Инструмент PCD изготавливается из поликристаллического алмазного наконечника и твердосплавной матрицы методом спекания при высоких температурах и давлении. Он позволяет не только в полной мере реализовать преимущества высокой твердости, высокой теплопроводности, низкого коэффициента трения, низкого коэффициента теплового расширения, малого сродства к металлам и неметаллам, высокого модуля упругости, отсутствия скалывания поверхности и изотропности, но и обладает высокой прочностью твердого сплава.
Термостойкость, ударная вязкость и износостойкость являются основными эксплуатационными характеристиками PCD. Поскольку PCD в основном используется в условиях высоких температур и высоких нагрузок, термостойкость является наиболее важным показателем. Исследование показывает, что термостойкость PCD оказывает большое влияние на его износостойкость и ударную вязкость. Данные показывают, что при температуре выше 750 °C износостойкость и ударная вязкость PCD в целом снижаются на 5–10%.
Кристаллическое состояние PCD определяет его свойства. В микроструктуре атомы углерода образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, получая тетраэдрическую структуру, а затем формируют атомный кристалл, который имеет сильную ориентацию и силу связи, а также высокую твердость. Основные показатели производительности PCD следующие: ① твердость может достигать 8000 HV, что в 8-12 раз больше карбида; ② теплопроводность составляет 700 Вт / мК, что в 1,5-9 раз больше, чем у PCBN и меди; ③ коэффициент трения, как правило, составляет всего 0,1-0,3, что намного меньше, чем 0,4-1 карбида, что значительно снижает усилие резания; ④ коэффициент теплового расширения составляет всего 0,9x10-6 - 1,18x10-6,1 / 5 карбида, что может уменьшить термическую деформацию и повысить точность обработки; ⑤ и неметаллические материалы имеют меньшее сродство к образованию узелков.
Кубический нитрид бора обладает высокой стойкостью к окислению и может обрабатывать железосодержащие материалы, но его твердость ниже, чем у монокристаллического алмаза, скорость обработки медленная, а эффективность низкая. Монокристаллический алмаз обладает высокой твердостью, но недостаточной прочностью. Анизотропия позволяет ему легко диссоциировать вдоль поверхности (111) под воздействием внешней силы, что ограничивает эффективность обработки. PCD — это полимер, синтезированный определенными способами из алмазных частиц микронного размера. Хаотический характер неупорядоченного накопления частиц приводит к его макроскопической изотропности, и в пределе прочности на разрыв отсутствует направленная и спайная поверхность. По сравнению с монокристаллическим алмазом, граница зерен PCD эффективно снижает анизотропию и оптимизирует механические свойства.
1. Принципы проектирования режущих инструментов из PCD
(1) Разумный выбор размера частиц PCD
Теоретически, PCD должен стремиться к измельчению зерна, а распределение добавок между изделиями должно быть максимально равномерным для преодоления анизотропии. Выбор размера частиц PCD также связан с условиями обработки. Как правило, PCD с высокой прочностью, хорошей вязкостью, хорошей ударной стойкостью и мелким зерном может использоваться для чистовой или суперфинишной обработки, а PCD с крупным зерном – для общей черновой обработки. Размер частиц PCD может существенно влиять на износостойкость инструмента. В соответствующей литературе отмечается, что при крупном зерне исходного материала износостойкость постепенно увеличивается с уменьшением размера зерна, но при очень мелком размере зерна это правило неприменимо.
В ходе связанных экспериментов были выбраны четыре алмазных порошка со средним размером частиц 10 мкм, 5 мкм, 2 мкм и 1 мкм, и был сделан вывод о том, что: ① С уменьшением размера частиц исходного материала Co диффундирует более равномерно; с уменьшением ② износостойкость и термостойкость PCD постепенно снижались.
