PCD alat je napravljen od polikristalnog dijamantskog vrha i karbidne matrice putem sinterovanja na visokoj temperaturi i pod visokim pritiskom. Ne samo da može u potpunosti iskoristiti prednosti visoke tvrdoće, visoke toplotne provodljivosti, niskog koeficijenta trenja, niskog koeficijenta toplotnog širenja, malog afiniteta sa metalom i nemetalom, visokog modula elastičnosti, bez površine koja se cijepa, izotropnosti, već uzima u obzir i visoku čvrstoću tvrde legure.
Termička stabilnost, udarna žilavost i otpornost na habanje su glavni pokazatelji performansi PCD-a. Budući da se uglavnom koristi u okruženjima s visokim temperaturama i visokim naprezanjem, termička stabilnost je najvažnija stvar. Studija pokazuje da termička 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 se uglavnom smanjuju za 5% -10%.
Kristalno stanje PCD-a određuje njegova svojstva. U mikrostrukturi, atomi ugljika formiraju kovalentne veze sa četiri susjedna atoma, dobijajući tetraedarsku strukturu, a zatim formiraju atomski kristal, koji ima jaku orijentaciju i vezujuću silu, te visoku tvrdoću. Glavni indeksi performansi PCD-a su sljedeći: 1. tvrdoća može doseći 8000 HV, 8-12 puta veća od karbida; 2. toplinska provodljivost je 700W/mK, 1,5-9 puta veća, čak i od PCBN-a i bakra; 3. koeficijent trenja je uglavnom 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 - 1,18x10⁻⁶,1/5 karbida, što može smanjiti toplinsku deformaciju i poboljšati tačnost obrade; 5. i nemetalni materijali imaju manji afinitet za formiranje nodula.
Kubni borov nitrid ima jaku otpornost na oksidaciju i može obrađivati materijale koji sadrže željezo, ali je tvrdoća niža od monokristalnog dijamanta, brzina obrade je spora, a efikasnost niska. Monokristalni dijamant ima visoku tvrdoću, ali žilavost je nedovoljna. Anizotropija olakšava disocijaciju duž površine (111) pod utjecajem vanjske sile, a efikasnost obrade je ograničena. PCD je polimer sintetiziran od strane čestica dijamanta mikronske veličine na određeni način. Haotična priroda neuređenog nakupljanja čestica dovodi do njegove makroskopske izotropne prirode, a nema usmjerene i cijepajuće površine u zateznoj čvrstoći. U poređenju s monokristalnim dijamantom, granica zrna PCD-a efikasno smanjuje anizotropiju i optimizira mehanička svojstva.
1. Principi dizajna PCD alata za rezanje
(1) Razuman izbor 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, dok se PCD grubih zrna može koristiti za opću grubu obradu. Veličina čestica PCD-a može značajno utjecati na performanse habanja alata. Relevantna literatura ističe da kada je zrno sirovine veliko, otpornost na habanje postepeno raste sa smanjenjem veličine zrna, ali kada je veličina zrna vrlo mala, ovo pravilo nije primjenjivo.
U povezanim eksperimentima odabrana su četiri dijamantna praha sa prosječnim veličinama čestica od 10 μm, 5 μm, 2 μm i 1 μm, te je zaključeno da: ① Sa smanjenjem veličine čestica sirovine, Co se ravnomjernije širi; sa smanjenjem ②, otpornost na habanje i otpornost na toplinu PCD-a postepeno se smanjuje.
(2) Razuman izbor oblika usta oštrice i debljine oštrice
Oblik otvora oštrice uglavnom uključuje četiri strukture: obrnutu ivicu, tupi krug, kompozitni invertirani rub s tupim krugom i oštar ugao. Oštra ugaona struktura čini ivicu oštrom, brzina rezanja je velika, može značajno smanjiti silu rezanja i neravnine, poboljšava kvalitet površine proizvoda, pogodnija je za legure aluminija s niskim sadržajem silicija i druge niske tvrdoće, ujednačenu završnu obradu obojenih metala. Tupa okrugla struktura može pasivizirati otvor oštrice, formirajući R ugao, efikasno sprječavajući lom oštrice, pogodna je za obradu legura aluminija srednjeg/visokog sadržaja 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 ivice i uglove, stabilizirati oštricu, ali istovremeno će povećati pritisak i otpor rezanju, pogodnija je za rezanje legura aluminija s visokim sadržajem silicija pod velikim opterećenjem.
Da 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 napona između površina koje se spajaju.
