Narzędzie PCD wykonane jest z polikrystalicznego diamentu i matrycy węglikowej poprzez spiekanie w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Pozwala to nie tylko w pełni wykorzystać zalety wysokiej twardości, wysokiej przewodności cieplnej, niskiego współczynnika tarcia, niskiego współczynnika rozszerzalności cieplnej, małego powinowactwa z metalami i niemetalami, wysokiego modułu sprężystości, braku powierzchni rozszczepiającej i izotropii, ale także uwzględnia wysoką wytrzymałość twardego stopu.
Stabilność termiczna, udarność i odporność na zużycie to główne wskaźniki wydajności PCD. Ponieważ PCD jest najczęściej stosowany w warunkach wysokich temperatur i dużego naprężenia, jego stabilność termiczna jest najważniejsza. Badania pokazują, że stabilność termiczna PCD ma duży wpływ na jego odporność na zużycie i udarność. Dane pokazują, że w temperaturach powyżej 750°C odporność na zużycie i udarność PCD spadają zazwyczaj o 5%-10%.
Stan krystaliczny PCD determinuje jego właściwości. W mikrostrukturze atomy węgla tworzą wiązania kowalencyjne z czterema sąsiednimi atomami, uzyskując strukturę tetraedryczną, a następnie tworząc kryształ atomowy, który ma silną orientację i siłę wiązania oraz wysoką twardość. Główne wskaźniki wydajności PCD są następujące: ① twardość może osiągnąć 8000 HV, 8-12 razy większą niż węglika; ② przewodność cieplna wynosi 700 W/mK, 1,5-9 razy, nawet więcej niż PCBN i miedź; ③ współczynnik tarcia wynosi na ogół tylko 0,1-0,3, znacznie mniej niż 0,4-1 węglika, co znacznie zmniejsza siłę skrawania; ④ współczynnik rozszerzalności cieplnej wynosi tylko 0,9x10-6-1,18x10-6,1/5 węglika, co może zmniejszyć odkształcenia cieplne i poprawić dokładność obróbki; ⑤ i materiały niemetaliczne mają mniejszą skłonność do tworzenia guzków.
Sześcienny azotek boru charakteryzuje się wysoką odpornością na utlenianie i może być stosowany do obróbki materiałów zawierających żelazo, ale jego twardość jest niższa niż diamentu monokrystalicznego, co powoduje niską prędkość obróbki i niską wydajność. Diament monokrystaliczny charakteryzuje się wysoką twardością, ale niewystarczającą wytrzymałością. Anizotropia ułatwia dysocjację wzdłuż powierzchni (111) pod wpływem siły zewnętrznej, a wydajność obróbki jest ograniczona. PCD to polimer syntetyzowany z mikronowych cząstek diamentu za pomocą określonych metod. Chaotyczna natura nieuporządkowanego gromadzenia się cząstek prowadzi do jego makroskopowej izotropowej natury i braku kierunkowej i rozszczepialnej powierzchni w wytrzymałości na rozciąganie. W porównaniu z diamentem monokrystalicznym, granica ziaren PCD skutecznie redukuje anizotropię i optymalizuje właściwości mechaniczne.
1. Zasady projektowania narzędzi skrawających PCD
(1) Rozsądny wybór wielkości cząstek PCD
Teoretycznie PCD powinien dążyć do rozdrobnienia ziaren, a rozkład dodatków między produktami powinien być jak najbardziej równomierny, aby przezwyciężyć anizotropię. Wybór wielkości cząstek PCD jest również związany z warunkami obróbki. Ogólnie rzecz biorąc, PCD o wysokiej wytrzymałości, dobrej ciągliwości, dobrej udarności i drobnym ziarnie może być stosowany do obróbki wykańczającej lub superwykańczającej, a PCD o grubym ziarnie może być stosowany do ogólnej obróbki zgrubnej. Wielkość cząstek PCD może znacząco wpływać na odporność narzędzia na zużycie. Literatura wskazuje, że gdy ziarno surowca jest duże, odporność na zużycie stopniowo wzrasta wraz ze zmniejszaniem się wielkości ziarna, ale gdy wielkość ziarna jest bardzo mała, zasada ta nie ma zastosowania.
