PCD инструментът е изработен от поликристален диамантен връх и карбидна матрица чрез синтероване при висока температура и високо налягане. Той не само може да се възползва напълно от предимствата на висока твърдост, висока топлопроводимост, нисък коефициент на триене, нисък коефициент на термично разширение, малък афинитет към метал и неметали, висок модул на еластичност, липса на цепене, изотропност, но също така отчита високата якост на твърдите сплави.
Термичната стабилност, ударната жилавост и износоустойчивостта са основните показатели за ефективност на PCD. Тъй като се използва най-вече при високи температури и високо напрежение, термичната стабилност е най-важното нещо. Проучването показва, че термичната стабилност на PCD има голямо влияние върху неговата износоустойчивост и ударна жилавост. Данните показват, че когато температурата е по-висока от 750℃, износоустойчивостта и ударната жилавост на PCD обикновено намаляват с 5% -10%.
Кристалното състояние на PCD определя неговите свойства. В микроструктурата, въглеродните атоми образуват ковалентни връзки с четири съседни атома, придобивайки тетраедрична структура и образувайки атомен кристал, който има силна ориентация и свързваща сила, както и висока твърдост. Основните показатели за експлоатационни характеристики на PCD са следните: ① твърдостта може да достигне 8000 HV, което е 8-12 пъти повече от тази на карбида; ② топлопроводимостта е 700W/mK, 1,5-9 пъти по-висока от тази на PCBN и медта; ③ коефициентът на триене обикновено е само 0,1-0,3, много по-малък от 0,4-1 на карбида, което значително намалява силата на рязане; ④ коефициентът на термично разширение е само 0,9x10⁻⁶ - 1,18x10⁻⁶,1/5 на карбида, което може да намали термичната деформация и да подобри точността на обработка; ⑤ и неметалните материали имат по-малък афинитет към образуване на нодули.
Кубичният боров нитрид има силна устойчивост на окисляване и може да обработва материали, съдържащи желязо, но твърдостта му е по-ниска от тази на монокристалния диамант, скоростта на обработка е бавна, а ефективността е ниска. Монокристалният диамант има висока твърдост, но жилавостта е недостатъчна. Анизотропията улеснява дисоциацията по повърхността (111) под въздействието на външна сила и ефективността на обработката е ограничена. PCD е полимер, синтезиран от микронни диамантени частици по определен начин. Хаотичният характер на неподреденото натрупване на частици води до неговата макроскопична изотропна природа и няма насочена и разцепваща се повърхност в якостта на опън. В сравнение с монокристалния диамант, границата на зърната на PCD ефективно намалява анизотропията и оптимизира механичните свойства.
1. Принципи на проектиране на PCD режещи инструменти
(1) Разумен избор на размер на частиците на PCD
Теоретично, PCD трябва да се стреми да рафинира зърната, а разпределението на добавките между продуктите трябва да бъде възможно най-равномерно, за да се преодолее анизотропията. Изборът на размер на частиците на PCD също е свързан с условията на обработка. Най-общо казано, PCD с висока якост, добра жилавост, добра удароустойчивост и финозърнест материал може да се използва за финишна или суперфинишна обработка, а PCD с едрозърнест материал може да се използва за обща груба обработка. Размерът на частиците на PCD може значително да повлияе на износоустойчивостта на инструмента. Съответната литература посочва, че когато зърното на суровината е голямо, износоустойчивостта постепенно се увеличава с намаляването на размера на зърното, но когато размерът на зърното е много малък, това правило не е приложимо.
Свързани експерименти избраха четири диамантени праха със средни размери на частиците 10μm, 5μm, 2μm и 1μm и беше направено заключението, че: ① С намаляването на размера на частиците на суровината, Co дифундира по-равномерно; с намаляването на ②, износоустойчивостта и топлоустойчивостта на PCD постепенно намаляват.
