專利名稱：整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金剛石涂層制備裝置，特別是一種采用電子增強(qiáng)熱絲化學(xué)氣相沉積(CVD)法對(duì)整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行金剛石涂層制備的整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層制備裝置，屬于涂層刀具制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著工件材料向著輕量化、復(fù)合化方向發(fā)展，高硅鋁合金、鈦合金、鋁基復(fù)合材料、工程陶瓷、纖維增強(qiáng)塑料等非鐵難加工材料在汽車、航空航天和模具中被大量使用。以高速鋼和碳化鎢-鈷(WC-Co)類硬質(zhì)合金材料為主的整體式旋轉(zhuǎn)體刀具如麻花鉆、整體式立銑刀、鉸刀和絲錐等復(fù)雜形狀刀具使用量大面廣，而這些刀具在高速切削加工上述難加工材料時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，加工精度及表面質(zhì)量難以保證。與此同時(shí)，金剛石因具有最高硬度、高彈性模量、高熱導(dǎo)率、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能而應(yīng)該成為加工上述非鐵難加工材料的理想的刀具材料。由于電子增強(qiáng)熱絲化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)可以直接在基體上生長(zhǎng)金剛石而制造各種器件，從而使得具有復(fù)雜形狀基體的整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具的金剛石涂層制備成為可能。整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)金剛石涂層刀具因綜合了金剛石的高硬度和硬質(zhì)合金的高強(qiáng)度和斷裂韌性等優(yōu)異性能，必將成為最有希望的用于高速切削非鐵難加工材料的新一代復(fù)雜形狀刀具。然而，由于整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要在其上沉積得到質(zhì)量均勻和厚度均勻的優(yōu)質(zhì)金剛石涂層將會(huì)有一定困難，因而相比平面基體而言，對(duì)金剛石涂層沉積裝置提出了特殊的要求，并且使得整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化制備的難度增大。已有技術(shù)中，基于平面基體的電子增強(qiáng)熱絲化學(xué)氣相沉積(CVD)裝置只能對(duì)平面切削刀具進(jìn)行金剛石涂層，還不能夠滿足整體式旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層質(zhì)量的要求，并且目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于整體式旋轉(zhuǎn)金剛石涂層刀具研究尚處于起步階段，針對(duì)整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求而特制的專用金剛石涂層沉積裝置還尚未出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的平面基體金剛石涂層制備裝置不能保證整體式旋轉(zhuǎn)刀具復(fù)雜形狀基體上所沉積的金剛石涂層厚度均勻性和質(zhì)量均勻性的不足，切實(shí)提高刀具涂層的附著強(qiáng)度及改善涂層的表面粗糙度，以提高整體式旋轉(zhuǎn)涂層刀具的整體切削性能，本發(fā)明提供一種采用電子增強(qiáng)熱絲CVD法對(duì)整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行金剛石涂層制備的整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層制備裝置。
