特種復雜形狀刀具CVD涂層制備關鍵技術研究.pdf

1、熱絲化學氣相沉積（Hot Filament Chemical Vapor Deposition，HFCVD）法在特種切削刀具上沉積金剛石涂層有增強刀具耐磨損性能、延長刀具切削壽命和改善工件表面切削質量的優(yōu)勢。HFCVD法沉積金剛石涂層具有沉積設備簡單、沉積參數(shù)容易控制、沉積過程不受基體形狀控制、可以大面積區(qū)域沉積等優(yōu)點。本文致力于大批量特種復雜形狀刀具的HFCVD金剛石涂層制備過程的關鍵技術研究，所研究的兩種特種刀具分別為微細刀具和長刃

2、刀具。首先，針對傳統(tǒng)HFCVD沉積設備存在的不足，為了提升特種刀具涂層沉積質量，采用虛擬儀器技術開發(fā)出新型金剛石沉積設備控制系統(tǒng)。在特種刀具的大批量CVD金剛石涂層制備中，基體表面的溫度場分布均勻性對涂層質量好壞起著關鍵作用，本文采用CFD仿真方法，分析CVD沉積參數(shù)對大批量特種刀具溫度場均勻性的影響。最后進行特種涂層刀具的制備、性能表征和切削性能研究，以驗證金剛石涂層在提升刀具壽命、提高加工性能和質量等方面的優(yōu)越性。主要的完成工作可概

3、括如下：
　　1.基于虛擬儀器技術的HFCVD沉積控制系統(tǒng)的研制。針對于現(xiàn)有低壓電器控制系統(tǒng)的缺陷，采用虛擬儀器工具，針對涂層沉積過程的核心工藝參數(shù)，開發(fā)一種新型的金剛石沉積設備控制系統(tǒng)。采用LabVIEW作為主要的軟件開發(fā)工具，結合相應的硬件模塊如數(shù)據(jù)采集卡、傳感器和執(zhí)行機構等一起構成了整體的控制系統(tǒng)。主要的控制模塊包含：(1)氣體流量控制模塊（2）溫度與功率控制模塊（3）氣體壓力控制模塊。
　　2.特種刀具涂層制備過程

4、CFD仿真模型的建立與驗證。本章將利用 CFD計算流體動力學仿真軟件，針對特種刀具的HFCVD涂層制備系統(tǒng)，建立相應的仿真計算模型，利用有限體積法進行溫度場仿真。為驗證建立仿真模型的合理性和可行性，進行實際沉積過程的溫度測量試驗，測溫實驗采用的特種刀具為微細刀具和長刃刀具。通過對比仿真溫度數(shù)據(jù)和測量溫度數(shù)據(jù)，表明了溫度測量結果與仿真結果的平均偏差小于4％，兩者溫度分布的一致性很好，這驗證了可以通過仿真模型來預測和優(yōu)化實際沉積過程中的刀尖

5、溫度場分布。
　　3.批量化微細刀具HFCVD涂層制備的溫度場仿真與試驗分析。利用有限體積法的CFD仿真方法，建立基體溫度場的仿真模型，對影響基體溫度場的多個沉積工藝參數(shù)進行仿真與優(yōu)化分析，分析結果一致表明：熱絲直徑d=0.65mm，熱絲高度H=12mm，熱絲間距D=27mm以及熱絲長度L=160mm，是微細刀具金剛石涂層生長的最優(yōu)參數(shù)組合。采用優(yōu)化獲得的參數(shù)，進行微細刀具的金剛石涂層沉積試驗，對制備出的微細刀具金剛石涂層表面形貌

6、和質量分析，結果表明，微細刀具表面覆蓋了厚度一致均勻、組織結構良好的金剛石涂層，這驗證了仿真結果的正確性。最后以 PCB板作為工作工件材料進行涂層微細刀具和硬質合金微細刀具的對比切削試驗。結果表明與硬質合金微細刀具相比，涂層微細刀具能明顯降低刀具的磨損量和切削力，大幅提高刀具的使用壽命，同時工件的加工質量也明顯優(yōu)于硬質合金刀具，顯示出非常優(yōu)異的切削性能。
　　4.批量化長刃刀具 HFCVD涂層制備的溫度場仿真與試驗分析。利用仿真模

7、型對批量化長刃刀具HFCVD涂層沉積參數(shù)進行優(yōu)化，結果表明，當d1=26mm，d2=24mm，d3=22mm，d4=12mm，能夠有效改善長刃刀具溫度場分布的均勻性。利用沉積優(yōu)化參數(shù)進行了大批量長刃刀具金剛石涂層制備試驗，SEM與拉曼光譜的表征表明了不同位置上的刀具都刀具表面覆蓋了一層厚度均勻、組織結構良好的金剛石涂層。以碳纖維復合材料為工件材料進行長刃涂層刀具的切削試驗，結果表明，長刃刀具在表面沉積金剛石涂層后能明顯降低刀具的磨損和切