专利名称：在导向套筒和其内表面形成硬质碳膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种在导向套筒和该导向套筒与被加工件滑动接触的内表面形成硬质碳膜的方法，该导向套筒安装于自动车床上，使圆棒状的被加工件可以在切削工具(刀具)的附近旋转和沿轴的方向滑动。
装在自动车床的自动车床立柱上、使圆棒状的被加工件可以在切削工具的附近旋转的导向套筒分为旋转型和固定型两种。旋转型的平时与被加工件一起旋转并同时使被加工件可沿轴的方向滑动；固定型的则不旋转但可以使被加工件旋转并沿轴的方向滑动。
各种型式的导向套筒均包括锥面的外周部，其上有保持弹力用的开槽；将其安装在立柱上用的螺纹和保持被加工件的内表面；由于该内表面平时与被加工件滑动接触所以容易磨耗，特别是在固定型的场合上述磨耗就更加严重。
因此由于该被加工件的旋转与滑动，在与被加工件滑动接触导向套筒的内表面上如日本专利公报特开平4-141303号中所提议的利用钎焊将超硬合金和陶瓷等固定其上。
这样，由于在导向套筒的内表面设置有耐磨耗性和耐热性均优越的超硬合金和陶瓷，可以达到一定程度抑制磨耗的效果。
但是即使在其内表面设有超硬合金和陶瓷，对于自动车床切削量大、加工速度大的重切削时由于超硬合金和陶瓷的摩擦系数大而热传导率低，会出现在被加工件上发生缺陷，或产生烧接使导向套筒和被加工件直径方向的间隙减小等问题，因此限制了切削量和加工速度的提高。
固定型的导向套筒因为可以使被加工件保持轴心不偏斜，具有可以达到高精度的真圆度加工，并且噪音小，自动车床的构造简单且小型化的优点。
但是因为较大旋转型的场合导向套筒内表面的磨耗大得多，使得切削量和加工速度的提高变得更加困难。
因此本发明的目的是解决上述问题，大幅度地提高导向套筒与被加工件滑动接触的内表面的耐磨耗性，使得被加工件不会发生缺陷和烧接，从而可以提高自动车床的切削量和加工速度。同时也是以提高此类导向套筒的生产效率为目的的。
因此本发明的导向套筒，由在沿轴方向有中心开口的大体为圆筒状的物体构成，在其一端具有锥形的外周面、与被加工件滑动接触的内表面，和开槽；为在安装于自动车床时，将被插入上述中心开口的被加工件保持在可在切削工具附近旋转及沿轴的方向滑动的导向套筒，在导向套筒与被加工件滑动接触的内表面上，以该内表面的开口端附近的膜比内部要厚的形式形成硬质碳膜。
所谓硬质碳膜是一种氢化非晶碳膜，因为具有与钻石相似的性质，故也称为类钻石碳(DLC-Diamond Like Corbon)。
这种硬质碳膜DLC具有硬度高(维氏硬度3000Hv以上)，耐磨耗性好，磨擦系数小(超硬合金的1/8)，耐腐蚀性好的优点。
采用了本发明的在与被加工件滑动连接的内表面设置碳膜的导向套筒与现有的在内表面设置超硬合金和陶瓷的相比耐磨耗性得到了大幅度的提高。
因此当将其作为自动车床的固定型的导向套筒使用时，即便在进行切削量大加工速度大的重切削时也不会在被加工件上发生缺陷和烧结的问题，可以长时间地持续地进行高精度地加工。
并且，由于在导向套筒的内表面与被加工件的滑动接触程度高，具体地说即磨耗激烈的开口端附近形成的硬质碳膜的膜的厚度比内部(由开口向里面进去的部分)要厚，可以进一步提高其耐久性。
又，在上述导向套筒的内表面可以在中间插入提高粘着性的中间层，或插入上述的超硬合金和陶瓷等硬质构件和中间层，然后在其上再生成硬质碳膜，可进一步提高耐久性。
并且采用本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法如下的顺序进行。
将硬质碳膜形成前的导向套筒放置在具有气体导入口置和排气口的真空槽中，将前端部比其他部分细的台阶形的棒状的辅助电极，以其前端部位于该导向套筒与被加工件滑动接触的内表面的开口端附近的状态，插入形成该导向套筒内表面的中心开口中，并将辅助电极保持在地电位。
然后，在该真空槽排气之后，由气体导入口将含碳的气体导入该真空槽中，真空槽中产生等离子体，利用等离子体CVD法(等离子体化学蒸汽涂敷加工)在上述导向套筒的内表面形成氢化非晶碳的硬质碳膜。
以这种方式在导向套筒的和被加工件滑动接触的内表面上，以在该内表面的开口端附近的膜比内部的膜厚的形式形成强固的硬质碳膜。
辅助电极也可以是在前端部形成头部细的锥部的棒状的辅助电极，将其以锥部的前端位于导向套筒的上述内表面开口端附近的位置的形式，插入中心开口。
也可以将该辅助电极不保持在地电位而在其上加上直流正电压。
也有为在真空槽中生成等离子体在真空槽中放置阳极与灯丝，在向导向套筒施加直流电压的同时，在阳极施加直流电压，而在阴极施加交流电压的产生等离子体的方法。
或者在真空槽中不设置阳极与灯丝，在导向套筒上施加高频电力或直流电压也可产生等离子体。
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的导向套筒一个例子的纵剖面图。
图2为其外观的斜视图。
图3为本发明的导向套筒的另一个例子的纵剖面图。
图4至图6为相应于图1和图3中圆A所包围的部分的放大的剖面图。
图7为对图5的局部作进一步放大的中间层结构的示意图。
图8为对本发明的在导向套筒内表面中形成硬质碳膜的方法进行实施的第一装置的概要剖面图。
图9为对本发明的在导向套筒的表面形成硬质碳膜的方法进行实施的第二装置的概要的剖面图。
图10为对本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法进行实施的第三装置的概要剖面图。
