PCD алат је направљен од поликристалног дијамантског врха ножа и карбидне матрице путем синтеровања на високој температури и високом притиску. Не само да може у потпуности искористити предности високе тврдоће, високе топлотне проводљивости, ниског коефицијента трења, ниског коефицијента термичког ширења, малог афинитета са металом и неметалом, високог модула еластичности, површине без цепења, изотропности, већ такође узима у обзир високу чврстоћу тврде легуре.
Термичка стабилност, ударна жилавост и отпорност на хабање су главни показатељи перформанси PCD-а. Пошто се углавном користи у окружењу са високим температурама и великим напрезањем, термичка стабилност је најважнија ствар. Студија показује да термичка стабилност PCD-а има велики утицај на његову отпорност на хабање и ударну жилавост. Подаци показују да када је температура виша од 750℃, отпорност на хабање и ударна жилавост PCD-а се генерално смањују за 5% -10%.
Кристално стање PCD-а одређује његова својства. У микроструктури, атоми угљеника формирају ковалентне везе са четири суседна атома, добијајући тетраедарску структуру, а затим формирају атомски кристал, који има јаку оријентацију и везујућу силу, и високу тврдоћу. Главни индекси перформанси PCD-а су следећи: ① тврдоћа може достићи 8000 HV, 8-12 пута већа од карбида; ② топлотна проводљивост је 700W/mK, 1,5-9 пута већа од PCBN-а и бакра; ③ коефицијент трења је генерално само 0,1-0,3, знатно мањи од 0,4-1 карбида, значајно смањујући силу резања; ④ коефицијент термичког ширења је само 0,9x10⁻⁶ - 1,18x10⁻⁶,1/5 карбида, што може смањити термичку деформацију и побољшати тачност обраде; ⑤ и неметални материјали имају мањи афинитет ка формирању чворића.
Кубични боров нитрид има јаку отпорност на оксидацију и може обрађивати материјале који садрже гвожђе, али је тврдоћа нижа од монокристалног дијаманта, брзина обраде је спора, а ефикасност ниска. Монокристални дијамант има високу тврдоћу, али жилавост је недовољна. Анизотропија олакшава дисоцијацију дуж површине (111) под утицајем спољашње силе, а ефикасност обраде је ограничена. PCD је полимер синтетисан од стране честица дијаманта микронске величине на одређени начин. Хаотична природа неуређеног нагомилавања честица доводи до његове макроскопске изотропне природе, а нема усмерене и цепајуће површине у затезној чврстоћи. У поређењу са монокристалним дијамантом, граница зрна PCD-а ефикасно смањује анизотропију и оптимизује механичка својства.
1. Принципи пројектовања алата за резање PCD-ом
(1) Разуман избор величине PCD честица
Теоретски, PCD би требало да покуша да пречисти зрна, а расподела адитива између производа треба да буде што равномернија како би се превазишла анизотропија. Избор величине честица PCD-а такође је повезан са условима обраде. Генерално говорећи, PCD са високом чврстоћом, добром жилавошћу, добром отпорношћу на ударце и финим зрном може се користити за завршну обраду или супер завршну обраду, док се PCD крупног зрна може користити за општу грубу машинску обраду. Величина честица PCD-а може значајно утицати на перформансе хабања алата. Релевантна литература истиче да када је зрно сировине велико, отпорност на хабање постепено расте са смањењем величине зрна, али када је величина зрна веома мала, ово правило није применљиво.
У сродним експериментима одабрана су четири дијамантска праха са просечним величинама честица од 10µm, 5µm, 2µm и 1µm, и закључено је да: ① Са смањењем величине честица сировине, Co се равномерније шири; са смањењем ②, отпорност на хабање и отпорност на топлоту PCD-а постепено се смањује.
(2) Разуман избор облика отвора сечива и дебљине сечива
Облик отвора сечива углавном обухвата четири структуре: обрнуту ивицу, туп круг, композитни обрнути туп круг са обрнутом ивицама и оштар угао. Оштра угаона структура чини ивицу оштром, брзина сечења је велика, може значајно смањити силу сечења и неравнине, побољшати квалитет површине производа, погоднија је за легуре алуминијума са ниским садржајем силицијума и друге обојене метале ниске тврдоће, уједначену завршну обраду. Тупа округла структура може пасивирати отвор сечива, формирајући R угао, ефикасно спречавајући ломљење сечива, погодно за обраду легура алуминијума са средњим/високим садржајем силицијума. У неким посебним случајевима, као што су плитка дубина сечења и мало додавање ножа, пожељнија је тупа округла структура. Обрнута структура ивице може повећати ивице и углове, стабилизовати сечиво, али истовремено ће повећати притисак и отпорност на сечење, погоднија је за сечење легура алуминијума са високим садржајем силицијума под великим оптерећењем.
