PCD-verktøyet er laget av polykrystallinsk diamantknivspiss og karbidmatrise gjennom sintring ved høy temperatur og høyt trykk. Det kan ikke bare utnytte fordelene med høy hardhet, høy varmeledningsevne, lav friksjonskoeffisient, lav varmeutvidelseskoeffisient, liten affinitet med metall og ikke-metall, høy elastisitetsmodul, ingen kløyvingsoverflate, isotropisk form, men tar også hensyn til den høye styrken til hardlegeringer.
Termisk stabilitet, slagfasthet og slitestyrke er de viktigste ytelsesindikatorene for PCD. Fordi den hovedsakelig brukes i miljøer med høy temperatur og høy belastning, er termisk stabilitet det viktigste. Studien viser at den termiske stabiliteten til PCD har stor innvirkning på dens slitestyrke og slagfasthet. Dataene viser at når temperaturen er høyere enn 750 ℃, reduseres slitestyrken og slagfastheten til PCD generelt med 5 % -10 %.
Krystalltilstanden til PCD bestemmer dens egenskaper. I mikrostrukturen danner karbonatomer kovalente bindinger med fire tilstøtende atomer, oppnår en tetraedrisk struktur, og danner deretter atomkrystaller med sterk orienterings- og bindingskraft og høy hardhet. De viktigste ytelsesindeksene for PCD er som følger: ① hardheten kan nå 8000 HV, 8-12 ganger karbid; ② varmeledningsevnen er 700 W / mK, 1,5-9 ganger høyere enn PCBN og kobber; ③ friksjonskoeffisienten er vanligvis bare 0,1-0,3, mye mindre enn 0,4-1 for karbid, noe som reduserer skjærekraften betydelig; ④ varmeekspansjonskoeffisienten er bare 0,9x10-6-1,18x10-6,1/5 for karbid, noe som kan redusere termisk deformasjon og forbedre prosesseringsnøyaktigheten; ⑤ og ikke-metalliske materialer har mindre tilbøyelighet til å danne noduler.
Kubisk bornitrid har sterk oksidasjonsmotstand og kan bearbeide jernholdige materialer, men hardheten er lavere enn for enkeltkrystalldiamant, prosesseringshastigheten er langsom og effektiviteten er lav. Enkeltkrystalldiamant har høy hardhet, men seigheten er utilstrekkelig. Anisotropi gjør det enkelt å dissosiere langs (111)-overflaten under påvirkning av ytre krefter, og prosesseringseffektiviteten er begrenset. PCD er en polymer syntetisert av mikronstore diamantpartikler på visse måter. Den kaotiske naturen til den uordnede akkumuleringen av partikler fører til dens makroskopiske isotrope natur, og det er ingen retningsbestemt og kløyvende overflate i strekkfastheten. Sammenlignet med enkeltkrystalldiamant reduserer korngrensen til PCD effektivt anisotropien og optimaliserer de mekaniske egenskapene.
1. Designprinsipper for PCD-skjæreverktøy
(1) Rimelig valg av PCD-partikkelstørrelse
Teoretisk sett bør PCD forsøke å raffinere kornene, og fordelingen av tilsetningsstoffer mellom produktene bør være så jevn som mulig for å overvinne anisotropien. Valget av PCD-partikkelstørrelse er også relatert til prosesseringsforholdene. Generelt sett kan PCD med høy styrke, god seighet, god slagfasthet og finkornethet brukes til etterbehandling eller superfinishing, og PCD med grovkornethet kan brukes til generell grovmaskinering. PCD-partikkelstørrelsen kan påvirke verktøyets slitasjeytelse betydelig. Relevant litteratur påpeker at når råmaterialets korn er stort, øker slitasjemotstanden gradvis med minkingen av kornstørrelsen, men når kornstørrelsen er svært liten, gjelder ikke denne regelen.
Relaterte eksperimenter valgte fire diamantpulver med gjennomsnittlige partikkelstørrelser på 10 µm, 5 µm, 2 µm og 1 µm, og det ble konkludert med at: ① Med reduksjonen i partikkelstørrelsen på råmaterialet diffunderer Co jevnere; med reduksjonen av ②, reduseres slitestyrken og varmebestandigheten til PCD gradvis.