图11为在图7的实施例中追加被覆材料时，和图8有相同的概要剖面图。
图12为本发明的硬质碳膜形成方法的另一个实施例，和图8有同样的概要剖面图。
图13为在图12的实施例中使用伪构件的斜视图。
图14和图15为本发明的硬质碳膜形成方法的其他的实施例，和图9与图10有同样的概要剖面图。
图16为本发明的硬质碳膜形成方法的又一个实施例，和图12有同样的概要剖面图。
图17和图18为本发明的硬质碳膜形成方法的其他的实施例，和图14与图15有同样的概要剖面图。
图19为辅助电极上施加的直流正电压和形成的硬质碳膜的膜厚之间关系的曲线图。
图20为辅助电极的形状和支撑构件的具体例的剖面图。
图21为将其他形状的辅助电极插入导向套筒的中心开口中的剖面图。
图22为采用本发明的导向套筒的，装有固定型导向套筒装置的自动车床主轴附近区域的剖面图。
图23为采用本发明的导向套筒的，装有旋转型导向套筒装置的自动车床主轴附近区域的剖面图。
以下将根据附图对本发明的实施例加以说明。
首先对采用本发明的导向套筒的自动车床的结构作简单的说明。
图22为数控自动车床主轴附近区域的剖面图。在该自动车床上固定着导向套筒11，以其内表面11b将被加工件51(用假想线表示)保持在旋转自如的状态，为设置有固定型导向套筒装置37的设备。
主轴台17在该数控自动车床图中没有示出的皮带上方，可沿图的左右方向滑动。
在主轴台17上设有由轴承21支撑，可以旋转的主轴19。在主轴19的前端安装着弹簧卡盘13。
该弹簧卡盘13装在卡盘套筒41的中心孔中。弹簧卡盘13的前端的外表面为锥面13a，和卡盘套筒41的内表面的锥面41a相互之间以面接触。
不仅如此，在中间套筒29中弹簧卡盘13的后端部设有由带状弹簧材料制成的线圈状的弹簧25。因此由于该弹簧25的动作可将弹簧卡盘13由中间套筒29中压出。
弹簧卡盘13的前端位置，受与位于主轴19的前端的弹簧固定用的锁紧螺母27相接触的位置的限制。因此可以防止弹簧卡盘13在弹簧25的弹簧力的作用下由中间套筒29中飞出。
在中间套筒29的后端部设有借助中间套筒29的卡盘开闭机构31。而且通过使卡盘开阅爪33开闭可以使弹簧卡盘13开闭从而使被加工件51被夹持或释放。
即，随卡盘开闭机构31的卡盘开闭爪33的前端部向相互打开的状态移动，卡盘开闭爪33和中间套筒29相接触的部分，沿图23向左的方向移动，将中间套筒29向左推。由于该中间套筒29向左移动，与中间套筒29的左端相接触的卡盘套筒41向左移动。
而且，弹簧卡盘13在主轴19的前端的弹簧止动用的锁紧螺母27的作用下防止其由主轴19飞出。
因此，由于向该卡盘套筒41的左方向移动，弹簧卡盘13的具有开槽的外周锥面13a与卡盘套筒41的内圆锥面41a被压紧，相互沿锥面运动。
作为其结果，弹簧卡盘13的内表面的直径变小，可将被加工件51夹持住。
当弹簧卡盘13的内表面直径变大从而将被加工件51释放时，卡盘开闭爪33的前端部向相互闭合的状态移动，消除将卡盘套筒41向左方压紧的力。
于是由于弹簧25的复原力使中间套筒29和卡盘套筒41向图的右方向移动。
这使得弹簧卡盘13的外周锥面13a和卡盘套筒41的内周锥面41a的压紧力被除去。从而使弹簧卡盘13在本身具有的弹性力作用下使内表面的直径变大，将被加工件51释放。
主轴台17的前方还设有立柱35，其配置方式使导向套筒装置37的中心轴线和主轴中心线相一致。
该导向套筒装置37将导向套筒11固定，为以该导向套筒11的内表面11b使被加工件51保持在可以旋转的状态的固定型的导向套筒装置37。
在立柱35上固定的夹具39的中心孔中嵌入套筒套管23，在该套筒套管23的前端的内表面为锥面23a。
而且在该套筒套管23的中心孔中嵌入了前端部的外周为锥面11a且其上形成有开槽11c的导向套筒11。
在导向套筒装置37的后端部位，可以利用转动安装于导向套筒11的螺纹部位的调整螺母43来调整导向套筒11的内径和被加工件51的外形之间的间隙大小。
即当将调整螺母43右旋时，导向套筒11相对于套筒套管23向图中的右方向移动，和弹簧卡盘13同样，套筒套管23的内周锥面23a和导向套筒11的外周锥面11a相互压紧，使导向套筒11的前端部的内径变小。
在导向套筒37的更前端装有切削工具(刀具)45。
此外，在将被加工件51用主轴19的弹簧卡盘13夹持的同时，还以导向套筒装置37支撑，且对贯通该导向套筒装置37并在加工领域中突出的被加工件51，根据切削工具45的进退和主轴台17的移动所构成的合成运动进行所定的切削加工。
其次，对于将夹持被加工件的导向套筒11以旋转状态使用的旋转型的导向套筒装置利用图23来加以说明。图23中与图22相对应的部分采用相同的符号。
作为旋转型的导向套筒装置，包括该弹簧卡盘13和导向套筒11同步旋转的导向套筒装置和不同步旋转的导向套筒装置。图示的导向套筒装置37为弹簧卡盘13和导向套筒11同步旋转的装置。
该旋转型导向套筒装置37，由从主轴19的锁紧螺母27突出的旋转驱动棒47将其驱动。也可利用齿轮和皮带轮代替旋转驱动棒47驱动导向套筒装置37。
这种旋转型的导向套筒装置37具有在固定在立柱35上的夹具39的中心孔中借助轴承21以处于可以旋转状态嵌入套筒套管23的配置。此外，在该套筒套管23的中心孔中嵌入导向套筒11。
