PCD nástroj je vyrobený z polykryštalického diamantového hrotu a karbidovej matrice spekaním pri vysokej teplote a vysokom tlaku. Dokáže nielen plne využiť výhody vysokej tvrdosti, vysokej tepelnej vodivosti, nízkeho koeficientu trenia, nízkeho koeficientu tepelnej rozťažnosti, malej afinity ku kovom a nekovom, vysokého modulu pružnosti, bez štiepiaceho povrchu, izotropie, ale tiež zohľadňuje vysokú pevnosť tvrdej zliatiny.
Tepelná stabilita, rázová húževnatosť a odolnosť proti opotrebeniu sú hlavnými výkonnostnými ukazovateľmi PCD. Keďže sa väčšinou používa v prostredí s vysokou teplotou a vysokým namáhaním, tepelná stabilita je najdôležitejšia. Štúdia ukazuje, že tepelná stabilita PCD má veľký vplyv na jeho odolnosť proti opotrebeniu a rázovú húževnatosť. Údaje ukazujú, že keď je teplota vyššia ako 750 ℃, odolnosť proti opotrebeniu a rázová húževnatosť PCD sa vo všeobecnosti znižuje o 5 % až 10 %.
Kryštálový stav PCD určuje jeho vlastnosti. V mikroštruktúre atómy uhlíka tvoria kovalentné väzby so štyrmi susednými atómami, čím vzniká tetraedrická štruktúra a následne vzniká atómový kryštál so silnou orientáciou a väzbovou silou a vysokou tvrdosťou. Hlavné výkonnostné ukazovatele PCD sú nasledovné: 1. tvrdosť môže dosiahnuť 8000 HV, čo je 8-12-krát viac ako u karbidu; 2. tepelná vodivosť je 700 W / mK, 1,5-9-krát vyššia ako u PCBN a medi; 3. koeficient trenia je vo všeobecnosti iba 0,1-0,3, čo je oveľa menej ako 0,4-1 u karbidu, čo výrazne znižuje reznú silu; 4. koeficient tepelnej rozťažnosti je iba 0,9x10⁻⁶ až 1,18x10⁻⁶,1/5 u karbidu, čo môže znížiť tepelnú deformáciu a zlepšiť presnosť spracovania; 5. a nekovové materiály majú menšiu afinitu k tvorbe uzlíkov.
Kubický nitrid bóru má silnú odolnosť voči oxidácii a dokáže spracovávať materiály obsahujúce železo, ale jeho tvrdosť je nižšia ako u monokryštálového diamantu, rýchlosť spracovania je pomalá a účinnosť nízka. Monokryštálový diamant má vysokú tvrdosť, ale nedostatočnú húževnatosť. Anizotropia uľahčuje disociáciu pozdĺž povrchu (111) pod vplyvom vonkajšej sily a účinnosť spracovania je obmedzená. PCD je polymér syntetizovaný z diamantových častíc mikrónovej veľkosti určitým spôsobom. Chaotická povaha neusporiadaného nahromadenia častíc vedie k jeho makroskopickej izotropnej povahe a v pevnosti v ťahu nie je smerový a štiepny povrch. V porovnaní s monokryštálovým diamantom hranica zŕn PCD účinne znižuje anizotropiu a optimalizuje mechanické vlastnosti.
1. Princípy návrhu rezných nástrojov z PCD
(1) Primeraný výber veľkosti častíc PCD
Teoreticky by sa PCD malo snažiť zjemniť zrná a rozloženie prísad medzi výrobkami by malo byť čo najrovnomernejšie, aby sa prekonala anizotropia. Výber veľkosti častíc PCD súvisí aj s podmienkami spracovania. Vo všeobecnosti sa PCD s vysokou pevnosťou, dobrou húževnatosťou, dobrou rázovou odolnosťou a jemnou zrnitosťou môže použiť na dokončovanie alebo super dokončovanie a PCD s hrubou zrnitosťou sa môže použiť na všeobecné hrubovanie. Veľkosť častíc PCD môže významne ovplyvniť odolnosť nástroja voči opotrebovaniu. Relevantná literatúra poukazuje na to, že ak je zrnitosť suroviny veľká, odolnosť proti opotrebovaniu sa postupne zvyšuje so znižovaním veľkosti zrna, ale ak je veľkosť zrna veľmi malá, toto pravidlo neplatí.