(2) Разумен избор на формата на отвора на острието и дебелината на острието
Формата на отвора на острието включва главно четири структури: обърнат ръб, тъп кръг, обърнат ръб с тъп кръг и остър ъгъл. Острата ъглова структура прави ръбовете остри, скоростта на рязане е висока, може значително да намали силата на рязане и образуването на мустаци, подобрява качеството на повърхността на продукта, по-подходяща е за алуминиеви сплави с ниско съдържание на силиций и други цветни метали с ниска твърдост, с равномерна обработка. Тъпата кръгла структура може да пасивира отвора на острието, образувайки R-ъгъл, ефективно предотвратявайки счупването на острието, подходяща е за обработка на алуминиеви сплави със средно/високо съдържание на силиций. В някои специални случаи, като например плитка дълбочина на рязане и малко подаване на ножа, се предпочита тъпата кръгла структура. Обърнатата структура на ръбовете може да увеличи ръбовете и ъглите, да стабилизира острието, но същевременно ще увеличи налягането и съпротивлението на рязане, по-подходяща за рязане на алуминиеви сплави с високо съдържание на силиций при тежко натоварване.
За да се улесни EDM обработката, обикновено се избира тънък слой PDC лист (0,3-1,0 мм), плюс карбидния слой, като общата дебелина на инструмента е около 28 мм. Карбидният слой не трябва да е твърде дебел, за да се избегне разслояване, причинено от разликата в напрежението между свързващите повърхности.
2, процес на производство на PCD инструменти
Производственият процес на PCD инструмент пряко определя режещите характеристики и експлоатационния му живот, което е ключово за неговото приложение и разработване. Производственият процес на PCD инструмента е показан на Фигура 5.
(1) Производство на композитни таблетки от PCD (PDC)
① Производствен процес на PDC
PDC обикновено се състои от естествен или синтетичен диамантен прах и свързващо вещество при висока температура (1000-2000℃) и високо налягане (5-10 atm). Свързващото вещество образува свързващия мост с TiC, Sic, Fe, Co, Ni и др. като основни компоненти, а диамантеният кристал е вграден в скелета на свързващия мост под формата на ковалентна връзка. PDC обикновено се изработва на дискове с фиксиран диаметър и дебелина, след което се шлайфа, полира и други съответни физикохимични обработки. По същество идеалната форма на PDC трябва да запази отличните физически характеристики на монокристалния диамант колкото е възможно повече, следователно добавките в синтерованото тяло трябва да бъдат възможно най-малко, като същевременно се осигури възможно най-голяма DD-връзка между частиците.
② Класификация и избор на свързващи вещества
Свързващото вещество е най-важният фактор, влияещ върху термичната стабилност на PCD инструмента, което пряко влияе върху неговата твърдост, износоустойчивост и термична стабилност. Често срещани методи за свързване на PCD са: желязо, кобалт, никел и други преходни метали. Смесени прахове от Co и W са използвани като свързващо вещество, а цялостната производителност на синтерования PCD е най-добра, когато налягането на синтез е 5,5 GPa, температурата на синтероване е 1450℃ и изолацията е 4 минути. SiC, TiC, WC, TiB2 и други керамични материали. SiC Термичната стабилност на SiC е по-добра от тази на Co, но твърдостта и жилавостта на счупване са сравнително ниски. Подходящото намаляване на размера на суровината може да подобри твърдостта и жилавостта на PCD. Без лепило, с графит или други източници на въглерод при ултрависока температура и високо налягане, изгарянето в наноразмерен полимерен диамант (NPD) е възможно. Използването на графит като прекурсор за получаване на NPD е при най-взискателните условия, но синтетичният NPD има най-висока твърдост и най-добри механични свойства.
Избор и контрол на ③ зърна
Суровината диамантено прахче е ключов фактор, влияещ върху производителността на PCD. Предварителната обработка на диамантеното микропрахче, добавянето на малко количество вещества, възпрепятстващи растежа на анормални диамантени частици, и разумният подбор на добавки за синтероване могат да потиснат растежа на анормални диамантени частици.
Високочистият NPD с еднородна структура може ефективно да елиминира анизотропията и допълнително да подобри механичните свойства. Прахообразният нанографитен прекурсор, приготвен чрез метод на високоенергийно топково смилане, беше използван за регулиране на съдържанието на кислород при предварително синтероване при висока температура, превръщайки графита в диамант под 18 GPa и 2100-2300℃, генерирайки ламели и гранулирани NPD, а твърдостта се увеличава с намаляване на дебелината на ламелите.