套筒套管23和导向套筒11具有如图21所示物品同样的结构。而在导向套筒装置37的后端部根据安装在导向套筒11的螺纹部分的调整螺母43的旋转，可以缩小导向套筒11的内径，调整导向套筒11的内径和被加工件51的外形之间的间隙大小。
导向套筒装置37旋转部分以外的结构和图22所表示的自动车床结构相同，故将其说明略去。
以下将对本发明的导向套筒的结构利用不同的实施例加以说明。
图1为本发明的导向套筒的一个例子的纵剖面图，图2为其外观的斜视图。
上述图中所示的导向套筒11，前端部为开放的自由状态。该导向套筒11为轴方向具有中心开口11j的大体圆筒形的物体，纵向的一端形成有外周锥面11a，另一端则为螺纹部11f。
而且该导向套筒11的中心开口11j中在外周为锥面11a的一端的内侧，具有夹持被加工件51的内表面11b；该内表面11b以外的区域为具有此内表面11b的内径要大的内径的台阶部11g。
并且该导向套筒11从外周锥面11a到弹簧部11d具有沿120°间隔将外周锥面11a沿圆周方向分为三等分的3个开槽11c。
由于上述套筒套管的内周锥面挤压该导向套筒11的外周锥面11a，弹簧部11d弯曲，可以调整内表面11b和图1中以假想线所表示的被加工件51之间的间隙的大小。
不仅如此，在该导向套筒11中在弹簧部11d和螺纹部11f之间设有配合部11e。而且利用该配合部与图22和图23中所示的套筒套管23的中心孔相配合，可使导向套筒11位于主轴的中心线上，而且与主轴的中心线相平行。
作为该导向套筒11的材料采用合金工具钢(SKS)，在内、外形状均加工完成后进行淬火处理与回火处理。
不仅如此，最好在该导向套筒11的内表面11b上如图3所示将厚度2mm至5mm左右的超硬构件12用钎焊方法加以固定。该种超硬构件12由85％～90％的钨，5％～7％的碳和3％～10％作为粘合剂用的钴构件。
可是，该导向套筒11外周锥面11a为闭合的状态时，内表面11b和被加工件之间的径向具有5μm～10μm的间隙。因此，被加工件51出入时会与内表面11b发生滑动接触，产生磨耗的问题。
此外，在使用如图22所示的固定型的导向套筒装置时，因为在固定的导向套筒11中保持的被加工件51被以高速旋转加工，内表面11b和被加工件51之间产生高速滑动，并且由于切削负荷向内表面产生过大的被加工件51的压紧压力，会出现烧接的问题。
因此，在该导向套筒11的内表面11b上形成上述的硬质碳膜(DLC)15。且该硬质碳膜15膜的厚度在内表面11b整个范围中是不均匀的，在其内表面的端面11h一侧的开口端11k的附近15a的膜厚比内部(台阶部11g一侧)15b要厚。
在图1所示的例中为在导向套筒的基材(合金工具钢)上借助后述的中间层形成硬质碳膜15，在图3的例中则为在超硬构件12上直接或借助后述的中间层形成硬质碳膜15。
该硬质碳膜具有类似钻石的性质。即机械强度高，摩擦系数小具有润滑性，并且还具有良好的电气绝缘性能和高的热传导率，及优良的抗腐蚀性等特征。
因此在内表面上设有硬质碳膜15的导向套筒11的耐磨耗性得到很大的提高，即便长期使用和在重切削加工时也可以抑制与被加工件51相接触的内表面11b的磨耗。而且可以抑制被加工件51缺陷的发生和导向套筒与被加工件烧接的发生。
不仅如此，如上所述导向套筒的内表面11b的硬质碳膜在轴的方向膜的厚度有差别，由于开口端11k的附近15a形成的硬质碳膜15厚，基于以下的理由使得导向套筒的长期可靠性进一步得到提高。
即，在导向套筒11夹持被加工件51时，在该机构上不是内表面11b的整个表面均匀地夹持被加工件51，而是端面11h侧的内表面11b的微小的区域夹持被加工件51，在台阶部11g侧的区域被加工件和内表面11b之间有微小的间隙。因此在以该导向套筒11边夹持被加工件51，边使被加工件滑动时内表面11b的开口端11k附近的区域此内部(台阶部分11g一侧的区域)容易发生磨耗。
因此，本发明的导向导套中，在其内表面11b设置的硬质碳膜15的膜厚，在开口端11k的附近部分15a比内部15b要厚。从而由于是利用该导向套筒11在内表面11b形成的硬质碳膜厚的部分夹持被加工件51，导向套筒的耐磨耗性得到了显著的提高。
作为其结果由于可以大幅度地抑制由于被加工件的滑动引起的磨耗，从而大幅度地提高了导向套筒长期使用的可靠性，可在固定型的导向套筒装置中大量使用。
这里对该导向套筒11内表面11b上形成硬质碳膜15的部分的各种结构的例子参照表示与图1和图3圆A围住部分相应的放大剖面4至图6及表示图5的局部放大的中间层的结构的图7加以说明。
图4为图1A部的放大图，在导向套筒11的内表面11b的基材上借助以提高粘着性为目的的中间层16形成硬质碳膜。在开口端附近15a处的膜的厚度比内部(膜厚为1μm至5μm)要厚30％到50％。而，根据导向套筒基材的材质，也可以不利用中间层16而直接在其表面上形成硬质碳膜15。
图5和图6为图3A部的放大图，在导向套筒11的内表面11b的基材上都用钎焊固定一层厚度为2mm～5mm的超硬构件12，在其内表面再形成硬质碳膜15。这种方法可以进一步提高导向套筒11的耐久性。
图5所示的例中，在超硬构件12的内表面上借助为进一步提高粘着性的中间层16形成硬质碳膜15。
在这些例中在硬质碳膜15的下面设置的超硬构件12可采用碳化钨(WC)等超硬合金和碳化硅(SiC)等陶瓷烧结体。在陶瓷烧结时通常添加作为粘结剂的Cr，Ni，Co等，当添加剂少时可不用借助中间层直接在超硬构件12上形成硬质碳膜15。
这里，对作为超硬构件12用的碳化硅(SiC)形成方法的一例加以说明。
