專利名稱：導筒以及在其內周面上形成硬質碳膜的方法
技術領域：
本發明涉及設在自動車床上的、把圓桿形被加工物可旋轉及可沿軸向滑動地保持在切削工具(刀具)附近的導筒，以及涉及在該導筒的與被加工物滑接的內周面形成硬質碳膜的方法。
設在自動車床的自動車床立柱上、把圓桿形被加工物可旋轉地保持在切削工具附近的導筒，有旋轉型和固定型兩種。旋轉型導筒與被加工物一起旋轉并可沿軸向滑動地將被加工物保持著。固定型導筒不旋轉，可旋轉及可沿軸向滑動地將被加工物保持著。
無論哪一種導筒，都備有外周錐面、使該外周錐面具有彈性的切槽、用于安裝到立柱上的螺紋部以及保持被加工物用的內周面。該內周面由于常時地與被加工物滑接，所以容易磨損，尤其是固定型導筒的磨損更加嚴重。
為此，日本專利公報特開平4-14130號提出了在導筒的與被加工物的旋轉或滑動滑接的內周面上，用釬焊等方法固設超硬合金或陶瓷的方案。
這樣，由于把耐摩耗性及耐熱性好的超硬合金或陶瓷設在導筒的內周面，在一定程度上抑制了磨損。
但是，即使把該超硬合金或陶瓷設在導筒內周面，當自動車床進行切削量大、加工速度高的強力切削時，由于超硬合金或陶瓷的摩擦系數大，熱傳導率低，有時會在被加工物上產生傷痕，或者因導筒與被加工物的直徑方向間隙減小而產生燒接。不能提高切削量及加工速度。
固定型導筒由于可將被加工物不偏離軸心地保持著，所以，能進行圓度高的加工，而且噪音少，自動車床的構造也緊湊而不復雜。
但是，固定型導筒內周面的摩耗比旋轉型導筒更嚴重，所以更加不容易提高切削量和加工速度。
本發明是鑒于上述問題而作出的，其目的在于大幅度提高導筒的與被加工物接觸之內周面的耐摩耗性，不損傷被加工物、不產生燒接，提高自動車床的切削量及加工速度。本發明的另一目的是高效地制造該導筒。
為此，本發明提供一種在與被加工物滑接的內周面設有硬質碳膜的導筒，以及提供一種用短時間、均勻且牢固地在該導筒內周面形成硬質碳膜的方法。
該硬質碳膜是氫化非晶形碳膜，由于它具有與金剛石相似的性質，所以也被稱為仿金剛石碳膜(DLC)。
該硬質碳膜(DLC)的硬度高(威氏硬度3000Hv以上)，耐摩耗性好，摩擦系數小(約為超硬合金的1/8)，耐腐蝕性也好。
在與被加工物滑接的內周面上設置該硬質碳膜的本發明導筒，與現有的在內周面設置超硬合金或陶瓷的導筒相比，其耐磨損性大大提高。
因此，將本發明導筒作為自動車床的固定型導筒使用時，即使進行切削量大、加工速度高的強力切削，在被加工物上也不產生傷痕，不產生燒接，可進行長時間的高精度加工。
在上述導筒的內周面形成硬質碳膜時，也可以在硬質碳膜與內周面之間夾設提高密接性的中間層。
該中間層可以由下層和上層兩層膜形成，下層保持與導筒內周面(碳素工具鋼基材)的密接性，上層與硬質碳膜強力結合，所以能形成密接性好的牢固的碳膜。上述下層由鈦或鉻或它們之中任一種的化合物構成，上述上層由硅或鍺或它們之中任一種的化合物構成。
或者，在形成硬質碳膜時，也可以在硬質碳膜與內周面之間夾設硬質部件。該硬質部件是碳化鎢(WC)等超硬合金或碳化硅(SiC)等的陶瓷燒結體。這樣與上述夾設中間層同樣地，可以提高碳膜的密接性。
另外，形成硬質碳膜時，也可以在導筒的內周面附近基材上形成滲碳層，在形成該滲碳層的內周面上設置硬質碳膜。這樣，與上述夾設中間層同樣地，可以提高硬質碳膜的密接性。
本發明的在導筒內周面形成硬質碳膜的方法按下述順序進行。
把自動車床用導筒配置在真空槽內，該真空槽具有排氣口和氣體導入口，內部設有陽極和白熱絲。將桿狀或線狀輔助電極插入該導筒中心開口內(該中心開口形成與被加工物滑接的內周面)。也可以先將該輔助電極插入導筒的中心開口內，再與導筒一起配置在真空槽內。
將真空槽內排氣后，從氣體導入口導入含碳的氣體，對導筒加直流電壓，同時對陽極加直流電壓，對白熱絲加交流電壓，使產生等離子體，在導筒的內周面形成硬質碳膜。
另外，在真空槽內產生等離子體的方法，也可以在真空槽內不設置陽極和白熱絲，而對導筒加高頻電壓或加直流電壓，使產生等離子體。
這樣，在把輔助電板插入導筒中心開口內的狀態下，把含碳氣體導入真空槽內并產生等離子體，能迅速地在導筒內周面從開口端到里側形成均勻厚度的硬質碳膜。
在形成該硬質碳膜過程中，也可以使上述輔助電極絕緣而形成浮游電位，但最好保持接地電位或直流正電位。
另外，在形成硬質碳膜時，如果在導筒的形成切槽的開口端面配置內徑與導筒內周面略同的環形空心部件，則能提高內周面開口端附近的硬質碳膜的勻質性。
這種情況下，最好使輔助電極的前端位于空心部件的開口端面內側。
另外，如果在導筒的形成切槽的開口端面配置帶突起部件，該帶突起部件備有內徑與導筒內周面直徑略同的環形本體，在該本體上有可分別插入導筒各切槽的若干個突起，在形成硬質碳膜時，把各突起插入導筒的各切槽內，可提高內周面開口端附近及切槽附近的硬質碳膜的勻質性。
在形成硬質碳膜時，如果在直徑比導筒的與被加工物滑接之內周面大的臺階部插入內徑與內周面略同的圓筒形內插部件，則可以提高內周面臺階部附近的硬質碳膜的勻質性。