V súvisiacich experimentoch boli vybrané štyri diamantové prášky s priemernou veľkosťou častíc 10 μm, 5 μm, 2 μm a 1 μm a dospelo sa k záveru, že: ① S klesajúcou veľkosťou častíc suroviny sa Co rovnomernejšie rozptyľuje; s klesajúcou veľkosťou ② sa postupne znižuje odolnosť PCD voči opotrebeniu a tepelná odolnosť.
(2) Rozumná voľba tvaru ústia čepele a hrúbky čepele
Tvar ústia čepele zahŕňa hlavne štyri štruktúry: obrátenú hranu, tupý kruh, obrátenú hranu s tupým kruhom a ostrý uhol. Ostrá uhlová štruktúra robí hranu ostrou, rýchlosť rezania je vysoká, môže výrazne znížiť reznú silu a otrepy, zlepšiť kvalitu povrchu výrobku, je vhodnejšia pre hliníkové zliatiny s nízkym obsahom kremíka a iné neželezné kovy s nízkou tvrdosťou, rovnomerne opracované. Tupá okrúhla štruktúra môže pasivovať ústie čepele a vytvoriť R-uhol, účinne zabraňuje zlomeniu čepele, je vhodná na spracovanie hliníkových zliatin so stredným/vysokým obsahom kremíka. V niektorých špeciálnych prípadoch, ako je malá hĺbka rezu a malé podávanie noža, sa uprednostňuje tupá okrúhla štruktúra. Obrátená hrana môže zväčšiť hrany a rohy, stabilizovať čepeľ, ale zároveň zvyšuje tlak a odpor pri rezaní, je vhodnejšia pre rezanie hliníkových zliatin s vysokým obsahom kremíka pri vysokom zaťažení.
Pre uľahčenie EDM sa zvyčajne volí tenká vrstva PDC plechu (0,3 – 1,0 mm) plus vrstva karbidu, celková hrúbka nástroja je približne 28 mm. Vrstva karbidu by nemala byť príliš hrubá, aby sa zabránilo stratifikácii spôsobenej rozdielom napätia medzi spojovanými povrchmi.
2, proces výroby PCD nástrojov
Výrobný proces PCD nástroja priamo určuje rezný výkon a životnosť nástroja, čo je kľúčom k jeho použitiu a vývoju. Výrobný proces PCD nástroja je znázornený na obrázku 5.
(1) Výroba kompozitných tabliet PCD (PDC)
① Výrobný proces PDC
PDC sa vo všeobecnosti skladá z prírodného alebo syntetického diamantového prášku a spojiva pri vysokej teplote (1000 – 2000 ℃) a vysokom tlaku (5 – 10 atm). Spojivo tvorí spojivový mostík s TiC, Sic, Fe, Co, Ni atď. ako hlavnými zložkami a diamantový kryštál je zabudovaný do kostry spojivového mostíka vo forme kovalentnej väzby. PDC sa vo všeobecnosti vyrába do diskov s pevným priemerom a hrúbkou, brúsi sa, leští a podrobuje sa ďalším zodpovedajúcim fyzikálnym a chemickým úpravám. V podstate by ideálna forma PDC mala čo najviac zachovať vynikajúce fyzikálne vlastnosti monokryštálového diamantu, preto by malo byť v spekacom telese čo najmenej prísad a zároveň by sa mala čo najviac zachovať väzba DD častíc.