W powiązanych eksperymentach wybrano cztery rodzaje proszku diamentowego o średniej wielkości cząstek wynoszącej 10 um, 5 um, 2 um i 1 um i stwierdzono, że: 1. Wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek surowca, Co dyfunduje bardziej równomiernie; wraz ze zmniejszaniem się 2. odporność na zużycie i odporność cieplna PCD stopniowo maleje.
(2) Rozsądny wybór kształtu otworu ostrza i grubości ostrza
Kształt otworu ostrza obejmuje głównie cztery struktury: odwróconą krawędź, tępy okrąg, kompozyt odwróconej krawędzi tępego okręgu i ostry kąt. Ostra struktura kątowa sprawia, że krawędź jest ostra, prędkość cięcia jest duża, może znacznie zmniejszyć siłę cięcia i zadziory, poprawić jakość powierzchni produktu, jest bardziej odpowiednia do stopów aluminium o niskiej zawartości krzemu i innych metali nieżelaznych o niskiej twardości, jednolite wykończenie metali nieżelaznych. Rozwarta, okrągła struktura może pasywować otwór ostrza, tworząc kąt R, skutecznie zapobiegając pękaniu ostrza, odpowiednia do obróbki stopów aluminium o średniej / wysokiej zawartości krzemu. W niektórych szczególnych przypadkach, takich jak mała głębokość cięcia i mały posuw noża, preferowana jest tępa, okrągła struktura. Odwrócona struktura krawędzi może zwiększyć krawędzie i narożniki, stabilizować ostrze, ale jednocześnie zwiększyć nacisk i opór cięcia, bardziej odpowiednia do cięcia dużych obciążeń stopów aluminium o wysokiej zawartości krzemu.
Aby ułatwić obróbkę elektroerozyjną, zazwyczaj wybiera się cienką warstwę blachy PDC (0,3-1,0 mm) oraz warstwę węglika spiekanego. Całkowita grubość narzędzia wynosi około 28 mm. Warstwa węglika spiekanego nie powinna być zbyt gruba, aby uniknąć rozwarstwienia spowodowanego różnicą naprężeń między łączonymi powierzchniami.
2. Proces produkcji narzędzi PCD
Proces produkcyjny narzędzia PCD bezpośrednio determinuje wydajność skrawania i trwałość narzędzia, co jest kluczowe dla jego zastosowania i rozwoju. Proces produkcyjny narzędzia PCD przedstawiono na rysunku 5.
(1) Produkcja tabletek kompozytowych PCD (PDC)
① Proces produkcyjny PDC
PDC składa się zazwyczaj z naturalnego lub syntetycznego proszku diamentowego i spoiwa w wysokiej temperaturze (1000-2000°C) i pod wysokim ciśnieniem (5-10 atm). Spoiwo tworzy mostek wiążący, którego głównymi składnikami są TiC, Sic, Fe, Co, Ni itp., a kryształ diamentu jest osadzony w szkielecie mostka wiążącego w postaci wiązania kowalencyjnego. PDC jest zazwyczaj wytwarzany w postaci dysków o stałej średnicy i grubości, a następnie szlifowany, polerowany i poddawany innym odpowiednim obróbkom fizycznym i chemicznym. Zasadniczo, idealna forma PDC powinna w jak największym stopniu zachować doskonałe właściwości fizyczne diamentu monokrystalicznego, dlatego też w bryle spiekanej powinno być jak najmniej dodatków, a jednocześnie jak najwięcej wiązań DD.