在形成硬質碳膜時，如果把上述帶突起部件和內插部件都插入導筒內，則可以在內周面的全部區域形成勻質的硬質碳膜。
如果用插入內徑大于導筒內周面的臺階部的絕緣子支承上述輔助電極，則能容易地把輔助電極支承在導筒中心開口內的中心軸線上，也能容易地加任意電壓。
圖1是本發明導筒之一例的縱斷面圖。
圖2是表示圖1所示導筒外觀的立體圖。
圖3是本發明導筒之另一例的縱斷面圖。
圖4至圖7是圖1及圖3中的圓圈A所示部分的放大斷面圖。
圖8是將圖5的局部進一步放大、表示中間層構造的圖。
圖9是將本發明導筒和現有導筒分別用于固定型導筒裝置時的自動車床所作切削試驗結果比較圖。
圖10是實施本發明的在導筒內周面形成硬質碳膜方法的第1裝置概略斷面圖。
圖11表示配置以及不配置輔助電極71時、距導筒開口端的距離與硬質碳膜膜厚之間關系的曲線圖。
圖12是實施本發明的在導筒內周面形成硬質碳膜方法的第2裝置概略斷面圖。
圖13是實施本發明的在導筒內周面形成硬質碳膜方法的第3裝置概略斷面圖。
圖14是表示在圖10實施例中增加了覆蓋部件的、相當于圖10的斷面圖。
圖15是相當于圖10的圖，表示本發明硬質碳膜形成方法的另一實施例。
圖16是在圖15的實施例中使用的空心部件的立體圖。
圖17及圖18是相當于圖12及圖13的圖，表示本發明硬質碳膜形成方法的其它實施例。
圖19是相當于圖15的概略斷面圖，表示本發明硬質碳膜形成方法的另一實施例。
圖20及圖21是相當于圖17及圖18的概略斷面圖，表示本發明硬質碳膜形成方法的其它實施例。
圖22是表示加在輔助電極上的直流電壓與所形成之硬質碳膜膜厚關系的曲線圖。
圖23是表示輔助電極支承構造的斷面圖。
圖24是本發明硬質碳膜形成方法中所用帶突起部件的立體圖。
圖25是本發明硬質碳膜形成方法中所用內插部件的縱斷面圖。
圖26是將帶突起部件裝在導筒上時的縱斷面圖。
圖27是將內插部件裝在導筒上時的縱斷面圖。
圖28是將帶突起部件和內插部件裝在導筒上時的縱斷面圖。
圖29是表示設有固定型導筒裝置的自動車床主軸附近的斷面圖，該固定型導筒裝置中采用了本發明的導筒。
圖30是表示設有旋轉型導筒裝置的自動車床主軸附近的斷面圖，該旋轉型導筒裝置中采用了本發明的導筒。
下面，參照
本發明的實施例。
先簡單說明采用了本發明導筒的自動車床的構造。
圖29是僅表示數字控制自動車床主軸附近的斷面圖。該自動車床設有固定型導筒裝置37，固定型導筒裝置37固定著導筒11，被加工物51(雙點劃線所示)由導筒11的內周面11b可旋轉地保持著。
主軸臺17可在該數字控制自動車床的圖未示床臺上左右方向滑動。
該主軸臺17上設有由軸承21支承著的可旋轉主軸19。在主軸19的前端部安裝著彈簧筒夾13。
該彈簧筒夾13配置在夾筒41的中心孔內。彈簧筒夾13的前端外周錐面13a與夾筒41的內周錐面41a彼此進行面接觸。
在中間套筒29內的、彈簧筒夾13的后端部，設有彈簧25，該彈簧25是由帶狀彈簧材料卷繞成螺旋狀而形成的。該彈簧25可將彈簧筒夾13從中間套筒29內推出。
彈簧筒夾13的前端，通過與螺固在主軸19前端的蓋螺母27接觸而被限位。因此，防止彈簧筒夾13被彈簧25的彈力從中間套筒29中彈出。
在中間套筒29的后端部，通過該中間套筒29設有卡盤開閉機構31。通過開閉卡盤開閉爪33，彈簧筒夾13開閉，把持或松開被加工物51。
即，卡盤開閉機構31的卡盤開閉爪33的前端部彼此打開地移動時，卡盤開閉爪33的與中間套筒29接觸的部分向圖29的左方移動，把中間套筒29向左方推。該中間套筒29向左方移動時，與中間套筒29左端接觸著的夾筒41移動到左方。
彈簧筒夾13借助螺固在主軸19前端的蓋螺母27可防止從主軸19中彈出。
因此，當夾筒41向左方移動時，彈簧筒夾13的形成切槽部分的外周錐面13a與夾筒41的內周錐面41a強力推壓，相互沿著錐面移動。
其結果，彈簧筒夾13的內周面直徑變小，可把持住被加工物51。
當要使彈簧筒夾13的內周面直徑變大以松開被加工物51時，卡盤開閉爪33的前端部相互閉合地移動，解除將夾筒41向左方向推的力。
于是，在彈簧25的復原力作用下，中間套筒29和夾筒41向圖中右方向移動。
因此，彈簧筒夾13的外周錐面13a與夾筒41的內周錐面41a的推壓力被解除。這樣，彈簧筒夾13在自身的彈力作用下，內周面直徑變大，可松開被加工物51。
在主軸臺17的前方設有立柱35，導筒裝置37配置在該立柱35上。導筒裝置37的中心軸線與主軸中心線一致。
該導簡裝置37是固定型導筒裝置，固定著導筒11，由該導筒11的內周面11b保持著可旋轉的被加工物51。
固定在立柱35上的保持具39的中心孔內，嵌入著襯筒23，在該襯筒23的前端部設有內周錐面23a。
在該襯筒23的中心孔內嵌合著導筒11，該導筒11的前端部形成外周錐面11a和切槽11c。
在導筒裝置37的后端部，調節螺母43螺合在導筒11的螺紋部上，通過旋轉該調節螺母43，可調節導筒11的內徑與被加工物51外周之間的間隙尺寸。
即，向右旋轉調節螺母43時，導筒11相對于襯筒23向圖中右方向移動，與彈簧筒夾13同樣地，襯筒23的內周錐面23a與導筒11的外周錐面11a彼此推壓，導筒11的前端部內徑變小。
