PCD alat izrađen je od polikristalnog dijamantnog vrha noža i karbidne matrice sinteriranjem na visokim temperaturama i visokim tlakom. Ne samo da može u potpunosti iskoristiti prednosti visoke tvrdoće, visoke toplinske vodljivosti, niskog koeficijenta trenja, niskog koeficijenta toplinskog širenja, malog afiniteta s metalom i nemetalom, visokog modula elastičnosti, bez površine koja se cijepa, izotropnosti, već uzima u obzir i visoku čvrstoću tvrde legure.
Toplinska stabilnost, udarna žilavost i otpornost na habanje glavni su pokazatelji učinkovitosti PCD-a. Budući da se uglavnom koristi u uvjetima visokih temperatura i visokog naprezanja, toplinska stabilnost je najvažnija stvar. Studija pokazuje da toplinska stabilnost PCD-a ima veliki utjecaj na njegovu otpornost na habanje i udarnu žilavost. Podaci pokazuju da kada je temperatura viša od 750 ℃, otpornost na habanje i udarna žilavost PCD-a općenito se smanjuju za 5% -10%.
Kristalno stanje PCD-a određuje njegova svojstva. U mikrostrukturi, atomi ugljika tvore kovalentne veze s četiri susjedna atoma, dobivajući tetraedarsku strukturu, a zatim formiraju atomski kristal, koji ima snažnu orijentaciju i veznu silu, te visoku tvrdoću. Glavni pokazatelji performansi PCD-a su sljedeći: ① tvrdoća može doseći 8000 HV, 8-12 puta veća od karbida; ② toplinska vodljivost je 700 W / mK, 1,5-9 puta veća, čak i od PCBN-a i bakra; ③ koeficijent trenja je općenito samo 0,1-0,3, znatno manji od 0,4-1 karbida, što značajno smanjuje silu rezanja; ④ koeficijent toplinskog širenja je samo 0,9x10⁻⁶ do 1,18x10⁻⁶,1/5 karbida, što može smanjiti toplinsku deformaciju i poboljšati točnost obrade; ⑤ i nemetalni materijali imaju manji afinitet za stvaranje nodula.
Kubni borov nitrid ima jaku otpornost na oksidaciju i može obrađivati materijale koji sadrže željezo, ali tvrdoća je niža od monokristalnog dijamanta, brzina obrade je spora, a učinkovitost niska. Monokristalni dijamant ima visoku tvrdoću, ali žilavost je nedovoljna. Anizotropija olakšava disocijaciju duž površine (111) pod utjecajem vanjske sile, a učinkovitost obrade je ograničena. PCD je polimer sintetiziran od strane čestica dijamanta mikronske veličine na određeni način. Kaotična priroda neuređenog nakupljanja čestica dovodi do njegove makroskopske izotropne prirode, a nema usmjerene i cijepne površine u vlačnoj čvrstoći. U usporedbi s monokristalnim dijamantom, granica zrna PCD-a učinkovito smanjuje anizotropiju i optimizira mehanička svojstva.
1. Principi dizajna PCD alata za rezanje
(1) Razuman odabir veličine PCD čestica
Teoretski, PCD bi trebao pokušati pročistiti zrna, a raspodjela aditiva između proizvoda trebala bi biti što ujednačenija kako bi se prevladala anizotropija. Izbor veličine čestica PCD-a također je povezan s uvjetima obrade. Općenito govoreći, PCD s visokom čvrstoćom, dobrom žilavošću, dobrom otpornošću na udarce i finim zrnom može se koristiti za završnu ili super završnu obradu, a PCD grubih zrna može se koristiti za opću grubu obradu. Veličina čestica PCD-a može značajno utjecati na performanse trošenja alata. Relevantna literatura ističe da kada je zrno sirovine veliko, otpornost na trošenje postupno se povećava sa smanjenjem veličine zrna, ali kada je veličina zrna vrlo mala, ovo pravilo nije primjenjivo.
U povezanim eksperimentima odabrana su četiri dijamantna praha s prosječnim veličinama čestica od 10 μm, 5 μm, 2 μm i 1 μm, te je zaključeno da: ① Sa smanjenjem veličine čestica sirovine, Co ravnomjernije difundira; sa smanjenjem ②, otpornost na habanje i otpornost na toplinu PCD-a postupno se smanjuje.