② Klasyfikacja i dobór spoiw
Spoiwo jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na stabilność termiczną narzędzia PCD, co bezpośrednio wpływa na jego twardość, odporność na zużycie i stabilność termiczną. Typowe metody łączenia PCD to: żelazo, kobalt, nikiel i inne metale przejściowe. Mieszany proszek Co i W został użyty jako środek wiążący, a kompleksowe działanie spiekanego PCD było najlepsze, gdy ciśnienie syntezy wynosiło 5,5 GPa, temperatura spiekania wynosiła 1450℃, a izolacja przez 4 minuty. SiC, TiC, WC, TiB2 i inne materiały ceramiczne. SiC Stabilność termiczna SiC jest lepsza niż Co, ale twardość i odporność na pękanie są stosunkowo niskie. Odpowiednie zmniejszenie wielkości surowca może poprawić twardość i wytrzymałość PCD. Brak kleju, z grafitem lub innymi źródłami węgla w ultra wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem wypalono w nanodiamencie polimerowym (NPD). Przygotowanie NPD przy użyciu grafitu jako prekursora wiąże się z najbardziej wymagającymi warunkami, ale syntetyczny NPD ma największą twardość i najlepsze właściwości mechaniczne.
Selekcja i kontrola ziaren ③
Surowiec w postaci proszku diamentowego jest kluczowym czynnikiem wpływającym na wydajność PCD. Wstępna obróbka mikroproszku diamentowego, dodanie niewielkiej ilości substancji hamujących nieprawidłowy wzrost cząstek diamentu oraz rozsądny dobór dodatków spiekalnych mogą zahamować wzrost nieprawidłowych cząstek diamentu.
Wysoce czysty NPD o jednorodnej strukturze może skutecznie eliminować anizotropię i dodatkowo poprawiać właściwości mechaniczne. Proszek prekursora nanografitu, przygotowany metodą mielenia kulowego o wysokiej energii, został użyty do regulacji zawartości tlenu podczas wstępnego spiekania w wysokiej temperaturze, przekształcając grafit w diament pod ciśnieniem 18 GPa i w temperaturze 2100-2300°C, generując lamelowe i granulowane NPD, a twardość wzrastała wraz ze zmniejszaniem grubości lamel.
④ Późne leczenie chemiczne
W tej samej temperaturze (200°C) i czasie (20 godz.) efekt usuwania kobaltu przez kwas Lewisa-FeCl3 był znacznie lepszy niż przez wodę, a optymalny stosunek HCl wynosił 10-15 g/100 ml. Stabilność termiczna PCD poprawia się wraz ze wzrostem głębokości usuwania kobaltu. W przypadku PCD o gruboziarnistym wzroście, obróbka silnym kwasem może całkowicie usunąć Co, ale ma duży wpływ na wydajność polimeru; dodanie TiC i WC zmienia syntetyczną strukturę polikrystaliczną, a połączenie z obróbką silnym kwasem poprawia stabilność PCD. Obecnie proces przygotowywania materiałów PCD ulega poprawie, wytrzymałość produktu jest dobra, anizotropia została znacznie poprawiona, zrealizowano produkcję komercyjną, a powiązane gałęzie przemysłu szybko się rozwijają.
(2) Obróbka ostrza PCD
① proces cięcia
PCD charakteryzuje się dużą twardością, dobrą odpornością na zużycie i trudnym procesem skrawania.
② Procedura spawania
PDC i korpus noża są mocowane mechanicznie, spawane i lutowane. Lutowanie polega na dociśnięciu PDC do osnowy węglikowej, w tym lutowanie próżniowe, spawanie dyfuzyjne próżniowe, lutowanie indukcyjne z wysoką częstotliwością, spawanie laserowe itp. Lutowanie indukcyjne z wysoką częstotliwością charakteryzuje się niskim kosztem i wysoką rentownością i jest szeroko stosowane. Jakość spawania zależy od topnika, stopu spawalniczego i temperatury spawania. Temperatura spawania (zwykle poniżej 700°C) ma największy wpływ. Zbyt wysoka temperatura może łatwo spowodować grafityzację PCD, a nawet „przepalenie”, co bezpośrednio wpływa na efekt spawania, a zbyt niska temperatura doprowadzi do niewystarczającej wytrzymałości spoiny. Temperaturę spawania można kontrolować poprzez czas izolacji i głębokość zaczerwienienia PCD.