在導筒裝置37的前方，設有切削工具(刀具)45。
被加工物51由主軸19的彈簧筒夾13把持著，同時由導筒裝置37支承，而且，借助切削工具45的前進后退和主軸臺17的移動的合成運動，對貫通該導筒裝置37并伸出到加工區域的被加工物51進行預定的切削加工。
下面，參照圖30說明旋轉型導筒裝置，該旋轉型導筒裝置以旋轉狀態使用把持著被加工物的導筒。該圖30中，與圖29對應的部分注以相同標號。
旋轉型導筒裝置，有彈簧筒夾13與導筒11同步旋轉的導筒裝置和不同步旋轉的導筒裝置兩種。圖中所示導簡裝置37是彈簧筒夾13與導筒11同步旋轉的裝置。
該旋轉型導筒裝置37，被從主軸19的蓋螺母27伸出的旋轉驅動桿47驅動。也可以不采用該旋轉驅動桿47，而采用齒輪或皮帶輪來驅動導筒裝置37。
該旋轉型導筒裝置37的構造是，固定在立柱35上的保持具39的中心孔內，嵌合著通過軸承21能旋轉的襯筒23。在該襯筒23的中心孔內嵌合著導筒11。
襯筒23和導筒11與圖29所述構造相同。在導筒裝置37的后端部，通過調節螺合在導筒11螺紋部上的調節螺母43，可縮小導筒11的內徑，調節導筒11的內徑與被加工物51外周之間的間隙尺寸。
導筒裝置37的除了旋轉型以外的構造，與圖29所示的自動車床構造相同，其說明從略。
下面，說明本發明導筒的各種實施例。
圖1是表示本發明導筒之一例的縱斷面圖，圖2是表示其外觀的立體圖。
圖中所示導筒11是表示其前端部打開著的自由狀態。該導筒11在長度方向一端部形成外周錐面11a，在另一端部有螺紋部11f。
在該導筒11的中心，設有開口徑不同的貫通開口。在設置外周錐面11a的內周，形成保持被加工物51的內周面11b。在該內周面11b以外的區域，形成內徑大于內周面11b內徑的臺階部11g。
該導筒11，從外周面錐面11a到彈性部11d設有3個切槽11c，該切槽11c間隔120°，沿圓周方向將外周錐面11a分成三等分。
把該導筒11的外周錐面11a朝著上述襯筒23的內周錐面推壓，彈性部11d產生撓曲，就可以調節內周面11b與圖1雙點劃線所示被加工物51之間的間隙尺寸。
在該導筒11上，于彈性部11d與螺紋部11f之間設有嵌合部11e。通過將該嵌合部11e嵌入圖29及圖30所示襯筒23的中心孔內，可將導筒11配置在主軸的中心線上，且可平行于主軸中心線地配置。
該導筒11的材料，是采用碳素工具鋼(SK鋼)，在形成了外部形狀和內部形狀后，進行淬火處理和回火處理。
最好如圖3所示地，在該導筒11的內周面11b上，通過釬焊方式固定超硬材料12。
但是，該導筒11在外周面錐面11a閉合的狀態時，在內周面11b與被加工物51之間設有5μm～10μm的徑向間隙。這樣，由于被加工物51出入時與內周面11b滑接，所以存在磨損的問題。
在用于固定型導筒裝置的情況下，被固定型的導筒11保持的被加工物51高速旋轉地被加工，所以，因內周面11b與被加工物51之間高速滑動以及切削負荷產生的將被加工物51往內周面11b推壓的力，會引起燒結。
因此，在該導筒1 1的內周面11b上，設置前述的硬質碳膜(DLC)15。該硬質碳膜15的膜厚從1μm至5μm。
圖1的例子中，在導筒11的基材(碳素工具鋼)上隔著后述的中間層形成硬質碳膜15。在圖3的例子中，在超硬材料12上直接或隔著后述的中間層形成硬質碳膜15。
該硬質碳膜具有與金剛石相似的性質。即，機械強度高、摩擦系數小、有潤滑性，另外具有良好的電氣絕緣性、高熱傳導率，而腐蝕性也好。
因此，這種在內周面11b上設置了硬質碳膜15的導筒11，其耐摩耗性大大提高，即使長時間使用或強力切削，也能抑制與被加工物51接觸的內周面11b的摩耗。還可以抑制被加工物51的損傷，抑制導筒11與被加工物51之間的燒結。
因此，本發明的導筒11，特別能提高長時間使用的可靠性，對于固定型導筒裝置也完全能適用。
下面，參照圖4至圖7(相當于圖1及圖3中圓圈A所示部分的放大斷面圖)以及圖8(將圖5的局部放大以表示中間層構造)說明在該導筒11的內周面11b上設置硬質碳膜15部分的各種構造例。
圖4相當于圖1的A部放大圖。在導筒11的內周面11b的基材(碳素工具鋼)上，隔著用于提高密接性的中間層16設置膜厚為1μm～5μm的硬質碳膜。另外，根據導筒11的基材，也可以不隔著中間層16地直接在其表面形成硬質碳膜。
圖5及圖6相當于圖3中A部的放大圖。都是在導筒11的內周面11b的基材上通過釬焊方式固定厚度為2mm～5mm的硬質部件12，再在該硬質部件12的內周面上形成硬質碳膜15。這樣，可更加提高導筒11的耐久性。
圖5所示例中，在硬質部件12的內周面上隔著提高密接性的中間層16形成硬質碳膜15。
這些例子中，設在硬質碳膜15下層的硬質部件12，可以采用碳化鎢(WC)等的超硬合金，或采用碳化硅(SiC)等的陶瓷燒結體。在采用陶瓷燒結體時，通常要添加作為粘結劑的Cr、Ni、Co等，但在該添加物少的情況下，也可以不隔著中間層16地直接將硬質碳膜15形成在該硬質部件12上。