(2) Razuman izbor oblika usta oštrice i debljine oštrice
Oblik otvora oštrice uglavnom uključuje četiri strukture: obrnuti rub, tupi krug, kompozitni obrnuti rub s tupim krugom i oštar kut. Oštra kutna struktura čini rub oštrim, brzina rezanja je velika, može značajno smanjiti silu rezanja i neravnine, poboljšava kvalitetu površine proizvoda, pogodnija je za aluminijske legure s niskim udjelom silicija i druge obojene metale niske tvrdoće, ujednačenu završnu obradu. Tupa okrugla struktura može pasivizirati otvor oštrice, formirajući R kut, učinkovito sprječava lom oštrice, pogodnu za obradu aluminijskih legura srednjeg/visokog udjela silicija. U nekim posebnim slučajevima, kao što su plitka dubina rezanja i malo pomicanje noža, poželjnija je tupa okrugla struktura. Obrnuta struktura oštrice može povećati rubove i kutove, stabilizirati oštricu, ali istovremeno će povećati pritisak i otpor rezanju, pogodnija za rezanje aluminijskih legura s visokim udjelom silicija pod velikim opterećenjem.
Kako bi se olakšala EDM obrada, obično se bira tanki sloj PDC lima (0,3-1,0 mm), plus sloj karbida, ukupna debljina alata je oko 28 mm. Sloj karbida ne smije biti previše debeo kako bi se izbjeglo raslojavanje uzrokovano razlikom naprezanja između površina koje se lijepe.
2, proces proizvodnje PCD alata
Proces proizvodnje PCD alata izravno određuje performanse rezanja i vijek trajanja alata, što je ključno za njegovu primjenu i razvoj. Proces proizvodnje PCD alata prikazan je na slici 5.
(1) Proizvodnja kompozitnih PCD tableta (PDC)
① Proizvodni proces PDC-a
PDC se općenito sastoji od prirodnog ili sintetičkog dijamantnog praha i vezivnog sredstva na visokoj temperaturi (1000-2000 ℃) i visokom tlaku (5-10 atm). Vezivo tvori vezni most s TiC, Sic, Fe, Co, Ni itd. kao glavnim komponentama, a dijamantni kristal je ugrađen u kostur veznog mosta u obliku kovalentne veze. PDC se općenito izrađuje u diskove fiksnog promjera i debljine, te se brusi, polira i podvrgava drugim odgovarajućim fizikalnim i kemijskim tretmanima. U biti, idealan oblik PDC-a trebao bi što više zadržati izvrsna fizikalna svojstva monokristala dijamanta, stoga bi aditivi u tijelu za sinteriranje trebali biti što manji, a istovremeno bi kombinacija DD veze čestica trebala biti što veća.
② Klasifikacija i odabir veziva
Vezivo je najvažniji faktor koji utječe na toplinsku stabilnost PCD alata, što izravno utječe na njegovu tvrdoću, otpornost na habanje i toplinsku stabilnost. Uobičajene metode lijepljenja PCD-a su: željezo, kobalt, nikal i drugi prijelazni metali. Mješani prah Co i W korišten je kao vezivno sredstvo, a sveobuhvatne performanse sinteriranja PCD-a bile su najbolje kada je tlak sinteze bio 5,5 GPa, temperatura sinteriranja 1450 ℃ i izolacija 4 minute. SiC, TiC, WC, TiB2 i drugi keramički materijali. SiC Toplinska stabilnost SiC-a je bolja od one Co, ali tvrdoća i žilavost loma su relativno niske. Odgovarajuće smanjenje veličine sirovine može poboljšati tvrdoću i žilavost PCD-a. Bez ljepila, s grafitom ili drugim izvorima ugljika na ultra visokoj temperaturi i visokom tlaku spaljuje se u nanoskalni polimerni dijamant (NPD). Korištenje grafita kao prekursora za pripremu NPD-a su najzahtjevniji uvjeti, ali sintetički NPD ima najveću tvrdoću i najbolja mehanička svojstva.
Odabir i kontrola ③ zrna
Sirovina dijamantni prah ključni je faktor koji utječe na performanse PCD-a. Prethodna obrada dijamantnog mikropraha, dodavanje male količine tvari koje sprječavaju rast abnormalnih čestica dijamanta i razuman odabir aditiva za sinteriranje mogu spriječiti rast abnormalnih čestica dijamanta.
Visoko čisti NPD s ujednačenom strukturom može učinkovito eliminirati anizotropiju i dodatno poboljšati mehanička svojstva. Nanografitni prekursorski prah pripremljen metodom mljevenja visokoenergetskom kuglicom korišten je za regulaciju sadržaja kisika pri predsinteriranju na visokim temperaturama, pretvarajući grafit u dijamant pod 18 GPa i 2100-2300 ℃, stvarajući lamele i granularne NPD, a tvrdoća se povećavala sa smanjenjem debljine lamele.