将在原子百分比中硅(Si)和碳1比1的碳化硅粉末放入环状的模具中，在0.5到3吨的压力下加压成型。其后再在氮气和氩气等惰性气体的雾围中进行烧成处理。
其后在碳化硅的熔点附近的温度1400℃到1700℃进行加热，在加热的同时进行加压处理除去碳化硅中的气泡。此加热处理使碳化硅进一步致密化，其作为超硬构件12的密度和硬度得到提高，达到维氏硬度2000至3000。
其后，在该环状的超硬构件12上形成以钛(Ti)为主要成分的金属化层。在导向套筒11的内表面11b放上该超硬构件12进行热处理，使金属化层熔融和导向套筒11的基材相结合。
然后，将该超硬构件12的内表面研磨加工之后，对该导向套筒11进行形成开槽11c的加工。
作为中间层16采用周期表第1Vb族的硅(Si)和锗(Ge)或硅和锗的化合物均可。也可用含碳的化合物碳化硅(SiC)和碳化钛(TiC)。
而且，作为中间层16也可用钛(Ti)，钨(W)，钼(Mo)或钽(Ta)和硅(Si)的化合物。
此外，中间层16也可如图7所示采用由钛(Ti)或铬(Cr)形成下层16a，硅(Si)或锗(Ge)形成上层16b的双层膜的结构。
这样，中间层16的下层16a中的钛和铬达到保证与导向套筒11的基材粘着的效果，上层16b的硅和锗为与硬质碳膜15形成共价键从而达到与该硬质碳膜15结合紧密的目的。
此外，作为中间层16也可采用钛化合物或铬化合物作为下层而以硅化合物或锗化合物作为上层的双层膜的结构。或采用钛或铬构成的下层和硅化合物或锗化合物的上层构成的两层膜。也可采用钛化合物或铬化合物的下层和硅或锗的上层形成的两层膜。
该中间层16的膜厚为0.5um左右。但双层时上、下层厚度一共也为0.5μm左右。
作为上述中间层16的形成方法有溅射法，离子镀敷法，化学蒸汽涂敷法(CVD)和喷镀法。
又，使用碳化硅(SiC)作为上述超硬构件12时，可以不用形成该中间层16。因为碳化硅为周期表第1Vb族的硅和碳的化合物，和其表面形成的硬质碳膜15形成共价键可以得到高的粘着性。
以下将对根据本发明在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的实施例加以说明。
对图3所示的在导向套筒11的内表面形成硬质碳膜(DLC)15的方法加以说明。
如图3所示，导向套筒11为对合金工具钢(SKS)进行切削加工，形成外周锥面11a，弹簧部11d，配合部11e和螺纹部11f，在中心开口11j中形成内表面11b和比其内径大的台阶部11g。其后将圆筒状的超硬合金构件12利用钎焊固定在导向套筒11的内表面11b。
然后进行放电加工，在该导向套筒11的外周锥面11a一侧形成间隔为120°的开槽11c。
其后再进行研磨加工对内表面11b，对周锥面11a和配合部11e进行研磨，得到硬质碳膜形成前的导向套筒11。
其后，在该导向套筒上形成硬质碳膜。形成硬质碳膜15的第一装置具有如图18所示的结构。
61为具有气体导入口63和排气口65的真空槽，在其内中部的上方装有阳极79和灯丝81。在真空槽61内中部的下方，将上述导向套筒11的下部垂直固定在绝缘支撑物80上。
此外，在该导向套筒11的中心开口11j中插有装于真空槽61里面与接地电位相连接的细棒状的辅助电极71。图中辅助电极71位于导向套筒11中心开口11j中心的部位(大体为轴线上)。该辅助电极借助真空槽61保持在地电位。
又，该辅助电极71是用不锈钢等金属材料制成。其前端部71a为比其他部分71b细(直径小)的台阶形的棒状物。
而且该辅助电极71以其前端部71a在导向套筒11的内表面11b的开口端附近的位置的状态插入。此外，该辅助电极71其前端不由导向套筒11的开口端面11h突出，最好位于其内部1mm左右。
而且为使真空槽内真空度达到3×10-5torr由排气口65真空排气。
其后，由气体导入口63向真空槽61中引入作为含碳气体的苯，将真空槽61中的压力控制在5×10-3torr。
其后在导向套筒11上加上由直流电源73提供的负直流电压，在阳极79上加上由阳极电源75所提供的正直流电压，在灯丝78上加上由灯丝电源77提供的交流电压。
此时由直流电源73加在导向套筒11上的直流电压为负3kv，由阳极电源75加在阳极79上的直流电压为正50V。并且，由灯丝电源77加在灯丝78上的交流电压在流过电流为30A时为10V左右的交流电压。
这样，在真空槽中配置的导向套筒11周围的区域产生等离子体，利用等离子体CVD法在导向套筒11的内表面形成硬质碳膜。
此时，导向套筒11的内表面11b上形成的硬质碳膜15的膜厚在台阶部11g一侧的内部15b为1μm到5μm，端面11h一侧的开口端的附近区域15a比内部15b厚30％～50％左右。
根据本实施例在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，在导向套筒11的中心开口11j的中心部位配置辅助电极71，把它保持在接地电位，该辅助电极的外径尺寸沿轴方向变化。即，导向套筒11的内表面11b上在希望形成厚的硬质碳膜15的区域，将辅助电极71和内表面11b之间的间隙尺寸加大，使辅助电极71的前端部71a的直径比其他部分71b小。
这样，由于将辅助电极71插入导向套筒11的中心开口11j中，不仅在导向套筒11的外表面，在其内表面也可以形成等离子体。在中心开口11j内没有同电位相互间相对的情况。从而不会发生作为异常放电的空穴放电，提高了硬质碳膜15的粘着性。