(2) Rimelig valg av bladmunnform og bladtykkelse
Bladåpningen har hovedsakelig fire strukturer: invertert egg, sløv sirkel, invertert egg, sløv sirkel, kompositt og skarp vinkel. Den skarpe, vinkelformede strukturen gjør eggen skarp, skjærehastigheten er høy, kan redusere skjærekraften og graden betydelig, forbedre overflatekvaliteten på produktet, er mer egnet for lavsilisiumaluminiumlegering og andre lavharde, jevne ikke-jernholdige metaller. Den stumpe, runde strukturen kan passivere bladåpningen, danne R-vinkel, effektivt forhindre bladbrudd, egnet for bearbeiding av middels/høysilisiumaluminiumlegering. I noen spesielle tilfeller, for eksempel grunn skjæredybde og liten knivmating, foretrekkes en sløv, rund struktur. Den inverterte eggstrukturen kan øke kantene og hjørnene, stabilisere bladet, men samtidig øke trykket og skjæremotstanden, mer egnet for tung belastningsskjæring av høysilisiumaluminiumlegering.
For å forenkle gnistgnist, velges vanligvis et tynt PDC-platelag (0,3–1,0 mm), pluss et karbidlag. Verktøyets totale tykkelse er omtrent 28 mm. Karbidlaget bør ikke være for tykt for å unngå lagdeling forårsaket av spenningsforskjellen mellom bindingsflatene.
2, PCD-verktøyproduksjonsprosess
Produksjonsprosessen til PCD-verktøyet bestemmer direkte skjæreytelsen og levetiden til verktøyet, som er nøkkelen til dets anvendelse og utvikling. Produksjonsprosessen til PCD-verktøyet er vist i figur 5.
(1) Produksjon av PCD-kompositttabletter (PDC)
① Produksjonsprosess for PDC
PDC består vanligvis av naturlig eller syntetisk diamantpulver og bindemiddel ved høy temperatur (1000–2000 ℃) og høyt trykk (5–10 atm). Bindemidlet danner en bindingsbro med TiC, Sic, Fe, Co, Ni osv. som hovedkomponenter, og diamantkrystallen er innebygd i bindingsbroens skjelett i form av en kovalent binding. PDC lages vanligvis til skiver med fast diameter og tykkelse, og slipes og poleres og andre tilsvarende fysiske og kjemiske behandlinger utføres. I hovedsak bør den ideelle formen for PDC beholde de utmerkede fysiske egenskapene til enkrystalldiamant så mye som mulig. Derfor bør tilsetningsstoffene i sintringslegemet være så få som mulig, samtidig som partikkel-DD-bindingskombinasjonen bør være så mye som mulig.
② Klassifisering og valg av bindemidler
Bindemidlet er den viktigste faktoren som påvirker den termiske stabiliteten til PCD-verktøyet, noe som direkte påvirker dets hardhet, slitestyrke og termiske stabilitet. Vanlige PCD-bindingsmetoder er: jern, kobolt, nikkel og andre overgangsmetaller. Co og W blandet pulver ble brukt som bindemiddel, og den omfattende ytelsen til sintrings-PCD var best når syntesetrykket var 5,5 GPa, sintringstemperaturen var 1450 ℃ og isolasjonen varte i 4 minutter. SiC, TiC, WC, TiB2 og andre keramiske materialer. SiC Den termiske stabiliteten til SiC er bedre enn Co, men hardheten og bruddseigheten er relativt lav. Riktig reduksjon av råmaterialestørrelsen kan forbedre hardheten og seigheten til PCD. Ingen lim, med grafitt eller andre karbonkilder ved ultrahøy temperatur og høyt trykk brent til en nanoskala polymerdiamant (NPD). Bruk av grafitt som forløper for å fremstille NPD er de mest krevende forholdene, men den syntetiske NPD har den høyeste hardheten og de beste mekaniske egenskapene.
Utvalg og kontroll av ③-korn
Råmaterialet diamantpulver er en nøkkelfaktor som påvirker ytelsen til PCD. Forbehandling av diamantmikropulver, tilsetning av en liten mengde stoffer som hindrer unormal diamantpartikkelvekst og rimelig valg av sintringsadditiver kan hemme veksten av unormale diamantpartikler.