② Klasifikácia a výber spojív
Spojivo je najdôležitejším faktorom ovplyvňujúcim tepelnú stabilitu PCD nástroja, ktorý priamo ovplyvňuje jeho tvrdosť, odolnosť proti opotrebovaniu a tepelnú stabilitu. Bežné metódy spájania PCD sú: železo, kobalt, nikel a ďalšie prechodné kovy. Ako spojivo sa použil zmiešaný prášok Co a W a komplexný výkon spekania PCD bol najlepší pri syntetickom tlaku 5,5 GPa, teplote spekania 1450 ℃ a izolácii 4 minúty. SiC, TiC, WC, TiB2 a ďalšie keramické materiály. SiC má lepšiu tepelnú stabilitu ako Co, ale tvrdosť a lomová húževnatosť sú relatívne nízke. Vhodné zmenšenie veľkosti surovín môže zlepšiť tvrdosť a húževnatosť PCD. Bez použitia lepidla sa grafit alebo iné zdroje uhlíka pri ultravysokej teplote a vysokom tlaku vypália do nanoškálového polymérneho diamantu (NPD). Použitie grafitu ako prekurzora na prípravu NPD predstavuje najnáročnejšie podmienky, ale syntetický NPD má najvyššiu tvrdosť a najlepšie mechanické vlastnosti.
Výber a kontrola ③ zŕn
Diamantový prášok ako surovina je kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim výkon PCD. Predúprava diamantového mikroprášku, pridanie malého množstva látok brániacich rastu abnormálnych diamantových častíc a primeraný výber spekacích prísad môžu zabrániť rastu abnormálnych diamantových častíc.
Vysoko čistý NPD s jednotnou štruktúrou dokáže účinne eliminovať anizotropiu a ďalej zlepšiť mechanické vlastnosti. Práškový nanografitový prekurzor pripravený metódou vysokoenergetického mletia s guľôčkami sa použil na reguláciu obsahu kyslíka pri vysokoteplotnom predspekaní, čím sa grafit transformoval na diamant pri tlaku 18 GPa a teplote 2100 – 2300 ℃, čím sa vytvorili lamely a granulované NPD a tvrdosť sa zvyšovala so znižujúcou sa hrúbkou lamely.
④ Neskoré chemické ošetrenie
Pri rovnakej teplote (200 °C) a čase (20 hodín) bol účinok Lewisovej kyseliny-FeCl3 na odstránenie kobaltu výrazne lepší ako pri použití vody a optimálny pomer HCl bol 10 – 15 g / 100 ml. Tepelná stabilita PCD sa zlepšuje s rastúcou hĺbkou odstránenia kobaltu. V prípade hrubozrnného PCD môže ošetrenie silnou kyselinou úplne odstrániť Co, ale má veľký vplyv na výkonnosť polyméru; pridanie TiC a WC na zmenu syntetickej polykryštalickej štruktúry a kombinácia s ošetrením silnou kyselinou zlepšuje stabilitu PCD. V súčasnosti sa proces prípravy PCD materiálov zlepšuje, húževnatosť produktu je dobrá, anizotropia sa výrazne zlepšila, dosiahla sa komerčná výroba a súvisiace odvetvia sa rýchlo rozvíjajú.
(2) Spracovanie čepele PCD
① proces rezania
PCD má vysokú tvrdosť, dobrú odolnosť proti opotrebovaniu a náročný proces rezania.
② postup zvárania
PDC a telo noža sa spájajú mechanickým upnutím, lepením a spájkovaním. Spájkovanie spočíva v pritlačení PDC na karbidovú matricu, vrátane vákuového spájkovania, vákuového difúzneho zvárania, vysokofrekvenčného indukčného spájkovania, laserového zvárania atď. Vysokofrekvenčné indukčné spájkovanie má nízke náklady a vysokú návratnosť a je široko používané. Kvalita zvárania závisí od tavidla, zváracej zliatiny a teploty zvárania. Najväčší vplyv má teplota zvárania (vo všeobecnosti nižšia ako 700 °C). Príliš vysoká teplota môže ľahko spôsobiť grafitizáciu PCD alebo dokonca "prepálenie", čo priamo ovplyvňuje zvárací účinok. Príliš nízka teplota vedie k nedostatočnej pevnosti zvárania. Teplotu zvárania možno regulovať dobou izolácie a hĺbkou spálenia PCD.