③ proces szlifowania ostrza
Proces szlifowania narzędzi PCD jest kluczowy w procesie produkcyjnym. Zasadniczo, wartość szczytowa ostrza i ostrza mieści się w granicach 5 μm, a promień łuku w granicach 4 μm; przednia i tylna powierzchnia skrawająca zapewniają odpowiednią gładkość powierzchni, a nawet zmniejszają współczynnik Ra przedniej powierzchni skrawającej do 0,01 μm, aby spełnić wymagania dotyczące lustrzanego odbicia, zapewnić przepływ wiórów wzdłuż przedniej powierzchni noża i zapobiec przywieraniu noża.
Proces szlifowania ostrzy obejmuje mechaniczne szlifowanie ostrzy diamentowych, szlifowanie ostrzy elektroiskrowe (EDG), szlifowanie ostrzy supertwardych ściernic metalowych z spoiwem, elektrochemiczne szlifowanie ostrzy (ELID) oraz obróbkę ostrzy kompozytowych. Spośród nich, mechaniczne szlifowanie ostrzy diamentowych jest najbardziej dojrzałe i najszerzej stosowane.
Powiązane eksperymenty: 1. Gruboziarnista tarcza szlifierska doprowadzi do poważnego załamania się ostrza, a wielkość cząstek tarczy szlifierskiej zmniejszy się, a jakość ostrza stanie się lepsza; wielkość cząstek 2. tarczy szlifierskiej jest ściśle związana z jakością ostrza narzędzi PCD o drobnych lub ultradrobnych cząstkach, ale ma ograniczony wpływ na narzędzia PCD o grubych cząstkach.
Powiązane badania w kraju i za granicą koncentrują się głównie na mechanizmie i procesie szlifowania ostrzy. W mechanizmie szlifowania ostrzy dominują usuwanie termochemiczne i mechaniczne, a usuwanie kruchości i zmęczenia jest stosunkowo mało istotne. Podczas szlifowania, w zależności od wytrzymałości i odporności cieplnej różnych spoiw diamentowych, należy w jak największym stopniu zwiększyć prędkość obrotową i częstotliwość ruchu ściernicy, aby uniknąć kruchości i zmęczenia, zwiększyć udział usuwania termochemicznego i zmniejszyć chropowatość powierzchni. Chropowatość powierzchni podczas szlifowania na sucho jest niska, ale ze względu na wysoką temperaturę obróbki, łatwo ulega przypaleniu.
Proces szlifowania ostrzy wymaga zwrócenia uwagi na: ① dobór odpowiednich parametrów szlifowania ostrzy, co może poprawić jakość krawędzi skrawającej oraz jakość wykończenia powierzchni przedniej i tylnej ostrza. Należy jednak wziąć pod uwagę również dużą siłę szlifowania, duże straty, niską wydajność szlifowania i wysokie koszty; ② dobór odpowiedniej jakości ściernicy, w tym rodzaju spoiwa, wielkości cząstek, stężenia, spoiwa, obciągania ściernicy, a także odpowiednie warunki szlifowania ostrzy na sucho i na mokro, co pozwala zoptymalizować przedni i tylny narożnik narzędzia, stopień pasywacji ostrza noża i inne parametry, jednocześnie poprawiając jakość powierzchni narzędzia.
Różne ściernice diamentowe wiążące mają różne właściwości, mechanizm i efekt szlifowania. Ściernica diamentowa ze spoiwem żywicznym jest miękka, cząstki ścierne łatwo odpadają przedwcześnie, nie jest odporna na ciepło, powierzchnia łatwo odkształca się pod wpływem ciepła, powierzchnia szlifierska ostrza jest podatna na ślady zużycia, duża chropowatość; Ściernica diamentowa ze spoiwem metalowym jest ostra poprzez szlifowanie kruszące, dobra odkształcalność, powierzchnia szlifowana, niska chropowatość powierzchni szlifowanej ostrza, wyższa wydajność, jednak zdolność wiązania cząstek ściernych sprawia, że samoostrzenie jest słabe, a krawędź tnąca łatwo pozostawia szczelinę uderzeniową, powodując poważne uszkodzenia marginalne; Ściernica diamentowa ze spoiwem ceramicznym ma umiarkowaną wytrzymałość, dobre właściwości samowzbudne, więcej porów wewnętrznych, sprzyja usuwaniu pyłu i rozpraszaniu ciepła, może dostosować się do różnych chłodziw, niska temperatura szlifowania, ściernica jest mniej zużyta, dobre zachowanie kształtu, dokładność o najwyższej wydajności, jednak korpus ściernicy diamentowej i spoiwa prowadzi do tworzenia się wżerów na powierzchni narzędzia. Stosować w zależności od materiałów obrabianych, ogólnej wydajności szlifowania, trwałości ściernej i jakości powierzchni przedmiotu obrabianego.