此时由于该实施例中导向套筒11的内表面11b和辅助电极71间的间隙尺寸在轴的方向不均匀，导向套筒11的内表面11b和辅助电极71之间产生的等离子体的密度也不均匀。即，导向套筒11的内表面11b和辅助电极71间的等离子体密度在间隙尺寸大的区域比间隙尺寸小的区域要高。
而且，因为在等离子体密度高的区域比等离子体密度低的区域硬质碳膜的形成速度快，在导向套筒11的内表面11b与辅助电极71的细的前端部71a相对的开口端附近区域的膜厚，比与直径粗的其他部分71b相对的内部的膜要厚。
已经说过辅助电极71可用不锈钢制成，但也可以用钨(W)和钽(Ta)等高熔点的金属材料制成。但该辅助电极71的断面形状为圆形。
以下对利用和上述方法不同的实施例在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法利用图9加以说明。图9中与图8相应的部分采用同一符号，略去对其的说明。
在该实施例中使用的第二装置的真空槽61，其内部未设置阳极和灯丝。
使用该装置形成硬质碳膜的方法与用图8所示的装置形成硬质碳膜的方法不同的地方为在真空槽61中插入了接地的台阶形棒状的辅助电极71的导向套筒11上，经藉合电路67加上由振荡频率为13.56MHZ的高频电源69提供的400W的高频电力，将甲烷(CH4)气体作为含碳气体引入真空槽61中的4，将真空度调整为0.1Torr左右。
此时与上述的实施例相同，利用等离子体CVD法使在导向套筒11的内表面11b形成的硬质碳膜，内部为1μm到5μm的厚度，而在开口端附近的区域比其厚30％至50％。
以下参照图10对本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的另一个实施例加以说明。图10中与图8中相应的部分采用同一符号并略去对其的说明。
在该实施方式中所使用第三装置的真空槽61中未设置阳极79和灯丝78。
该装置与图8所示的装置的硬质碳膜形成方法不同的点是在真空槽中插入了接地的台阶形棒状辅助电极71的导向套筒11上由直流电源73′施加负600V的直流电压，和作为含碳的气体甲烷(CH4)被导入真空槽61中4内将真空度调整为0.1Torr。
这样可以和上述的各实施例同样利用等离子体CVD法在导向套筒11的内表面11b形成硬质碳膜。
上述的各硬质碳膜的形成方法，可以在导向套筒的外表面和内表面两面形成硬质碳膜，也可仅在内表面形成硬质碳膜。
此时，如图11所示将导向套筒11的外表面配置被覆构件82即可，简单的方法可以利用作为被覆构件82的铝箔将导向套筒11的外表面卷上。
图11为在使用图8所示的第一装置中在导向套筒11的外表面配置被覆构件82的例子，在使用图9或图10所示的第二或第三装置时也可同样地在导向套筒的外表面配置被覆构件82，从而可仅在内表面形成厚度变化的坚固的硬质碳膜。
又，该类硬质碳膜的形成方法，同样适用于图4至图7所说明的，在导向套筒11的内表面11b的具有各种层结构的形成硬质碳膜15的情况。
不仅如此，在上述各实施例中的在导向套筒的内表面上形成硬质碳膜的方法中，对使用甲烷和苯气体作为含碳气体进行了说明，实际上也可使用甲烷以外的如乙烯等含碳气体或已烷等含碳液体的蒸发气体。
以该实施例在导向套筒上形成硬质碳膜的方法中，在导向套筒的开口中，在应形成硬质碳膜的内表面11b上，因借助配置有接地电位的辅助电极来形成硬质碳膜，在同电位的电极相互相对的内表面中，随接地电位的电极的设置，消除了同电位相对的情况，不会发生作为异常放电的空穴放电。因此可在导向套筒11的内表面11b上形成粘着性良好的硬质碳膜。
以下将对利用本发明在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的其他实施例参照图12至图15加以说明。
图12，图14和图15分别为使用前述的图8，图9和图10所示的第一，第二，第三装置相同的装置在导向套筒11上形成硬质碳膜的例。因此，各图中相同的部分采用同一符号，略去对其的说明。
这里和上述方法不同的点，在于使用具有与导向套筒11的内表面11b的直径大体相同的内径的图13所示的环状的伪构件53。该伪构件53和辅助电极71相同，由不锈钢制成。该伪构件53的外径尺寸和导向套筒11的开口端面11h的大小大体相同。
如图12所示在具有气体导入口63和排气口65的真空槽61中放置有要形成硬质碳膜的导向套筒11。而在导向套筒11的开口端面11h上放有伪构件53。此时，导向套筒11的内表面11b和伪构件53的内表面一致。
在该导向套筒11的内表面11b，可如上所述予先将硬质构件粘着，形成中间层。
但是和前述相同，在该导向套筒11的中心开口11j的中心插有处于接地电位的台阶形棒状的辅助电极71。此时，辅助电极71的端部不从伪构件53的上端面突出而在略低于其的位置。
其他和图8所述的方法相同，为慎重起见，加以说明，真空槽61内使真空度达到3×10-5torr，由排气口65进行真空排气。
其后由气体导入口63将作为含碳的气体的苯(C6H6)导入真空槽61中，将真空槽61中的压力控制在5×10-3torr。
其后，导向套筒11由直流电源73施加负3kv的直流电压，由阳极电源75向阳极79施加正50V的直流电压，由灯丝电源77向灯丝81施加流过电流为30A时10V的交流电压。
这样真空槽61内导向套筒11周围的区域产生等离子体，如图1所示，在包括导向套筒11的内表面11b的表面上形成硬质碳膜。
