CN105349958A - 一种精密球表面沉积改性涂层的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种精密球表面沉积改性涂层的装置及方法，它涉及一种球表面沉积改性涂层装置及方法。在球体表面沉积改性涂层的制备技术中，通过控制球体进行间歇性随机转动，是实现球表面沉积涂层整体性的主要方法，但间歇性随机转动球体表面沉积涂层的均匀性具有一定的偏差，无法满足超精密球元件的精度要求。本发明中底盘的盘面沿其径向方向由内至外依次加工有至少一组三相通道，中层保持架的盘面依次有至少一个限位圈，限位圈包括多个定位孔，每个定位孔由三个等大的圆孔两两相切形成，每个圆孔内设置有一个驱动球，每个通孔组合包括多个精密球穿过孔，通孔组合中的精密球穿过孔与定位孔上下一一对应设置。本发明用于精密球元件表面沉积改性涂层的过程中。

Description

一种精密球表面沉积改性涂层的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种精密球表面沉积改性涂层的装置及方法，属于表面工程领域。
背景技术
精密球是轴承、圆度仪、陀螺和精密测量仪器中的重要元件，为提高其耐腐蚀性能和减摩抗磨性能，通常在精密球表面制备改性涂层。目前，精密球表面改性涂层的制备技术主要有物理粘结方法、物理转移膜形成方法和离子注入与沉积法等。
物理转移膜形成技术是将涂层的材料制作成粉末或质量块，与精密球发生机械挤压摩擦，使涂层材料转移到精密球表面，形成改性涂层。该类技术虽然可以在球体表面制备均匀的改性涂层，但是由于精密球与涂层材料之间存在机械挤压和摩擦作用，硬度较大的涂层材料会对超精密球体产生一定的损伤，所以该技术制备的表面改性涂层的硬度会受到一定限制。
离子注入与沉积技术是精密球表面改性涂层的一种高效无损伤制备方法。精密球表面沉积制备涂层时，需控制球体表面受离子注入的位置，保证精密球表面得到整体均匀的离子注入与沉积，从而在精密球表面制备均匀的改性涂层。目前，球体表面沉积改性涂层的制备技术中，主要通过控制球体进行间歇性随机转动，实现球表面沉积涂层的整体性，但是间歇性随机转动球体表面沉积涂层的均匀性具有一定的偏差，无法满足超精密球元件的精度要求。
综上所述，由于精密球的特殊性质，如球的形状和高精度要求等，制备精密球表面的改性涂层存在以下难点：
一、物理粘结方法无法保证陶瓷球表面的精度要求；
二、物理转移方法对精密球表面产生表面损伤，而且只适用于特定的涂层材料；
三、难以确保球表面制备的改性涂层的均匀性。
发明内容
在球体表面沉积改性涂层的制备技术中，通过控制球体进行间歇性随机转动，是实现球表面沉积涂层整体性的主要方法，但间歇性随机转动球体表面沉积涂层的均匀性具有一定的偏差，无法满足超精密球元件的精度要求。为解决这一问题，本发明提出一种精密球表面沉积制备改性涂层的装置及方法，控制高精密球进行连续自由转动，实现高精密球便面沉积涂层的完整性和均匀性。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种精密球表面沉积改性涂层的装置，它包括旋转底座、底盘、中层保持架、上层保持架、固定轴、固定中心轴套和多个驱动球，所述上层保持架、中层保持架和底盘均为圆盘，所述旋转底座为离子注入沉积设备的旋转工作台，所述底盘设置在旋转底座上，所述固定中心轴套位于旋转底座的中心位置，所述上层保持架、中层保持架从上到下依次套装在固定轴上，所述固定轴的下端穿过底盘设置在固定中心轴套内，所述底盘的盘面沿其径向方向由内至外依次加工有至少一组三相通道，每组三相通道由三条并列设置的环形凹槽组成，中层保持架的盘面沿其径向方向由内至外依次加工有至少一个限位圈，一个限位圈的下方对应有一组三相通道，每个限位圈包括多个定位孔，每个定位孔由三个等大的圆孔两两相切形成，每个圆孔的下方对应有一条环形凹槽，每个圆孔和其对应的凹槽之间设置有一个驱动球，所述上层保持架沿其径向方向由内至外依次加工有至少一个通孔组合，每个通孔组合包括多个精密球穿过孔，通孔组合中的精密球穿过孔与定位孔上下一一对应设置，每个精密球穿过孔内设置有一个精密球，该精密球的球面与其下方定位孔内的三个驱动球的球面均相切。