整体硬质合金CVD金刚石涂层立铣刀的应用基础研究

论文摘要

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)法制备的金刚石以膜的形式存在,其制造成本低,可以大面积化、曲面化制备,将CVD金刚石涂层应用到整体硬质合金铣刀上可以大幅提高铣刀的切削性能。本文开展了在整体硬质合金铣刀基体上沉积CVD金刚石涂层的研究,通过切削实验评价了所制备CVD金刚石涂层铣刀的切削性能。本文的主要工作和取得的成果如下:1.根据小型化EACVD金刚石膜制备设备的特点与使用要求,确定了该设备的控制方案,在此基础上设计了控制系统的硬件结构,编写了一套完整的控制软件,实现了对小型化EACVD系统的温度、气体流量、气体组分、偏压等参数进行自动控制,为在复杂刀具表面制备CVD金刚石涂层打下了基础。2.首次对EACVD系统中在整体立铣刀上沉积金刚石涂层的三维流场开展了仿真研究,有限元仿真结果表明,铣刀竖直安放在衬底上的放置方式其流场条件可以满足在铣刀上沉积金刚石涂层的需要。研究了进气口的分布对批量制备涂层时系统内部刀具周围流场的影响,对进气口分布进行优化,得到可供批量制备涂层铣刀的进气口分布。3.首次开发了硬质合金铣刀基体的超声二步法预处理工艺,研究了超声二步法预处理过程中刀具蚀除量的变化规律。在硬质合金立铣刀上进行CVD金刚石涂层沉积实验,分析了不同碳源浓度以及沉积时间对铣刀不同部位的金刚石涂层表面形貌及成分的影响,成功制备了CVD金刚石涂层立铣刀。4.通过干式切削高硅铝合金的切削实验对所制备的CVD金刚石涂层立铣刀的切削性能进行了研究,分析了涂层刀具的磨损、破损以及工件的加工表面粗糙度。切削实验表明所制备的金刚石涂层立铣刀可以满足干式铣削高硅铝合金的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 刀具技术与涂层技术的发展
• 1.1.1 超硬材料刀具
• 1.1.2 涂层技术与涂层刀具
• 1.2 金刚石涂层技术与金刚石涂层刀具
• 1.2.1 金刚石涂层技术的发展
• 1.2.2 CVD 金刚石膜技术研究现状
• 1.2.3 CVD 金刚石膜的制备方法
• 1.2.4 金刚石涂层刀具
• 1.2.5 金刚石涂层铣刀的研究现状
• 1.3 国内外金刚石膜制备设备及其控制系统
• 1.4 本文的研究意义和主要工作
• 第二章 控制系统的硬件与软件设计
• 2.1 总体控制方案的确定
• 2.1.1 小型化EACVD 设备的特性分析
• 2.1.2 控制方案的选择
• 2.2 控制系统硬件构成
• 2.2.1 中央处理机
• 2.2.2 传感器
• 2.2.3 下位机
• 2.2.4 控制卡
• 2.2.5 电源
• 2.2.6 控制柜
• 2.3 控制软件结构设计
• 2.3.1 温度控制方案
• 2.3.2 气源控制方案
• 2.3.3 真空系统控制方案
• 2.3.4 偏压控制方案
• 2.3.5 软件总体结构
• 2.4 人机交互界面
• 2.4.1 工艺文件编写界面
• 2.4.2 实时调整界面
• 2.4.3 数据图形显示
• 2.5 控制系统使用效果
• 2.6 本章小结
• 第三章 整体硬质合金铣刀上沉积金刚石涂层的流场仿真
• 3.1 CFD 及其仿真软件介绍
• 3.2 有限元模型
• 3.3 流场仿真
• 3.3.1 刀具安放方式对流场的影响
• 3.3.2 进气口高度对流场的影响
• 3.3.3 气体流量/流速对流场的影响
• 3.3.4 批量制备时进气口分布对流场均匀性的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 整体硬质合金立铣刀上CVD 金刚石涂层的制备
• 4.1 硬质合金立铣刀的预处理
• 4.1.1 硬质合金立铣刀表面预处理的作用
• 4.1.2 超声二步法表面预处理
• 4.2 金刚石涂层沉积与检测方法
• 4.2.1 工件的安装
• 4.2.2 金刚石成核条件
• 4.2.3 金刚石生长条件
• 4.2.4 金刚石膜的检测方法
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 金刚石涂层铣刀的宏观表现与总体质量
• 4.3.2 碳源浓度对铣刀表面金刚石膜形貌的影响
• 4.3.3 沉积时间对铣刀表面金刚石膜形貌的影响
• 4.3.4 Raman 光谱分析
• 4.3.5 小批量制备时涂层的一致性
• 4.4 本章小结
• 第五章 CVD 金刚石涂层立铣刀切削实验研究
• 5.1 金刚石涂层刀具在干式切削硅铝合金中的应用
• 5.1.1 硅铝合金概况
• 5.1.2 金刚石涂层刀具加工硅铝合金
• 5.1.3 干式切削及其对刀具性能的要求
• 5.2 铣削高硅铝合金时的刀具磨损实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 涂层刀具的磨损
• 5.3.2 涂层的破损与失效
• 5.3.3 工件表面粗糙度
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录一 小型化EACVD 金刚石膜制备设备控制系统电路原理图