2, proces proizvodnje PCD alata
Proces proizvodnje PCD alata direktno 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 PCD kompozitnih tableta (PDC)
① Proces proizvodnje PDC-a
PDC se uglavnom sastoji od prirodnog ili sintetičkog dijamantskog praha i vezivnog sredstva na visokoj temperaturi (1000-2000℃) i visokom pritisku (5-10 atm). Vezivno sredstvo formira vezivni most sa TiC, Sic, Fe, Co, Ni itd. kao glavnim komponentama, a dijamantski kristal je ugrađen u kostur vezivnog mosta u obliku kovalentne veze. PDC se uglavnom pravi u diskove fiksnog prečnika i debljine, te se brusi, polira i podvrgava drugim odgovarajućim fizičkim i hemijskim tretmanima. U suštini, idealan oblik PDC-a treba da zadrži odlične fizičke karakteristike monokristala dijamanta što je više moguće, stoga, aditivi u tijelu za sinterovanje trebaju biti što manji, a istovremeno kombinacija DD veze čestica treba da bude što veća.
② Klasifikacija i odabir veziva
Vezivo je najvažniji faktor koji utiče na termičku stabilnost PCD alata, što direktno utiče na njegovu tvrdoću, otpornost na habanje i termičku stabilnost. Uobičajene metode vezivanja PCD-a su: željezo, kobalt, nikl i drugi prelazni metali. Mješani prah Co i W korišten je kao vezivno sredstvo, a sveobuhvatne performanse sinterovanja PCD-a bile su najbolje kada je pritisak sinteze bio 5,5 GPa, temperatura sinterovanja 1450℃ i izolacija 4 minute. SiC, TiC, WC, TiB2 i drugi keramički materijali. SiC Termička stabilnost SiC-a je bolja od one kod Co, ali su tvrdoća i žilavost na lom relativno niske. Odgovarajuće smanjenje veličine sirovine može poboljšati tvrdoću i žilavost PCD-a. Bez ljepila, grafit ili drugi izvori ugljika na ultra visokoj temperaturi i visokom pritisku spaljuju se u nanoskalni polimer dijamant (NPD). Korištenje grafita kao prekursora za pripremu NPD-a su najzahtjevniji uslovi, ali sintetički NPD ima najveću tvrdoću i najbolja mehanička svojstva.
Odabir i kontrola ③ zrna
Sirovina, dijamantski prah, ključni je faktor koji utječe na performanse PCD-a. Prethodna obrada dijamantskog mikropraha, dodavanje male količine tvari koje sprječavaju rast abnormalnih čestica dijamanta i razuman odabir aditiva za sinterovanje mogu inhibirati rast abnormalnih čestica dijamanta.
Visoko čisti NPD sa ujednačenom strukturom može efikasno eliminisati anizotropiju i dodatno poboljšati mehanička svojstva. Nanografitni prekursorski prah pripremljen metodom mljevenja visokoenergetskom kuglom korišten je za regulaciju sadržaja kisika pri predsinterovanju na visokim temperaturama, transformirajući grafit u dijamant pod 18 GPa i 2100-2300℃, generirajući lamele i granularne NPD, a tvrdoća se povećavala sa smanjenjem debljine lamele.
④ Kasni hemijski tretman
Na istoj temperaturi (200 °℃) i vremenu (20 sati), efekat uklanjanja kobalta pomoću Lewisove kiseline-FeCl3 bio je znatno bolji nego kod vode, a optimalni omjer HCl bio je 10-15 g / 100 ml. Termička stabilnost PCD-a se poboljšava sa povećanjem dubine uklanjanja kobalta. Kod PCD-a grubozrnastog rasta, tretman jakom kiselinom može potpuno ukloniti Co, ali ima veliki utjecaj na performanse polimera; dodavanje TiC i WC za promjenu sintetičke polikristalne strukture i kombinovanje s tretmanom 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 proces 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. Kvalitet zavarivanja povezan je s fluksom, legurom za zavarivanje i temperaturom zavarivanja. Temperatura zavarivanja (obično niža od 700 °℃) ima najveći utjecaj, previsoka temperatura lako uzrokuje grafitizaciju PCD-a ili čak "prekomjerno izgaranje", što direktno utječe na učinak zavarivanja, a preniska temperatura će dovesti do nedovoljne čvrstoće zavarivanja. Temperatura zavarivanja može se kontrolirati vremenom izolacije i dubinom crvenila PCD-a.
