CN100409983C

CN100409983C - 整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置

Info

Publication number: CN100409983C
Application number: CNB2003101083060A
Authority: CN
Inventors: 陈明; 孙方宏; 张志明; 简小刚; 马玉平
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: CN1539583A

Abstract

整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置主要包括：热丝电源、减速电机、密封回转装置、密封垫圈、石英管、基体支撑台、直流偏压源、底座密封垫圈、底座、进水管、抽气管道、出水管、反应室、热敏电阻、热丝、铜质导气管、质量流量计、气瓶。针对整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层时的刀具基体结构特点和涂层要求，采用独特的密封回转装置，使其既能密封，又能通过电机带动装夹有刀具的旋转轴回转，从而改善基体的表面沉积温度和反应气氛，满足整体式硬质合金旋转刀具对金刚石涂层质量的要求。通过该装置可以简单、方便地控制沉积条件，大批量制备出高质量的整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层，因而其产业化前景光明，具有显著的经济效益。

Description

整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置

技术领域

本发明涉及一种金刚石涂层制备装置，特别是一种采用电子增强热丝化学气相沉积(CVD)法对整体式硬质合金旋转刀具进行金刚石涂层制备的整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置，属于涂层刀具制备技术领域。

背景技术

随着工件材料向着轻量化、复合化方向发展，高硅铝合金、钛合金、铝基复合材料、工程陶瓷、纤维增强塑料等非铁难加工材料在汽车、航空航天和模具中被大量使用。以高速钢和碳化钨-钴(WC-Co)类硬质合金材料为主的整体式旋转体刀具如麻花钻、整体式立铣刀、铰刀和丝锥等复杂形状刀具使用量大面广，而这些刀具在高速切削加工上述难加工材料时刀具磨损严重，加工精度及表面质量难以保证。与此同时，金刚石因具有最高硬度、高弹性模量、高热导率、低摩擦系数、低热膨胀系数和化学稳定性好等优异性能而应该成为加工上述非铁难加工材料的理想的刀具材料。由于电子增强热丝化学气相沉积(CVD)技术可以直接在基体上生长金刚石而制造各种器件，从而使得具有复杂形状基体的整体式硬质合金旋转刀具的金刚石涂层制备成为可能。整体式硬质合金旋转金刚石涂层刀具因综合了金刚石的高硬度和硬质合金的高强度和断裂韧性等优异性能，必将成为最有希望的用于高速切削非铁难加工材料的新一代复杂形状刀具。然而，由于整体式硬质合金旋转刀具形状复杂的结构特点，要在其上沉积得到质量均匀和厚度均匀的优质金刚石涂层将会有一定困难，因而相比平面基体而言，对金刚石涂层沉积装置提出了特殊的要求，并且使得整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层实现产业化制备的难度增大。已有技术中，基于平面基体的电子增强热丝化学气相沉积(CVD)装置只能对平面切削刀具进行金刚石涂层，还不能够满足整体式旋转刀具金刚石涂层质量的要求，并且目前国内外关于整体式旋转金刚石涂层刀具研究尚处于起步阶段，针对整体式硬质合金旋转刀具形状复杂的结构特点和使用要求而特制的专用金刚石涂层沉积装置还尚未出现。

发明内容

为了克服现有的平面基体金刚石涂层制备装置不能保证整体式旋转刀具复杂形状基体上所沉积的金刚石涂层厚度均匀性和质量均匀性的不足，切实提高刀具涂层的附着强度及改善涂层的表面粗糙度，以提高整体式旋转涂层刀具的整体切削性能，本发明提供一种采用电子增强热丝CVD法对整体式硬质合金旋转刀具进行金刚石涂层制备的整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置。

本发明装置在原有基于平面基体电子增强热丝化学气相沉积(CVD)装置的基础上增加了独特的密封回转装置，它主要包括：热丝电源、减速电机、密封回转装置、密封垫圈、石英管、基体支撑台、直流偏压源、底座密封垫圈、底座、进水管、抽气管道、出水管、反应室、热敏电阻、热丝、铜质导气管、质量流量计、气瓶。本发明采用独特的密封回转装置是为了适应整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层时的刀具基体结构特点和涂层要求，通过将旋转刀具基体安装在密封回转装置的转轴上，使其在沉积过程中能够连续旋转，从而改善基体表面的沉积温度和反应气氛，因而能够对复杂形状基体的整体式旋转刀具进行高质量的金刚石涂层。密封回转装置主要由转轴、套筒、半圆头螺钉、密封座、密封座上冷却铜管、密封座下冷却铜管、J型密封圈、压紧法兰、压套和垫圈组成。转轴穿过密封座、垫圈、压套、J型密封圈和压紧法兰，与减速电机回转轴相连接。通过半圆头螺钉采用螺纹连接将压紧法兰紧紧地固定在密封座上，为了保证密封，在压紧法兰和密封座之间依次采用J型密封圈、压套和垫圈进行压紧密封，压紧法兰将J型密封圈紧紧压在压套上，而压套则将垫圈紧紧压在密封座上。转轴下端通过螺纹连接与带有内螺纹的套筒相连接，套筒在接近热丝端的筒壁上沿径向等分地开三个小螺纹孔以安放用来夹紧旋转刀具刀柄用的螺钉，这样把刀柄套在套筒时，可通过三个不同方向的螺钉对刀具进行夹紧并定位。为了保证密封圈的工作性能，在密封座上下面焊接铜质冷却管并循环通入冷水进行冷却。另外为了保证密封座与石英管之间的密封，在其接触面上设置了密封橡胶圈，当内部达到真空时，外部大气压把密封橡胶圈紧紧地压在石英管上从而达到真空密封的目的。