此时辅助电极的作用和上述第一实施例的场合相同，伪构件53的作用如下所述。
即在上述导向套筒11中形成硬质碳膜的方法中，导向套筒的内表面和外表面均产生等离子体。而且在导向套筒11的端面11h容易产生电荷集中，与里面相比开口端面区处于高电位的状态，即产生所谓的边缘效应。从而使导向套筒11的开口端面11h的附近的等离子强度比其他区域要大，而且不稳定。
不仅如此，在导向套筒11的端部区域受到里面的等离子体和外表面的等离子体双方的影响。
而且在这种状态下形成的硬质碳膜在由导向套筒11的开口端部到几mm内侧的区域和在其他区域的硬质碳膜的粘着性间有一定区别，甚至膜的质量也不同。
因此，如图12所示在导向套筒11的开口端面11h上放置伪构件53形成硬质碳膜时，膜的质量和粘着性不同的区域不会在导向套筒11的里面形成，而将形成在伪构件53的开口里面。
实验表明在以图8所示的方法在导向套筒上形成硬质碳膜时由导向套筒11的开口端面到4mm左右的里面形成宽度为1mm到2mm的膜质量和粘着性有差异的区域。
但以图12所示的方法将具有与导向套筒11的开口的尺寸大体相同的开口，长度为10mm的伪构件53置于导向套筒开口端面11h之上时，在以与上述硬质碳膜形成的同样条件下进行薄膜形成时，膜的质量与粘着性有差异的区域在伪构件53的内表面形成，从而提高了在导向套筒11的内表面膜的质量和粘着性。
图14所示的硬质碳膜形成的方法和图9所示的硬质碳膜的形成方法相同，在导向套筒11上，借助藕合回路67加上由高频电源69提供的13、56MHZ振荡频率的400W的高频电力，在真空槽61中产生等离子体和将作为含碳气体的甲烷气体由真空槽61内的4导入，将真空度调整为0.1Torr是和上述方法不同的点。
但，图15所示的硬质碳膜的形成方法，在导向套筒11上由直流电源73′加上负600V的直流电压，在真空槽61中产生等离子体是与上述方法不同的点。
以上这些场合由于使用了辅助电极71和伪构件53，在导向套筒11的内表面11b上可以高效率地生成具有所要膜厚的，膜的质量和粘着性均匀的硬质碳膜。
进一步如图11所示的例，由于在导向套筒11的外表面配置有被覆构件82，仅在内表面形成硬质碳膜。
又，在这些硬质碳膜的形成方法中，将辅助电极71的前端放在离伪构件53开口端面1mm左右的内侧。这样可以抑制当辅助电极71的前端由伪构件53的开口端面露出时发生的辅助电极71的前端的异常放电，从而可在导向套筒11的内表面11b上形成膜质良好的硬质碳膜15。
以下，对本发明在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法的其他实施例参照图16至图20加以说明。
图16至图18所示的实施例分别与前述的图12，图14和图15相对应，与这些图相同的部分用同一符号表示，略去对其的说明。
这里和前述的方法不同的点为由于将辅助电极71嵌入导向套筒11的中心开口11j中的绝缘于85，将其相对于导向套筒11和相对于真空槽*61绝缘支撑，而在该辅助电极71上加以由辅助电极电源83提供的直流正电压(如正20V)。
加在该辅助电极71上的直流正电压和导向套筒11的开口内表面上形成的硬质碳膜厚度的关系如图19的曲线所示。
图中表示辅助电极71上施加的直流正电压从0V到30V变化，及导向套筒11的开口内表面和辅助电极71之间的间隙为3mm和5mm时硬质碳膜的膜厚。又，曲线a为上述间隙为3mm时的特性，曲线b为上述间隙为5mm时的特性。
如该曲线a，b所示，随辅助电极71上施加的直流正电压的增加，硬质碳膜的膜形成速度也提高。又，导向套筒11的开口的内表面与辅助电极71之间的间隙越大硬质碳膜的膜形成速度也越快。
因此，在导向套筒11的内表面11b，与辅助电极71细的前端部71a相对应的区域形成的硬质碳膜的厚度也厚。
而且，导向套筒11的开口内表面和辅助电极71之间间隙的尺寸为3mm时(曲线a)，在辅助电极71上施加的电位为接地的0V时，在导向套筒11的中心开口11j的内表面不产生等离子体，不形成硬质碳膜。
但是，此时将辅助电极71上施加的直流正电压提高时，导向套筒11的中心开口11j中的辅助电极71的周围等离子体产生，可以形成硬质碳膜。
于是，在中心开口11j直径小的导向套筒的内表面上，在辅助电极71上施加直流正电压时的实施例中可以形成硬质碳膜的被膜。
由于该作用，图16至图18所示的所有方法在于导向套筒11上形成硬质碳膜时均是同样的。
并且，如图8至图10的说明，在不利用伪构件53形成硬质碳膜时，在辅助电板71上施加直流高电压也可以得到上述作用。
在将这些方法实施时，将辅助电极71在导向套筒11中以绝缘支撑的具体的结构如图20所示。
图20中将由陶瓷构成的绝缘材料制成的绝缘子85插入导向套筒11的台阶部11g。该绝缘子85上在其中心部形成内径不同的第一孔85a和第二孔85b。
而且，在该绝缘子85的第一孔85a中将辅助电极71插过，第二孔85b中嵌入和辅助电极71相连接的直径粗的连接电极87并保持在其中。该辅助电极71为由不锈钢等金属材料制成为具有其前端部71a比其他部分71b细的台阶形的棒状。
又，辅助电极71粗的部分71b的外形尺寸和绝缘子85的第一孔85a之间具有0.01mm到0.03mm的间隙。
不仅如此，在导向套筒11的台阶部11g和绝缘子85的外径尺寸之间设有0.01mm到0.03mm的间隙，将绝缘子85插入具有间隙的台阶部11g。