④ Късна химическа обработка
При същата температура (200 °℃) и време (20 часа), ефектът на отстраняване на кобалт от киселината на Люис-FeCl3 е значително по-добър от този с водата, а оптималното съотношение на HCl е 10-15 g / 100 ml. Термичната стабилност на PCD се подобрява с увеличаване на дълбочината на отстраняване на кобалт. При PCD с едрозърнест растеж, третирането със силна киселина може напълно да премахне Co, но има голямо влияние върху полимерните характеристики; добавянето на TiC и WC променя структурата на синтетичните поликристали и комбинирането с третиране със силна киселина подобрява стабилността на PCD. В момента процесът на приготвяне на PCD материали се подобрява, здравината на продукта е добра, анизотропията е значително подобрена, реализирано е търговско производство и свързаните с него индустрии се развиват бързо.
(2) Обработка на PCD острието
① процес на рязане
PCD има висока твърдост, добра износоустойчивост и труден процес на рязане.
② процедура на заваряване
PDC и тялото на ножа чрез механично затягане, свързване и запояване. Спояването е чрез притискане на PDC върху карбидната матрица, включително вакуумно спояване, вакуумно дифузионно заваряване, високочестотно индукционно нагряване, лазерно заваряване и др. Високочестотното индукционно нагряване чрез спояване има ниска цена и висока възвръщаемост и е широко използвано. Качеството на заваряване зависи от флюса, заваръчната сплав и температурата на заваряване. Температурата на заваряване (обикновено по-ниска от 700 °℃) има най-голямо въздействие, твърде високата температура лесно причинява графитизация на PCD или дори "прегаряне", което пряко влияе върху ефекта на заваряване, а твърде ниската температура ще доведе до недостатъчна якост на заваряване. Температурата на заваряване може да се контролира от времето на изолация и дълбочината на зачервяване на PCD.
③ процес на шлифоване на острие
Процесът на шлифоване на PCD инструменти е ключов за производствения процес. Обикновено пиковата стойност на острието и самото острие е в рамките на 5μm, а радиусът на дъгата е в рамките на 4μm; предната и задната режеща повърхност осигуряват определена повърхностна обработка и дори намаляват предната режеща повърхност Ra до 0,01 μm, за да отговорят на изискванията за огледалност, осигурявайки поток от стружки по предната повърхност на ножа и предотвратявайки залепването му.
Процесът на шлифоване на остриета включва механично шлифоване на диамантени шлифовъчни дискове, шлифоване на остриета с електрическа искрова ...
Свързани експерименти: ① шлифовъчният диск с едри частици ще доведе до сериозно срутване на острието, като размерът на частиците на шлифовъчния диск намалява и качеството на острието се подобрява; размерът на частиците на шлифовъчния диск ② е тясно свързан с качеството на острието на фини или ултрафини PCD инструменти, но има ограничен ефект върху PCD инструменти с едри частици.
Свързаните изследвания в страната и чужбина се фокусират главно върху механизма и процеса на шлифоване на остриетата. В механизма на шлифоване на остриетата, термохимичното и механичното отстраняване са доминиращи, а крехкостта и отстраняването на умора са сравнително малки. При шлифоване, в зависимост от здравината и топлоустойчивостта на различните свързващи вещества, е необходимо да се подобри скоростта и честотата на въртене на шлифовъчния диск, доколкото е възможно, за да се избегне крехкостта и отстраняването на умора, да се подобри съотношението на термохимичното отстраняване и да се намали грапавостта на повърхността. Грапавостта на повърхността при сухо шлифоване е ниска, но лесно се изгаря поради висока температура на обработка на повърхността на инструмента.