本发明的有益效果是，该制备装置是针对整体式硬质合金旋转刀具形状复杂的结构特点和使用要求而特制的专用金刚石涂层沉积装置。它采用独特的密封回转装置使得刀具基体表面的沉积温度和反应气氛得到极大的改善，从而可以简单、方便地控制沉积条件，沉积出高质量金刚石涂层，因而其产业化前景光明，具有显著的经济效益。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图2是本发明装置中的密封回转装置半剖面结构示意图。

图中1是热丝电源，2是减速电机，3是密封回转装置，4是密封垫圈，5是石英管，6是基体支撑台，7是直流偏压源，8是底座密封垫圈，9是底座，10是进水管，11是抽气管道，12是出水管，13是反应室，14是热敏电阻，15是热丝，16是铜质导气管，17～19是质量流量计，20～22是气瓶，23是垫圈，24是压套，25是半圆头螺钉，26是压紧法兰，27是J型密封圈，28是密封座上冷却铜管，29是密封座，30是密封座下冷却铜管，31是转轴，32是套筒，33是半圆头螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述。

如图1所示，本发明装置主要包括：热丝电源1、减速电机2、密封回转装置3、密封垫圈4、石英管5、基体支撑台6、直流偏压源7、底座密封垫圈8、底座9、进水管10、抽气管道11、出水管12、反应室13、热敏电阻14、热丝15、铜质导气管16、质量流量计17～19、气瓶20～22。密封回转装置3、石英管5与底座9围成反应室13，其中石英管5正放在底座9上，中间垫有底座密封垫圈8，而密封回转装置3则正放在石英管5上，中间垫有密封垫圈4。通过螺栓将减速电机2固定在密封回转装置3的上表面，同时减速电机2中的旋转轴与密封回转装置3中的转轴通过键连接。基体支撑台6安置在反应室13内，通过两根铜质冷却水管即进水管10和出水管12直接固定在底座9上，冷却水从进水管10内进入到基体支撑台6的内部空腔中，再经由出水管12排出。热丝15通过支架固定在基体支撑台6的正上方，热丝电源1的两端通过导线与热丝15的两端相连，直流偏压源7的负极连接到热丝15上，其正极则连接到基体支撑台6上。热敏电阻14置于基体支撑台6内，其输出端通过导线连接到温度数字显示仪上。抽气管道11一端直接与抽真空系统相连接，另一端穿过底座9伸入到反应室13中。气瓶20～22分别通过质量流量计17～19连接到铜质导气管16中，铜质导气管16则穿过密封回转装置3伸入到反应室13中。

为了适应整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层时的刀具基体结构特点和涂层要求，本发明采用了独特的密封回转装置3，使其既能密封，又能通过电机带动装夹有刀具的旋转轴回转，从而改善整体式硬质合金旋转刀具基体的表面沉积温度和反应气氛，提高涂层质量。如图2所示，该密封回转装置3主要包括：转轴31、套筒32、半圆头螺钉33、密封座下冷却铜管30、密封座29、密封座上冷却铜管28、J型密封圈27、压紧法兰26、半圆头螺钉25、压套24和垫圈23。它们之间的连接关系为：转轴31穿过密封座29、垫圈23、压套24、J型密封圈27和压紧法兰26，与减速电机2回转轴相连接；通过半圆头螺钉25采用螺纹连接将压紧法兰26紧紧地固定在密封座29上，为了保证密封，在压紧法兰26和密封座29之间依次采用J型密封圈27、压套24和垫圈23进行压紧密封，压紧法兰26将J型密封圈27紧紧压在压套24上，而压套24则将垫圈23紧紧压在密封座29上；转轴31下端通过螺纹连接与带有内螺纹的套筒32相连接，套筒32在接近热丝15端的筒壁上沿径向等分地开三个小螺纹孔以安放用来夹紧旋转刀具刀柄用的半圆头螺钉33，这样当把旋转刀具刀柄套在套筒32时，通过三个不同方向的半圆头螺钉33对旋转刀具刀柄进行夹紧并定位；在密封座29上下表面分别焊接有冷却铜管即密封座上冷却铜管28和密封座下冷却铜管30；由于以上部件是专门针对整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层时的刀具基体结构特点和涂层要求而设计的，目前在市场上并无类似产品出售，因此需要进行专门制作。半圆头螺钉33采用铝材料制作以保证其能耐反应室13内高温，而用来紧固压紧法兰26的半圆头螺钉33、转轴31、套筒32、密封座下冷却铜管30、密封座29、密封座上冷却铜管28和压紧法兰26都采用铜材料进行制作，J型密封圈27和垫圈23则都采用能耐高温的硅橡胶，其耐热温度最高可达到250℃，压套24可采用Q235A材料制作。