(2) Разумный выбор формы устья и толщины лезвия
Форма устья лезвия в основном включает в себя четыре структуры: перевернутая кромка, тупой круг, перевернутый край тупого круга композит и острый угол. Острая угловая структура делает кромку острой, скорость резки высокая, может значительно снизить усилие резания и заусенцы, улучшить качество поверхности изделия, больше подходит для низкокремнистого алюминиевого сплава и других низкотвердых, равномерной отделки цветных металлов. Тупоугольная круглая структура может пассивировать устье лезвия, образуя угол R, эффективно предотвращая поломку лезвия, подходит для обработки средне-/высококремнистого алюминиевого сплава. В некоторых особых случаях, таких как малая глубина резания и небольшая подача ножа, предпочтительна тупая круглая структура. Перевернутая структура кромки может увеличить кромки и углы, стабилизировать лезвие, но в то же время увеличит давление и сопротивление резанию, больше подходит для тяжелой резки высококремнистого алюминиевого сплава.
Для облегчения электроэрозионной обработки обычно выбирают тонкий слой поликристаллического алмаза (0,3–1,0 мм) и слой карбида, общая толщина инструмента составляет около 28 мм. Слой карбида не должен быть слишком толстым, чтобы избежать расслоения, вызванного разницей напряжений между сопрягаемыми поверхностями.
2. Процесс изготовления инструмента из PCD
Процесс изготовления инструмента из PCD напрямую определяет его режущую способность и срок службы, что является ключевым фактором его применения и разработки. Процесс изготовления инструмента из PCD показан на рисунке 5.
(1) Изготовление композитных таблеток PCD (PDC)
① Процесс изготовления PDC
PDC обычно изготавливается из природного или синтетического алмазного порошка и связующего вещества, синтезированных при высокой температуре (1000–2000 °C) и высоком давлении (5–10 атм). Связующее вещество образует связующий мостик с TiC, SiC, Fe, Co, Ni и т.д. в качестве основных компонентов, а кристалл алмаза внедряется в скелет связующего мостика посредством ковалентной связи. PDC обычно изготавливается в виде дисков фиксированного диаметра и толщины, подвергаемых шлифовке, полировке и другим соответствующим физическим и химическим обработкам. По сути, идеальная форма PDC должна максимально сохранять превосходные физические характеристики монокристаллического алмаза. Поэтому количество добавок в спекаемом материале должно быть минимальным, при этом необходимо обеспечить максимальное сочетание DD-связей частиц.
② Классификация и выбор связующих веществ
Связующее является наиболее важным фактором, влияющим на термостойкость инструмента PCD, который напрямую влияет на его твердость, износостойкость и термостойкость. Обычные методы связывания PCD: железо, кобальт, никель и другие переходные металлы. В качестве связующего агента использовался смешанный порошок Co и W, а комплексная производительность спекания PCD была наилучшей, когда давление синтеза составляло 5,5 ГПа, температура спекания составляла 1450 ℃, а изоляция в течение 4 минут. SiC, TiC, WC, TiB2 и другие керамические материалы. SiC Термостойкость SiC лучше, чем у Co, но твердость и вязкость разрушения относительно низкие. Соответствующее уменьшение размера исходного материала может улучшить твердость и прочность PCD. Без клея, с графитом или другими источниками углерода при сверхвысокой температуре и высоком давлении вжигается в наноразмерный полимерный алмаз (NPD). Использование графита в качестве прекурсора для приготовления NPD является наиболее жестким условием, но синтетический NPD имеет самую высокую твердость и лучшие механические свойства.
Отбор и контроль ③ зерен
Исходный алмазный порошок является ключевым фактором, влияющим на характеристики PCD. Предварительная обработка алмазного микропорошка, добавление небольшого количества веществ, препятствующих росту аномальных алмазных частиц, и разумный выбор спекающих добавок могут предотвратить рост аномальных алмазных частиц.
Высокочистый NPD с однородной структурой позволяет эффективно устранить анизотропию и дополнительно улучшить механические свойства. Нанографитовый порошок-прекурсор, полученный методом высокоэнергетического шарового измельчения, использовался для регулирования содержания кислорода при высокотемпературном предварительном спекании, превращая графит в алмаз при давлении 18 ГПа и температуре 2100–2300 °C, образуя пластинчатый и гранулярный NPD, при этом твёрдость возрастала с уменьшением толщины пластин.
