階梯孔加工專用金剛石涂層刀具的制備裝置研究

王艷鳳，王 瑨

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

用普通硬質(zhì)合金刀具鉆削剎車片階梯孔時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)刀具磨料磨損、孔撕裂和劈裂、孔壁的表面質(zhì)量差、刀具壽命短等現(xiàn)象。 CVD 金剛石涂層刀具是近年來國(guó)內(nèi)外競(jìng)相研發(fā)的一種新型刀具， 這種刀具的切削部分經(jīng)過化學(xué)氣相沉淀后，生長(zhǎng)出一層金剛石薄膜，即金剛石薄膜涂層［1］。 CVD 金剛石膜由于具有獨(dú)特的力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)等性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［2-3］。 因其良好的切削加工性，經(jīng)常用于如高硅鋁合金、工程陶瓷、碳纖維復(fù)合材料等難加工材料［4-6］。

目前，在CVD 金剛石涂層刀具的制備中，平面金剛石涂層刀具的制備已相對(duì)成熟［7-8］，而對(duì)于復(fù)雜形狀的金剛石薄膜刀具的研究尚處于起步階段，并且針對(duì)復(fù)雜形狀的金剛石薄膜刀具的專用沉積裝置尚處于空白階段。 筆者試以汽車剎車片階梯孔加工專用刀具為研究對(duì)象， 在傳統(tǒng)的單層布置鉭絲方式的基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)現(xiàn)有的沉積裝置，通過不斷地對(duì)比優(yōu)化，以期開發(fā)出一種新的涂層方法。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用上海交通大學(xué)研制的熱絲CVD 沉積裝置，如圖1 所示；

1.2 試驗(yàn)刀具

試驗(yàn)用刀具以WC-Co（YG6）硬質(zhì)合金剎車片階梯孔專用鉆頭為襯底材料，鉆頭長(zhǎng)度為80 mm，刀柄直徑為10 mm，刀頭長(zhǎng)度約為30 mm，鉆頭中Co的含量約為6%，硬度大于91HRA。試驗(yàn)用刀具實(shí)物圖如圖2 所示。

圖1 熱絲CVD 沉積設(shè)備Fig.1 Hot wire CVD diamond

圖2 試驗(yàn)刀具實(shí)物圖Fig.2 Real object drawings of test tools

2 制備裝置方案研究

通過對(duì)平面刀具沉積裝置的改進(jìn)， 分別從鉭絲的單層布置、雙層布置、雙股纏繞以及固定鉭絲彈簧鋼片形狀的設(shè)計(jì)，并結(jié)合刀具放置方法，進(jìn)行多種試驗(yàn)， 以期探索出一種理想的用于復(fù)合涂層的沉積裝置。

2.1 方案一

將兩根熱絲平行布置， 并用耐高溫彈簧拉緊，使其始終處于拉伸平直的狀態(tài)。用自制的底座將未涂層刀具豎直固定在工作臺(tái)上。該方案的裝置示意圖和實(shí)物圖如圖3 所示。方案一的優(yōu)點(diǎn)為：（1）底座制作方便， 方便階梯孔刀具的固定和位置的移動(dòng)；（2）熱絲的高度調(diào)節(jié)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)方便，節(jié)省時(shí)間。（3）單股熱絲平行布置時(shí)，彈簧片拉緊狀況不容易控制，熱絲常常會(huì)出現(xiàn)受熱彎曲的狀況，導(dǎo)致生長(zhǎng)電流上不去，涂層不成功。 圖4 是單股熱絲平行布置后制備出來的涂層刀具。采用雙股熱絲平行布置時(shí)，溫度上升的速度比較快，當(dāng)反應(yīng)室溫度上升到400℃左右時(shí)，刀頭部分會(huì)出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。圖5 是雙股熱絲平行布置后制備出來的涂層刀具，可見刀柄與刀頭連接處有明顯熔化現(xiàn)象。 方案一的缺點(diǎn)為：（1）刀具垂直放在兩根熱絲之間，只能在刀尖頂部生長(zhǎng)金剛石涂層， 兩側(cè)及刀肩部分由于遠(yuǎn)離熱絲，溫度低，導(dǎo)致金剛石涂層不成功；（2）兩根熱絲平行布置降低了碳源的電離程度， 減小了形核密度，容易導(dǎo)致涂層不成功。

圖3 方案一示意圖和實(shí)物圖Fig.3 Illustration drawing and real object drawing of scheme No.1

圖4 采用單股熱絲制備的涂層刀具Fig.4 Coating tool by using single hot wire preparation

圖5 采用雙股熱絲制備的涂層刀具Fig.5 Coating tool by using two hot wire preparation

2.2 方案二

當(dāng)采用兩根熱絲平行布置時(shí)，只能使刀具局部生長(zhǎng)金剛石薄膜，因此，可以考慮再增加兩根熱絲。4 根熱絲呈階梯型布置，并通過彈簧片將其拉緊。 刀具豎直放置在熱絲正下方。 方案二的示意圖和實(shí)物圖如圖6 所示，熱絲與刀具布置示意圖如圖7 所示。

圖6 方案二示意圖和實(shí)物圖Fig.6 Illustration drawing and real object drawing of scheme No.2