④ Kasna kemijska obrada
Pri istoj temperaturi (200 °℃) i vremenu (20 sati), učinak uklanjanja kobalta Lewisovom kiselinom-FeCl3 bio je znatno bolji od učinka vode, a optimalni omjer HCl bio je 10-15 g / 100 ml. Toplinska stabilnost PCD-a poboljšava se s povećanjem dubine uklanjanja kobalta. Kod PCD-a s grubozrnatim rastom, obrada jakom kiselinom može potpuno ukloniti Co, ali ima veliki utjecaj na performanse polimera; dodavanje TiC i WC za promjenu sintetičke polikristalne strukture i kombiniranje s obradom jakom kiselinom za poboljšanje stabilnosti PCD-a. Trenutno se proces pripreme PCD materijala poboljšava, žilavost proizvoda je dobra, anizotropija je znatno poboljšana, ostvarena je komercijalna proizvodnja, a srodne industrije se brzo razvijaju.
(2) Obrada PCD oštrice
① postupak rezanja
PCD ima visoku tvrdoću, dobru otpornost na habanje i vrlo težak proces rezanja.
② postupak zavarivanja
PDC i tijelo noža mehaničkim stezanjem, lijepljenjem i lemljenjem. Lemljenje je pritiskivanje PDC-a na karbidnu matricu, uključujući vakuumsko lemljenje, vakuumsko difuzijsko zavarivanje, visokofrekventno indukcijsko zagrijavanje lemljenjem, lasersko zavarivanje itd. Visokofrekventno indukcijsko zagrijavanje lemljenjem ima nisku cijenu i visok povrat te se široko koristi. Kvaliteta zavarivanja povezana je s fluksom, legurom za zavarivanje i temperaturom zavarivanja. Temperatura zavarivanja (općenito niža od 700 °℃) ima najveći utjecaj, previsoka temperatura lako uzrokuje grafitizaciju PCD-a ili čak "prekomjerno izgaranje", što izravno utječe na učinak zavarivanja, a preniska temperatura dovest će do nedovoljne čvrstoće zavarivanja. Temperatura zavarivanja može se kontrolirati vremenom izolacije i dubinom crvenila PCD-a.
③ postupak brušenja oštrice
Proces brušenja PCD alata ključan je za proizvodni proces. Općenito, vršna vrijednost oštrice i samog noža je unutar 5um, a radijus luka je unutar 4um; prednja i stražnja rezna površina osiguravaju određenu završnu obradu površine, pa čak smanjuju prednju reznu površinu Ra na 0,01 μm kako bi se zadovoljili zahtjevi zrcala, omogućio protok strugotine duž prednje površine noža i spriječio lijepljenje noža.
Proces brušenja oštrica uključuje mehaničko brušenje dijamantnih brusnih kotača, brušenje oštrica električnom iskrom (EDG), elektrolitičko završno brušenje oštrica (ELID) s metalnim vezivom i obradu brušenja kompozitnih oštrica. Među njima, mehaničko brušenje oštrica dijamantnih brusnih kotača je najzrelije i najšire korišteno.
Povezani eksperimenti: ① brusna ploča s grubim česticama dovest će do ozbiljnog urušavanja oštrice, a veličina čestica brusne ploče se smanjuje, a kvaliteta oštrice postaje bolja; veličina čestica ② brusne ploče usko je povezana s kvalitetom oštrice PCD alata s finim ili ultrafinim česticama, ali ima ograničen utjecaj na PCD alate s grubim česticama.
Srodna istraživanja u zemlji i inozemstvu uglavnom se usredotočuju na mehanizam i proces brušenja oštrica. U mehanizmu brušenja oštrica, dominantno je termokemijsko i mehaničko uklanjanje, dok su krhko uklanjanje i uklanjanje zamora relativno mali. Prilikom brušenja, ovisno o čvrstoći i otpornosti na toplinu različitih vezivnih sredstava dijamantnih brusnih ploča, treba što više poboljšati brzinu i frekvenciju njihanja brusne ploče, izbjeći krhkost i uklanjanje zamora, poboljšati udio termokemijskog uklanjanja i smanjiti hrapavost površine. Hrapavost površine kod suhog brušenja je niska, ali lako se spaljuje zbog visoke temperature obrade, površina alata.
