采用熱絲化學氣相沉積法制備金剛石涂層微細刀具的過程中，刀具表面溫度場分布的均勻性與穩(wěn)定性對金剛石涂層的質(zhì)量具有決定性的作用。本文采用有限容積法，對微細刀具表面沉積金剛石涂層過程中的溫度場分布進行了仿真研究，采用Taguchi正交試驗法考察了熱絲直徑d、熱絲高度H、熱絲間距D 以及熱絲長度L 對溫度場均勻性的影響，并獲得了最優(yōu)參數(shù)組合，即d=0.65mm，H=12mm，D=27mm以及L=160mm。對比仿真與實際測溫試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者之間偏差不超過4%，驗證了仿真模型具有較高精度。采用仿真獲得最優(yōu)參數(shù)進行的沉積實驗結(jié)果表明，放置在沉積區(qū)域不同位置的微細刀具表面均被涂覆了一層厚度均勻、組織結(jié)構(gòu)良好的金剛石涂層，從而驗證仿真結(jié)果的正確性。

　　金剛石具有優(yōu)異的物理、化學和機械性能，它的硬度大、彈性模量高、熱導率高、摩擦系數(shù)低以及化學穩(wěn)定性好。這些優(yōu)良的特性使得金剛石材料在磨料、切削等方面得到廣泛的應(yīng)用。在人工合成金剛石的各種方法中，化學氣相沉積(CVD)法是最具發(fā)展前景和實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的方法之一。熱絲化學氣相沉積(HFCVD)法的基本原理是含碳氣體(如甲烷、丙酮等)被襯底上方設(shè)置的金屬熱絲高溫加熱分解，形成的碳活性粒子在一定的溫度和壓力條件下，在基體表面形核并逐漸生長為金剛石涂層。HFCVD金剛石涂層的一個廣泛應(yīng)用就是增強切削刀具的切削性能，可從以下幾個方面來體現(xiàn)：①金剛石涂層與許多加工材料之間的摩擦系數(shù)很低，從而降低加工過程中的切削力和切削熱；②金剛石涂層具有極高的硬度，可以減少刀具的磨損；③金剛石涂層的化學穩(wěn)定性強，粘附性低，可以有效防止積屑瘤的產(chǎn)生和排屑槽的堵塞。近些年，微細刀具的應(yīng)用越來越廣泛，但由于微細刀具的直徑很小，彎曲剛度和強度都比較低，導致其耐用度較差。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為在微細刀具表面沉積一層金剛石涂層后，能有效提高微細刀具的剛度、強度及耐磨度，從而能夠顯著增強微細刀具的切削性能。

　　然而，在微細刀具表面沉積金剛石涂層的溫度區(qū)間很窄，溫度過低會導致氫原子對石墨刻蝕不足，影響金剛石質(zhì)量；溫度過高會使部分金剛石汽化。同時，如果襯底上的溫度分布不均勻，即使?jié)M足金剛石涂層的沉積條件，也會導致金剛石晶粒生長不均勻，不同位置的涂層厚度不一致。刀具表面溫度場分布的均勻性對沉積金剛石涂層質(zhì)量的好壞起著決定性的作用。

　　本文以HFCVD沉積大批量微細刀具金剛石涂層系統(tǒng)為研究對象，利用有限容積法的仿真方法，通過計算機模擬建立基體溫度場的模型，對影響基體溫度場的多個工藝參數(shù)進行仿真與分析，并提出優(yōu)化設(shè)計的方案。隨后，根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)進行微細刀具涂層的沉積和表征試驗，以驗證仿真結(jié)果的準確性。

　　1、建模與仿真方法

　　1.1、模型建立

　　HFCVD涂層的沉積裝置是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，如果在對該裝置進行幾何建模時，兼顧各個部位和細節(jié)，會使建立出來的模型很復(fù)雜，導致仿真過程很困難。所以在利用有限容積法進行仿真之前要對系統(tǒng)模型進行簡化。但簡化需要盡量使鍍膜室內(nèi)的條件設(shè)置接近實際工作狀況。簡化的具體要求有以下幾點：①忽略了實際設(shè)備中對溫度場和氣體密度場影響很小的輔助部件(如彈片，電極柱等)。②實際的反應(yīng)氣體為碳源氣體，摻雜成分和過量氫氣的混合氣體，由于碳源氣體和摻雜成分的含量僅有1%～4%，因此可以忽略其作用，仿真模型中的氣體設(shè)為純氫氣。③在HFCVD系統(tǒng)中，鐘罩作為絕熱壁，溫度保持恒定(鐘罩為夾層結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)有水冷系統(tǒng)散熱)。因氣體的流速低，雷諾數(shù)小，流動狀態(tài)可定義為層流模式。④氣體設(shè)定為不可壓縮氣體，并選擇DO輻射模型進行計算。

