PCD instruments ir izgatavots no polikristāliska dimanta naža gala un karbīda matricas, izmantojot augstas temperatūras un augstspiediena sintēzes metodi. Tas ne tikai pilnībā izmanto tādas priekšrocības kā augsta cietība, augsta siltumvadītspēja, zems berzes koeficients, zems termiskās izplešanās koeficients, maza afinitāte pret metālu un nemetālu, augsts elastības modulis, virsmas nešķelšanās, izotropisms, bet arī ņem vērā cieto sakausējumu augsto izturību.
Termiskā stabilitāte, triecienizturība un nodilumizturība ir galvenie PCD veiktspējas rādītāji. Tā kā to galvenokārt izmanto augstas temperatūras un augsta sprieguma vidē, termiskā stabilitāte ir vissvarīgākā. Pētījums liecina, ka PCD termiskajai stabilitātei ir liela ietekme uz tā nodilumizturību un triecienizturību. Dati liecina, ka, ja temperatūra pārsniedz 750 ℃, PCD nodilumizturība un triecienizturība parasti samazinās par 5–10%.
PCD kristāliskais stāvoklis nosaka tā īpašības. Mikrostruktūrā oglekļa atomi veido kovalentās saites ar četriem blakus esošiem atomiem, iegūstot tetraedrisko struktūru un pēc tam veidojot atomu kristālu ar spēcīgu orientāciju un saistīšanās spēku, kā arī augstu cietību. PCD galvenie veiktspējas rādītāji ir šādi: 1. cietība var sasniegt 8000 HV, kas ir 8–12 reizes lielāka nekā karbīdam; 2. siltumvadītspēja ir 700 W/mK, kas ir 1,5–9 reizes lielāka nekā PCBN un varam; 3. berzes koeficients parasti ir tikai 0,1–0,3, kas ir daudz mazāks nekā 0,4–1 karbīdam, kas ievērojami samazina griešanas spēku; 4. termiskās izplešanās koeficients ir tikai 0,9x10⁻⁶–1,18x10⁻⁶/5 karbīdam, kas var samazināt termisko deformāciju un uzlabot apstrādes precizitāti; 5. un nemetāliskiem materiāliem ir mazāka afinitāte veidot mezgliņus.
Kubiskajam bora nitrīdam ir spēcīga oksidēšanās izturība un tas var apstrādāt dzelzi saturošus materiālus, taču tā cietība ir zemāka nekā monokristāla dimantam, apstrādes ātrums ir lēns un efektivitāte ir zema. Monokristāla dimantam ir augsta cietība, bet tā izturība ir nepietiekama. Anizotropija atvieglo tā sadalīšanos gar (111) virsmu ārēja spēka ietekmē, un apstrādes efektivitāte ir ierobežota. PCD ir polimērs, ko noteiktā veidā sintezē mikronu izmēra dimanta daļiņas. Daļiņu nesakārtotās uzkrāšanās haotiskais raksturs noved pie tā makroskopiskās izotropiskās dabas, un stiepes izturībai nav virziena un šķelšanās virsmas. Salīdzinot ar monokristāla dimantu, PCD graudu robeža efektīvi samazina anizotropiju un optimizē mehāniskās īpašības.
1. PCD griezējinstrumentu projektēšanas principi
(1) Saprātīga PCD daļiņu izmēra izvēle
Teorētiski PCD vajadzētu censties smalki apstrādāt graudus, un piedevu sadalījumam starp produktiem jābūt pēc iespējas vienmērīgākam, lai pārvarētu anizotropiju. PCD daļiņu izmēra izvēle ir saistīta arī ar apstrādes apstākļiem. Vispārīgi runājot, PCD ar augstu izturību, labu sīkstumu, labu triecienizturību un smalkiem graudiem var izmantot apdarei vai superapstrādei, un PCD ar rupjiem graudiem var izmantot vispārējai rupjai apstrādei. PCD daļiņu izmērs var būtiski ietekmēt instrumenta nodilumizturību. Attiecīgajā literatūrā norādīts, ka, ja izejmateriāla graudi ir lieli, nodilumizturība pakāpeniski palielinās, samazinoties graudu izmēram, bet, ja graudu izmērs ir ļoti mazs, šis noteikums nav piemērojams.
Saistītos eksperimentos tika atlasīti četri dimanta pulveri ar vidējo daļiņu izmēru 10 μm, 5 μm, 2 μm un 1 μm, un tika secināts, ka: 1. Samazinoties izejmateriāla daļiņu izmēram, Co izkliedējas vienmērīgāk; samazinoties 2. izmēram, PCD nodilumizturība un karstumizturība pakāpeniski samazinājās.
(2) Saprātīga asmens mutes formas un asmens biezuma izvēle
Asmens atveres forma galvenokārt ietver četras struktūras: apgriezta mala, neass aplis, apgriezta mala ar neasu apli, kompozīts ar apgrieztu malu un asu leņķi. Asa leņķiskā struktūra padara asmeni asu, griešanas ātrums ir liels, var ievērojami samazināt griešanas spēku un raupjumu, uzlabot izstrādājuma virsmas kvalitāti, vairāk piemērots zema silīcija alumīnija sakausējumiem un citiem zemas cietības krāsaino metālu apdarei. Neasa apaļa struktūra var pasivēt asmens atveri, veidojot R leņķi, efektīvi novēršot asmens lūzumu, ir piemērota vidēja/augsta silīcija alumīnija sakausējumu apstrādei. Dažos īpašos gadījumos, piemēram, seklā griešanas dziļumā un nelielā naža padevē, priekšroka dodama neasai apaļai struktūrai. Apgriezta mala var palielināt malas un stūrus, stabilizēt asmeni, bet vienlaikus palielinās spiediens un griešanas pretestība, vairāk piemērots augsta silīcija alumīnija sakausējumu griešanai ar lielu slodzi.