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1、本发明通过旋转底座、底盘、中层保持架、上层保持架、固定轴、固定中心轴套和多个驱动球之间的设置有效实现对精密球表面改性涂层的沉积工作，涂层沉积效果均匀且能够保证精密球的完整。
2、底盘在旋转底座的带动下同步匀速转动，从而带动多个驱动球转动，驱动球由于中层保持架隔离并固定其位置，驱动球在底盘和中层保持架相互作用下进行自转，从而带动与驱动球相接触的精密球进行连续转动，调整精密球的被溅射位置，使精密球的整体表面能均匀接收注入的离子，沉积形成均匀的表面改性涂层。
3、定位孔的形状新颖合理，每个定位孔与底盘上的三相通道配合设置，有效形成三个驱动球两两相切的布局，构成了精密球的三点接触支撑结构。
4、本发明可对不同尺寸和材料的精密球实现均匀离子注入，并保证精密球形零件的尺寸精度，与现有精密球相比，有效提高40％的使用寿命。
5、本发明设置灵活，底盘上三相通道的组数、中层保持架上限位圈的数量和通孔组合的个数均根据精密球的处理数量和自身的直径等具体要求进行设置，从而满足处理不同数量的精密球的工作要求。
6、本发明实现了改性涂层沉积制备过程中精密球的连续随机转动，保证了精密球表面沉积改性涂层的均匀性和精度，同时能够实现同一批球形零件处理效果一致的目的，适合批量化生产。
附图说明
图1是本发明的主视结构剖面图；
图2是本发明的俯视结构示意图，图中显示有一组三相通道；
图3是旋转底座1的主视结构剖面图；
图4是图3中A处的放大图；
图5是旋转底座1的俯视结构示意图，图中显示有一组三相通道；
图6是中层保持架3的俯视结构示意图，图中显示有一个限位圈；
图7是上层保持架4的俯视结构示意图，图中显示有一个通孔组合。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式包括旋转底座1、底盘2、中层保持架3、上层保持架4、固定轴9、固定中心轴套10和多个驱动球8，所述上层保持架4、中层保持架3和底盘2均为圆盘，所述旋转底座1为离子注入沉积设备的旋转工作台，所述底盘2设置在旋转底座1上，所述固定中心轴套10位于旋转底座1的中心位置，所述上层保持架4、中层保持架3从上到下依次套装在固定轴9上，所述固定轴9的下端穿过底盘2设置在固定中心轴套10内，所述底盘2的盘面沿其径向方向由内至外依次加工有至少一组三相通道，每组三相通道由三条并列设置的环形凹槽5组成，中层保持架3的盘面沿其径向方向由内至外依次加工有至少一个限位圈，一个限位圈的下方对应有一组三相通道，每个限位圈包括多个定位孔6，每个定位孔6由三个等大的圆孔两两相切形成，每个圆孔的下方对应有一条环形凹槽5，每个圆孔和其对应的凹槽5之间设置有一个驱动球8，所述上层保持架4沿其径向方向由内至外依次加工有至少一个通孔组合，每个通孔组合包括多个精密球穿过孔7，通孔组合中的精密球穿过孔7与定位孔6上下一一对应设置，每个精密球穿过孔7内设置有一个精密球11，该精密球11的球面与其下方定位孔6内的三个驱动球8的球面均相切。
本发明与离子溅射沉积设备相配合设置，运用现有成熟的离子溅射技术对精密球11进行球体表面沉积改性涂层。离子溅射沉积设备主要是由真空抽气系统、玻璃真空室、负高压电极(靶)、基底架(阳极接地)、水冷却系统、测量控制系统等部件组成。标准工作条件是在真空室中的真空度达到一定程度后，充入工作气体，如Ar气大约0.1Torr，施加大约几百至1kV的电压。Ar气体电离后，在阴极电压作用下Ar+轰击靶面，形成溅射状态并喷涂在精密球11上，同时被喷涂的驱动球8可循环使用，节省加工成本。旋转底座1为离子注入沉积设备的旋转工作台，绕固定中心轴套10旋转。固定中心轴套10为离子溅射沉积设备上的固定轴套。底盘2的中心处加工有底盘通孔，所述固定轴9的下端穿过底盘通孔从固定中心轴套10的顶端安装在固定中心轴套10内。固定轴9的直径小于底盘通孔的孔径。本发明的三相通道为三条环形凹槽，三条环形凹槽由底盘2的盘中心至底盘2的外沿依次并列设置。