Prilikom brušenja oštrice potrebno je obratiti pozornost na: ① odabir razumnih parametara brušenja oštrice može poboljšati kvalitetu oštrice, te poboljšati kvalitetu površine prednje i stražnje oštrice. Međutim, uzmite u obzir i visoku silu brušenja, velike gubitke, nisku učinkovitost brušenja i visoke troškove; ② odabir razumne kvalitete brusne ploče, uključujući vrstu veziva, veličinu čestica, koncentraciju veziva, obradu brusne ploče. Razumni uvjeti suhog i mokrog brušenja oštrice mogu optimizirati prednji i stražnji kut alata, vrijednost pasivizacije vrha noža i druge parametre, a istovremeno poboljšati kvalitetu površine alata.
Različite vezivne dijamantne brusne ploče imaju različite karakteristike, te različite mehanizme i učinak brušenja. Dijamantna brusna ploča od smolastog veziva je mekana, čestice brušenja lako otpadaju, nije otporna na toplinu, površina se lako deformira toplinom, površina brušenja oštrice sklona je habanju, velika hrapavost; metalno vezivo dijamantne brusne ploče održava se oštrim brušenjem i drobljenjem, dobra je oblikovljivost i obradivost, mala hrapavost površine brušenja oštrice, veća učinkovitost, međutim, sposobnost vezivanja čestica brušenja smanjuje samooštrenje, a oštrica lako ostavlja udarni razmak, što uzrokuje ozbiljna oštećenja na rubovima; keramičko vezivo dijamantne brusne ploče ima umjerenu čvrstoću, dobre performanse samopobuđivanja, više unutarnjih pora, pogoduje uklanjanju prašine i odvođenju topline, može se prilagoditi raznim rashladnim tekućinama, niska temperatura brušenja, brusna ploča se manje troši, dobro zadržava oblik, najveća učinkovitost točnosti, međutim, tijelo dijamantnog brušenja i veziva dovodi do stvaranja udubljenja na površini alata. Upotreba ovisi o materijalima obrade, sveobuhvatna učinkovitost brušenja, abrazivna trajnost i kvaliteta površine obratka.
Istraživanje učinkovitosti brušenja uglavnom se usredotočuje na poboljšanje produktivnosti i kontrolu troškova. Općenito, brzina brušenja Q (uklanjanje PCD-a po jedinici vremena) i omjer trošenja G (omjer uklanjanja PCD-a i gubitka brusne ploče) koriste se kao kriteriji za procjenu.
Njemački znanstvenik KENTER brusi PCD alat konstantnim tlakom, ispitivanje: 1. povećava brzinu brusne ploče, veličinu čestica PDC-a i koncentraciju rashladne tekućine, smanjuje brzinu brušenja i omjer trošenja; 2. povećava veličinu čestica brušenja, povećava konstantni tlak, povećava koncentraciju dijamanta u brusnoj ploči, povećava brzinu brušenja i omjer trošenja; 3. vrsta veziva je drugačija, brzina brušenja i omjer trošenja su različiti. KENTER Proces brušenja oštrice PCD alata sustavno je proučavan, ali utjecaj procesa brušenja oštrice nije sustavno analiziran.
3. Korištenje i kvar PCD alata za rezanje
(1) Odabir parametara rezanja alata
Tijekom početnog razdoblja korištenja PCD alata, oštri rubovi su postupno pasitirali, a kvaliteta obradne površine se poboljšavala. Pasivizacija može učinkovito ukloniti mikro pukotine i male neravnine nastale brušenjem oštrice, poboljšati kvalitetu površine rezne oštrice i istovremeno formirati kružni radijus ruba za stiskanje i popravak obrađene površine, čime se poboljšava kvaliteta površine obratka.
Glodanje površine aluminijske legure PCD alatom, brzina rezanja je općenito 4000 m/min, obrada rupa je općenito 800 m/min, obrada visokoelastičnih plastičnih obojenih metala trebala bi zahtijevati veću brzinu tokarenja (300-1000 m/min). Volumen pomaka općenito se preporučuje između 0,08-0,15 mm/o/min. Preveliki volumen pomaka povećava silu rezanja i povećava preostalu geometrijsku površinu površine obratka; premali volumen pomaka povećava toplinu rezanja i povećava trošenje. Povećava se dubina rezanja, povećava se sila rezanja, povećava se toplina rezanja, vijek trajanja se smanjuje, prekomjerna dubina rezanja može lako uzrokovati urušavanje oštrice; mala dubina rezanja dovest će do očvršćavanja obrade, trošenja, pa čak i urušavanja oštrice.