下面說明作為硬質部件12的碳化硅(SiC)的形成方法之一例。
以原子百分比為單位，把硅(Si)和碳(C)為1∶1的碳化硅粉末放入環形金屬模具中，施加0.5至3噸的壓力進行加壓成型。再在氮或氬氣等惰性氣體環境中進行燒結處理。
然后，用碳化硅融點附近的溫度1400℃至1700℃加熱，并在加熱的同時進行加壓處理，消除碳化硅中的氣孔，該加熱處理使碳化硅致密化，提高硬質部件12的密度和硬度，其威氏硬度達到2000至3000。
然后，在該環形硬質部件12上形成以鈦(Ti)為主成分的金屬導電層。把該硬質部件12配置在導筒11的內周面11b上，進行加熱處理，使金屬導電層溶融并與導筒11的基材結合。
對該硬質部件12的內周進行了研磨加工后，進行在導筒11上形成切槽11c的加工。
圖7所示例中，在導筒11的內周面11b上不設置硬質部件12，而是在內周面11b附近的基材中形成滲碳層11h，在形成該滲碳層11h的內周面11b上設置硬質碳膜15。
所謂滲碳是一種公知的鋼材表面硬化處理方法，能使表層硬化，深部保持強韌的性質。
本發明中，例如在甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)等含碳的滲碳性氣體和作為載體氣體的氮氣(N2)的混合氣體環境中，用下列條件進行滲碳處理。
(滲碳條件)溫度1100℃時間30分鐘滲碳深度0.5mm這樣在導筒11內周面11b的表層形成了滲碳層11h時，可以在其表面直接形成硬質碳膜15，但如果在其表面形成提高密接性的中間層16，再在該中間層16的上面形成硬質碳膜15則更佳。
該中間層16可以是元素周期表第Ⅳb族的硅(Si)、鍺(Ge)或硅、鍺的化合物。或者是碳化硅(SiC)、碳化鈦(TiC)那樣的含有碳元素的化合物。
另外，中間層16也可以是鈦(Ti)、鎢(W)、鉬(Mo)或鉭(Ta)與硅(Si)的化合物。
另外，如圖8所示，中間層16也可以形成為上、下兩層膜，下層膜16a由鈦(Ti)或鉻(Cr)形成，上層膜16b由硅(Si)或鍺(Ge)形成。
這樣，中間層16的下層膜16a的鈦或鉻起到與導筒11的基材保持密接性的作用，上層膜16b的硅或鍺與硬質碳膜15結合成一體，起到與硬質碳膜15強力結合的作用。
另外，中間層16也可以由鈦化合物或鉻化合物的下層膜與硅化合物或鍺化合物的上層膜2層膜形成。或者，下層膜由鈦或鉻形成，上層膜由硅化合物或鍺化合物形成。或者，下層膜由鈦化合物或鉻化合物形成，上層膜由硅或鍺形成。
關于中間層16的形成方法，可采用陽極濺鍍法、離子鍍法或化學氣相成長法、金屬噴鍍法等。
當采用碳化硅(SiC)作為硬質部件12時，可省略該中間層16。這是因為碳化硅是元素周期表第Ⅳ族的硅與碳的化合物，與形成在其表面的硬質碳膜16以共價鍵結合，能得到高密接性的緣故。
圖9是表示分別使用本發明導筒和現有導筒的自動車床所作切削試驗的結果比較。
該試驗中，進行實際切削，對現有的導筒和本發明的在內周面形成了硬質碳膜的導筒進行比較。參加比較試驗的導筒是固定型導筒。
現有的導筒，在內周面只設置了超硬合金(超硬)和只設置了陶瓷燒結體。本發明的導筒是在內周面上隔著中間層形成了厚度3μm的硬質碳膜(DLC)。
切削條件如下。
被加工物 不銹鋼(SUS303)，直徑16mm轉速 4000rpm進刀量 輕度切削d=0.8mm實用切削d=3mm強力切削d=5.0mm極限切削d=6.5mm進給量 0.05mm/1轉加工長度 20mm圖9表示該切削試驗結果，符號○表示可以正常切削，符號×表示不能切削。
即，使用現有的設置了超硬合金的導筒時，即使輕度切削也在第1個被加工物的切削開始后立即在導筒內面產生燒接，從而不能切削。
使用現有的設置了陶瓷的導筒的情況下，輕度切削時，可對100個被加工物進行切削，但實用切削時，在第1個被加工物的切削開始后立即在導筒內面產生燒接，從而不能切削。
而使用本發明的設置了硬質碳膜(DLC)的導筒時，從輕度切削到極限切削，分別對100個被加工物進行了連續切削加工試驗，即，進行了2000m切削距離的加工也不產生燒接，導筒內周面的摩耗、DLC的脫落等也完全不產生。
因此，使用本發明的導筒，即使在嚴酷的條件下也能進行切削加工，能顯著提高加工效率，而且能進行長期間的高可靠性切削加工。
下面說明本發明在導筒內周面上形成硬質碳膜的方法實施例。
說明在圖3所示導筒11的內周面11b上形成硬質碳膜15(DLC)的方法。
圖3所示導筒11，是對碳素工具鋼(SK)材料進行切削加工，形成外周面錐面11a、彈性部11d、嵌合部11e、螺紋部11f、有中心開口11j的內周面11b以及內徑大于內周面11b的臺階部11g。然后用釬焊方式把圓筒形超硬材料12接合固著在導筒11的內周面11b上。
再進行放電加工，在導筒11的外周錐面11a一側間隔120°地形成切槽11c。
再進行研磨加工，對內周面11b、外周錐面11a和嵌合部11e進行研磨，得到硬質碳膜形成前的導筒11。
然后，在該導筒11上形成硬質碳膜15。形成硬質碳膜15的第1裝置如圖10所示。