③ proces brušenja oštrice
Proces brušenja PCD alata je ključan za proizvodni proces. Općenito, vršna vrijednost oštrice i same oštrice je unutar 5um, a radijus luka je unutar 4um; prednja i zadnja površina za rezanje osiguravaju određenu završnu obradu površine, pa čak smanjuju prednju površinu za rezanje Ra na 0,01 μm kako bi se zadovoljili zahtjevi za ogledalom, omogućio protok strugotine duž prednje površine noža i spriječilo lijepljenje noža.
Proces brušenja oštrica uključuje mehaničko brušenje dijamantskih brusnih ploča, brušenje električnom iskrom (EDG), elektrolitičko završno brušenje brusnih ploča s metalnim vezivom (ELID) i obradu brušenja kompozitnih oštrica. Među njima, mehaničko brušenje brusnih ploča s dijamantskim brusnim pločama je najzrelije i najšire korišteno.
Povezani eksperimenti: ① brusni točak s grubim česticama dovest će do ozbiljnog urušavanja oštrice, a veličina čestica brusnog točka se smanjuje, a kvalitet oštrice postaje bolji; veličina čestica ② brusnog točka je usko 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 inostranstvu uglavnom se fokusiraju na mehanizam i proces brušenja oštrica. U mehanizmu brušenja oštrica, dominantno je termohemijsko i mehaničko uklanjanje, dok su krhko uklanjanje i uklanjanje zamora relativno mali. Prilikom brušenja, u skladu sa čvrstoćom i otpornošću na toplotu različitih vezivnih sredstava dijamantskih brusnih ploča, treba poboljšati brzinu i frekvenciju okretanja brusne ploče koliko god je to moguće, izbjeći krhkost i uklanjanje zamora, poboljšati udio termohemijskog uklanjanja i smanjiti hrapavost površine. Hrapavost površine kod suhog brušenja je niska, ali lako se opekotina površine alata zbog visoke temperature obrade može dogoditi.
Proces brušenja oštrice treba da obrati pažnju na: ① odabir razumnih parametara procesa brušenja oštrice može poboljšati kvalitet ivice, te poboljšati završnu obradu površine prednje i zadnje oštrice. Međutim, uzmite u obzir i visoku silu brušenja, velike gubitke, nisku efikasnost brušenja i visoku cijenu; ② odabir razumnog kvaliteta brusne ploče, uključujući vrstu veziva, veličinu čestica, koncentraciju veziva, obradu brusne ploče. Razumni uslovi suvog i mokrog brušenja oštrice mogu optimizovati prednji i zadnji ugao alata, vrijednost pasivizacije vrha noža i druge parametre, a istovremeno poboljšati kvalitet površine alata.
Različite vezivne dijamantske brusne ploče imaju različite karakteristike, te različite mehanizme i efekte brušenja. Dijamantska brusna ploča od smolastog veziva je mekana, čestice brušenja lako otpadaju prijevremeno, nije otporna na toplinu, površina se lako deformira toplinom, površina brušenja oštrice sklona je habanju, velika hrapavost; metalno vezivno dijamantno brusno ploča održava se oštrim brušenjem i drobljenjem, dobra je oblikovljivost i površina, mala hrapavost površine brušenja oštrice, veća efikasnost, međutim, sposobnost vezivanja čestica brušenja smanjuje samooštrenje, a rezna ivica lako ostavlja udarni razmak, što uzrokuje ozbiljna oštećenja na rubovima; keramičko vezivno dijamantno brusno ploča ima umjerenu čvrstoću, dobre performanse samopobuđivanja, više unutrašnjih pora, pogoduje uklanjanju prašine i odvođenju topline, može se prilagoditi različitim rashladnim tekućinama, niska temperatura brušenja, brusna ploča se manje troši, dobro zadržava oblik, najveća efikasnost tačnosti, međutim, tijelo dijamantskog brušenja i veziva dovodi do stvaranja udubljenja na površini alata. Upotreba u skladu s materijalima obrade osigurava sveobuhvatnu efikasnost brušenja, abrazivnu izdržljivost i kvalitet površine obratka.
Istraživanje efikasnosti brušenja uglavnom se fokusira na poboljšanje produktivnosti i kontrolu troškova. Općenito, brzina brušenja Q (uklanjanje PCD-a po jedinici vremena) i koeficijent habanja G (odnos uklanjanja PCD-a i gubitka na brusnom točku) koriste se kao kriteriji za procjenu.