Høyrent NPD med en jevn struktur kan effektivt eliminere anisotropien og ytterligere forbedre de mekaniske egenskapene. Nanografittforløperpulveret fremstilt ved høyenergikulesliping ble brukt til å regulere oksygeninnholdet ved høytemperaturpresintring, og omdanne grafitt til diamant under 18 GPa og 2100–2300 ℃, noe som genererte lameller og granulær NPD, og hardheten økte med redusert lamelltykkelse.
④ Sen kjemisk behandling
Ved samme temperatur (200 °℃) og tid (20 timer) var koboltfjerningseffekten av Lewis-syre-FeCl3 betydelig bedre enn for vann, og det optimale forholdet mellom HCl var 10–15 g/100 ml. Den termiske stabiliteten til PCD forbedres etter hvert som koboltfjerningsdybden øker. For grovkornet PCD med vekst kan sterk syrebehandling fjerne Co fullstendig, men det har stor innflytelse på polymerens ytelse. Tilsetning av TiC og WC endrer den syntetiske polykrystallstrukturen, og kombinasjon med sterk syrebehandling forbedrer stabiliteten til PCD. For tiden forbedres fremstillingsprosessen for PCD-materialer, produktets seighet er god, anisotropien er betydelig forbedret, kommersiell produksjon er mulig, og relaterte industrier utvikler seg raskt.
(2) Bearbeiding av PCD-bladet
① skjæreprosess
PCD har høy hardhet, god slitestyrke og vanskelig skjæreprosess.
② sveiseprosedyre
PDC og knivkroppen festes mekanisk, limes og loddes. Lodding er å presse PDC mot karbidmatrisen, inkludert vakuumlodding, vakuumdiffusjonssveising, høyfrekvent induksjonsvarmelodding, lasersveising, etc. Høyfrekvent induksjonsvarmelodding har lave kostnader og høy avkastning, og har blitt mye brukt. Sveisekvaliteten er relatert til fluks, sveiselegering og sveisetemperatur. Sveisetemperaturen (generelt lavere enn 700 ° ℃) har størst innvirkning. For høy temperatur er lett å forårsake PCD-grafittisering, eller til og med "overbrenning", noe som direkte påvirker sveiseeffekten, og for lav temperatur vil føre til utilstrekkelig sveisestyrke. Sveisetemperaturen kan kontrolleres av isolasjonstiden og dybden av PCD-rødheten.
③ bladslipingsprosess
PCD-verktøyslipeprosessen er nøkkelen til produksjonsprosessen. Vanligvis er toppverdien til bladet og bladet innenfor 5 µm, og bueradiusen er innenfor 4 µm. Den fremre og bakre skjæreflaten sikrer en viss overflatefinish, og reduserer til og med den fremre skjæreflaten Ra til 0,01 μm for å oppfylle speilkravene, slik at sponene flyter langs den fremre knivoverflaten og forhindrer at kniven setter seg fast.
Bladslipeprosessen inkluderer mekanisk bladsliping av diamantslipeskiver, elektrisk gnistsliping av blader (EDG), superhard slipeskive for metallbindemidler med slipemiddel på nett, elektrolytisk etterbehandling av blader (ELID), og maskinering av komposittblader. Blant disse er mekanisk bladsliping av diamantslipeskiver den mest modne og mest brukte.
Relaterte eksperimenter: ① grovpartikkelslipeskiven vil føre til alvorlig bladkollaps, og partikkelstørrelsen på slipeskiven reduseres, og bladkvaliteten blir bedre; partikkelstørrelsen på ② slipeskiven er nært knyttet til bladkvaliteten til PCD-verktøy for fine partikler eller ultrafine partikler, men har begrenset effekt på grovpartikkel-PCD-verktøy.
Relatert forskning i inn- og utland fokuserer hovedsakelig på mekanismen og prosessen for bladsliping. I bladslipemekanismen er termokjemisk fjerning og mekanisk fjerning dominerende, og sprøhetsfjerning og utmattingsfjerning er relativt små. Ved sliping, i henhold til styrken og varmebestandigheten til forskjellige diamantslipeskiver med bindemiddel, forbedres hastigheten og svingfrekvensen til slipeskiven så langt som mulig, unngå sprøhets- og utmattingsfjerning, forbedres andelen termokjemisk fjerning og reduseres overflateruhet. Overflateruheten ved tørrsliping er lav, men lett på grunn av høy prosesseringstemperatur, brenner verktøyoverflaten,
Ved sliping av bladet må man være oppmerksom på følgende: ① å velge rimelige parametere for bladsliping, noe som kan gi bedre kvalitet på eggåpningen og bedre overflatefinish på for- og baksiden av bladet. Imidlertid bør man også vurdere høy slipekraft, stort tap, lav slipeeffektivitet og høye kostnader; ② å velge rimelig kvalitet på slipeskiven, inkludert bindemiddeltype, partikkelstørrelse, konsentrasjon, bindemiddel, slipeskivebehandling, og rimelige tørre og våte slipeforhold for bladet, kan optimalisere verktøyets for- og bakhjørne, passiveringsverdi for knivspissen og andre parametere, samtidig som verktøyets overflatekvalitet forbedres.