Да би се олакшала електрична ерозија (EDM), обично се бира танак слој PDC лима (0,3-1,0 мм), плус слој карбида, укупна дебљина алата је око 28 мм. Слој карбида не сме бити превише дебео како би се избегло раслојавање изазвано разликом напона између површина за лепљење.
2, процес производње PCD алата
Процес производње PCD алата директно одређује перформансе резања и век трајања алата, што је кључно за његову примену и развој. Процес производње PCD алата је приказан на слици 5.
(1) Производња PCD композитних таблета (PDC)
① Процес производње PDC-а
ПДЦ се генерално састоји од природног или синтетичког дијамантског праха и везивног средства на високој температури (1000-2000℃) и високом притиску (5-10 атм). Везујуће средство формира везивни мост са TiC, Sic, Fe, Co, Ni итд. као главним компонентама, а кристал дијаманта је уграђен у скелет везивног моста у облику ковалентне везе. ПДЦ се генерално прави у дискове фиксног пречника и дебљине, уз брушење, полирање и друге одговарајуће физичке и хемијске третмане. У суштини, идеалан облик ПДЦ-а треба да задржи одличне физичке карактеристике монокристалног дијаманта што је више могуће, стога, адитиви у телу за синтеровање треба да буду што мањи, а истовремено комбинација ДД везе честица што је више могуће.
② Класификација и избор везива
Везиво је најважнији фактор који утиче на термичку стабилност PCD алата, што директно утиче на његову тврдоћу, отпорност на хабање и термичку стабилност. Уобичајене методе везивања PCD-а су: гвожђе, кобалт, никл и други прелазни метали. Мешани прах Co и W коришћен је као везивно средство, а свеобухватне перформансе синтерованог PCD-а биле су најбоље када је притисак синтезе био 5,5 GPa, температура синтеровања 1450℃ и изолација 4 минута. SiC, TiC, WC, TiB2 и други керамички материјали. Термичка стабилност SiC-а је боља од Co, али су тврдоћа и жилавост на лом релативно ниске. Одговарајуће смањење величине сировине може побољшати тврдоћу и жилавост PCD-а. Без лепка, са графитом или другим изворима угљеника на ултрависокој температури и високом притиску, сагорева се у наноразмерни полимерни дијамант (NPD). Коришћење графита као прекурсора за припрему NPD-а је најзахтевнији услов, али синтетички NPD има највећу тврдоћу и најбоља механичка својства.
Избор и контрола ③ зрна
Сировина, дијамантски прах, је кључни фактор који утиче на перформансе PCD-а. Претходна обрада дијамантског микропраха, додавање мале количине супстанци које спречавају раст абнормалних честица дијаманта и разуман избор адитива за синтеровање могу инхибирати раст абнормалних честица дијаманта.
Високочисти NPD са уједначеном структуром може ефикасно елиминисати анизотропију и додатно побољшати механичка својства. Прашак прекурсора нанографита припремљен методом млевења куглицом високе енергије коришћен је за регулисање садржаја кисеоника при претходном синтеровању на високој температури, трансформишући графит у дијамант испод 18 GPa и 2100-2300℃, генеришући ламеле и грануларне NPD, а тврдоћа се повећава са смањењем дебљине ламела.
④ Касни хемијски третман
На истој температури (200 °℃) и времену (20 сати), ефекат уклањања кобалта помоћу Луисове киселине-FeCl3 био је знатно бољи него код воде, а оптимални однос HCl био је 10-15 г / 100 мл. Термичка стабилност PCD-а се побољшава са повећањем дубине уклањања кобалта. Код PCD-а са крупнозрним растом, третман јаком киселином може потпуно уклонити Co, али има велики утицај на перформансе полимера; додавањем TiC и WC мења се структура синтетичког поликристала, а комбиновањем са третманом јаком киселином побољшава се стабилност PCD-а. Тренутно се процес припреме PCD материјала побољшава, жилавост производа је добра, анизотропија је значајно побољшана, остварена је комерцијална производња, а повезане индустрије се брзо развијају.
(2) Обрада PCD сечива
① процес сечења
PCD има високу тврдоћу, добру отпорност на хабање и веома тежак процес сечења.
② поступак заваривања
ПДЦ и тело ножа механичким стезањем, лепљењем и лемљењем. Лемљење је притискање ПДЦ-а на карбидну матрицу, укључујући вакуумско лемљење, вакуумско дифузионо заваривање, лемљење високофреквентним индукционим загревањем, ласерско заваривање итд. Лемљење високофреквентним индукционим загревањем има ниску цену и висок повраћај, и широко се користи. Квалитет заваривања зависи од флукса, легуре за заваривање и температуре заваривања. Температура заваривања (генерално нижа од 700 °℃) има највећи утицај, превисока температура лако изазива графитизацију ПДЦ-а, или чак „прегоревање“, што директно утиче на ефекат заваривања, а прениска температура ће довести до недовољне чврстоће заваривања. Температура заваривања може се контролисати временом изолације и дубином црвенила ПДЦ-а.