而且，导向套筒11的内表面11b的附近配置有圆筒状的内插夹具57。该内插夹具57具有与导向套筒11的内表面11b的直径大体相同的内径。
将该内插夹具57装于绝缘子85和导向套筒11的内表面11b之间，再在导向套筒11的开口端面装上伪构件53，导向套筒11形成硬质碳膜15的内表面11b的附近设有台阶。即形成硬质碳膜15的内表面11b的附近和辅助电极71之间的间隙由辅助电极71的直径决定，和直径细的前端部71a之间的间隙变大。
这样，在导向套筒11的台阶部11g借助绝缘子85配置辅助电极71，可以将辅助电极71正确地配置于导向套筒11的中心开口11j的中心。
如辅助电极71的配置与导向套筒11的中心开口11j的中心偏离，辅助电极71和开口的内表面之间的等离子体放电不平衡，硬质碳膜的厚度和质量均发生偏差。
这里将与导向套筒11的台阶部11g的内径尺寸相符合的绝缘子85插入，进一步以绝缘子85的孔部85a，对辅助电极71的位置加以限制，可以将辅助电极正确地配置于导向套筒11的中心开口的中心。因此，硬质碳膜的厚度和质量就不会发生偏差。
该辅助电极71经连接电极87被施加上直流正电压时，可实施前述的图16至图18表示的硬质碳膜的形成方法。此时，因为辅助电极71使电子集中，使得导向套筒11的中心开口11j中的等离子体的密度变高，利用等离子体CVD法形成硬质碳膜的速度加快。
而且，假定将辅助电极71经连接电极87接地时，也可实施前述的图8至图15所示的硬质碳膜的形成方法。
或，在该辅助电极上施加比导向套筒11上所施加的小(1/10左右)的负电压也可。此时，因为导向套筒11内的电子的运动更加激烈，离子体的密度提高，硬质碳膜的形成速度加快。
此外，也可将该辅助电极71处于绝缘状态的浮动电位。此时，由于与等离子体的相互作用，辅助电极上产生负电位。因此可和上述施加小的负电压时得到同样的效果。
这里，将本发明的在导向套筒的内表面上形成硬质碳膜时使用的辅助电极的其他的形状以图21表示。
该辅助电极71′前端部为具有前端细的锥部71C的棒状，与前述辅助电极71同样是以不锈钢等金属材料制成。又，锥部71的最大直径与最小直径的差为1mm左右。
在前述的各实施例中，以图21所示的辅助电极71′替代辅助电极71形成硬质碳膜时，可以得到与前述各实施例时同样的效果。
即，可以在导向套筒11的内表面11b上形成坚固的质量均匀的硬质碳膜，并且该硬质碳膜的厚度在开口处附近可以做是比内部厚。而且，使用这种辅助电极71′时，膜的厚度为没有阶梯的光滑地变化。
又，这些硬质碳膜形成方法的实施例中对在导向套筒11的内表面11b设置超硬构件12，再在其表面形成硬质碳膜15的例子进行了说明。
但这些硬质碳膜的形成方法，在导向套筒11的内表面11b上不设置超硬构件12，直接或如前述借助各种中间层16形成硬质碳膜15时，或在超硬构件12上进一步借助中间层16形成硬质碳膜15也同样是适用的。
在上述利用本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的各实施例中，对利用甲烷(CH4)或苯(C6H6)作为含碳气体的例已经进行了说明，也可利用乙烯(C2H4)和己烷(C6H14)等等。
此外上述含碳气体可以用氩(Ar)等电离电压低的惰性气体加以稀释。此时可以使导向套筒的圆筒内的等离子体更加稳定。
也可在硬质碳膜形成时加入少量(1％以下)添加物以提高其润滑性和硬度。
比如添加氟(F)或硼(B)可增加润滑性，添加铬(Cr)，钼(Mo)或钨(W)可增加硬度。
而在真空槽中放置导向套筒之后，而在硬质碳膜形成之前，氩(Ar)和氮(N2)等等离子体发生并轰击导向套筒的圆筒内表面，其后由于甲烷和苯等含碳气体产生等离子体，形成硬质碳膜。
这样，由于利用惰性气体进行轰击的前处理，导向套筒的圆筒内壁的温度上升进入活性状态。同时将圆筒内壁表面的杂质轰出，使表面清洁。由此使得利用等离子体CVD法在导向套筒内表面形成的硬质碳膜的粘着性得到进一步提高。
如以上说明，将本发明的导向套筒在自动车床的旋转型或固定型的导向套筒装置中使用时，可在对被加工件切入量大的切削加工时不发生缺陷和烧结而正常进行，大幅度地提高了加工效率。而且，由于其耐久性大幅度地得到提高，可以连续加工的时间变长，使自动车床的工作效率大幅度地得到提高。并且，在使用固定型的导向套筒装置时可得到加工精度(具体地说就是真圆度)高的高效率的切削加工。
并且，利用本发明的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法可以在导向套筒与被加工件相滑动接触的内表面在短时间内形成粘着性好并具有与钻石性质相似的硬质碳膜(DLC)，且所形成膜在开口端附近的区域比内部要厚。
因此，可以高生产率地制造上述的自动车床的导向套筒装置的有用且耐久性高的导向套筒。
权利要求
1.一种导向套筒，该导向套筒在轴方向具有中心开口且大体为圆筒状，其一端的外周为锥面，具有和被加工件滑动接触的内表面和开槽；当装在自动车床上时，插入上述中心开口的被加工件在其保持作用下可以在切削工具附近旋转并沿轴的方向滑动；其特征在于在和上述被加工件滑动接触的内表面形成氢化非晶碳的硬质碳膜，在该内表面开口端附近硬质碳膜的厚度比内部要厚。
2.根据权利要求1所述的导向套筒，其中，借助用于提高上述硬质碳膜在上述内表面上的粘着性的中间层形成上述硬质碳膜的导向套筒。