　　簡化后HFCVD裝置的3D模型如圖1所示，反應(yīng)室為鐘罩結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由鐘罩、熱絲、樣品臺、水冷臺、進出氣口以及冷卻系統(tǒng)組成。其中水冷臺采用尺寸為190mm×110mm×62mm的黃銅材料，樣品臺采用170mm×90mm×32mm 的石墨材料。采用的熱絲為鉭絲，長度為160mm，數(shù)量為9，布置在微細刀具的上方。同時采用長度為38mm 的硬質(zhì)合金銑刀作為基體材料，該銑刀加工部分的直徑為0.4mm，刀具數(shù)量為17×9共153個。進氣口在鐘罩的上方，將丙酮和氫氣的混合氣體帶入到反應(yīng)腔內(nèi)，同時在鐘罩的下方有四個成對稱結(jié)構(gòu)的出氣口。鐘罩為夾層結(jié)構(gòu)，在夾層結(jié)構(gòu)和水冷臺的下方有水冷系統(tǒng)散熱，使得在金剛石沉積過程中，維持基體溫度的穩(wěn)定。

圖1　HFCVD簡化示意圖

　　1.2、有限容積法仿真

　　首先需要將所建立的三維模型進行網(wǎng)格劃分，本文采用的是GAMBIT網(wǎng)格劃分軟件。在劃分網(wǎng)格之前，需要制定鐘罩內(nèi)的固體區(qū)域和氣體區(qū)域。鉭絲、微細刀具、石墨樣品臺和水冷臺是固體區(qū)域，而鐘罩內(nèi)剩余的其他部分為氣體區(qū)域。網(wǎng)格劃分時，各個區(qū)域的網(wǎng)格需要獨立劃分，同時為了提高仿真計算的精度，各個區(qū)域邊界附近的網(wǎng)格需要進行改善。

　　在利用有限容積法進行仿真時，控制方程的選擇非常重要。由于在沉積過程中，基體表面的溫度場主要取決于熱絲的熱輻射、襯底向外的熱輻射、加熱氣體的對流換熱、襯底與工作臺的熱傳導等方面，因此在仿真過程中，耦合熱傳導、熱對流、熱輻射這三種換熱方式。

　　最后需要定義邊界條件。首先定義各個區(qū)域所采用的材料類型，刀具部分選擇為硬質(zhì)合金，熱絲部分選擇為鉭絲，工作臺部分選擇為石墨，水冷臺部分選擇為銅，剩余氣體部分選擇為氫氣，并且在熱絲部分設(shè)定為固定溫度值，為2200℃。所采用材料的物性參數(shù)如表1所示。入口類型定義為速度入口，根據(jù)實際情況，入口的氣體速度選擇為300mL/min，初始溫度為25℃，氣體壓力為3000Pa，這樣該氣體流動便可當作層流處理。定義所有固體和氣體區(qū)域同時參與熱輻射，同時設(shè)定鐘罩和水冷臺的壁面為換熱面，換熱系數(shù)設(shè)為50W/m2·K[10-11]。

表1　所用材料物性參數(shù)

　　1.3、Taguchi分析方法

　　為考察各個參數(shù)對仿真溫度場分布的綜合影響，本文采用Taguchi方法，通過正交試驗，分析熱絲直徑d、熱絲距基體高度H、熱絲間距D 以及熱絲長度L 這些控制因子對襯底溫度場分布的影響。對溫度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，包括極差分析和均方差分析，當極差R 和均方差σ 越小時，溫度場的分布均勻性越好，以此得到合理的試驗參數(shù)組合。所采用的Taguchi正交因素如表2所示。

表2　Taguchi正交L9表

　　4、結(jié)論

　　針對采用HFCVD 法制備金剛石涂層微細刀具的沉積過程，采用有限容積法對微細刀具表面產(chǎn)生的溫度場分布進行了模擬仿真研究。通過對比相同條件下的模擬值與實際測溫值可以發(fā)現(xiàn)，兩者之間的偏差小于4%，這表明了該仿真模型具有較高的精度。

　　隨后，采用該模型對熱絲直徑d、熱絲高度H、熱絲間距D 以及熱絲長度L 等四種因素對刀尖表面溫度場分布的影響進行了研究，并獲得了最優(yōu)的沉積參數(shù)。仿真結(jié)果表明，熱絲直徑是影響溫度分布均值大小的主要因素，而隨著熱絲高度的降低，熱絲間距和熱絲長度的增加，溫度場分布的均勻性增加；而最優(yōu)參數(shù)組合為：d=0.65mm，H=12mm，D=27mm以及L=160mm。

　　最后，采用優(yōu)化獲得的參數(shù)，進行了微細刀具的金剛石沉積試驗，并對沉積獲得的金剛石涂層微細刀具表面形貌和質(zhì)量進行了研究。結(jié)果表明，不同沉積區(qū)域的微細刀具表面均可覆蓋一層厚度均勻、組織結(jié)構(gòu)良好的金剛石涂層，這驗證了仿真結(jié)果的正確性。