③ proces brúsenia čepele
Brúsenie nástrojov PCD je kľúčom k výrobnému procesu. Vo všeobecnosti je maximálna hodnota čepele a čepele do 5 μm a polomer oblúka je do 4 μm; predná a zadná rezná plocha zabezpečujú určitú kvalitu povrchu a dokonca znižujú prednú reznú plochu Ra na 0,01 μm, aby splnili požiadavky na zrkadlový vzhľad, zabezpečujú tok triesok pozdĺž prednej plochy noža a zabraňujú zaseknutiu noža.
Proces brúsenia kotúčov zahŕňa mechanické brúsenie kotúčov diamantovými brúsnymi kotúčmi, brúsenie kotúčov elektrickou iskrou (EDG), brúsenie kotúčov s kovovým spojivom a supertvrdým abrazívnym brúsnym kotúčom online elektrolytickou konečnou úpravou (ELID) a brúsenie kompozitných kotúčov. Medzi nimi je mechanické brúsenie kotúčov diamantovými brúsnymi kotúčmi najvyspelejším a najpoužívanejším spôsobom.
Súvisiace experimenty: ① brúsny kotúč s hrubými časticami povedie k vážnemu zrúteniu čepele, pričom veľkosť častíc brúsneho kotúča sa zníži a kvalita čepele sa zlepší; veľkosť častíc brúsneho kotúča ② úzko súvisí s kvalitou čepele nástrojov s PCD s jemnými alebo ultrajemnými časticami, ale má obmedzený vplyv na nástroje s PCD s hrubými časticami.
Súvisiaci výskum v tuzemsku aj v zahraničí sa zameriava najmä na mechanizmus a proces brúsenia čepelí. V mechanizme brúsenia čepelí dominuje termochemické a mechanické odstraňovanie materiálu, zatiaľ čo krehkosť a únava materiálu sú relatívne malé. Pri brúsení sa v závislosti od pevnosti a tepelnej odolnosti diamantových brúsnych kotúčov s rôznymi spojivami, ktoré sa používajú v závislosti od pevnosti a tepelnej odolnosti, čo najviac zvyšuje rýchlosť a frekvenciu otáčania brúsneho kotúča, aby sa predišlo krehkosti a únave materiálu, zlepšuje sa podiel termochemického odstraňovania materiálu a znižuje sa drsnosť povrchu. Drsnosť povrchu pri suchom brúsení je nízka, ale v dôsledku vysokej teploty spracovania sa povrch nástroja ľahko spáli.
Pri brúsení čepele je potrebné venovať pozornosť nasledujúcim bodom: ① výber primeraných parametrov procesu brúsenia čepele môže zlepšiť kvalitu ostria a vyššiu kvalitu povrchu prednej a zadnej čepele. Zvážte však aj vysokú brúsnu silu, veľké straty, nízku účinnosť brúsenia a vysoké náklady; ② výber primeranej kvality brúsneho kotúča vrátane typu spojiva, veľkosti častíc, koncentrácie spojiva a opracovania brúsneho kotúča. S primeranými podmienkami brúsenia čepele za sucha a za mokra sa môžu optimalizovať predné a zadné rohy nástroja, hodnota pasivácie hrotu čepele a ďalšie parametre a zároveň sa zlepší kvalita povrchu nástroja.
Rôzne spojivá diamantových brúsnych kotúčov majú rôzne vlastnosti a rôzne mechanizmy brúsenia a účinky. Diamantový brúsny kotúč so živicovým spojivom je mäkký, brúsne častice ľahko predčasne odpadávajú, nie je tepelne odolný, povrch sa ľahko deformuje teplom, brúsny povrch čepele je náchylný na opotrebovanie, veľká drsnosť; diamantový brúsny kotúč s kovovým spojivom sa udržiava ostrý brúsením a drvením, dobrá tvárnosť a povrchová úprava, nízka drsnosť povrchu brúsneho kotúča, vyššia účinnosť, avšak schopnosť spojiva brúsnych častíc znižuje samoostrenie a na reznej hrane ľahko vzniká nárazová medzera, čo spôsobuje vážne poškodenie okrajov; diamantový brúsny kotúč s keramickým spojivom má strednú pevnosť, dobrý samoostriaci výkon, viac vnútorných pórov, priaznivé pre odstraňovanie prachu a odvod tepla, prispôsobivý rôznym chladiacim kvapalinám, nízka teplota brúsenia, brúsny kotúč sa menej opotrebuje, dobrá tvarová stáloba, najvyššia presnosť účinnosti, avšak teleso diamantového brúsneho kotúča a spojiva vedie k tvorbe jamiek na povrchu nástroja. Použitie sa riadi obrábanými materiálmi, komplexnou účinnosťou brúsenia, abrazívnou odolnosťou a kvalitou povrchu obrobku.
