本發(fā)明涉及一種用于金剛石涂層微刀具熱絲法化學(xué)氣相沉積設(shè)備的電極系統(tǒng)，屬于化學(xué)氣相沉積金剛石涂層技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微刀具的特征尺寸很小，其直徑一般在幾微米到幾百微米之間。硬質(zhì)合金材料的微刀具普遍具有切削性能差、耐磨性差、刀具壽命短、加工零件表面質(zhì)量低等缺陷。通過(guò)改變刀具材料來(lái)提高刀具的切削性能是解決該問(wèn)題的有效途徑之一。作為一種超硬刀具材料，金剛石具有優(yōu)異的性能，在切削刀具領(lǐng)域占有非常重要的地位。化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法制備金剛石薄膜是利用氫氣和甲烷在高溫真空環(huán)境下的化學(xué)反應(yīng)，在襯底表面沉積一層金剛石薄膜。該涂層具有優(yōu)良的力學(xué)及摩擦學(xué)性能，如熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好、硬度和彈性模量高、耐磨性好及摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。CVD金剛石涂層微刀具在加工成本、切削性能等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

在微刀具的熱絲法化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，完善的電極系統(tǒng)是沉積出高質(zhì)量金剛石薄膜的關(guān)鍵。在高溫真空的環(huán)境中，通過(guò)電極的放電催使氫氣和甲烷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金剛石，如果電極系統(tǒng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理則會(huì)降低生成金剛石的質(zhì)量并造成空間利用率降低。在該設(shè)備中，受空間限制，電極系統(tǒng)要求尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高。在化學(xué)氣相沉積的真空高溫狀態(tài)下，熱絲的體積會(huì)受熱膨脹，使得熱絲長(zhǎng)度變長(zhǎng)，并且熱絲的伸長(zhǎng)量隨著熱絲初始長(zhǎng)度和碳源氣體濃度的增加而增大，因此沉積中熱絲會(huì)產(chǎn)生下垂現(xiàn)象。同時(shí)，由于熱絲通電，熱絲之間存在電磁力，造成一條熱絲對(duì)另一條熱絲的排斥和吸引，不僅影響襯底的溫度場(chǎng)分布，還會(huì)造成熱絲相互接觸甚至斷裂，導(dǎo)致設(shè)備故障。所以設(shè)計(jì)出一種可靠的金剛石涂層微刀具化學(xué)氣相沉積裝置的電極系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)微刀具類(lèi)似的微構(gòu)件表面沉積技術(shù)的發(fā)展，具有重要的實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了目前無(wú)使用性能可靠的金剛石涂層微刀具化學(xué)氣相沉積裝置的電極系統(tǒng)，進(jìn)而提供一種使用性能可靠的微刀具表面熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的電極系統(tǒng)。

本發(fā)明所述的微刀具表面熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的電極系統(tǒng)，具有熱絲排布方式合理、結(jié)構(gòu)緊湊、熱絲拉力可調(diào)、系統(tǒng)抗熱性強(qiáng)、靈活度高等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)理論分析及實(shí)際測(cè)算結(jié)果，設(shè)定每根熱絲的最大通電電流為35.5A，加熱電源的最大輸出電流為150A。本發(fā)明可解決微刀具化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜裝置的反應(yīng)加熱問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