61是具有氣體導入口63和排氣口65的真空槽，在其內的中央上部，配設著陽極79和白熱絲81。在該真空槽61內的中央下部，垂直地配置著導筒11，導筒11的下部固定在絕緣支承具80上。
在該導筒11的中心開口11j內，插入著通過真空槽61與接地電位連接的細桿狀輔助電極71。這時輔助電極71位于導筒11的中心開口11j的中央部(大體在軸線上)。
該輔助電極71可用不銹鋼等金屬材料做成。該輔助電極71的前端不伸出導筒11的開口端面(圖10中是上端面)，最好距開口端面約1mm地配置在內側。
從排氣口65進行真空排氣，使真空槽61內具有3×10-5torr的真空度。
再從氣體導入口63向真空槽61內導入作為含碳氣體的苯(C6H6)，并將真空槽61內的壓力控制為5×10-3torr。
然后，從直流電源73對導筒11加負的直流電壓，從陽極電源75對陽極79加正的直流電壓，從白熱絲電源77對白熱絲81加交流電壓。
從直流電源73加到導筒11上的直流電壓是負3kV，從陽極電源75加到陽極79上的直流電壓是正50V。從白熱絲電源77加到白熱絲81上的交流電壓是10V的交流電壓，以便通過30A的電流。
這樣，配置在真空槽61內的導筒11的周圍產生等離子體，在導筒11的表面形成硬質碳膜。
圖10所示的硬質碳膜形成方法中，由于把輔助電極71插入導筒11的中心開口11j內，所以，不僅在導筒11的外周部形成等離子體，在內周部也可形成等離子體。
這樣，不會產生異常放電即空心陰極放電，硬質碳膜15的密接性提高。
由于在導筒11的內周面長度方向上電位特性均勻，所以形成在內周面11b上的硬質碳膜的膜厚分布均勻。而且，由于成膜速度快，可用短時間的處理從開口端面到開口里側形成均勻厚度的硬質碳膜。
圖11表示配置輔助電極71與不配置輔助電極71時，在導筒11上形成硬質碳膜的比較。
導筒11的內周面11b的內徑為12mm、不配置輔助電極71時，如圖11中三角形符號表示的折線b所示，膜厚薄，而且從開口端越往里膜厚越薄。而配置了輔助電極71時，如該圖中方形符號表示的折線a所示，膜厚較厚，而且與距開口端距離無關地形成均勻的膜厚。
該輔助電極71的直徑只要小于導筒11的開口徑即可，但最好距形成硬質碳膜的內周面11b約5mm間隙，即設置等離子體的形成區域。該輔助電極71的直徑與導筒11的開口徑之比最好在1/10以下，要使輔助電極71細時，也可以做成線狀。
該輔助電極71不限于上述的用不銹鋼做成，也可以用鎢(W)、鉭(Ta)等高融點金屬材料做成。該輔助電極71的斷面形狀是圓形。
下面參照圖12說明與上述方法不同實施例的碳膜形成方法。圖12中，與圖10對應的部分注以相同標號，其說明從略。
該實施例中使用的第2裝置的真空槽61，在其內部不設置陽極和白熱絲。
采用該裝置的硬質碳膜形成方法，與采用圖10所示裝置的硬質碳膜形成方法有兩點不同，一是在真空槽61內配置插入著接地輔助電極的導筒11，從具有13.56MHz振蕩頻率的高頻電源69通過耦合電路67向導筒11加高頻電壓；另一點是把甲烷(CH4)作為含碳氣體導入真空槽61內，將真空度調節至0.1Torr。
這樣，也不僅在導筒11的外周面產生等離子體，在內周面也能產生等離子體，在導筒11的整個面上形成硬質碳膜。特別是在與輔助電極71相對的圖3所示內周面11b上，能在短時間內在全長形成厚度大體均勻的硬質碳膜15。
下面，參照圖13說明與上述方法不同實施例的硬質碳膜形成方法。圖13中，與圖10對應的部分注以相同標號，其說明從略。
該實施例中使用的第3裝置，在真空槽61內也不設置陽極和白熱絲。
使用該裝置的硬質碳膜形成方法，與采用圖10所示裝置的硬質碳膜形成方法有兩點不同，一是在真空槽61內配置插入著接地輔助電極的導筒11，從直流電源73′向該導筒11加負600V的直流電壓，另一點是把甲烷(CH4)作為含碳氣體導入真空槽61內，將真空度調節至0.1Torr。
這樣，也不僅在導筒11的外周面產生等離子體，在內周面也能產生等離子體，在導筒11的整個面上形成硬質碳膜。特別是在與輔助電極71相對的圖3所示內周面11b上，能在短時間內在全長形成略均勻厚度的硬質碳膜15。
以上說明中，是在導筒11的外周面和內周面上都形成硬質碳膜，但也可以只在內周面上形成硬質碳膜。
這時，如圖14所示，只要在導筒11的外周部配置覆蓋部件82即可，為了方便起見，也可以把鋁箔卷在導筒11的外周部作為該覆蓋部件82。
圖14是表示在采用圖10所示第1裝置的例子中，在導筒11的外周部配置覆蓋部件82的例子。另外，在采用圖12或圖13所示第2或第3裝置時，同樣地，也可以在導筒11的外周面配置鋁箔等覆蓋部件82，使得僅在內周面形成均勻牢固的硬質碳膜。
上述的硬質碳膜形成方法，也同樣地適用于圖4至圖8所述的、在導筒11的內周面11b上隔著各種層形成硬質碳膜15。
上述各實施例的在導筒11內周面形成硬質碳膜的方法中，是采用甲烷氣體或苯氣體作為含碳氣體的，但除了甲烷以外，也可以采用乙烯等含碳氣體，或者采用己烷等含碳液體的蒸汽。