3.根据权利要求1所述的导向套筒，其中，在上述内表面上借助超硬构件形成上述硬质碳膜的导向套筒。
4.根据权利要求1所述的导向套筒，其中在上述内表面借助超硬构件和在该超硬构件上形成的用于提高粘着性的中间层形成上述硬质碳膜的导向套筒。
5.一种在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，所述 导向套筒在轴方向具有中心开口且大体为圆筒状，其一端的外周为锥面，具有和被加工件滑动接触的内表面和开槽；当装在自动车床上时，插入上述中心开口的被加工件在其保持作用下可以在切削工具附近旋转并沿轴的方向滑动，上述方法的特征在于上述导向套筒被放置于具有气体导入口和排气口的真空槽中；将前端部比其他部分细的具有台阶的棒状的辅助电极以其前端部在该导向套筒的上述内表面的开口端附近的位置的状态，插入导向套筒的形成上述内表面的中心开口中，并将该辅助电极保持在地电位；在将上述真空槽中排气后，由上述气体导入口将含碳的气体导入该真空槽中；上述真空槽中产生等离子体，利用等离子体CVD法在上述导向套筒的上述内表面形成氢化非晶碳的硬质碳膜。
6.一种在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，所述导向套筒在轴方向具有中心开口且大体为圆筒状，其一端的外周为锥面，具有和被加工件滑动接触的内表面和开槽；当装在自动车床上时，插入上述中心开口的被加工件在其保持作用下可以在切削工具附近旋转并沿轴的方向滑动，上述方法的特征在于上述导向套筒被放置于具有气体导入口和排气口的真空槽中；将前端部比其他部分细的具有台阶的棒状的辅助电极以其前端部在该导向套筒的上述内表面的开口端附近的位置的状态，插入导向套筒的形成上述内表面的中心开口中，并将该辅助电极上加上直流正电压；在将上述真空槽中排气后由上述气体导入口将含碳的气体导入该真空槽中；上述真空槽中产生等离子体，利用等离子体CVD法在上述导向套筒的上述内表面形成氢化非晶碳的硬质碳膜。
7.一种在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，所述导向套筒在轴方向具有中心开口且大体为圆筒状，其一端的外周为锥面，具有和被加工件滑动接触的内表面和开槽；当装在自动车床上时，插入上述中心开口的被加工件在其保持作用下可以在切削工具附近旋转并沿轴的方向滑动，上述方法的特征在于上述导向套筒被放置于具有气体导入口和排气口的真空槽中；将前端部为前边细的锥型的棒状的辅助电极，以其锥形前端部在该导向套筒的上述内表面的开口端附近的位置的状态，插入导向套筒的形成上述内表面的中心开口中，并将该辅助电极保持在地电位；在将上述真空槽中排气后由上述气体导入口将含碳的气体导入该真空槽中；上述真空槽中产生等离子体，利用等离子体CVD法在上述导向套筒的上述内表面形成氢化非晶碳的硬质碳膜。
8.一种在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，所述导向套筒在轴方向具有中心开口且大体为圆筒状，其一端的外周为锥面，具有和被加工件滑动接触的内表面和开槽；当装在自动车床上时，插入上述中心开口的被加工件在其保持作用下可以在切削工具附近旋转并沿轴的方向滑动，上述方法的特征在于上述导向套筒被放置于具有气体导入口和排气口的真空槽中；将前端部为前边细的锥型的棒状的辅助电极，以其锥型前端部在该导向套筒的上述内表面的开口端附近的位置的状态，插入导向套筒的形成上述内表面的中心开口中，并将该辅助电极保持在地电位；在将上述真空槽中排气后由上述气体导入口将含碳的气体导入该真空槽中；上述真空槽中产生等离子体，利用等离子体CVD法在上述导向套筒的上述内表面形成氢化非晶碳的硬质碳膜。
9.如权利要求5至8中任一项所述的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，其中，作为上述的真空槽，采用的是内部具有阳极和灯丝的真空槽；为在上述导向套筒被施加上直流电压的同时，在上述阳极上施加直流电压，上述灯丝上施加交流电压，在上述真空槽中产生等离子体从而在导向套筒的内表面形成硬质碳膜。
10.如权利要求5至8中任一项所述的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，其中，为在上述导向套筒上施加高频电力，在上述真空槽中产生等离子体从而在导向套筒的内表面形成硬质碳膜。
11.如权利要求5至8中任一项所述的在导向套筒的内表面形成硬质碳膜的方法，其中，为在上述导向套筒上施加直流电压，在上述真空槽中产生等离子体从而在导向套筒的内表面形成硬质碳膜。
全文摘要
本发明旨在装于自动车床的导向套筒与被加工件滑动连接的内表面上形成硬质碳膜。本发明将导向套筒放置于真空槽中,利用等离子体CVD法在其内表面上形成氢化非晶碳的硬质碳膜。此时,在构成导向套筒内表面的中心开口中,将前端比其它部分细的台阶型的棒状或在其前端部有前部细的锥形部分的棒状的辅助电极插入,使其前端部或锥形部的前端位于导向套筒上述开口端附近的位置,该辅助电极可以接地也可以在其上加上直流正电压。
文档编号B23B13/12GK1175489SQ9711606
公开日1998年3月11日 申请日期1997年8月19日 优先权日1996年8月19日
发明者小池龙太, 宫行男, 杉山修, 户井田孝志, 关根敏一 申请人:时至准钟表股份有限公司