Njemački naučnik KENTER brusi PCD alat konstantnim pritiskom, ispitivanje: 1. Povećava brzinu brusnog točka, veličinu čestica PDC-a i koncentraciju rashladne tečnosti, smanjuje brzinu brušenja i stepen habanja; 2. Povećava veličinu čestica brušenja, povećava konstantni pritisak, povećava koncentraciju dijamanta u brusnom točku, povećava brzinu brušenja i stepen habanja; 3. Vrsta veziva je drugačija, brzina brušenja i stepen habanja su različiti. KENTER Proces brušenja oštrice PCD alata je sistematski proučavan, ali uticaj procesa brušenja oštrice nije sistematski analiziran.
3. Upotreba i kvar PCD alata za rezanje
(1) Izbor parametara rezanja alata
Tokom početnog perioda korištenja PCD alata, oštri rubovi su postepeno pasitirali, a kvalitet obrade površine se poboljšavao. Pasivizacija može efikasno ukloniti mikro pukotine i male neravnine nastale brušenjem oštrice, poboljšati kvalitet površine rezne ivice i istovremeno formirati kružni radijus ivice kako bi se stisla i popravila obrađena površina, čime se poboljšava kvalitet površine obratka.
Glodanje površine PCD alata od aluminijske legure, brzina rezanja je uglavnom 4000 m/min, obrada rupa je uglavnom 800 m/min, obrada visokoelastičnih plastičnih obojenih metala treba zahtijevati veću brzinu okretanja (300-1000 m/min). Količina pomaka se generalno preporučuje između 0,08-0,15 mm/o/min. Prevelika količina pomaka, povećana sila rezanja, povećana preostala geometrijska površina površine obratka; premala količina pomaka, povećana toplina rezanja i povećano habanje. Dubina rezanja se povećava, sila rezanja se povećava, toplina rezanja se povećava, vijek trajanja se smanjuje, prekomjerna dubina rezanja može lako uzrokovati urušavanje oštrice; mala dubina rezanja će dovesti do očvršćavanja obrade, habanja, pa čak i urušavanja oštrice.
(2) Oblik habanja
Prilikom obrade radnog komada alatom, zbog trenja, visoke temperature i drugih razloga, habanje je neizbježno. Habanje dijamantskog alata sastoji se od tri faze: početne faze brzog habanja (poznate i kao prelazna faza), faze stabilnog habanja s konstantnom stopom habanja i naknadne faze brzog habanja. Faza brzog habanja ukazuje na to da alat ne radi i da ga je potrebno ponovno brusiti. Oblici habanja alata za rezanje uključuju adhezijsko habanje (hladno zavarivanje), difuzijsko habanje, abrazivno habanje, oksidacijsko habanje 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 manifestuje kao suptilno urušavanje oštrice uzrokovano vanjskim udarom ili gubitkom ljepila u PDC-u, formirajući prazninu, što pripada fizičko-mehaničkom oštećenju, što može dovesti do smanjenja preciznosti obrade i otpada obradaka. Veličina PCD čestica, oblik oštrice, ugao oštrice, materijal obratka i parametri obrade uticaće 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 u skladu sa uslovima obrade.
4. Trend razvoja PCD alata za rezanje
Trenutno se raspon primjene PCD alata proširio od tradicionalnog tokarenja do bušenja, glodanja i brzog rezanja, te se široko koristi u zemlji i inostranstvu. 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 unaprijedila 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 habanja sve veći i veći, a diverzifikacija oblika i strukture. Pravci 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; 5. istraživanje za poboljšanje procesa brušenja oštrica PCD alata radi poboljšanja efikasnosti; 6. istraživanje za optimizaciju parametara PCD alata i korištenje alata u skladu s lokalnim uvjetima; 7. istraživanje za racionalni odabir parametara rezanja u skladu s obrađenim materijalima.
kratak sažetak
(1) Performanse rezanja PCD alata, nadoknađuju nedostatak mnogih karbidnih alata; istovremeno, cijena je daleko niža od cijene alata od monokristalnog dijamanta, u modernom rezanju, to je obećavajući alat;
(2) U skladu s vrstom i performansama obrađenih materijala, razuman izbor 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 proizvodnju 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 osnovu ispunjavanja performansi proizvoda, koliko god je to moguće kako bismo produžili vijek trajanja alata i postigli ravnotežu između vijeka trajanja alata, efikasnosti proizvodnje i kvalitete proizvoda;
(5) Istraživanje i razvoj novih PCD materijala za alate kako bi se prevazišli njihovi inherentni nedostaci
Ovaj članak je preuzet sa "mreža supertvrdih materijala"
Vrijeme objave: 25. mart 2025.