④ Поздняя химическая обработка
При той же температуре (200 °C) и времени (20 ч) эффект удаления кобальта кислотой Льюиса-FeCl3 был значительно лучше, чем у воды, а оптимальное соотношение HCl составило 10-15 г / 100 мл. Термическая стабильность PCD улучшается с увеличением глубины удаления кобальта. Для крупнозернистого роста PCD обработка сильной кислотой может полностью удалить Co, но оказывает большое влияние на эксплуатационные характеристики полимера; добавление TiC и WC для изменения синтетической поликристаллической структуры и сочетание с обработкой сильной кислотой для повышения стабильности PCD. В настоящее время процесс получения материалов PCD совершенствуется, прочность продукта хорошая, анизотропия была значительно улучшена, реализовано коммерческое производство, смежные отрасли промышленности быстро развиваются.
(2) Обработка лезвия PCD
① процесс резки
PCD обладает высокой твердостью, хорошей износостойкостью и высокой сложностью обработки резанием.
② процедура сварки
PDC и корпус ножа соединяются механическим зажимом, склеиваются и пайкаются. Пайка заключается в прижатии PDC к карбидной матрице, включая вакуумную пайку, вакуумную диффузионную сварку, высокочастотную индукционную пайку, лазерную сварку и т.д. Высокочастотная индукционная пайка отличается низкой стоимостью и высокой окупаемостью, что широко применяется. Качество сварки зависит от флюса, сварочного сплава и температуры сварки. Температура сварки (обычно ниже 700 °C) оказывает наибольшее влияние. Слишком высокая температура легко приводит к графитизации PCD или даже к «пережогу», что напрямую влияет на качество сварки, а слишком низкая температура приводит к недостаточной прочности сварки. Температуру сварки можно контролировать временем изоляции и глубиной покраснения PCD.
③ процесс шлифования лезвий
Заточка инструмента из поликристаллического алмаза (PCD) является ключевым этапом производственного процесса. Как правило, пиковое значение шероховатости лезвия и лезвия находится в пределах 5 мкм, а радиус дуги – в пределах 4 мкм; передняя и задняя режущие поверхности обеспечивают определённую чистоту поверхности, а шероховатость передней режущей поверхности снижается до 0,01 мкм, что обеспечивает зеркальный эффект, способствует сходу стружки вдоль передней поверхности ножа и предотвращает его застревание.
Процессы шлифования лезвий включают механическую шлифовку алмазными кругами, электроискровую шлифовку (ЭИСЗ), электролитическую шлифовку сверхтвердых абразивных кругов на металлической связке (ЭЛИТ) и обработку композитными лезвиями. Среди них механическая шлифовка алмазными кругами является наиболее отработанной и широко применяемой.
Сопутствующие эксперименты: ① шлифовальный круг с крупными частицами приведет к серьезному разрушению лезвия, размер частиц шлифовального круга уменьшится, а качество лезвия станет лучше; размер частиц ② шлифовального круга тесно связан с качеством лезвия инструментов из PCD с мелкими или сверхмелкими частицами, но имеет ограниченное влияние на инструменты из PCD с крупными частицами.
Соответствующие исследования в стране и за рубежом в основном сосредоточены на механизме и процессе шлифования лезвий. В механизме шлифования лезвий преобладают термохимическое и механическое удаление, а хрупкое и усталостное удаление относительно незначительны. При шлифовании, в зависимости от прочности и термостойкости различных связующих веществ, необходимо максимально повысить скорость и частоту колебаний шлифовального круга, чтобы избежать хрупкого и усталостного удаления, увеличить долю термохимического удаления и уменьшить шероховатость поверхности. Шероховатость поверхности при сухом шлифовании низкая, но из-за высокой температуры обработки поверхность инструмента легко пригорает.