本發(fā)明裝置在原有基于平面基體電子增強(qiáng)熱絲化學(xué)氣相沉積(CVD)裝置的基礎(chǔ)上增加了獨(dú)特的密封回轉(zhuǎn)裝置，它主要包括熱絲電源、減速電機(jī)、密封回轉(zhuǎn)裝置、密封墊圈、石英管、基體支撐臺(tái)、直流偏壓源、底座密封墊圈、底座、進(jìn)水管、抽氣管道、出水管、反應(yīng)室、熱敏電阻、熱絲、銅質(zhì)導(dǎo)氣管、質(zhì)量流量計(jì)、氣瓶。本發(fā)明采用獨(dú)特的密封回轉(zhuǎn)裝置是為了適應(yīng)整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層時(shí)的刀具基體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和涂層要求，通過將旋轉(zhuǎn)刀具基體安裝在密封回轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)軸上，使其在沉積過程中能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而改善基體表面的沉積溫度和反應(yīng)氣氛，因而能夠?qū)?fù)雜形狀基體的整體式旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行高質(zhì)量的金剛石涂層。密封回轉(zhuǎn)裝置主要由轉(zhuǎn)軸、套筒、半圓頭螺釘、密封座、密封座上冷卻銅管、密封座下冷卻銅管、J型密封圈、壓緊法蘭、壓套和墊圈組成。轉(zhuǎn)軸穿過密封座、墊圈、壓套、J型密封圈和壓緊法蘭，與減速電機(jī)回轉(zhuǎn)軸相連接。通過半圓頭螺釘采用螺紋連接將壓緊法蘭緊緊地固定在密封座上，為了保證密封，在壓緊法蘭和密封座之間依次采用J型密封圈、壓套和墊圈進(jìn)行壓緊密封，壓緊法蘭將J型密封圈緊緊壓在壓套上，而壓套則將墊圈緊緊壓在密封座上。轉(zhuǎn)軸下端通過螺紋連接與帶有內(nèi)螺紋的套筒相連接，套筒在接近熱絲端的筒壁上沿徑向等分地開三個(gè)小螺紋孔以安放用來夾緊旋轉(zhuǎn)刀具刀柄用的螺釘，這樣把刀柄套在套筒時(shí)，可通過三個(gè)不同方向的螺釘對(duì)刀具進(jìn)行夾緊并定位。為了保證密封圈的工作性能，在密封座上下面焊接銅質(zhì)冷卻管并循環(huán)通入冷水進(jìn)行冷卻。另外為了保證密封座與石英管之間的密封，在其接觸面上設(shè)置了密封橡膠圈，當(dāng)內(nèi)部達(dá)到真空時(shí)，外部大氣壓把密封橡膠圈緊緊地壓在石英管上從而達(dá)到真空密封的目的。
本發(fā)明的有益效果是，該制備裝置是針對(duì)整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求而特制的專用金剛石涂層沉積裝置。它采用獨(dú)特的密封回轉(zhuǎn)裝置使得刀具基體表面的沉積溫度和反應(yīng)氣氛得到極大的改善，從而可以簡(jiǎn)單、方便地控制沉積條件，沉積出高質(zhì)量金剛石涂層，因而其產(chǎn)業(yè)化前景光明，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明裝置中的密封回轉(zhuǎn)裝置半剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1是熱絲電源，2是減速電機(jī)，3是密封回轉(zhuǎn)裝置，4是密封墊圈，5是石英管，6是基體支撐臺(tái)，7是直流偏壓源，8是底座密封墊圈，9是底座，10是進(jìn)水管，11是抽氣管道，12是出水管，13是反應(yīng)室，14是熱敏電阻，15是熱絲，16是銅質(zhì)導(dǎo)氣管，17～19是質(zhì)量流量計(jì)，20～22是氣瓶，23是墊圈，24是壓套，25是半圓頭螺釘，26是壓緊法蘭，27是J型密封圈，28是密封座上冷卻銅管，29是密封座，30是密封座下冷卻銅管，31是轉(zhuǎn)軸，32是套筒，33是半圓頭螺釘。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步的描述。