Badania nad wydajnością szlifowania koncentrują się głównie na poprawie produktywności i kontroli kosztów. Zasadniczo jako kryteria oceny stosuje się prędkość szlifowania Q (usuwanie PCD w jednostce czasu) oraz współczynnik zużycia G (stosunek ilości usuniętego PCD do strat ściernicy).
Niemiecki uczony KENTER szlifuje narzędzie PCD przy stałym ciśnieniu, testuje: ① zwiększa prędkość ściernicy, wielkość cząstek PDC i stężenie chłodziwa, szybkość szlifowania i współczynnik zużycia ulegają zmniejszeniu; 23 zwiększa wielkość cząstek szlifujących, zwiększa stałe ciśnienie, zwiększa stężenie diamentu w ściernicy, zwiększa się szybkość szlifowania i współczynnik zużycia; ③ rodzaj spoiwa jest inny, szybkość szlifowania i współczynnik zużycia są inne. KENTER Proces szlifowania ostrza narzędzia PCD był systematycznie badany, ale wpływ procesu szlifowania ostrza nie był systematycznie analizowany.
3. Użytkowanie i awarie narzędzi skrawających PCD
(1) Dobór parametrów skrawania narzędzia
W początkowym okresie stosowania narzędzi PCD, ostre krawędzie skrawające stopniowo ulegały pasywacji, co poprawiało jakość obrabianej powierzchni. Pasywacja może skutecznie usuwać mikroszczeliny i drobne zadziory powstałe podczas szlifowania ostrza, poprawiać jakość powierzchni krawędzi skrawającej, a jednocześnie formować okrągły promień krawędzi, który umożliwia ściskanie i naprawę obrabianej powierzchni, a tym samym poprawę jakości powierzchni przedmiotu obrabianego.
Frezowanie powierzchni stopu aluminium narzędziami PCD, prędkość skrawania wynosi zazwyczaj 4000 m/min, obróbka otworów 800 m/min, obróbka metali nieżelaznych o wysokiej sprężystości i plastyczności powinna odbywać się przy wyższej prędkości toczenia (300-1000 m/min). Zalecana objętość posuwu wynosi zazwyczaj 0,08-0,15 mm/obr. Zbyt duża objętość posuwu zwiększa siłę skrawania, zwiększa powierzchnię resztkową przedmiotu obrabianego; zbyt mała objętość posuwu zwiększa ciepło skrawania i zużycie. Wraz ze wzrostem głębokości skrawania wzrasta siła skrawania, temperatura skrawania i żywotność narzędzia maleje, a nadmierna głębokość skrawania może łatwo doprowadzić do zapadnięcia się ostrza; zbyt mała głębokość skrawania prowadzi do utwardzania, zużycia, a nawet zapadnięcia się ostrza.
(2) Formularz zużycia
Zużycie narzędzia do obróbki przedmiotu obrabianego jest nieuniknione ze względu na tarcie, wysoką temperaturę i inne czynniki. Zużycie narzędzia diamentowego składa się z trzech etapów: początkowej, szybkiej fazy zużycia (zwanej również fazą przejściową), stabilnej fazy zużycia ze stałą szybkością zużycia oraz kolejnej, szybkiej fazy zużycia. Szybka faza zużycia oznacza, że narzędzie nie pracuje i wymaga ponownego ostrzenia. Formy zużycia narzędzi skrawających obejmują zużycie adhezyjne (zużycie spawalnicze na zimno), zużycie dyfuzyjne, zużycie ścierne, zużycie utleniające itp.