При заточке лезвий необходимо учитывать: 1) выбор разумных параметров процесса заточки лезвий может повысить качество режущей кромки и качество обработки передней и задней поверхностей лезвий. Однако следует также учитывать высокую силу шлифования, большие потери, низкую эффективность шлифования и высокую стоимость; 2) выбор разумного качества шлифовального круга, включая тип связующего, размер частиц, концентрацию связующего, заправку шлифовального круга, а также разумные условия сухой и влажной шлифовки лезвий, что позволяет оптимизировать передний и задний углы инструмента, значение пассивации режущей кромки ножа и другие параметры, одновременно улучшая качество поверхности инструмента.
Алмазный шлифовальный круг с разной связкой имеет разные характеристики, механизмы и эффекты шлифования. Алмазный шлифовальный круг на основе смоляной связки мягкий, шлифовальные частицы легко преждевременно отваливаются, не обладают термостойкостью, поверхность легко деформируется под воздействием тепла, шлифовальная поверхность лезвия склонна к износу, большая шероховатость; Алмазный шлифовальный круг на основе металлической связки сохраняет остроту при шлифовании и дроблении, хорошая формуемость, наплавка, низкая шероховатость поверхности шлифования лезвия, более высокая эффективность, однако связующая способность шлифовальных частиц делает самозатачивание плохим, а режущая кромка легко оставляет ударный зазор, вызывая серьезные краевые повреждения; Алмазный шлифовальный круг на основе керамической связки имеет умеренную прочность, хорошие характеристики самовозбуждения, больше внутренних пор, способствует удалению пыли и рассеиванию тепла, может адаптироваться к различным охлаждающим жидкостям, низкая температура шлифования, шлифовальный круг меньше изнашивается, хорошее сохранение формы, точность наивысшей эффективности, однако тело алмазной шлифовки и связующего приводит к образованию ямок на поверхности инструмента. Используйте в зависимости от обрабатываемых материалов, комплексной эффективности шлифования, абразивной стойкости и качества поверхности заготовки.
Исследования эффективности шлифования в основном направлены на повышение производительности и снижение затрат. В качестве критериев оценки обычно используются скорость шлифования Q (снятие PCD за единицу времени) и коэффициент износа G (отношение снимаемого PCD к потерям на шлифовальном круге).
Немецкий учёный KENTER провел испытания шлифовального инструмента из PCD при постоянном давлении: 1) при увеличении скорости вращения шлифовального круга, размера частиц PDC и концентрации охлаждающей жидкости скорость шлифования и износ снижаются; 2) при увеличении размера частиц шлифования, увеличении постоянного давления увеличивается концентрация алмаза в шлифовальном круге, скорость шлифования и износ увеличиваются; 3) при изменении типа связующего материала скорость шлифования и износ меняются. KENTER Систематически изучался процесс шлифования лезвий инструментом из PCD, однако систематический анализ влияния процесса шлифования лезвий не проводился.
3. Использование и отказ режущих инструментов из поликристаллического алмаза
(1) Выбор параметров резания инструмента
В начальный период эксплуатации инструмента из PCD происходит постепенное пассивирование острой кромки, что повышает качество обработанной поверхности. Пассивация позволяет эффективно устранить микрозазоры и мелкие заусенцы, образовавшиеся при шлифовке лезвия, улучшить качество поверхности режущей кромки и одновременно сформировать круговой радиус кромки для сжатия и восстановления обработанной поверхности, тем самым улучшая качество поверхности заготовки.
Фрезерование поверхности алюминиевого сплава инструментом PCD обычно осуществляется со скоростью резания 4000 м/мин, обработка отверстий – 800 м/мин. Обработка высокоэластичных и пластичных цветных металлов должна осуществляться с более высокой скоростью (300–1000 м/мин). Рекомендуемая подача обычно составляет 0,08–0,15 мм/об. Слишком большая подача приводит к увеличению силы резания и увеличению остаточной площади поверхности заготовки; слишком малая подача приводит к увеличению тепловыделения и износа. Увеличение глубины резания, увеличение силы резания и тепловыделения приводит к снижению срока службы. Чрезмерная глубина резания может легко привести к поломке лезвия; малая глубина резания приводит к упрочнению лезвия, износу и даже поломке лезвия.