Ulike diamantslipeskiver med bindemiddel har forskjellige egenskaper og ulik slipemekanisme og -effekt. Diamantslipeskiven med harpiksbindemiddel er myk, slipepartiklene faller lett av for tidlig, har ikke varmebestandighet, overflaten deformeres lett av varme, slipeoverflaten på bladet er utsatt for slitasjemerker, stor ruhet; diamantslipeskiven med metallbindemiddel holdes skarp ved sliping og knusing, god formbarhet, overflatebehandling, lav overflateruhet på bladet, høyere effektivitet, men slipepartiklenes bindingsevne gjør selvslipingen dårlig, og skjærekanten etterlater lett et støtgap, noe som forårsaker alvorlig marginalskade; diamantslipeskiven med keramisk bindemiddel har moderat styrke, god selveksitasjonsytelse, flere indre porer, favoriserer støvfjerning og varmespredning, kan tilpasse seg en rekke kjølevæsker, lav slipetemperatur, slipeskiven er mindre slitt, god formbevaring, nøyaktighet med høyest effektivitet, men diamantslipemiddelets og bindemiddelets sammensetning fører til dannelse av groper på verktøyoverflaten. Bruk i henhold til bearbeidingsmaterialene, omfattende slipeeffektivitet, slipebestandighet og overflatekvalitet på arbeidsstykket.
Forskningen på slipeeffektivitet fokuserer hovedsakelig på å forbedre produktiviteten og kontrollere kostnader. Generelt brukes slipehastighet Q (PCD-fjerning per tidsenhet) og slitasjeforhold G (forholdet mellom PCD-fjerning og slipeskivetap) som evalueringskriterier.
Den tyske forskeren KENTER sliper PCD-verktøy med konstant trykk, test: 1. øker slipeskivens hastighet, PDC-partikkelstørrelsen og kjølevæskekonsentrasjonen reduseres, slipehastigheten og slitasjeforholdet reduseres; 2. øker slipepartikkelstørrelsen, øker det konstante trykket, øker konsentrasjonen av diamant i slipeskiven, slipehastigheten og slitasjeforholdet øker; 3. bindemiddeltypen er forskjellig, slipehastigheten og slitasjeforholdet er forskjellig. KENTER Bladslipeprosessen til PCD-verktøyet ble studert systematisk, men påvirkningen av bladslipeprosessen ble ikke analysert systematisk.
3. Bruk og svikt av PCD-skjæreverktøy
(1) Valg av verktøyskjæreparametere
I løpet av den innledende perioden med PCD-verktøyet ble den skarpe kanten gradvis passittert, og kvaliteten på maskineringsoverflaten ble bedre. Passivering kan effektivt fjerne mikrogap og små grader forårsaket av bladsliping, forbedre overflatekvaliteten på skjærekanten, og samtidig danne en sirkulær kantradius for å klemme og reparere den bearbeidede overflaten, og dermed forbedre overflatekvaliteten på arbeidsstykket.
PCD-verktøy for overflatefresing av aluminiumslegering, skjærehastigheten er vanligvis 4000 m/min, hullfresing er vanligvis 800 m/min, og bearbeiding av høyelastisk plastisk ikke-jernholdig metall bør kreve høyere dreiehastighet (300-1000 m/min). Matevolum anbefales vanligvis mellom 0,08-0,15 mm/rpm. For stort matevolum, økt skjærekraft, økt gjenværende geometrisk areal på arbeidsstykkets overflate; for lite matevolum, økt skjærevarme og økt slitasje. Økt skjæredybde, økende skjærekraft, økende skjærevarme og redusert levetid. For stor skjæredybde kan lett føre til bladkollaps. Liten skjæredybde vil føre til maskinherding, slitasje og til og med bladkollaps.