本发明可实现在不同材料的精密球表面制备不同材料的改性涂层；制备改性涂层时，通过分析不同的工艺参数和精密球的运动参数等对改性涂层性能的影响，选择不同材料的精密球表面不同改性涂层制备的最佳参数。
具体实施方式二：结合图2、图6和图7说明本实施方式，本实施方式中多个定位孔6沿中层保持架3的圆周方向均匀布置，所述多个精密球穿过孔7沿上层保持架4的圆周方向均匀布置。本实施方式中三个驱动球8为一组并设置在一个定位孔6中，多个定位孔6均布的方式使每组驱动球之间互不影响，多个精密球穿过孔7均布的方式使多个精密球11之间互不影响。每组驱动球独立完成驱动其上精密球11自转的效果。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式中凹槽5为V型槽或圆弧形槽。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式中固定轴9与固定中心轴套10之间螺纹连接。如此设置在样品试验中体现出稳定的连接效果。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中所述上层保持架4和中层保持架3从上到下依次固定连接在固定轴9上。如此设置有效固定了上层保持架4和中层保持架3的位置，使中层保持架3和旋转底座1之间的相对运动更加明显，使多个驱动球8的自转效果更加均匀显著。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中所述固定轴9为阶梯轴。该阶梯轴的直径为从上到下依次递增，该阶梯轴的小径端固定套装有上层保持架4，该阶梯轴的大径端固定套装有中层保持架3。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中所述装置还包括多个固定螺栓12，所述底盘2通过多个固定螺栓12与旋转底座1固定连接。
本实施方式中多个固定螺栓12的设置是为了底盘2与旋转底座1之间更好的连接，便于二者同步转动。二者的转速为1-10r/min，该转速下可以使精密球实现缓慢的连续转动，以保证精密球的整体表面能够充分稳定地接收注入的离子。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，所述方法包括以下步骤：
步骤一：首先，在底盘2的三相通道上放置多个驱动球8，每个定位孔6内放置有三个两两相切的驱动球8，每个定位孔6上方对应的精密球穿过孔7内放置一个精密球11，该精密球11的球面与其下方定位孔6内的三个驱动球8的球面均相切；
步骤二：启动旋转底座1，底盘2在旋转底座1的带动下同步转动，由于固定轴9处于静止状态使上层保持架4和中层保持架3均处于静止状态，每个定位孔6的三个驱动球8在底盘2和中层保持架3的相对运动下原地滚动，从而带动该三个驱动球8上方的精密球11进行滚动，精密球11在上层保持架4的作用下原地滚动；
步骤三：启动离子注入沉积设备进行离子注入，等离子体均匀溅射到精密球11整体表面形成均匀的沉积改性涂层。
本实施方式中每个定位孔6的三个驱动球8在底盘2和中层保持架3的相对运动下原地滚动，原地滚动的含义就是位置不动，不发生位移而进行自转。底盘2与旋转底座1同步转动。二者的转速为1-10r/min
根据说明书附图1至7说明本发明的工作原理
根据具体实施方式七叙述本发明的工作过程：旋转底座1为离子注入沉积设备的旋转工作台，启动离子注入沉积设备使旋转底座1围绕固定中心轴套10转动，由于多个固定螺栓12的固定连接使底盘2与旋转底座1同步转动，处于底盘2上的三相通道内的三个驱动球8在原位置滚动，然后带动精密球11自由滚动，使精密球11的球面以相同几率暴露在等离子体中，因此等离子体可以均匀的溅射到精密球的整体表面，形成均匀的沉积改性涂层。