Процесът на шлифоване на острието трябва да се обърне внимание на: ① изборът на разумни параметри на процеса на шлифоване на острието може да подобри качеството на ръбовете, както и качеството на повърхността на предното и задното острие. Вземете предвид обаче и високата сила на шлифоване, големите загуби, ниската ефективност на шлифоване и високата цена; ② изборът на разумно качество на шлифовъчния диск, включително вида на свързващото вещество, размера на частиците, концентрацията на свързващото вещество, обработката на шлифовъчния диск, с разумни условия на сухо и мокро шлифоване на острието може да оптимизира предния и задния ъгъл на инструмента, стойността на пасивация на върха на ножа и други параметри, като същевременно подобри качеството на повърхността на инструмента.
Различните свързващи диамантени шлифовъчни дискове имат различни характеристики, както и различен механизъм и ефект на шлифоване. Диамантените шлифовъчни дискове със свързващо вещество от смола са меки, шлифовъчните частици лесно падат преждевременно, нямат устойчивост на топлина, повърхността лесно се деформира от топлината, шлифовъчната повърхност на острието е склонна към следи от износване, голяма грапавост; металните свързващи диамантени шлифовъчни дискове се поддържат остри чрез шлифоване и смачкване, добра формовъчност и напластяване, ниска грапавост на повърхността на шлифоване на острието, по-висока ефективност, но свързващата способност на шлифовъчните частици обаче прави самозаточването лошо и режещият ръб лесно оставя ударна празнина, което причинява сериозни гранични повреди; керамичните свързващи диамантени шлифовъчни дискове имат умерена якост, добри самовъзбуждащи се характеристики, повече вътрешни пори, благоприятстват отстраняването на прах и разсейването на топлината, могат да се адаптират към различни охлаждащи течности, ниската температура на шлифоване осигурява по-малко износване, добро запазване на формата, най-висока точност на ефективност, но тялото на диамантеното шлифоване и свързващото вещество водят до образуване на вдлъбнатини по повърхността на инструмента. Използването им зависи от обработваните материали, осигурява цялостна ефективност на шлифоване, абразивна издръжливост и качество на повърхността на детайла.
Изследванията върху ефективността на шлифоването се фокусират главно върху подобряване на производителността и контрол на разходите. Обикновено като критерии за оценка се използват скоростта на шлифоване Q (отстраняване на PCD за единица време) и коефициентът на износване G (съотношението на отстраняване на PCD към загубата на шлифовъчно колело).
Немският учен KENTER шлифоване на PCD инструмент с постоянно налягане, тест: 1. Увеличава скоростта на шлифовъчния диск, размера на PDC частиците и концентрацията на охлаждащата течност, намалява скоростта на шлифоване и коефициента на износване; 2. Увеличава размера на шлифовъчните частици, увеличава постоянното налягане, увеличава концентрацията на диамант в шлифовъчния диск, увеличава скоростта на шлифоване и коефициента на износване; 3. Видът на свързващото вещество е различен, скоростта на шлифоване и коефициентът на износване са различни. KENTER Процесът на шлифоване на остриетата на PCD инструмента е изучаван систематично, но влиянието на процеса на шлифоване на острието не е анализирано систематично.
3. Използване и повреди на PCD режещи инструменти
(1) Избор на параметри на рязане на инструмента
По време на началния период на PCD инструмента, острият ръб постепенно се пасивира и качеството на обработваната повърхност се подобрява. Пасивацията може ефективно да премахне микро-пролуките и малките грапавини, причинени от шлифоването на острието, да подобри качеството на повърхността на режещия ръб и същевременно да образува кръгъл радиус на ръба, за да стисне и поправи обработената повърхност, като по този начин подобри качеството на повърхността на детайла.
Фрезоване на повърхности от алуминиева сплав с PCD инструмент, скоростта на рязане обикновено е 4000 м/мин, обработката на отвори обикновено е 800 м/мин, обработката на високоеластични цветни метали трябва да изисква по-висока скорост на струговане (300-1000 м/мин). Обикновено се препоръчва обем на подаване между 0,08-0,15 мм/об. Твърде големият обем на подаване води до увеличена сила на рязане, увеличена остатъчна геометрична площ на повърхността на детайла; твърде малкият обем на подаване води до повишена топлина при рязане и повишено износване. С увеличаване на дълбочината на рязане, увеличаване на силата на рязане, увеличаване на топлината при рязане, намаляване на живота, прекомерната дълбочина на рязане може лесно да причини срутване на острието; малката дълбочина на рязане ще доведе до втвърдяване на обработката, износване и дори срутване на острието.