Výskum účinnosti brúsenia sa zameriava najmä na zlepšenie produktivity a kontrolu nákladov. Ako hodnotiace kritériá sa vo všeobecnosti používa rýchlosť brúsenia Q (úber PCD za jednotku času) a pomer opotrebenia G (pomer úberu PCD k stratám na brúsnom kotúči).
Nemecký vedec KENTER brúsil PCD nástroj konštantným tlakom, test: 1. Zvyšuje rýchlosť brúsneho kotúča, veľkosť častíc PDC a koncentrácia chladiacej kvapaliny, čím sa znižuje rýchlosť brúsenia a pomer opotrebenia; 2. Zvyšuje veľkosť brúsnych častíc, zvyšuje konštantný tlak, zvyšuje koncentráciu diamantu v brúsnom kotúči, čím sa zvyšuje rýchlosť brúsenia a pomer opotrebenia; 3. Typ spojiva je iný, rýchlosť brúsenia a pomer opotrebenia sú rôzne. KENTER Proces brúsenia čepele PCD nástroja bol systematicky študovaný, ale vplyv procesu brúsenia čepele nebol systematicky analyzovaný.
3. Použitie a zlyhanie rezných nástrojov PCD
(1) Výber rezných parametrov nástroja
Počas počiatočného obdobia používania PCD nástroja sa ostrá hrana postupne pasitovala a kvalita obrábaného povrchu sa zlepšovala. Pasivácia dokáže účinne odstrániť mikromedzery a malé otrepy vznikajúce pri brúsení čepele, zlepšiť kvalitu povrchu reznej hrany a zároveň vytvoriť kruhový polomer hrany na stlačenie a opravu obrábaného povrchu, čím sa zlepší kvalita povrchu obrobku.
Frézovanie povrchu hliníkovej zliatiny pomocou PCD nástroja, rýchlosť rezania je zvyčajne 4000 m/min, spracovanie otvorov je zvyčajne 800 m/min, spracovanie vysoko elastických plastických neželezných kovov by malo vyžadovať vyššiu rýchlosť sústruženia (300 – 1000 m/min). Objem posuvu sa zvyčajne odporúča medzi 0,08 – 0,15 mm/ot. Príliš veľký objem posuvu zvyšuje reznú silu a zvyšuje zvyškovú geometrickú plochu povrchu obrobku; príliš malý objem posuvu zvyšuje rezné teplo a zvyšuje opotrebenie. Zvyšuje sa hĺbka rezu, zvyšuje sa rezná sila, zvyšuje sa rezné teplo a skracuje sa životnosť. Nadmerná hĺbka rezu môže ľahko spôsobiť zrútenie čepele. Malá hĺbka rezu vedie k spevneniu obrábania, opotrebovaniu a dokonca aj k zrúteniu čepele.
(2) Forma opotrebenia
Pri obrábaní obrobku nástrojom je opotrebenie v dôsledku trenia, vysokej teploty a iných dôvodov nevyhnutné. Opotrebenie diamantového nástroja pozostáva z troch fáz: počiatočnej fázy rýchleho opotrebenia (známej aj ako prechodná fáza), fázy stabilného opotrebenia s konštantnou rýchlosťou opotrebenia a následnej fázy rýchleho opotrebenia. Fáza rýchleho opotrebenia naznačuje, že nástroj nefunguje a je potrebné ho prebrúsiť. Medzi formy opotrebenia rezných nástrojov patrí adhézne opotrebenie (opotrebenie zváraním za studena), difúzne opotrebenie, abrazívne opotrebenie, oxidačné opotrebenie atď.