W odróżnieniu od tradycyjnych narzędzi, zużycie narzędzi PCD może być spowodowane zużyciem adhezyjnym, dyfuzyjnym i uszkodzeniem warstwy polikrystalicznej. Głównym powodem jest uszkodzenie warstwy polikrystalicznej, objawiające się delikatnym zapadnięciem się ostrza pod wpływem uderzenia lub utraty kleju w PDC. Powstaje wówczas szczelina, będąca jednym z fizycznych uszkodzeń mechanicznych, co może prowadzić do zmniejszenia precyzji obróbki i powstawania złomu. Wielkość cząstek PCD, kształt ostrza, kąt nachylenia ostrza, materiał obrabiany i parametry obróbki wpływają na wytrzymałość ostrza i siłę skrawania, a w konsekwencji powodują uszkodzenie warstwy polikrystalicznej. W praktyce inżynierskiej odpowiednia wielkość cząstek surowca, parametry narzędzia i parametry obróbki powinny być dobrane w zależności od warunków obróbki.
4. Trend rozwojowy narzędzi skrawających PCD
Obecnie zakres zastosowań narzędzi PCD rozszerzył się z tradycyjnego toczenia na wiercenie, frezowanie i skrawanie z dużą prędkością, i jest szeroko stosowany w kraju i za granicą. Szybki rozwój pojazdów elektrycznych nie tylko wpłynął na tradycyjny przemysł motoryzacyjny, ale także postawił przed przemysłem narzędziowym bezprecedensowe wyzwania, zmuszając go do przyspieszenia optymalizacji i innowacji.
Szerokie zastosowanie narzędzi skrawających PCD pogłębiło i przyspieszyło badania oraz rozwój narzędzi skrawających. Wraz z pogłębianiem badań, specyfikacje PDC stają się coraz mniejsze, optymalizacja jakości rozdrobnienia ziarna, jednorodność wydajności, szybkość szlifowania i współczynnik zużycia są coraz wyższe, a kształt i struktura są zróżnicowane. Kierunki badań nad narzędziami PCD obejmują: ① badania i rozwój cienkiej warstwy PCD; ② badania i rozwój nowych materiałów narzędziowych PCD; ③ badania nad ulepszeniem spawania narzędzi PCD i dalszą redukcją kosztów; ④ badania nad udoskonaleniem procesu szlifowania ostrzy narzędzi PCD w celu zwiększenia wydajności; ⑤ badania optymalizują parametry narzędzi PCD i wykorzystują narzędzia zgodnie z lokalnymi warunkami; ⑥ badania racjonalnie dobierają parametry skrawania w zależności od przetwarzanych materiałów.
krótkie podsumowanie
(1) Wydajność skrawania narzędzia PCD rekompensuje niedobór wielu narzędzi z węglika spiekanego; jednocześnie cena jest znacznie niższa niż cena narzędzia z monokryształu diamentu, co w nowoczesnym cięciu sprawia, że jest to obiecujące narzędzie;
(2) W zależności od rodzaju i właściwości przetwarzanych materiałów, rozsądny dobór wielkości cząstek i parametrów narzędzi PCD, co stanowi przesłankę wytwarzania i użytkowania narzędzi,
(3) Materiał PCD charakteryzuje się wysoką twardością, co czyni go idealnym materiałem do produkcji noży tnących, ale wiąże się z trudnościami w produkcji narzędzi skrawających. Podczas produkcji należy kompleksowo rozważyć stopień trudności procesu i potrzeby przetwarzania, aby osiągnąć najlepszy stosunek jakości do ceny.
(4) W przypadku materiałów do obróbki PCD w hrabstwie produkującym noże powinniśmy rozsądnie dobierać parametry skrawania, w oparciu o spełnienie wymagań dotyczących wydajności produktu, w jak największym stopniu, aby wydłużyć żywotność narzędzia w celu osiągnięcia równowagi między trwałością narzędzia, wydajnością produkcji i jakością produktu;
(5) Badania i rozwój nowych materiałów narzędziowych PCD w celu przezwyciężenia ich wad
Ten artykuł pochodzi ze strony:sieć materiałów supertwardych"
Czas publikacji: 25 marca 2025 r.
