光滑，可以轻而易举地达到纳米级的表面。其次，热 化学方法研磨金刚石时无方向性，可以在金刚石任意晶面的任意方向上高效研磨，这一特 点使它可以抛光聚晶形式的金刚石薄膜。金刚石晶体在高温下还能释放其中的部分内应 力，使其性能得到提高。以上是本发明的主要研究内容与技术路线，其主要技术创新点概括如下1.采用行星研磨抛光方式，使CVD金刚石厚膜表面的每个晶粒都能够在其最软方 向上研磨。2.采用空气轴承作为研磨抛光机器主轴，削除研磨抛光过程中的振动与冲击。3.利用金刚石高温扩散原理，创新的引入热化学扩散研磨方式研磨CVD金刚石厚 膜眼科手术刀，克服了 CVD金刚石厚膜长期存在的加工难题，属于国际先进水平，在国内是 首次研究与开发。实施例3 一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀，外形尺寸为0. 2XlX6mm;刀尖角为45°，刀刃楔 角为38° ；刀刃的平直度达到0. 1 y m，即在500-5000倍显微镜下完美无缺；刀刃圆弧半径 0. 05um ；刀具表面粗糙度小于RaO. 005 u m。或一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀，刀尖角为35°，刀刃楔角为30° ；刀刃的平直 度达到0. 1 ii m ；刀刃圆弧半径0. 05 ii m ；刀具表面粗糙度小于Ra 0. 005 y m。或一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀，刀尖角为50°，刀刃楔角为40° ；刀刃的平直 度达到0. 1 ii m ；刀刃圆弧半径0. 05 ii m ；刀具表面粗糙度小于RaO. 005 y m。
权利要求
一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置，其特征是有研磨盘、加热器、支架、测力应变片、测温传感件、夹具、进气管、轴、轴承、工作台、支撑、电机和皮带轮；轴通过轴承固定在支撑上，支撑连接固定工作台，轴的一端安装有皮带轮通过皮带与带有皮带轮的电机连接；轴的另一端固定连接研磨盘，在工作台的上方和研磨盘的下方有加热器固定在工作台上，工作台上有加工罩，加工罩的侧面有进气管，上面有观察窗，支架立在工作台上，另一端连接夹具，夹具从加工罩的顶面窗口插入，夹具装卡工件待磨CVD金刚石，工件待磨CVD金刚石与研磨盘接触，测力应变片安装在支架上，测温传感件安装在夹具中。
2.根据权利要求1所述的一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置，其特征是轴承 为空气轴承，空气轴承采用空气膜作为支承主轴的介质。
3.根据权利要求1或2所述的一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置，其特征是 夹具上有配重；加热器的结构采用可燃气体加热方式，加热器为天然气或煤气的灶眼；或采取电加热 方式，加热器为电炉丝结构。
4.根据权利要求1所述的一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置的一种CVD金刚石 厚膜眼科手术刀制作方法，含有以下步骤步骤1 采用激光方法对CVD金刚石厚膜材料进行切割，切割成需要的尺寸； 步骤2 在权利要求1所述的一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置上，进行外形研 磨与抛光；采用行星研磨抛光方式，转速60转/分，压力lKpa ；步骤3 厚度研磨抛光；磨成薄片，转速3000转/分，压力200Kpa ； 步骤4 粗磨刀刃；采用热化学研磨方法；900°C温度下，转速60转/分，压力，lOKpa ； 步骤5 精磨刀刃；900°C温度下；刀刃楔角为30-38-40度，刀刃平直度为0. 1 y m ； 步骤6 研磨刀刃；900°C温度下；压力为10-50Kpa，磨削速度为0. 16m/s, 步骤7:检测。
5.根据权利要求3所述的一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置的一种CVD金刚石 厚膜眼科手术刀制作方法，其特征是含有以下步骤在CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置上，向加工区域通过进气管加入氢气，开启加 热器加热，根据测温和测压的结果，调整温度和压力，900°C温度下，转速60转/分，压力， lOKpa，粗磨薄片的刀刃；根据测温和测压的结果，调整温度和压力。
全文摘要
一种CVD金刚石厚膜眼科手术刀制作装置及制作方法，属于工具技术领域。采用行星研磨抛光方式，有研磨盘、加热器、支架、测力应变片、测温传感件、夹具、进气管、轴、轴承、工作台、支撑、电机和皮带轮；轴通过轴承固定在支撑上，支撑连接固定工作台，轴的一端安装有皮带轮通过皮带与带有皮带轮的电机连接；轴的另一端固定连接研磨盘，利用金刚石高温扩散原理，创新的引入热化学扩散研磨方式研磨CVD金刚石厚膜眼科手术刀，克服了CVD金刚石厚膜长期存在的加工难题，得到不错的研磨速度、高的金刚石表面质量、精密的形状精度和刀刃质量。
文档编号A61F9/007GK101816598SQ20101015983
公开日2010年9月1日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者刘晓明 申请人:刘晓明