Na rozdiel od tradičných nástrojov, nástroje z PCD sa podieľajú na adhéznom opotrebení, difúznom opotrebení a poškodení polykryštalickej vrstvy. Hlavnou príčinou opotrebenia je poškodenie polykryštalickej vrstvy, ktoré sa prejavuje ako jemné zrútenie čepele spôsobené vonkajším nárazom alebo stratou lepidla v PDC, čím sa vytvára medzera. Toto poškodenie patrí medzi fyzikálne mechanické poškodenia, ktoré môžu viesť k zníženiu presnosti spracovania a k odpadu obrobkov. Veľkosť častíc PCD, tvar čepele, uhol čepele, materiál obrobku a parametre spracovania ovplyvnia pevnosť čepele a reznú silu a následne spôsobia poškodenie polykryštalickej vrstvy. V strojárskej praxi by sa mala vhodná veľkosť častíc suroviny, parametre nástroja a parametre spracovania zvoliť podľa podmienok spracovania.
4. Trend vývoja rezných nástrojov z PCD
V súčasnosti sa rozsah použitia PCD nástrojov rozšíril z tradičného sústruženia na vŕtanie, frézovanie a vysokorýchlostné rezanie a široko sa používa doma aj v zahraničí. Rýchly rozvoj elektrických vozidiel nielenže ovplyvnil tradičný automobilový priemysel, ale priniesol aj bezprecedentné výzvy pre nástrojársky priemysel a nútil ho urýchliť optimalizáciu a inovácie.
Široké používanie rezných nástrojov PCD prehĺbilo a podporilo výskum a vývoj rezných nástrojov. S prehlbovaním výskumu sa špecifikácie PDC zmenšujú, optimalizuje sa kvalita zjemnenia zrna, zvyšuje sa rovnomernosť výkonu, zvyšuje sa rýchlosť brúsenia a miera opotrebenia a diverzifikácia tvaru a štruktúry. Smery výskumu nástrojov PCD zahŕňajú: 1. výskum a vývoj tenkých vrstiev PCD; 2. výskum a vývoj nových materiálov pre nástroje PCD; 3. výskum zameraný na lepšie zváranie nástrojov PCD a ďalšie zníženie nákladov; 5. výskum zameraný na zlepšenie procesu brúsenia čepelí nástrojov PCD s cieľom zvýšiť ich účinnosť; 6. výskum zameraný na optimalizáciu parametrov nástrojov PCD a ich použitie podľa miestnych podmienok; 7. výskum zameraný na racionálny výber parametrov rezania podľa spracovávaných materiálov.
stručné zhrnutie
(1) Rezný výkon nástroja PCD, ktorý kompenzuje nedostatok mnohých karbidových nástrojov; zároveň je cena oveľa nižšia ako cena diamantového nástroja s monokryštálmi, čo je v modernom rezaní sľubný nástroj;
(2) Podľa typu a výkonu spracovávaných materiálov, primeraný výber veľkosti častíc a parametrov PCD nástrojov, čo je predpokladom výroby a používania nástrojov,
(3) Materiál PCD má vysokú tvrdosť, čo je ideálny materiál na výrobu rezacích nožov, ale zároveň prináša ťažkosti s výrobou rezných nástrojov. Pri výrobe je potrebné komplexne zvážiť náročnosť procesu a požiadavky na spracovanie, aby sa dosiahla čo najlepšia nákladová výkonnosť;
(4) Pri obrábaní materiálov s PCD v okrese nožov by sme mali rozumne voliť parametre rezania na základe splnenia výkonu produktu, aby sme čo najviac predĺžili životnosť nástroja a dosiahli rovnováhu medzi životnosťou nástroja, efektivitou výroby a kvalitou produktu;
(5) Výskum a vývoj nových materiálov pre nástroje z PCD s cieľom prekonať ich inherentné nevýhody
Tento článok pochádza z „sieť supertvrdých materiálov"
Čas uverejnenia: 25. marca 2025