如圖1所示，本發(fā)明裝置主要包括熱絲電源1、減速電機(jī)2、密封回轉(zhuǎn)裝置3、密封墊圈4、石英管5、基體支撐臺(tái)6、直流偏壓源7、底座密封墊圈8、底座9、進(jìn)水管10、抽氣管道11、出水管12、反應(yīng)室13、熱敏電阻14、熱絲15、銅質(zhì)導(dǎo)氣管16、質(zhì)量流量計(jì)17～19、氣瓶20～22。密封回轉(zhuǎn)裝置3、石英管5與底座9圍成反應(yīng)室13，其中石英管5正放在底座9上，中間墊有底座密封墊圈8，而密封回轉(zhuǎn)裝置3則正放在石英管5上，中間墊有密封墊圈4。通過螺栓將減速電機(jī)2固定在密封回轉(zhuǎn)裝置3的上表面，同時(shí)減速電機(jī)2中的旋轉(zhuǎn)軸與密封回轉(zhuǎn)裝置3中的轉(zhuǎn)軸通過鍵連接?；w支撐臺(tái)6安置在反應(yīng)室13內(nèi)，通過兩根銅質(zhì)冷卻水管即進(jìn)水管10和出水管12直接固定在底座9上，冷卻水從進(jìn)水管10內(nèi)進(jìn)入到基體支撐臺(tái)6的內(nèi)部空腔中，再經(jīng)由出水管12排出。熱絲15通過支架固定在基體支撐臺(tái)6的正上方，熱絲電源1的兩端通過導(dǎo)線與熱絲15的兩端相連，直流偏壓源7的負(fù)極連接到熱絲15上，其正極則連接到基體支撐臺(tái)6上。熱敏電阻14置于基體支撐臺(tái)6內(nèi)，其輸出端通過導(dǎo)線連接到溫度數(shù)字顯示儀上。抽氣管道11一端直接與抽真空系統(tǒng)相連接，另一端穿過底座9伸入到反應(yīng)室13中。氣瓶20～22分別通過質(zhì)量流量計(jì)17～19連接到銅質(zhì)導(dǎo)氣管16中，銅質(zhì)導(dǎo)氣管16則穿過密封回轉(zhuǎn)裝置3伸入到反應(yīng)室13中。
為了適應(yīng)整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層時(shí)的刀具基體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和涂層要求，本發(fā)明采用了獨(dú)特的密封回轉(zhuǎn)裝置3，使其既能密封，又能通過電機(jī)帶動(dòng)裝夾有刀具的旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，從而改善整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具基體的表面沉積溫度和反應(yīng)氣氛，提高涂層質(zhì)量。如圖2所示，該密封回轉(zhuǎn)裝置3主要包括轉(zhuǎn)軸31、套筒32、半圓頭螺釘33、密封座下冷卻銅管30、密封座29、密封座上冷卻銅管28、J型密封圈27、壓緊法蘭26、半圓頭螺釘25、壓套24和墊圈23。它們之間的連接關(guān)系為轉(zhuǎn)軸31穿過密封座29、墊圈23、壓套24、J型密封圈27和壓緊法蘭26，與減速電機(jī)2回轉(zhuǎn)軸相連接；通過半圓頭螺釘25采用螺紋連接將壓緊法蘭26緊緊地固定在密封座29上，為了保證密封，在壓緊法蘭26和密封座29之間依次采用J型密封圈27、壓套24和墊圈23進(jìn)行壓緊密封，壓緊法蘭26將J型密封圈27緊緊壓在壓套24上，而壓套24則將墊圈23緊緊壓在密封座29上；轉(zhuǎn)軸31下端通過螺紋連接與帶有內(nèi)螺紋的套筒32相連接，套筒32在接近熱絲15端的筒壁上沿徑向等分地開三個(gè)小螺紋孔以安放用來夾緊旋轉(zhuǎn)刀具刀柄用的半圓頭螺釘33，這樣當(dāng)把旋轉(zhuǎn)刀具刀柄套在套筒32時(shí)，通過三個(gè)不同方向的半圓頭螺釘33對(duì)旋轉(zhuǎn)刀具刀柄進(jìn)行夾緊并定位；在密封座29上下表面分別焊接有冷卻銅管即密封座上冷卻銅管28和密封座下冷卻銅管30；由于以上部件是專門針對(duì)整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層時(shí)的刀具基體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和涂層要求而設(shè)計(jì)的，目前在市場(chǎng)上并無類似產(chǎn)品出售，因此需要進(jìn)行專門制作。半圓頭螺釘33采用鉬材料制作以保證其能耐反應(yīng)室13內(nèi)高溫，而用來緊固壓緊法蘭26的半圓頭螺釘33、轉(zhuǎn)軸31、套筒32、密封座下冷卻銅管30、密封座29、密封座上冷卻銅管28和壓緊法蘭26都采用銅材料進(jìn)行制作，J型密封圈27和墊圈23則都采用能耐高溫的硅橡膠，其耐熱溫度最高可達(dá)到250℃，壓套24可采用Q235A材料制作。