③ процес брушења сечива
Процес брушења PCD алата је кључан за производни процес. Генерално, вршна вредност сечива и самог сечива је унутар 5μm, а радијус лука је унутар 4μm; предња и задња површина за резање обезбеђују сигурну завршну обраду површине, па чак смањују предњу површину за резање Ra на 0,01 μm како би се испунили захтеви огледала, омогућило да струготине теку дуж предње површине ножа и спречило лепљење ножа.
Процес брушења сечива обухвата механичко брушење сечива дијамантским брусним точком, брушење сечива електричном варницом (EDG), брушење сечива са супер тврдим абразивним металним везивом и електролитичком завршном обрадом (ELID), машинско брушење композитних сечива. Међу њима, механичко брушење сечива дијамантским брусним точком је најзрелије и најшире коришћено.
Повезани експерименти: ① брусни точак са крупним честицама ће довести до озбиљног урушавања сечива, а величина честица брусног точка ће се смањити, а квалитет сечива постати бољи; величина честица ② брусног точка је уско повезана са квалитетом сечива алата за PCD са финим или ултрафиним честицама, али има ограничен утицај на алате за PCD са крупним честицама.
Сродна истраживања у земљи и иностранству углавном се фокусирају на механизам и процес брушења сечива. У механизму брушења сечива, доминантно је термохемијско и механичко уклањање, док су крто уклањање и уклањање замора релативно мали. Приликом брушења, у складу са чврстоћом и отпорношћу на топлоту различитих везивних средстава дијамантских брусних точкова, потребно је што више побољшати брзину и фреквенцију обрта брусног точка, избећи кртост и уклањање замора, побољшати удео термохемијског уклањања и смањити храпавост површине. Храпавост површине код сувог брушења је ниска, али лако се сагорева површина алата због високе температуре обраде.
Процес брушења сечива треба да обрати пажњу на: ① одабир разумних параметара процеса брушења сечива може побољшати квалитет отвора ивице, као и побољшати завршну обраду површине предње и задње сечива. Међутим, такође узмите у обзир велику силу брушења, велике губитке, ниску ефикасност брушења и високе трошкове; ② одабир разумног квалитета брусног точка, укључујући врсту везива, величину честица, концентрацију везива, обраду брусног точка, уз разумне услове сувог и влажног брушења сечива, што може оптимизовати предњи и задњи угао алата, вредност пасивације врха ножа и друге параметре, уз истовремено побољшање квалитета површине алата.
Различити везивни дијамантски брусни точак има различите карактеристике, као и различите механизме и ефекте брушења. Дијамантски брус са везивом од смоле је мекан, честице брушења лако прерано отпадају, није отпоран на топлоту, површина се лако деформише топлотом, површина брушења сечива је склона траговима хабања, велика је храпавост; метални дијамантски брусни точак се одржава оштрим брушењем и дробљењем, добра је обликовност и површинска обрада, мала је храпавост површине брушења сечива, већа је ефикасност, међутим, способност везивања честица брушења смањује самооштрење, а сечиво лако оставља ударни зазор, што узрокује озбиљна маргинална оштећења; керамички дијамантски брусни точак има умерену чврстоћу, добре перформансе самопобуђивања, више унутрашњих пора, погодан је за уклањање прашине и одвођење топлоте, може се прилагодити различитим расхладним течностима, ниска је температура брушења, брусни точак се мање троши, добро задржава облик, највећа је ефикасност тачности, међутим, тело дијамантског брушења и везива доводи до стварања удубљења на површини алата. Употреба у складу са материјалима обраде, свеобухватна је ефикасност брушења, абразивна издржљивост и квалитет површине обрадка.
Истраживање ефикасности брушења углавном се фокусира на побољшање продуктивности и контролу трошкова. Генерално, брзина брушења Q (уклањање PCD-а по јединици времена) и коефицијент хабања G (однос уклањања PCD-а и губитка на брусном точку) користе се као критеријуми за процену.
Немачки научник КЕНТЕР је тестирао брушење PCD алата константним притиском: ① повећава брзину брусног точка, величину PDC честица и концентрацију расхладне течности, смањују се брзина брушења и однос хабања; ② повећава величину честица брушења, повећава се константан притисак, повећава се концентрација дијаманта у брусном точку, повећава се брзина брушења и однос хабања; ③ врста везива је различита, брзина брушења и однос хабања су различити. КЕНТЕР Процес брушења сечива PCD алата је систематски проучаван, али утицај процеса брушења сечива није систематски анализиран.