上述各實施例的在導筒11內周面形成硬質碳膜的方法中，是在導筒的開口內配置接地電位的輔助電極，在要形成硬質碳膜的內周面11b上形成硬質碳膜，所以，在同電位的電極彼此相對的內周面間，設置接地電位的輔助電極，同電位彼此不相對，不產生異常放電即空心陽極放電。因此，能在導筒11的內周面11b上形成密接性良好的硬質碳膜。
下面，參照圖15至圖18說明本發明硬質碳膜形成方法的其它實施例。
圖15、圖17及圖18分別表示采用與圖10、圖12及圖13所示第1、第2及第3裝置相同的裝置、在導筒11上形成硬質碳膜的例子。因此，與上述各圖中相同的部分注以相同標號，其說明從略。
與前述方法不同之處，是采用了圖16所示環形空心部件53。該空心部件53的內徑與導筒11內周面11b(見圖1)的直徑略同，與輔助電極71同樣地用不銹鋼做成。
該空心部件53的外徑尺寸與導筒11的開口端面的大小略同。
如圖15所示，在具有氣體導入口63和排氣口65的真空槽61內，配置著要形成硬質碳膜的導筒11。空心部件53放在導筒11的外周錐面一側的開口端面(圖中是上端面)上。
導筒11的內周面與空心部件53的內周面對齊。
在該導筒11的內周面11b上，預先固接著硬質材料、形成中間層等。
與前述同樣地，在該導筒11的中心開口11j內的中心，插入接地電位的輔助電極71。輔助電極71的前端不伸出于空心部件53的上端面，稍稍位于內側。
其它均與圖10所示方法相同，為慎重起見，仍作一些說明。
從排氣口65進行真空排氣，使真空槽61內具有3×10-3torr的真空度。
再從氣體導入口63向真空槽61內導入作為含碳氣體的苯(C6H6)，將真空槽61內的壓力控制為5×10-3torr。
然后，從直流電源73對導筒11加負3kV的直流電壓；從陽極電源75對陽極79加正50V的直流電壓；從白熱絲電源77對白熱絲81加10V交流電壓，以便通過30A的電流。
這樣，配置在真空槽61內的導筒11的周圍區域產生等離子體，在導筒11的、包含圖1所示內周面11b的表面形成硬質碳膜。
這時，輔助電極的作用與前述同樣，空心部件53具用下述作用。
即，在這種往導筒11上形成硬質碳膜的方法中，在導筒11的內面和外周部都產生等離子體。電荷容易集中在導筒11的端面，形成了開口端面區域的電位比內面高的狀態、即產生所謂的邊緣效應。導筒11端面附近的等離子體強度比其它區域大，而且不穩定。
另外，導筒11的端部區域受到內面等離子體和外周部等離子體這樣的雙方等離子體的影響。
如果以這種狀態形成硬質碳膜，則從導筒11的開口端面到數mm里側的區域與其它區域相比，硬質碳膜的密接性有些差異，膜質也有些差別。
因此，如圖15所示，把空心部件53配置在導筒11的開口端面上形成硬質碳膜時，該膜質或密接性差異的區域不形成在導筒11的內面，而形成在空心部件53的開口內面。
試驗證明，用圖10所示方法在導筒11上形成硬質碳膜時，從導筒11的開口端面到4mm深的里側，形成寬度約1mm至2mm的膜質或密接性差異的區域。
但是，如圖15所示，把空心部件53放在導筒11的開口端面上(該空心部件53的開口尺寸與導筒11的開口尺寸約相同，長度為10mm)，用上述的硬質碳膜形成條件形成被膜時，膜質或密接性差異的區域形成在空心部件53上，在導筒11的內面完全不形成膜質或密接性差異的區域。
圖17所示硬質碳膜形成方法，與圖12所示硬質碳膜形成方法同樣地，與上述方法有兩點不同，一是從具有13.56MHz振蕩頻率的高頻電源通過耦合電路67向導筒11加高頻電壓，使得在真空槽61內產生等離子體；另一點是把甲烷(CH4)作為含碳氣體導入真空槽61內，將真空度調節至0.1Torr。
圖18所示硬質碳膜形成方法與上述方法的不同點是，從直流電源73′向該導筒11加負600V的直流電壓，使得真空槽61內產生等離子體。
這些場合時，也可以通過采用輔助電極71和空心部件，高效率地在導筒11的內周面11b上形成厚度均勻的、膜質及密接性也均勻的硬質碳膜。
另外，也可以如圖14所示例那樣，，在導筒11的外周配置覆蓋部件82，只在內周面形成硬質碳膜。
在上述硬質碳膜形成方法中，把輔助電極71的前端部配置在距空心部件53開口端面約1mm的稍內側。這樣，可以抑制因輔助電極71的前端部露出于空心部件53開口端面時產生的輔助電極71前端部的異常放電，能在導筒11的內周面形成膜質良好的硬質碳膜15。
下面參照圖19至圖23說明本發明其它實施例的硬質碳膜形成方法。
圖19至圖21是表示這些實施例的圖，分別與前述圖15、圖17及圖18對應，與前述圖中相同部分注以相同標號，其說明從略。
與前述方法不同之處是，在導筒11的中心開口11j內嵌入絕緣子85，由該絕緣子85支承輔助電極71，使輔助電極71相對于導筒11和相對于真空槽61都絕緣，從輔助電極電源83向輔助電極71加直流正電壓(例如正20V)。
圖22表示加在輔助電極71上的直流正電壓與在導筒11開口內面上形成的硬質碳膜厚度的關系。