按照上述要求制作并連接裝置后，即可對(duì)整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行金剛石涂層，當(dāng)抽真空系統(tǒng)通過抽氣管道11將反應(yīng)室13抽成真空時(shí)，外部大氣壓將把密封回轉(zhuǎn)裝置3和石英管5緊緊地壓在底座9上，從而達(dá)到真空密封狀態(tài)。三個(gè)氣瓶20～22中分別裝有反應(yīng)氣體氫氣(H2)、碳源氣體(H2+CH4)和氬氣(Ar)，通過三個(gè)質(zhì)量流量計(jì)17～19可以分別控制H2、H2+CH4和氬氣的流量及其在反應(yīng)室13內(nèi)的濃度，用熱敏電阻14測(cè)定反應(yīng)室13內(nèi)溫度，通過控制熱絲電源1和直流偏壓源7的電流和電壓大小，可以控制熱絲15的發(fā)熱功率，由此可以控制反應(yīng)室13內(nèi)的反應(yīng)溫度。通過減速電機(jī)2控制密封回轉(zhuǎn)裝置3中的轉(zhuǎn)軸31的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)套筒32及裝夾在其上的刀具連續(xù)回轉(zhuǎn)，改善旋轉(zhuǎn)刀具基體周圍的沉積溫度和反應(yīng)氣氛，因而能夠?qū)?fù)雜形狀基體的整體式旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行高質(zhì)量的金剛石涂層。整個(gè)涂層沉積過程中，還需要在兩根銅質(zhì)冷卻水管即進(jìn)水管10和出水管12內(nèi)循環(huán)通入冷卻水以對(duì)基體支撐臺(tái)6進(jìn)行循環(huán)冷卻，同樣在密封座上冷卻銅管28和密封座下冷卻銅管30內(nèi)循環(huán)通入冷卻水以對(duì)密封座29進(jìn)行循環(huán)冷卻。
權(quán)利要求
1.一種整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層制備裝置，主要包括熱絲電源(1)、減速電機(jī)(2)、密封墊圈(4)、石英管(5)、基體支撐臺(tái)(6)、直流偏壓源(7)、底座密封墊圈(8)、底座(9)、進(jìn)水管(10)、抽氣管道(11)、出水管(12)、反應(yīng)室(13)、熱敏電阻(14)、熱絲(15)、銅質(zhì)導(dǎo)氣管(16)、質(zhì)量流量計(jì)(17～19)、氣瓶(20～22)，其特征在于還包括密封回轉(zhuǎn)裝置(3)，密封回轉(zhuǎn)裝置(3)、石英管(5)與底座(9)圍成反應(yīng)室(13)，其中石英管(5)正放在底座(9)上，中間墊有底座密封墊圈(8)，而密封回轉(zhuǎn)裝置(3)則正放在石英管(5)上，中間墊有密封墊圈(4)；通過螺栓將減速電機(jī)(2)固定在密封回轉(zhuǎn)裝置(3)的上表面，減速電機(jī)(2)中的旋轉(zhuǎn)軸與密封回轉(zhuǎn)裝置(3)中的轉(zhuǎn)軸通過鍵連接；基體支撐臺(tái)(6)通過兩根銅質(zhì)冷卻水管即進(jìn)水管(10)和出水管(12)直接固定在底座(9)上；熱絲(15)通過支架固定在基體支撐臺(tái)(6)正上方，熱絲電源(1)的兩端通過導(dǎo)線與熱絲(15)的兩端相連，直流偏壓源(7)的負(fù)極連接到熱絲(15)上，其正極則連接到基體支撐臺(tái)(6)上；熱敏電阻(14)置于基體支撐臺(tái)(6)內(nèi)，其輸出端通過導(dǎo)線連接到溫度數(shù)字顯示儀上；抽氣管道(11)一端與抽真空系統(tǒng)相連接，另一端穿過底座(9)伸入到反應(yīng)室(13)中；氣瓶(20～22)分別通過質(zhì)量流量計(jì)(17～19)連接到銅質(zhì)導(dǎo)氣管(16)中，銅質(zhì)導(dǎo)氣管(16)