3. Употреба и квар алата за резање PCD-ом
(1) Избор параметара резања алата
Током почетног периода употребе PCD алата, оштра ивица се постепено паситирала, а квалитет обраде површине се побољшавао. Пасивација може ефикасно уклонити микрозазоре и мале неравнине настале брушењем сечива, побољшати квалитет површине резне ивице и истовремено формирати кружни радијус ивице за стискање и поправку обрађене површине, чиме се побољшава квалитет површине радног предмета.
Глодање површине алата PCD од легуре алуминијума, брзина сечења је генерално 4000 м/мин, обрада рупа је генерално 800 м/мин, обрада високо еластично-пластичних обојених метала треба да захтева већу брзину окретања (300-1000 м/мин). Запремина довода се генерално препоручује између 0,08-0,15 мм/о/мин. Превелика запремина довода, повећана сила резања, повећана преостала геометријска површина површине обратка; премала запремина довода, повећана топлота резања и повећано хабање. Дубина резања се повећава, сила резања се повећава, топлота резања се повећава, век трајања се смањује, прекомерна дубина резања може лако проузроковати урушавање сечива; мала дубина резања ће довести до очвршћавања обраде, хабања, па чак и урушавања сечива.
(2) Облик ношења
Приликом обраде радног предмета алатом, због трења, високе температуре и других разлога, хабање је неизбежно. Хабање дијамантског алата састоји се од три фазе: почетне фазе брзог хабања (познате и као прелазна фаза), фазе стабилног хабања са константном брзином хабања и накнадне фазе брзог хабања. Фаза брзог хабања указује на то да алат не ради и да је потребно поновно брушење. Облици хабања алата за резање укључују адхезивно хабање (хабање хладним заваривањем), дифузионо хабање, абразивно хабање, оксидационо хабање итд.
За разлику од традиционалних алата, облик хабања код PCD алата је адхезивно хабање, дифузионо хабање и оштећење поликристалног слоја. Међу њима, оштећење поликристалног слоја је главни узрок, што се манифестује као суптилно урушавање сечива изазвано спољним ударом или губитком лепка у PDC-у, формирајући празнину, што је део физичко-механичког оштећења, што може довести до смањења прецизности обраде и отпадака комада. Величина PCD честица, облик сечива, угао сечива, материјал комада и параметри обраде утицаће на чврстоћу сечива и силу сечења, а затим узроковати оштећење поликристалног слоја. У инжењерској пракси, одговарајућа величина честица сировине, параметри алата и параметри обраде треба да се одаберу у складу са условима обраде.
4. Тренд развоја алата за резање PCD-ом
Тренутно је опсег примене PCD алата проширен са традиционалног стругања на бушење, глодање, брзо сечење и широко се користи у земљи и иностранству. Брзи развој електричних возила није само утицао на традиционалну аутомобилску индустрију, већ је донео и невиђене изазове индустрији алата, подстичући је да убрза оптимизацију и иновације.
Широка примена PCD алата за резање продубила је и унапредила истраживање и развој алата за резање. Са продубљивањем истраживања, PDC спецификације постају све мање и мање, квалитет пречишћавања зрна оптимизован, уједначеност перформанси, брзина брушења и однос хабања све већи и већи, а облик и структура диверзификација су диверзификације. Правци истраживања PCD алата укључују: 1. истраживање и развој танког PCD слоја; 2. истраживање и развој нових материјала за PCD алате; 3. истраживање за боље заваривање PCD алата и даље смањење трошкова; 5. истраживање побољшања процеса брушења сечива PCD алата ради побољшања ефикасности; 6. истраживање оптимизације параметара PCD алата и коришћења алата у складу са локалним условима; 7. истраживање рационалног избора параметара резања у складу са обрађеним материјалима.
кратак резиме
(1) Перформансе сечења PCD алата, надокнађују недостатак многих карбидних алата; истовремено, цена је далеко нижа од цене алата са монокристалним дијамантом, у модерном сечењу, то је перспективан алат;
(2) У складу са врстом и перформансама обрађених материјала, разуман избор величине честица и параметара PCD алата, што је претпоставка производње и употребе алата,
(3) PCD материјал има високу тврдоћу, што га чини идеалним материјалом за округ ножева за сечење, али такође доноси потешкоће у производњи алата за сечење. Приликом производње, потребно је свеобухватно узети у обзир тежину процеса и потребе обраде, како би се постигле најбоље трошковне перформансе;
(4) За обраду ПЦД материјала у округу ножева, требало би разумно одабрати параметре сечења, на основу испуњавања перформанси производа, колико год је то могуће како бисмо продужили век трајања алата и постигли равнотежу између века трајања алата, ефикасности производње и квалитета производа;
(5) Истраживање и развој нових материјала за PCD алате како би се превазишли њихови инхерентни недостаци
Овај чланак је преузет са „мрежа супертврдих материјала"
Време објаве: 25. март 2025.