微刀具表面熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的電極系統(tǒng)，它包括底座、固定電極組件、移動(dòng)電極組件和真空陶瓷電極組件；所述的固定電極組件包括固定端立柱、固定端大電極、固定端小電極及三根熱絲；所述的移動(dòng)電極組件包括移動(dòng)板、移動(dòng)端小電極、支撐板、移動(dòng)端立柱、四個(gè)吊環(huán)螺釘、兩個(gè)拉伸彈簧及兩個(gè)彈簧固定安裝塊，所述的兩個(gè)彈簧固定安裝塊分別是彈簧固定安裝塊一和彈簧固定安裝塊二；所述的固定端立柱的下端可拆卸固定于底座上，所述的固定端大電極可拆卸固定于固定端立柱上端，所述的固定端小電極可拆卸固定于固定端大電極上端；所述的移動(dòng)端立柱與固定端立柱相對(duì)設(shè)置，移動(dòng)端立柱的下端可拆卸固定于底座上，移動(dòng)端立柱的上端固定有支撐板，所述的彈簧固定安裝塊二可拆卸固定于支撐板上，所述的移動(dòng)板滑動(dòng)設(shè)置在支撐板上，且移動(dòng)板與固定端小電極相對(duì)設(shè)置，所述的彈簧固定安裝塊一可拆卸固定在移動(dòng)板上，所述的移動(dòng)端小電極與彈簧固定安裝塊一可拆卸固定連接，兩個(gè)彈簧固定安裝塊相對(duì)設(shè)置，所述的兩個(gè)拉伸彈簧水平并列設(shè)置在兩個(gè)彈簧固定安裝塊之間，每個(gè)拉伸彈簧的兩端各通過(guò)一個(gè)吊環(huán)螺釘與兩個(gè)彈簧固定安裝塊的相對(duì)側(cè)面固定連接，所述的三根熱絲的其中一根熱絲的一端與固定端小電極可拆卸固定連接，三根熱絲的另兩根熱絲的一端均與固定端大電極可拆卸固定連接，三根熱絲的另一端均與移動(dòng)端小電極可拆卸固定連接，三根熱絲呈現(xiàn)空間平行排布；所述的真空陶瓷電極組件分別與固定端小電極及移動(dòng)端小電極電連接。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：本發(fā)明采用可調(diào)節(jié)的熱絲結(jié)構(gòu)以及熱絲平行的排布方式，使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，靈活度高，避免了在反應(yīng)過(guò)程中熱絲下垂、接觸甚至斷裂的情況，降低了設(shè)備故障產(chǎn)生的幾率，提高了金剛石涂層化學(xué)氣相沉積的質(zhì)量。利用該套電極系統(tǒng)，薄膜金剛石的沉積時(shí)間為6小時(shí)，較原先縮短了20％，金剛石形核率較原先設(shè)備提高10％，并且涂層覆蓋均勻。并通過(guò)后續(xù)微銑削加工對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該涂層刀具的壽命提高10％，涂層不易剝落。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的微刀具表面熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的電極系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的B處局部放大圖。

圖3是圖1的A處局部放大圖。

圖中：固定端立柱1、固定端大電極2、半圓形導(dǎo)槽二2-1、固定端小電極3、半圓形導(dǎo)槽一3-1、熱絲4、吊環(huán)螺釘5、移動(dòng)板6、移動(dòng)端小電極7、半圓形導(dǎo)槽三7-1、拉伸彈簧8、彈簧固定安裝塊9、彈簧固定安裝塊一9-1、彈簧固定安裝塊二9-2、支撐板10、移動(dòng)端立柱11、真空陶瓷電極12、云母高溫線(xiàn)13、壓接端子14、底座15、外罩16。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：如圖1～圖3所示，本實(shí)施方式的微刀具表面熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的電極系統(tǒng)，它包括底座15、固定電極組件、移動(dòng)電極組件和真空陶瓷電極組件；所述的固定電極組件包括固定端立柱1、固定端大電極2、固定端小電極3及三根熱絲4；所述的移動(dòng)電極組件包括移動(dòng)板6、移動(dòng)端小電極7、支撐板10、移動(dòng)端立柱11、四個(gè)吊環(huán)螺釘5、兩個(gè)拉伸彈簧8及兩個(gè)彈簧固定安裝塊9，所述的兩個(gè)彈簧固定安裝塊9分別是彈簧固定安裝塊一9-1和彈簧固定安裝塊二9-2；