圖22中，表示使加在輔助電極71上的直流正電壓從零變化到30V時，導筒11的開口內面與輔助電極71之間的間隙尺寸為3mm和5mm時的硬質碳膜的膜厚。曲線a表示上述間隙為3mm時的特性，曲線b表示上述間隙為5mm時的特性。
如該曲線a、b所示，當加在輔助電極71上的直流正電壓增加時，硬質碳膜的膜形成速度提高。導筒11的開口內面與輔助電極71之間的間隙尺寸越大，硬質碳膜的膜形成速度越高。
當導筒11的開口內面與輔助電極71之間的間隙尺寸為3mm時(曲線a)，如加在輔助電極71上的電位為零V的接地電壓，則在導筒11的中心開口11j內面不產生等離子體，不能形成硬質碳膜。
但是，即使在該情況下，如果加在輔助電極71上的直流正電壓增高，則在導筒11的中心開口11j內的輔助電極71周圍產生等離子體，能形成硬質碳膜。
因此，根據該實施例，即使在中心開口11j的直徑小的導筒內周面，通過向輔助電極71加直流正電壓，也能形成硬質碳膜。
這樣的作用在采用圖19至圖21所示的任一方法于導筒11上形成硬質碳膜的場合都一樣。
另外，如圖10至圖13所述那樣，不采用空心部件53地形成硬質碳膜時，通過對輔助電極71加直流高電壓，也能得到上述的作用。
圖23表示實施這些方法時，用于支承輔助電極71并使其與導筒11絕緣的具體構造。
圖23中，把陶瓷等絕緣材料做成的絕緣子85插入導筒11的臺階部11g。在該絕緣子的中心部形成內徑不同的第1孔85a和第2孔85b。
把輔助電極71穿過絕緣子85的第1孔85a，把與輔助電極71結合的粗徑連接電極87嵌入并保持在第2孔85b內。
在輔助電極71的外徑與絕緣子85的第1孔85a之間，設有0.01mm至0.03mm的間隙。
在導筒11的臺階部11g與絕緣子85的外徑之間，也設有0.01mm至0.03mm的間隙，使絕緣子85有一定間隙地插入臺階部11g。
在導筒11的內周面11b的附近，配置著圓筒形的內插部件57。該內插部件57的內徑與導筒11的內周面11b的直徑略同。
把該內插部件57裝在絕緣子85與導筒11的內周面11b之間，再在導筒11的開口端面上配置空心部件53時，則在導筒11的要形成硬質碳膜15的內周面11b的附近臺階消失。即，在要形成硬質碳膜15的內周面11b的附近與輔助電極71之間的間隙尺寸是均等的。
這樣，通過絕緣子85把輔助電極71配置在導筒11的臺階部11g內時，能準確地把輔助電極71配置在導筒11的中心開口11j的中心。
如果輔助電極71偏離導筒11的開口中心，則產生于輔助電極71與開口內壁之間的等離子體的平衡被破壞，使硬質碳膜15的膜厚或膜質不均勻。
因此，與導筒11的臺階部11g的內徑尺寸吻合地插入絕緣子85，以絕緣子85的第1孔85a控制輔助電極71的位置，就可以準確地把輔助電極71配置在導筒11的開口中心，硬質碳膜15的膜厚或膜質則不會不均勻。
如果通過連接電極87把直流正電壓加到該輔助電極71上，則可實施圖19至圖21所示的硬質碳膜形成方法。這時，由于輔助電極71集中了電子，所以，在導筒11的中心開口11j內的等離子體密度高。硬質碳膜的形成速度快。
如果通過連接電極87將輔助電極71與接地電位連接，則可實施前述圖10至圖18所示的硬質碳膜形成方法。
或者，也可以對該輔助電極施加比加在導筒11上小的(約為1/10)的負電壓。這樣，可以更加激發導筒11內的電子的運動，可提高等離子體密度，加快硬質碳膜的形成速度。
另外，也可以使該輔助電極71成為絕緣狀態的浮游電位。這樣，通過等離子體的相互作用，在輔助電極上產生負電位。因此，可得到與上述施加小負電壓時同樣的效果。
圖10至圖23所示硬質碳膜形成方法中，是把空心部件53配置在導筒11的開口端面，但也可以不采用空心部件53，而采用圖24所示的帶突起部件55。
該帶突起部件55如圖24所示，是在環形本體55a上間隔120°設置三個與各導筒切槽11c對應的突起55c，該突起55c能插入導筒11的各切槽11c內，各突起55c的厚度尺寸d與切槽11c的槽寬尺寸基本相同。上述環形本體55a的內徑開口與導筒11的內周面11b的直徑略同。
因此，在前述硬質碳膜形成方法中使用的空心部件53上設置3個突起55c便是該帶突起部件55。
如圖26所示，把該帶突起部件55配置在導筒11的端面部，使它的各突起55c插入導筒11的切槽11c內。
可在此狀態用前述各方法在導筒11的內周面11b上形成硬質碳膜15。
使用該帶突起部件55在導筒11上形成硬質碳膜時，具有以下效果。
如前所述，由于產生的電荷集中在導筒11的開口端面，所以，與導筒11的內面相比，其端面區域是電荷高的狀態，即容易產生邊緣效應。但是，把該帶突起部件55裝在導筒11上形成硬質碳膜時，可抑制該邊緣效應。
即，如果把帶突起部件配置在導筒11的開口端面地形成硬質碳膜，則可以防止因邊緣效應而產生硬質碳膜的膜質或密接性不均勻的區域。
另外，由于帶突起部件55的突起55c插入導筒11的切槽11c內，所以，也能抑制在各切槽11c的邊緣部產生電場集中而引起的邊緣效應。
因此，在導筒11的內周面11b上形成的硬質碳膜15的膜質和密接性更加均勻。
圖25是表示內插部件57的縱斷面圖，該內插部件57插入導筒11的臺階部11g內使用。