结合本发明的有益效果说明以下实施例：
实施例一：本实施例为采用等离子体辅助化学气相沉积技术，将直径为5mm和10mm的两种精密Si3N4陶瓷球分别作为加工对象放置在本发明中，当以直径为5mm精密Si3N4陶瓷球为加工对象时，利用专用离子注入沉积设备，在该精密陶瓷球表面均制备了厚度为500nm的均匀DLC涂层；当以直径为10mm精密Si3N4陶瓷球为加工对象时，利用专用离子注入沉积设备，在该精密陶瓷球表面均制备了厚度为1μm的均匀DLC涂层。DLC涂层与精密Si3N4陶瓷球的结合性能优异，对精密Si3N4陶瓷球的圆度等影响较小，提高了精密Si3N4陶瓷球的减摩抗磨性能。
实施例二：本实施例为采用离子束溅射沉积方法，将直径为5mm和10mm的两种精密Si3N4陶瓷球分别作为加工对象安装在本发明上，再将本发明放置在专用离子注入沉积设备中，当以直径为5mm精密Si3N4陶瓷球为加工对象时，利用专用离子注入沉积设备，在该精密陶瓷球表面均制备了厚度为1μm的均匀MoS2涂层；当以直径为10mm精密Si3N4陶瓷球为加工对象时，利用专用离子注入沉积设备，在该精密陶瓷球表面均制备了厚度为1.5μm的均匀MoS2涂层。MoS2涂层与精密Si3N4陶瓷球的结合性能优异，对精密Si3N4陶瓷球的圆度等影响较小，提高了精密Si3N4陶瓷球的减摩抗磨性能。
实施例三：本实施例为采用多弧离子镀方法，将直径为5mm和10mm的两种精密Si3N4陶瓷球分别作为加工对象安装在本发明中上，再将本发明放置在专用离子注入沉积设备中，在每种直径的精密Si3N4陶瓷球表面均制备了厚度为1μm和2μm的均匀TiN涂层。TiN涂层与精密Si3N4陶瓷球的结合性能优异，对精密Si3N4陶瓷球的圆度等影响较小，提高了精密Si3N4陶瓷球的减摩抗磨性能。
实施例四：本实施例采用磁控溅射离子镀方法，将直径为5mm和10mm的两种精密Si3N4陶瓷球分别作为加工对象安装在本发明中上，再将本发明放置在专用离子注入沉积设备中，在每种直径的精密Si3N4陶瓷球表面均制备了厚度为1μm和2μm的均匀Ag涂层。Ag涂层与精密Si3N4陶瓷球的结合性能优异，对精密Si3N4陶瓷球的圆度等影响较小，提高了精密Si3N4陶瓷球的减摩抗磨性能。
实施例五：本实施例采用等离子体辅助化学气相沉积技术，将直径为5mm和10mm的两种精密9Cr18钢球分别作为加工对象安装在本发明中上，再将本发明放置在专用离子注入沉积设备中，在每种直径的精密9Cr18钢球表面均制备了厚度为500nm和1μm的均匀DLC涂层。DLC涂层与精密9Cr18钢球的结合性能优异，对精密9Cr18钢球的圆度等影响较小，提高了精密9Cr18钢球的减摩抗磨性能。
实施例六：本实施例采用离子束溅射沉积方法，将直径为5mm和10mm的两种精密9Cr18钢球分别作为加工对象安装在本发明中上，再将本发明放置在专用离子注入沉积设备中，在每种直径的精密9Cr18钢球表面均制备了厚度为1μm和1.5μm的均匀MoS2涂层。MoS2涂层与精密9Cr18钢球的结合性能优异，对精密9Cr18钢球的圆度等影响较小，提高了精密9Cr18钢球的减摩抗磨性能。
实施例七：本实施例采用多弧离子镀方法，将直径为5mm和10mm的两种精密9Cr18钢球分别作为加工对象安装在本发明中上，再将本发明放置在专用离子注入沉积设备中，在每种直径的精密9Cr18钢球表面均制备了厚度为1μm和2μm的均匀TiN涂层。TiN涂层与精密9Cr18钢球的结合性能优异，对精密9Cr18钢球的圆度等影响较小，提高了精密9Cr18钢球的减摩抗磨性能。