所述的固定端立柱1的下端可拆卸固定于底座15上(優(yōu)選的是，固定端立柱1的下端面中部設(shè)有螺紋孔，底座15上與固定端立柱1的螺紋孔相對(duì)應(yīng)處設(shè)置有通孔一，底座15的通孔一內(nèi)穿入螺栓一，所述的螺栓一與固定端立柱1的螺紋孔螺紋連接)，所述的固定端大電極2(通過(guò)螺栓二)可拆卸固定于固定端立柱1上端，所述的固定端小電極3(通過(guò)螺栓三)可拆卸固定于固定端大電極2上端；

所述的移動(dòng)端立柱11與固定端立柱1相對(duì)設(shè)置，移動(dòng)端立柱11的下端可拆卸固定于底座15上(優(yōu)選的是，移動(dòng)端立柱11的下端面中部設(shè)有螺紋孔，底座15上與移動(dòng)端立柱11的螺紋孔相對(duì)應(yīng)處設(shè)置有通孔二，底座15的通孔二內(nèi)穿入螺栓四，所述的螺栓四與移動(dòng)端立柱11的螺紋孔螺紋連接)，移動(dòng)端立柱11的上端固定有支撐板10，所述的彈簧固定安裝塊二9-2(通過(guò)螺栓五)可拆卸固定于支撐板10上，所述的移動(dòng)板6滑動(dòng)設(shè)置在支撐板10上，且移動(dòng)板6與固定端小電極3相對(duì)設(shè)置，所述的彈簧固定安裝塊一9-1(通過(guò)螺栓六)可拆卸固定在移動(dòng)板6上，所述的移動(dòng)端小電極7(通過(guò)螺栓七)與彈簧固定安裝塊一9-1可拆卸固定連接，兩個(gè)彈簧固定安裝塊9相對(duì)設(shè)置(移動(dòng)端小電極7和彈簧固定安裝塊一9-1可隨移動(dòng)板6一同沿移動(dòng)，移動(dòng)方向?yàn)橛晒潭ǘ诵‰姌O3向彈簧固定安裝塊二9-2方向或者由彈簧固定安裝塊二9-2向固定端小電極3方向)，所述的兩個(gè)拉伸彈簧8水平并列設(shè)置在兩個(gè)彈簧固定安裝塊9之間，每個(gè)拉伸彈簧8的兩端各通過(guò)一個(gè)吊環(huán)螺釘5與兩個(gè)彈簧固定安裝塊9的相對(duì)側(cè)面固定連接，所述的三根熱絲4的其中一根熱絲4的一端與固定端小電極3(通過(guò)螺釘一)可拆卸固定連接，三根熱絲4的另兩根熱絲4的一端均與固定端大電極2(分別通過(guò)螺釘二)可拆卸固定連接，三根熱絲4的另一端均與移動(dòng)端小電極7(分別通過(guò)螺釘三)可拆卸固定連接，三根熱絲4呈現(xiàn)空間平行排布(在安裝的時(shí)候，向固定端立柱1方向推動(dòng)移動(dòng)端小電極7，使兩個(gè)拉伸彈簧8受拉伸長(zhǎng)，然后固定三根熱絲4，使三根熱絲4受到預(yù)加拉力。當(dāng)三根熱絲4產(chǎn)生變形伸長(zhǎng)的時(shí)候，在兩個(gè)拉伸彈簧8彈性力的作用下，使移動(dòng)端小電極7向移動(dòng)端立柱11方向產(chǎn)生微小的移動(dòng)，使三根熱絲4始終保持拉直狀態(tài))；所述的真空陶瓷電極組件分別與固定端小電極3及移動(dòng)端小電極7電連接。

對(duì)于該移動(dòng)電極部件，為了便于移動(dòng)端小電極7移動(dòng)，安裝時(shí)應(yīng)注意，移動(dòng)端小電極7兩側(cè)與移動(dòng)板6之間應(yīng)留有1mm左右的間隙。

具體實(shí)施方式二：如圖1所示，具體實(shí)施方式一所述的一種微刀具表面熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的電極系統(tǒng)，所述的三根熱絲4在垂直面上的投影呈現(xiàn)等腰三角形排布?？梢詫?shí)現(xiàn)微刀具的均勻加熱。