該內插部件57備有圓筒形內插部57a和螺紋部57b。內插部57a的內徑與導筒11的內周面11b的直徑略同。螺紋部57b與導筒11的螺紋部11f螺合。該內插部57a的外徑尺寸做成為與導筒11的臺階部11g嵌合的尺寸。
如圖27所示，把該內插部件57的內插部57a插入導筒11的臺階部11g內，將螺紋部57b擰在導筒11的螺紋部11f上時，導筒11的中心開口11j的內面就沒有了臺階。即，導筒11的內面全部為相同的開口尺寸。
由于安裝了該內插部件57，在導筒11的內面消除了臺階部11g產生的臺階。即，輔助電極71與導筒11內周之間的間隙尺寸沿導筒11的長度方向均等。
可在此狀態用前述各方法在導筒11的內周面11b上形成硬質碳膜15。
使用該內插部件57在導筒11上形成硬質碳膜時，在導筒11長度方向中心開口11j的內面，電位特性均勻，硬質碳膜的密接性、膜質和膜厚更加均勻。
另外，也可以如圖28所示地，把圖24所示帶突起部件55和圖25所示內插部件57都裝在導筒11上地形成硬質碳膜15。這時，由于帶突起部件55和內插部件57的復合效果，能在導筒11上形成密接性、膜質和膜厚更為良好的硬質碳膜。
該帶突起部件55和內插部件57可用不銹鋼等金屬材料做成。
另外，也可以組合使用前述的空心部件53與內插部件57，把二者都裝在導筒11上形成硬質碳膜。
上述硬質碳膜形成方法的各實施例，都是在導筒11的內周面11b上設置硬質部件12，再在其表面形成硬質碳膜。
但是，這些硬質碳膜形成方法，也同樣地適用于在導筒11的內周面11b上不設置硬質部件12，而是直接或隔著前述的各種中間層16形成硬質碳膜的情形，或者在硬質部件12上再隔著中間層16形成硬質碳膜的情形。
另外，上述本發明的硬質碳膜形成方法的各實施例中，作為含碳氣體，是以甲烷(CH4)或苯(C6H6)為例說明的，但也可以使用乙烯(C2H2)或己烷(C6H14)。
另外，這些含碳氣體也可以用氬氣(Ar)等電離電壓低的惰性氣體稀釋后使用。這時，導筒的圓筒內的等離子體更加穩定。
或者，在硬質碳膜的生成時通過添加少量(1％)的添加物，可提高潤滑性或硬度。
例如，添加氟(F)或硼(B)時，可提高潤滑性，添加鉻(Cr)、鉬(Mo)或鎢(W)時，可增加硬度。
另外，在把導筒配置在真空槽內后，在形成硬質碳膜之前，也可以使氬(Ar)或氮(N)等的等離子體產生，撞擊導筒的圓筒內面，然后使甲烷或苯等含碳氣體產生等離子體，形成硬質碳膜。
這樣，由于用惰性氣體進行撞擊的前處理，所以，導筒的圓筒內壁溫度上升而成為活性狀態。同時，圓筒內壁表面的不純物被敲出，表面被清潔。這些效果使得形成在導筒內周面上的硬質碳膜的密接性更加提高。
如上所述，把本發明的導筒用于自動車床的旋轉型或固定型導筒裝置時，可對被加工物進行進刀量大的切削加工而不產生傷痕，也不產生燒結，可進行正常的切削，并能大幅度提高加工效率。另外，由于其耐久性也大幅度提高，所以可加長連續加工的時間，大大提高自動車床的工作效率。另外，使用于固定型導筒裝置時，可高效率地進行高加工精度(特別是圓度)的切削加工。
此外，根據本發明的在導筒內周面形成硬質碳膜的方法，可以用短時間在導筒的與被加工物滑接的內周面上形成密接性好、厚度均勻、類似金剛石性質的硬質碳膜(DLC)。
因此，如上所述，可用良好的生產性制造出適用于自動車床導筒裝置的、耐久性高的導筒。
權利要求
1．一種導筒，大致呈圓筒狀，具有軸向貫通的中心開口，在其縱長方向的一端部形成外周錐面和用于使其具有彈性的切槽，在另一端部具有用于安裝在自動車床的立柱上的螺紋部，在形成上述外周錐面部分的內周，形成保持被加工物的內周面，通過安裝在自動車床上，由保持上述被加工物的內周面，可在切削刀具附近旋轉以及沿軸向滑動地保持穿入上述中心開口的被加工物；其特征在于在保持上述被加工物的內周面，隔著超硬合金或陶瓷燒結體等硬質部件設置有硬質碳膜，該硬質碳膜為氫化非晶形碳膜。
2．如權利要求1所述的導筒，其特征在于在上述硬質部件與上述硬質碳膜之間，設有提高密接性的中間層。
3．如權利要求2所述的導筒，其特征在于上述中間層由上、下兩層膜形成，下層膜由鈦或鉻或其中任一種的化合物構成，上層膜由硅或鍺或其中任一種的化合物構成。
全文摘要
一種導筒以及在其內周面形成硬質碳膜的方法,在導筒(11)的內周面(11b)上設置硬質碳膜(15),該導筒(11)設置在自動車床上,并在切削刀具附近可旋轉及沿軸向滑動地保持被加工物(51),在形成硬質碳膜(15)時,在硬質碳膜(15)與內周面(11b)之間夾設陶瓷燒結體等硬質部件,在其表面直接或者通過中間層。因此,可以增加導筒(11)的壽命,即使長期使用以及強力切削,在被加工物上不產生傷痕,不產生燒接。
文檔編號C23C16/26GK1318443SQ0011869
公開日2001年10月24日 申請日期2000年6月16日 優先權日1995年3月9日
發明者宮行男, 杉山修, 小池龍太, 戶井田孝志, 木村壯作, 小久保邦彥 申請人:時至準鐘表股份有限公司