实施例八：本实施例采用磁控溅射离子镀方法，将直径为5mm和10mm的两种精密9Cr18钢球分别作为加工对象安装在本发明中上，再将本发明放置在专用离子注入沉积设备中，在每种直径的精密9Cr18钢球表面均制备了厚度为1μm和2μm的均匀Ag涂层。Ag涂层与精密9Cr18钢球的结合性能优异，对精密9Cr18钢球的圆度等影响较小，提高了精密9Cr18钢球的减摩抗磨性能。

Claims (8)

1.一种精密球表面沉积改性涂层的装置，其特征在于：它包括旋转底座(1)、底盘(2)、中层保持架(3)、上层保持架(4)、固定轴(9)、固定中心轴套(10)和多个驱动球(8)，所述上层保持架(4)、中层保持架(3)和底盘(2)均为圆盘，所述旋转底座(1)为离子注入沉积设备的旋转工作台，所述底盘(2)设置在旋转底座(1)上，所述固定中心轴套(10)位于旋转底座(1)的中心位置，所述上层保持架(4)、中层保持架(3)从上到下依次套装在固定轴(9)上，所述固定轴(9)的下端穿过底盘(2)设置在固定中心轴套(10)内，所述底盘(2)的盘面沿其径向方向由内至外依次加工有至少一组三相通道，每组三相通道由三条并列设置的环形凹槽(5)组成，中层保持架(3)的盘面沿其径向方向由内至外依次加工有至少一个限位圈，一个限位圈的下方对应有一组三相通道，每个限位圈包括多个定位孔(6)，每个定位孔(6)由三个等大的圆孔两两相切形成，每个圆孔的下方对应有一条环形凹槽(5)，每个圆孔和其对应的凹槽(5)之间设置有一个驱动球(8)，所述上层保持架(4)沿其径向方向由内至外依次加工有至少一个通孔组合，每个通孔组合包括多个精密球穿过孔(7)，通孔组合中的精密球穿过孔(7)与定位孔(6)上下一一对应设置，每个精密球穿过孔(7)内设置有一个精密球(11)，该精密球(11)的球面与其下方定位孔(6)内的三个驱动球(8)的球面均相切。
2.根据权利要求1所述的一种精密球表面沉积改性涂层的装置，其特征在于：多个定位孔(6)沿中层保持架(3)的圆周方向均匀布置，所述多个精密球穿过孔(7)沿上层保持架(4)的圆周方向均匀布置。
3.根据权利要求1或2所述的一种精密球表面沉积改性涂层的装置，其特征在于：凹槽(5)为V型槽或圆弧形槽。
4.根据权利要求3所述的一种精密球表面沉积改性涂层的装置，其特征在于：固定轴(9)与固定中心轴套(10)之间螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的一种精密球表面沉积改性涂层的装置，其特征在于：所述上层保持架(4)和中层保持架(3)从上到下依次固定连接在固定轴(9)上。
6.根据权利要求5所述的一种精密球表面沉积改性涂层的装置，其特征在于：所述固定轴(9)为阶梯轴。
7.根据权利要求6所述的一种精密球表面沉积改性涂层的装置，其特征在于：所述装置还包括多个固定螺栓(12)，所述底盘(2)通过多个固定螺栓(12)与旋转底座(1)固定连接。
8.一种利用权利要求7所述装置实现精密球表面沉积改性涂层的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：首先，在底盘(2)的三相通道上放置多个驱动球(8)，每个定位孔(6)内放置有三个两两相切的驱动球(8)，每个定位孔(6)上方对应的精密球穿过孔(7)内放置一个精密球(11)，该精密球(11)的球面与其下方定位孔(6)内的三个驱动球(8)的球面均相切；
步骤二：启动旋转底座(1)，底盘(2)在旋转底座(1)的带动下同步转动，由于固定轴(9)处于静止状态使上层保持架(4)和中层保持架(3)均处于静止状态，每个定位孔(6)的三个驱动球(8)在底盘(2)和中层保持架(3)的相对运动下原地滚动，从而带动该三个驱动球(8)上方的精密球(11)进行滚动，同时精密球(11)在上层保持架(4)的限位作用下原地滚动；
步骤三：启动离子注入沉积设备进行离子注入，等离子体均匀溅射到精密球(11)整体表面形成均匀的沉积改性涂层。
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