(2) Форма на износване
При обработка на детайли с инструменти, поради триене, висока температура и други причини, износването е неизбежно. Износването на диамантения инструмент се състои от три етапа: начална фаза на бързо износване (известна още като преходна фаза), фаза на стабилно износване с постоянна скорост на износване и последваща фаза на бързо износване. Фазата на бързо износване показва, че инструментът не работи и се нуждае от повторно шлифоване. Формите на износване на режещите инструменти включват адхезивно износване (износване от студено заваряване), дифузионно износване, абразивно износване, окислително износване и др.
За разлика от традиционните инструменти, PCD инструментите се износват чрез адхезивно износване, дифузионно износване и увреждане на поликристалния слой. Сред тях основната причина е увреждането на поликристалния слой, което се проявява като леко срутване на острието, причинено от външен удар или загуба на лепило в PDC, образувайки празнина, което е свързано с физико-механични повреди, които могат да доведат до намаляване на прецизността на обработка и брак на детайлите. Размерът на PCD частиците, формата на острието, ъгълът на острието, материалът на детайла и параметрите на обработка ще повлияят на здравината на острието и силата на рязане, и впоследствие ще доведат до увреждане на поликристалния слой. В инженерната практика, подходящият размер на частиците на суровината, параметрите на инструмента и параметрите на обработка трябва да се избират в зависимост от условията на обработка.
4. Тенденция на развитие на PCD режещи инструменти
В момента обхватът на приложение на PCD инструментите е разширен от традиционно струговане до пробиване, фрезоване, високоскоростно рязане и се използва широко в страната и чужбина. Бързото развитие на електрическите превозни средства не само оказа влияние върху традиционната автомобилна индустрия, но и създаде безпрецедентни предизвикателства пред инструменталната индустрия, подтиквайки я да ускори оптимизацията и иновациите.
Широкото приложение на PCD режещи инструменти задълбочи и насърчи научноизследователската и развойна дейност в тази област. С задълбочаването на изследванията, спецификациите на PDC инструментите стават все по-малки, качеството на рафиниране на зърната се оптимизира, еднородността на производителността се увеличава, скоростта на шлифоване и коефициентът на износване се увеличават, а формата и структурата се диверсифицират. Насоките на изследване на PCD инструментите включват: 1. изследване и разработване на тънък PCD слой; 2. изследване и разработване на нови PCD инструменти; 3. изследване за по-добро заваряване на PCD инструменти и допълнително намаляване на разходите; 5. изследване за подобряване на процеса на шлифоване на остриетата на PCD инструменти с цел повишаване на ефективността; 6. изследване за оптимизиране на параметрите на PCD инструментите и използване на инструменти според местните условия; 6. изследване за рационален избор на параметри на рязане според обработваните материали.
кратко резюме
(1) Производителността на рязане с PCD инструмент компенсира недостига на много карбидни инструменти; в същото време цената е много по-ниска от тази на инструментите с монокристален диамант, което го прави обещаващ инструмент в съвременните рязаня;
(2) В зависимост от вида и производителността на обработваните материали, разумен избор на размера на частиците и параметрите на PCD инструментите, което е предпоставка за производството и употребата на инструменти,
(3) PCD материалът има висока твърдост, което го прави идеален материал за режещи ножове, но това също така създава трудности при производството на режещи инструменти. При производството е необходимо да се вземат предвид всеобхватно трудността на процеса и нуждите от обработка, за да се постигне най-добро съотношение цена-качество;
(4) При обработката на PCD материали в окръга с ножове, трябва разумно да избираме параметри на рязане, въз основа на постигане на производителността на продукта, доколкото е възможно, за да удължим експлоатационния живот на инструмента, за да постигнем баланс между живот на инструмента, производствена ефективност и качество на продукта;
(5) Проучване и разработване на нови материали за инструменти с PCD, за да се преодолеят присъщите им недостатъци
Тази статия е взета от „мрежа от свръхтвърди материали"
Време на публикуване: 25 март 2025 г.