圖7 熱絲與刀具安放示意圖Fig.7 Place illustration of hot wire and tool

方案二的優(yōu)點(diǎn)特點(diǎn)為：（1）采用分層安裝，一個(gè)壓片上只安裝一根熱絲，安裝比較方便，刀頭各部分受熱均勻，能更好地幫助涂層生長(zhǎng)。 （2）熱絲分層安裝，使得單個(gè)彈簧片受力減小，熱絲不易變形，可以有效地確保生長(zhǎng)電流的穩(wěn)定。 （3） 與方案一相比，4根熱絲分層布置可以增加碳源的電離程度， 增大形核時(shí)金剛石顆粒的密度。 方案二的缺點(diǎn)為：（1）由于設(shè)備電機(jī)數(shù)量的限制， 使得其中一路電流產(chǎn)生分流現(xiàn)象，進(jìn)而在調(diào)節(jié)生長(zhǎng)電壓時(shí)，使得其中一個(gè)生長(zhǎng)電流上不去，導(dǎo)致最終不能進(jìn)行有效涂覆。 （2）刀具豎直放置，上層兩根熱絲與進(jìn)氣裝置比較近，使得碳化不完全，熱絲發(fā)白（正常的碳化以后熱絲表面泛黃），對(duì)之后涂層的生長(zhǎng)有影響。

2.3 方案三

考慮到平面涂層的優(yōu)點(diǎn)及豎直放置刀具時(shí)效果不理想的實(shí)際情況，方案三將分兩步進(jìn)行涂層。 即將刀具固定在設(shè)計(jì)好的支撐架上，保持刀具水平放置，在刀具上方固定兩根平行布置的熱絲，對(duì)刀具進(jìn)行單面沉積。 單面試驗(yàn)完成后，再將刀具另一未涂層面朝上安裝到支撐架上，采用同樣的方法進(jìn)行涂層。 方案三的示意圖和實(shí)物圖如圖8 所示。

方案三的優(yōu)點(diǎn)是單面涂層， 可進(jìn)行有效地涂覆。 方案三的缺點(diǎn)是：（1）在上表面涂層過程中，會(huì)使下表面覆蓋上一層石墨。 當(dāng)要對(duì)下表面進(jìn)行涂層時(shí)，需先將石墨處理掉，不然會(huì)影響其表面的涂層質(zhì)量。 這就增加了工序。 （2）需要進(jìn)行兩次生長(zhǎng)沉積，才能完成一個(gè)刀具涂層的制備，耗時(shí)比較長(zhǎng)，不適合大批量制備的需求。

2.4 方案四

結(jié)合方案二和方案三中的優(yōu)缺點(diǎn)， 設(shè)計(jì)一種雙層熱絲涂層裝置， 并將刀具水平放置在雙層熱絲中間，每層各布置兩根平行的熱絲，該方案的示意圖和實(shí)物圖如圖9 所示。 為避免雙層熱絲引起的電流分流現(xiàn)象，該裝置采用組裝式安裝方法，即下層熱絲通過每組中左側(cè)的彈簧片固定， 上層熱絲通過每組中右側(cè)的彈簧片固定， 左側(cè)和右側(cè)的彈簧片分別通過螺絲和墊圈固定，細(xì)節(jié)圖如圖10 所示。 涂層前后刀具對(duì)比圖及細(xì)節(jié)圖如圖11 所示。

方案四的優(yōu)點(diǎn)為：（1）可對(duì)刀具上、下兩平面一次性進(jìn)行涂層。 （2）在涂層生長(zhǎng)過程中，溫度恒定。（3）金剛石顆粒生長(zhǎng)的密度大。（4）裝置為組裝式，可通過更換彈簧片調(diào)節(jié)熱絲的高度，方便可靠。方案四的缺點(diǎn)為：整個(gè)裝置的安裝過程比較繁瑣，需要多次調(diào)試，才能保證左側(cè)組合與右側(cè)組合的高度一致，這對(duì)操作人員的熟練程度要求比較高。

圖8 方案三示意圖和實(shí)物圖Fig.8 Illustration drawing and real object drawing of scheme No.3

圖9 方案四示意圖和實(shí)物圖Fig.9 Illustration drawing and real object drawing of scheme No.4

圖10 彈簧片和熱絲布置細(xì)節(jié)圖Fig.10 Detailed layout of leaf spring and hot wire

圖11 方案四刀具涂層前后對(duì)比及細(xì)節(jié)圖Fig.11 Detail comparison before and after tool coating of scheme No.4

3 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)綜合了4 種不同的試驗(yàn)方案， 并從試驗(yàn)的可操作性、 成本最小化和時(shí)間最優(yōu)化三個(gè)角度對(duì)各方案進(jìn)行比較。 最后得出如下結(jié)論：（1）刀具豎直放置，單層單股熱絲布置時(shí)，金剛石涂層薄膜逐漸由厚變薄，直至沒有，涂層不完全；單層雙股熱絲布置時(shí)，刀具易熔化；階梯形布置熱絲，受電機(jī)數(shù)量的限制，試驗(yàn)無(wú)法順利進(jìn)行，即方案一和方案二不適合階梯型刀具涂層制備的要求。 （2）刀具水平放置，進(jìn)行單層熱絲布置時(shí)， 雖可有效地進(jìn)行金剛石薄膜的沉積，但刀具需分兩次進(jìn)行生長(zhǎng)沉積，時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)首次沉積的背面有黑色石墨出現(xiàn)，非常難以清理，對(duì)金剛石薄膜涂層的沉積質(zhì)量有一定的影響。 雙層熱絲布置，每層布置兩根平行的熱絲，刀具水平放置在雙層熱絲中間的制備裝置， 可在刀具的表面生長(zhǎng)出致密的金剛石薄膜，試驗(yàn)效果明顯。 所以，方案四是目前最適合的方案。