則穿過密封回轉(zhuǎn)裝置(3)伸入到反應(yīng)室(13)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層制備裝置，其特征還在于密封回轉(zhuǎn)裝置(3)包括轉(zhuǎn)軸(31)、套筒(32)、半圓頭螺釘(25)、密封座下冷卻銅管(30)、密封座(29)、密封座上冷卻銅管(28)、J型密封圈(27)、壓緊法蘭(26)、半圓頭螺釘(25)、壓套(24)和墊圈(23)，轉(zhuǎn)軸(31)穿過密封座(29)、墊圈(23)、壓套(24)、J型密封圈(27)和壓緊法蘭(26)，與減速電機(jī)(25)回轉(zhuǎn)軸相連接；通過半圓頭螺釘(25)采用螺紋連接將壓緊法蘭(26)緊緊地固定在密封座(29)上，為了保證密封，在壓緊法蘭(26)和密封座(29)之間依次采用J型密封圈(27)、壓套(24)和墊圈(23)進(jìn)行壓緊密封，壓緊法蘭(26)將J型密封圈(27)緊緊壓在壓套(24)上，而壓套(24)則將墊圈(23)緊緊壓在密封座(29)上；轉(zhuǎn)軸(31)下端通過螺紋連接與帶有內(nèi)螺紋的套筒(32)相連接，套筒(32)在接近熱絲(15)端的筒壁上沿徑向等分地開三個(gè)小螺紋孔以安放用來夾緊旋轉(zhuǎn)刀具刀柄用的半圓頭螺釘(33)，這樣當(dāng)把刀柄套在套筒(32)時(shí)，通過三個(gè)不同方向的半圓頭螺釘(33)對(duì)刀具進(jìn)行夾緊并定位；在密封座(29)上下表面焊接銅質(zhì)冷卻管即密封座上冷卻銅管(28)和密封座下冷卻銅管(30)，并循環(huán)通入冷卻水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層制備裝置，其特征還在于半圓頭螺釘(25)采用鉬材料制作，半圓頭螺釘(25)、轉(zhuǎn)軸(31)、套筒(32)、密封座下冷卻銅管(30)、密封座(29)、密封座上冷卻銅管(28)、導(dǎo)氣銅管(22)和壓緊法蘭(26)都采用銅材料進(jìn)行制作，J型密封圈(27)、墊圈(23)和密封墊圈(5)則都采用能耐高溫的硅橡膠，壓套(24)可采用Q235A材料制作，其余可采用市場(chǎng)上已有出售的通用部件。
全文摘要
整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層制備裝置主要包括熱絲電源、減速電機(jī)、密封回轉(zhuǎn)裝置、密封墊圈、石英管、基體支撐臺(tái)、直流偏壓源、底座密封墊圈、底座、進(jìn)水管、抽氣管道、出水管、反應(yīng)室、熱敏電阻、熱絲、銅質(zhì)導(dǎo)氣管、質(zhì)量流量計(jì)、氣瓶。針對(duì)整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層時(shí)的刀具基體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和涂層要求，采用獨(dú)特的密封回轉(zhuǎn)裝置，使其既能密封，又能通過電機(jī)帶動(dòng)裝夾有刀具的旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，從而改善基體的表面沉積溫度和反應(yīng)氣氛，滿足整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具對(duì)金剛石涂層質(zhì)量的要求。通過該裝置可以簡(jiǎn)單、方便地控制沉積條件，大批量制備出高質(zhì)量的整體式硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)刀具金剛石涂層，因而其產(chǎn)業(yè)化前景光明，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)B23B27/14GK1539583SQ20031010830
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月30日
發(fā)明者陳明, 孫方宏, 張志明, 簡(jiǎn)小剛, 馬玉平, 陳 明 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)