热丝化学气相沉积(Hot Filament Chemical Vapor Deposition,HFCVD)法在特种切削刀具上沉积金刚石涂层有增强刀具耐磨损性能、延长刀具切削寿命和改善工件表面切削质量的优势。HFCVD法沉积金刚石涂层具有沉积设备简单、沉积参数容易控制、沉积过程不受基体形状控制、可以大面积区域沉积等优点。本文致力于大批量特种复杂形状刀具的HFCVD金刚石涂层制备过程的关键技术研究,所研究的两种特种刀具分别为微细刀具和长刃刀具。首先,针对传统HFCVD沉积设备存在的不足,为了提升特种刀具涂层沉积质量,采用虚拟仪器技术开发出新型金刚石沉积设备控制系统。在特种刀具的大批量CVD金刚石涂层制备中,基体表面的温度场分布均匀性对涂层质量好坏起着关键作用,本文采用CFD仿真方法,分析CVD沉积参数对大批量特种刀具温度场均匀性的影响。最后进行特种涂层刀具的制备、性能表征和切削性能研究,以验证金刚石涂层在提升刀具寿命、提高加工性能和质量等方面的优越性。主要的完成工作可概括如下:1.基于虚拟仪器技术的HFCVD沉积控制系统的研制。针对于现有低压电器控制系统的缺陷,采用虚拟仪器工具,针对涂层沉积过程的核心工艺参数,开发一种新型的金刚石沉积设备控制系统。采用LabVIEW作为主要的软件开发工具,结合相应的硬件模块如数据采集卡、传感器和执行机构等一起构成了整体的控制系统。主要的控制模块包含:(1)气体流量控制模块(2)温度与功率控制模块(3)气体压力控制模块。2.特种刀具涂层制备过程CFD仿真模型的建立与验证。本章将利用CFD计算流体动力学仿真软件,针对特种刀具的HFCVD涂层制备系统,建立相应的仿真计算模型,利用有限体积法进行温度场仿真。为验证建立仿真模型的合理性和可行性,进行实际沉积过程的温度测量试验,测温实验采用的特种刀具为微细刀具和长刃刀具。通过对比仿真温度数据和测量温度数据,表明了温度测量结果与仿真结果的平均偏差小于4%,两者温度分布的一致性很好,这验证了可以通过仿真模型来预测和优化实际沉积过程中的刀尖温度场分布。3.批量化微细刀具HFCVD涂层制备的温度场仿真与试验分析。利用有限体积法的CFD仿真方法,建立基体温度场的仿真模型,对影响基体温度场的多个沉积工艺参数进行仿真与优化分析,分析结果一致表明:热丝直径d=0.65mm,热丝高度H=12mm,热丝间距D=27mm以及热丝长度L=160mm,是微细刀具金刚石涂层生长的最优参数组合。采用优化获得的参数,进行微细刀具的金刚石涂层沉积试验,对制备出的微细刀具金刚石涂层表面形貌和质量分析,结果表明,微细刀具表面覆盖了厚度一致均匀、组织结构良好的金刚石涂层,这验证了仿真结果的正确性。最后以PCB板作为工作工件材料进行涂层微细刀具和硬质合金微细刀具的对比切削试验。结果表明与硬质合金微细刀具相比,涂层微细刀具能明显降低刀具的磨损量和切削力,大幅提高刀具的使用寿命,同时工件的加工质量也明显优于硬质合金刀具,显示出非常优异的切削性能。4.批量化长刃刀具HFCVD涂层制备的温度场仿真与试验分析。利用仿真模型对批量化长刃刀具HFCVD涂层沉积参数进行优化,结果表明,当d1=26mm,d2=24mm,d3=22mm,d4=12mm,能够有效改善长刃刀具温度场分布的均匀性。利用沉积优化参数进行了大批量长刃刀具金刚石涂层制备试验,SEM与拉曼光谱的表征表明了不同位置上的刀具都刀具表面覆盖了一层厚度均匀、组织结构良好的金刚石涂层。以碳纤维复合材料为工件材料进行长刃涂层刀具的切削试验,结果表明,长刃刀具在表面沉积金刚石涂层后能明显降低刀具的磨损和切削力,有更高的使用寿命,同时加工工件的质量也明显更好,显示出非常优异的切削性能。