(2) Форма одежды
При обработке заготовки инструментом износ неизбежен из-за трения, высоких температур и других причин. Износ алмазного инструмента состоит из трёх стадий: начальной фазы быстрого износа (также известной как переходная фаза), стабильной фазы износа с постоянной скоростью и последующей фазы быстрого износа. Фаза быстрого износа указывает на то, что инструмент неисправен и требует переточки. Виды износа режущего инструмента включают адгезионный износ (износ от холодной сварки), диффузионный износ, абразивный износ, окислительный износ и т.д.
В отличие от традиционных инструментов, формы износа инструментов из PCD включают адгезионный износ, диффузионный износ и повреждение поликристаллического слоя. Среди них основной причиной является повреждение поликристаллического слоя, которое проявляется в виде тонкого разрушения лезвия, вызванного внешним воздействием или потерей адгезии в PDC, образуя зазор, что относится к физико-механическим повреждениям, которые могут привести к снижению точности обработки и браку заготовок. Размер частиц PCD, форма лезвия, угол лезвия, материал заготовки и параметры обработки влияют на прочность лезвия и силу резания, а затем вызывают повреждение поликристаллического слоя. В инженерной практике соответствующий размер частиц исходного материала, параметры инструмента и параметры обработки должны выбираться в соответствии с условиями обработки.
4. Тенденции развития режущего инструмента из PCD
В настоящее время область применения инструмента из поликристаллического алмаза (PCD) расширилась от традиционной токарной обработки до сверления, фрезерования и высокоскоростной резки, и он широко используется как в стране, так и за рубежом. Стремительное развитие электромобилей не только оказало влияние на традиционную автомобильную промышленность, но и поставило беспрецедентные задачи перед инструментальной промышленностью, побуждая её к ускоренной оптимизации и внедрению инноваций.
Широкое применение режущих инструментов из PCD углубило и продвинуло исследования и разработки режущих инструментов. С углублением исследований спецификации PDC становятся все меньше и меньше, оптимизация качества измельчения зерна, однородность производительности, скорость шлифования и коэффициент износа все выше и выше, диверсификация формы и структуры. Направления исследований инструментов из PCD включают в себя: ① исследование и разработка тонкого слоя PCD; ② исследование и разработка новых материалов для инструментов из PCD; ③ исследование, направленное на улучшение сварки инструментов из PCD и дальнейшее снижение стоимости; ④ исследование, направленное на улучшение процесса шлифования лезвий инструментов из PCD для повышения эффективности; ⑤ исследование, направленное на оптимизацию параметров инструментов из PCD и использование инструментов в соответствии с местными условиями; ⑥ исследование, направленное на рациональный выбор параметров резания в соответствии с обрабатываемыми материалами.
краткое содержание
(1) Режущая способность инструмента из PCD компенсирует дефицит многих твердосплавных инструментов; в то же время, цена намного ниже, чем у инструмента из монокристаллического алмаза, в современной обработке является перспективным инструментом;
(2) В зависимости от типа и характеристик обрабатываемых материалов, разумный выбор размера частиц и параметров инструментов из PCD является предпосылкой для изготовления и использования инструментов,
(3) Материал PCD обладает высокой твёрдостью, что делает его идеальным материалом для изготовления режущих ножей, но при этом возникают трудности в производстве режущих инструментов. При производстве необходимо всесторонне учитывать сложность процесса и требования к обработке для достижения наилучших экономических показателей.
(4) При обработке материалов PCD в округе Нож необходимо разумно выбирать параметры резания, исходя из производительности продукта, чтобы максимально продлить срок службы инструмента и достичь баланса между сроком службы инструмента, эффективностью производства и качеством продукта;
(5) Исследовать и разработать новые материалы для инструментов из поликристаллического алмаза (PCD) для устранения присущих им недостатков.
Эта статья взята из "сверхтвердая материальная сеть"
Время публикации: 25 марта 2025 г.