按照上述要求制作并连接装置后，即可对整体式硬质合金旋转刀具进行金刚石涂层，当抽真空系统通过抽气管道11将反应室13抽成真空时，外部大气压将把密封回转装置3和石英管5紧紧地压在底座9上，从而达到真空密封状态。三个气瓶20～22中分别装有反应气体氢气(H₂)、碳源气体(H₂+CH₄)和氩气(Ar)，通过三个质量流量计17～19可以分别控制H₂、H₂+CH₄和氩气的流量及其在反应室13内的浓度，用热敏电阻14测定反应室13内温度，通过控制热丝电源1和直流偏压源7的电流和电压大小，可以控制热丝15的发热功率，由此可以控制反应室13内的反应温度。通过减速电机2控制密封回转装置3中的转轴31的转动，从而带动套筒32及装夹在其上的刀具连续回转，改善旋转刀具基体周围的沉积温度和反应气氛，因而能够对复杂形状基体的整体式旋转刀具进行高质量的金刚石涂层。整个涂层沉积过程中，还需要在两根铜质冷却水管即进水管10和出水管12内循环通入冷却水以对基体支撑台6进行循环冷却，同样在密封座上冷却铜管28和密封座下冷却铜管30内循环通入冷却水以对密封座29进行循环冷却。

Claims

1. 一种整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置，主要包括：热丝电源(1)、减速电机(2)、密封垫圈(4)、石英管(5)、基体支撑台(6)、直流偏压源(7)、底座密封垫圈(8)、底座(9)、进水管(10)、抽气管道(11)、出水管(12)、反应室(13)、热敏电阻(14)、热丝(15)、铜质导气管(16)、质量流量计(17～19)、气瓶(20～22)，其特征在于还包括密封回转装置(3)，密封回转装置(3)、石英管(5)与底座(9)围成反应室(13)，其中石英管(5)正放在底座(9)上，中间垫有底座密封垫圈(8)，而密封回转装置(3)则正放在石英管(5)上，中间垫有密封垫圈(4)；通过螺栓将减速电机(2)固定在密封回转装置(3)的上表面，减速电机(2)中的旋转轴与密封回转装置(3)中的转轴通过键连接；基体支撑台(6)通过两根铜质冷却水管即进水管(10)和出水管(12)直接固定在底座(9)上；热丝(15)通过支架固定在基体支撑台(6)正上方，热丝电源(1)的两端通过导线与热丝(15)的两端相连，直流偏压源(7)的负极连接到热丝(15)上，其正极则连接到基体支撑台(6)上；热敏电阻(14)置于基体支撑台(6)内，其输出端通过导线连接到温度数字显示仪上；抽气管道(11)一端与抽真空系统相连接，另一端穿过底座(9)伸入到反应室(13)中；气瓶(20～22)分别通过质量流量计(17～19)连接到铜质导气管(16)中，铜质导气管(16)则穿过密封回转装置(3)伸入到反应室(13)中。

2. 根据权利要求1所述的整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置，其特征还在于密封回转装置(3)包括：转轴(31)、套筒(32)、半圆头螺钉(25)、密封座下冷却铜管(30)、密封座(29)、密封座上冷却铜管(28)、J型密封圈(27)、压紧法兰(26)、半圆头螺钉(25)、压套(24)和垫圈(23)，转轴(31)穿过密封座(29)、垫圈(23)、压套(24)、J型密封圈(27)和压紧法兰(26)，与减速电机(2)回转轴相连接；通过半圆头螺钉(25)采用螺纹连接将压紧法兰(26)紧紧地固定在密封座(29)上，在压紧法兰(26)和密封座(29)之间依次采用J型密封圈(27)、压套(24)和垫圈(23)进行压紧密封，压紧法兰(26)将J型密封圈(27)紧紧压在压套(24)上，而压套(24)则将垫圈(23)紧紧压在密封座(29)上；转轴(31)下端通过螺纹连接与带有内螺纹的套筒(32)相连接，套筒(32)在接近热丝(15)端的筒壁上沿径向等分地开三个小螺纹孔以安放用来夹紧旋转刀具刀柄用的半圆头螺钉(33)，这样当把刀柄套在套筒(32)时，通过三个不同方向的半圆头螺钉(33)对刀具进行夹紧并定位；在密封座(29)上下表面焊接铜质冷却管即密封座上冷却铜管(28)和密封座下冷却铜管(30)，并循环通入冷却水。

3. 根据权利要求1所述的整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置，其特征还在于：半圆头螺钉(25)采用钼材料制作，半圆头螺钉(25)、转轴(31)、套筒(32)、密封座下冷却铜管(30)、密封座(29)、密封座上冷却铜管(28)、导气铜管(22)和压紧法兰(26)都采用铜材料进行制作，J型密封圈(27)、垫圈(23)和密封垫圈(5)则都采用能耐高温的硅橡胶，压套(24)可采用Q235A材料制作。