(2) Slitasjeform
Verktøybearbeidingsarbeidsstykket slites uunngåelig på grunn av friksjon, høy temperatur og andre årsaker. Slitasjen på diamantverktøyet består av tre stadier: den innledende raske slitasjefasen (også kjent som overgangsfasen), den stabile slitasjefasen med konstant slitasjehastighet, og den påfølgende raske slitasjefasen. Den raske slitasjefasen indikerer at verktøyet ikke fungerer og trenger sliping. Slitasjeformene for skjæreverktøy inkluderer limslitasje (kaldsveiseslitasje), diffusjonsslitasje, slipeslitasje, oksidasjonsslitasje, etc.
I motsetning til tradisjonelle verktøy, er slitasjeformen til PCD-verktøy limslitasje, diffusjonsslitasje og skade på det polykrystallinske laget. Blant disse er skade på polykrystalllaget hovedårsaken, som manifesterer seg som et subtilt bladkollaps forårsaket av ytre støt eller tap av lim i PDC, noe som danner et gap, som tilhører fysisk mekanisk skade, noe som kan føre til redusert prosesseringspresisjon og skraping av arbeidsstykker. PCD-partikkelstørrelse, bladform, bladvinkel, arbeidsstykkemateriale og prosesseringsparametere vil påvirke bladets bladstyrke og skjærekraft, og deretter forårsake skade på polykrystalllaget. I ingeniørpraksis bør passende råmaterialepartikkelstørrelse, verktøyparametere og prosesseringsparametere velges i henhold til prosesseringsforholdene.
4. Utviklingstrend for PCD-skjæreverktøy
For tiden har bruksområdet til PCD-verktøy blitt utvidet fra tradisjonell dreiing til boring, fresing og høyhastighetskutting, og har blitt mye brukt i inn- og utland. Den raske utviklingen av elektriske kjøretøy har ikke bare påvirket den tradisjonelle bilindustrien, men også ført til enestående utfordringer for verktøyindustrien, noe som har oppfordret verktøyindustrien til å akselerere optimalisering og innovasjon.
Den brede bruken av PCD-skjæreverktøy har fordypet og fremmet forskningen og utviklingen av skjæreverktøy. Med den økende forskningen blir PDC-spesifikasjonene stadig mindre, optimalisering av kornforfining, ytelseselegering, slipehastighet og slitasjeforhold blir stadig høyere, og form og struktur diversifisering. Forskningsretningene for PCD-verktøy inkluderer: ① forskning og utvikling av tynne PCD-lag; ② forskning og utvikling av nye PCD-verktøymaterialer; ③ forskning for å bedre sveising av PCD-verktøy og ytterligere redusere kostnader; ④ forskning forbedrer slipeprosessen for PCD-verktøyblad for å forbedre effektiviteten; ⑤ forskning optimaliserer PCD-verktøyparametere og bruker verktøy i henhold til lokale forhold; ⑥ forskning velger skjæreparametere på en rasjonell måte i henhold til de bearbeidede materialene.
kort sammendrag
(1) PCD-verktøyets skjæreytelse kompenserer for mangelen på mange hardmetallverktøy; samtidig er prisen mye lavere enn enkeltkrystalldiamantverktøy, og er et lovende verktøy i moderne skjæring;
(2) I henhold til typen og ytelsen til de bearbeidede materialene, et rimelig utvalg av partikkelstørrelse og parametere for PCD-verktøy, som er forutsetningen for verktøyproduksjon og -bruk,
(3) PCD-materiale har høy hardhet, som er det ideelle materialet for skjærekniver, men det medfører også vanskeligheter for produksjon av skjæreverktøy. Ved produksjon bør man ta hensyn til prosessvanskeligheter og prosesseringsbehov for å oppnå best mulig kostnadsytelse.
(4) PCD-bearbeidingsmaterialer i knivfylket bør velges med rimelighet, basert på produktets ytelse, for å forlenge verktøyets levetid så langt som mulig for å oppnå en balanse mellom verktøyets levetid, produksjonseffektivitet og produktkvalitet;
(5) Forskning og utvikling av nye PCD-verktøymaterialer for å overvinne de iboende ulempene
Denne artikkelen er hentet fra «superhardt materialnettverk"
Publisert: 25. mars 2025