具體實(shí)施方式三：如圖1～圖3所示，具體實(shí)施方式一所述的一種微刀具表面熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的電極系統(tǒng)，所述的固定端小電極3的上端面沿三根熱絲4的排布方向設(shè)置有半圓形導(dǎo)槽一3-1，所述的固定端大電極2的上端面沿三根熱絲4的排布方向設(shè)置有兩個(gè)半圓形導(dǎo)槽二2-1，所述的移動(dòng)端小電極7的上端面沿三根熱絲4的排布方向設(shè)置有三個(gè)半圓形導(dǎo)槽三7-1。用來(lái)引導(dǎo)三根熱絲4的絲狀空間平行排布，以免在加熱及反應(yīng)過(guò)程中因?yàn)槿鶡峤z4的體積膨脹導(dǎo)致真空室(將固定電極組件、移動(dòng)電極組件和真空陶瓷電極組件均設(shè)置在外罩16內(nèi)，所述的外罩16與底座15可拆卸密封連接，外罩16與底座15之間圍成的空間抽真空形成真空室)的溫度場(chǎng)分布不均。

具體實(shí)施方式四：如圖2和圖3所示，具體實(shí)施方式一、二或三所述的一種微刀具表面熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的電極系統(tǒng)，所述的固定端小電極3和移動(dòng)端小電極7均由鉬材料制成。由于反應(yīng)溫度在2000℃左右，所以固定端小電極3和移動(dòng)端小電極7均選用熔點(diǎn)2620℃的鉬材料制作。

具體實(shí)施方式五：如圖1及圖3所示，具體實(shí)施方式一所述的一種微刀具表面熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的電極系統(tǒng)，所述的固定端立柱1由氮化硼陶瓷材料制成。為了保證安全，并使得固定端大電極2和固定端小電極3與真空室內(nèi)其它部件應(yīng)保持絕緣，因此，固定端立柱1材料采用氮化硼陶瓷材料制成。

具體實(shí)施方式六：如圖1～圖3所示，具體實(shí)施方式一所述的一種微刀具表面熱絲法化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的電極系統(tǒng)，所述的真空陶瓷電極組件包括真空陶瓷電極12、兩條云母高溫線(xiàn)13和四個(gè)壓接端子14；所述的兩條云母高溫線(xiàn)13的兩端分別固定有一個(gè)壓接端子14，兩條云母高溫線(xiàn)13的其中一條云母高溫線(xiàn)13的一端通過(guò)壓接端子14與固定端小電極3電連接，該其中一條云母高溫線(xiàn)13的另一端通過(guò)壓接端子14與真空陶瓷電極12一端電連接，兩條云母高溫線(xiàn)13的另一條云母高溫線(xiàn)13的一端通過(guò)壓接端子14與移動(dòng)端小電極7電連接，該另一條云母高溫線(xiàn)13的另一端通過(guò)壓接端子14與真空陶瓷電極12另一端電連接。

工作原理，如圖1～圖3所示：各部件安裝完成之后，向固定端小電極3方向推動(dòng)移動(dòng)端小電極7，使拉伸彈簧8受拉伸長(zhǎng)，然后固定熱絲4，這樣熱絲4就受到預(yù)加拉力。當(dāng)熱絲4產(chǎn)生變形伸長(zhǎng)的時(shí)候，在拉伸彈簧8彈性力的作用下，移動(dòng)端小電極7向反方向移動(dòng)，使熱絲4始終保持拉直狀態(tài)。再開(kāi)啟外置直流電源，讓電流流經(jīng)固定端大電極2、固定端小電極3、移動(dòng)端小電極7以及真空陶瓷電極12，熱絲4從而產(chǎn)生高溫，并將反應(yīng)溫度維持在2200℃左右，反應(yīng)氣體在該溫度下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而在微刀具的表面完成金剛石薄膜的化學(xué)氣相沉積過(guò)程。