(2) Oblik habanja
Prilikom obrade obrade alatom, zbog trenja, visoke temperature i drugih razloga, trošenje je neizbježno. Trošenje dijamantnog alata sastoji se od tri faze: početne faze brzog trošenja (također poznate kao prijelazna faza), faze stabilnog trošenja s konstantnom stopom trošenja i naknadne faze brzog trošenja. Faza brzog trošenja ukazuje na to da alat ne radi i da ga je potrebno ponovno brusiti. Oblici trošenja alata za rezanje uključuju adhezijsko trošenje (trošenje hladnim zavarivanjem), difuzijsko trošenje, abrazivno trošenje, oksidacijsko trošenje itd.
Za razliku od tradicionalnih alata, oblik trošenja PCD alata je adhezijsko trošenje, difuzijsko trošenje i oštećenje polikristalnog sloja. Među njima, oštećenje polikristalnog sloja je glavni uzrok, što se manifestira kao suptilno urušavanje oštrice uzrokovano vanjskim udarom ili gubitkom ljepila u PDC-u, stvarajući prazninu, što pripada fizičko-mehaničkom oštećenju, što može dovesti do smanjenja preciznosti obrade i otpada obradaka. Veličina PCD čestica, oblik oštrice, kut oštrice, materijal obratka i parametri obrade utjecat će na čvrstoću oštrice i silu rezanja, a zatim uzrokovati oštećenje polikristalnog sloja. U inženjerskoj praksi, odgovarajuća veličina čestica sirovine, parametri alata i parametri obrade trebaju se odabrati prema uvjetima obrade.
4. Trend razvoja PCD alata za rezanje
Trenutno se raspon primjene PCD alata proširio s tradicionalnog tokarenja na bušenje, glodanje i brzo rezanje te se široko koristi u zemlji i inozemstvu. Brzi razvoj električnih vozila nije samo utjecao na tradicionalnu automobilsku industriju, već je donio i neviđene izazove industriji alata, potičući je da ubrza optimizaciju i inovacije.
Široka primjena PCD alata za rezanje produbila je i potaknula istraživanje i razvoj alata za rezanje. S produbljivanjem istraživanja, specifikacije PDC-a postaju sve manje i manje, kvaliteta pročišćavanja zrna optimizirana, ujednačenost performansi, brzina brušenja i omjer trošenja sve veći i veći, a oblik i struktura raznoliki. Smjerovi istraživanja PCD alata uključuju: 1. istraživanje i razvoj tankog PCD sloja; 2. istraživanje i razvoj novih materijala za PCD alate; 3. istraživanje za bolje zavarivanje PCD alata i daljnje smanjenje troškova; 4. istraživanje za poboljšanje procesa brušenja oštrica PCD alata radi poboljšanja učinkovitosti; 5. istraživanje za optimizaciju parametara PCD alata i korištenje alata prema lokalnim uvjetima; 6. istraživanje za racionalni odabir parametara rezanja prema obrađenim materijalima.
kratak sažetak
(1) Performanse rezanja PCD alata nadoknađuju nedostatak mnogih karbidnih alata; istovremeno, cijena je daleko niža od cijene alata s monokristalnim dijamantima, u modernom rezanju, obećavajući je alat;
(2) Prema vrsti i performansama obrađenih materijala, razuman odabir veličine čestica i parametara PCD alata, što je preduvjet proizvodnje i upotrebe alata,
(3) PCD materijal ima visoku tvrdoću, što ga čini idealnim materijalom za izradu noževa za rezanje, ali također donosi poteškoće u proizvodnji alata za rezanje. Prilikom proizvodnje potrebno je sveobuhvatno uzeti u obzir složenost procesa i potrebe obrade kako bi se postigla najbolja isplativost;
(4) Kod obrade PCD materijala u okrugu noževa, trebali bismo razumno odabrati parametre rezanja, na temelju zadovoljavanja performansi proizvoda, koliko god je to moguće kako bismo produžili vijek trajanja alata i postigli ravnotežu između vijeka trajanja alata, učinkovitosti proizvodnje i kvalitete proizvoda;
(5) Istraživanje i razvoj novih PCD materijala za alate kako bi se prevladali njihovi inherentni nedostaci
Ovaj članak je preuzet iz "mreža supertvrdih materijala"
Vrijeme objave: 25. ožujka 2025.