Lai atvieglotu EDM apstrādi, parasti izvēlas plānu PDC loksnes slāni (0,3–1,0 mm) plus karbīda slāni, instrumenta kopējais biezums ir aptuveni 28 mm. Karbīda slānim nevajadzētu būt pārāk biezam, lai izvairītos no noslāņošanās, ko izraisa sprieguma atšķirības starp savienojamajām virsmām.
2, PCD instrumentu ražošanas process
PCD instrumenta ražošanas process tieši nosaka instrumenta griešanas veiktspēju un kalpošanas laiku, kas ir tā pielietojuma un attīstības atslēga. PCD instrumenta ražošanas process ir parādīts 5. attēlā.
(1) PCD kompozītmateriālu tablešu (PDC) ražošana
① PDC ražošanas process
PDC parasti sastāv no dabīga vai sintētiska dimanta pulvera un saistvielas augstā temperatūrā (1000–2000 ℃) un augstā spiedienā (5–10 atm). Saistviela veido saistīšanas tiltiņu ar TiC, Sic, Fe, Co, Ni u. c. galvenajām sastāvdaļām, un dimanta kristāls kovalentās saites veidā ir iestrādāts saistīšanas tiltiņa karkasā. PDC parasti tiek izgatavots disku veidā ar fiksētu diametru un biezumu, un to slīpē, pulē un veic citas atbilstošas fizikālās un ķīmiskās apstrādes. Būtībā ideālajai PDC formai pēc iespējas jāsaglabā monokristāla dimanta lieliskās fizikālās īpašības, tāpēc saķepināšanas ķermenī jābūt pēc iespējas mazākam piedevu daudzumam, vienlaikus pēc iespējas lielākam daļiņu DD saišu savienojumam.
② Saistvielu klasifikācija un izvēle
Saistviela ir vissvarīgākais faktors, kas ietekmē PCD instrumenta termisko stabilitāti, kas tieši ietekmē tā cietību, nodilumizturību un termisko stabilitāti. Izplatītākās PCD savienošanas metodes ir: dzelzs, kobalts, niķelis un citi pārejas metāli. Kā saistviela tika izmantots Co un W jaukts pulveris, un sintēzes PCD visaptverošā veiktspēja bija vislabākā, ja sintēzes spiediens bija 5,5 GPa, sintēzes temperatūra bija 1450 ℃ un izolācija bija 4 minūtes. SiC, TiC, WC, TiB2 un citi keramikas materiāli. SiC. SiC termiskā stabilitāte ir labāka nekā Co, bet cietība un plaisāšanas izturība ir relatīvi zema. Atbilstoša izejvielu izmēra samazināšana var uzlabot PCD cietību un izturību. Bez līmes, izmantojot grafītu vai citus oglekļa avotus īpaši augstā temperatūrā un augstā spiedienā, tiek sadedzināts nanoskalas polimēra dimants (NPD). Grafīta izmantošana kā prekursors NPD pagatavošanai ir vissarežģītākie apstākļi, taču sintētiskajam NPD ir visaugstākā cietība un labākās mehāniskās īpašības.
③ graudu atlase un kontrole
Izejviela dimanta pulveris ir galvenais faktors, kas ietekmē PCD veiktspēju. Dimanta mikropulvera iepriekšēja apstrāde, neliela daudzuma vielu pievienošana, kas kavē patoloģisku dimanta daļiņu augšanu, un saprātīga saķepināšanas piedevu izvēle var kavēt patoloģisku dimanta daļiņu augšanu.
Augstas tīrības pakāpes NPD ar vienmērīgu struktūru var efektīvi novērst anizotropiju un vēl vairāk uzlabot mehāniskās īpašības. Ar augstas enerģijas lodīšu slīpēšanas metodi sagatavots nanografīta prekursora pulveris tika izmantots, lai regulētu skābekļa saturu augstas temperatūras iepriekšējas saķepināšanas laikā, pārveidojot grafītu par dimantu zem 18 GPa spiediena un 2100–2300 ℃ temperatūrā, radot lameļu un granulētu NPD, un cietība palielinājās, samazinoties lameļu biezumam.
④ Vēla ķīmiskā apstrāde
Tajā pašā temperatūrā (200 °℃) un laikā (20 h) Luisa skābes-FeCl3 kobalta atdalīšanas efekts bija ievērojami labāks nekā ūdenim, un optimālā HCl attiecība bija 10–15 g / 100 ml. PCD termiskā stabilitāte uzlabojas, palielinoties kobalta atdalīšanas dziļumam. Rupjgraudainai PCD audzēšanai spēcīga skābes apstrāde var pilnībā noņemt Co, bet tai ir liela ietekme uz polimēra veiktspēju; pievienojot TiC un WC, lai mainītu sintētisko polikristālisko struktūru, un kombinējot ar spēcīgu skābes apstrādi, lai uzlabotu PCD stabilitāti. Pašlaik PCD materiālu sagatavošanas process uzlabojas, produkta izturība ir laba, anizotropija ir ievērojami uzlabojusies, ir realizēta komerciāla ražošana, un saistītās nozares strauji attīstās.
(2) PCD asmens apstrāde
① griešanas process
PCD ir augsta cietība, laba nodilumizturība un ļoti sarežģīts griešanas process.
② metināšanas procedūra
PDC un naža korpuss tiek savienoti ar mehānisku skavu, līmēšanu un lodēšanu. Lodēšana ir PDC piespiešana pie karbīda matricas, tostarp vakuuma lodēšana, vakuuma difūzijas metināšana, augstfrekvences indukcijas lodēšana, lāzera metināšana utt. Augstas frekvences indukcijas lodēšana ir lēta un atdeves ziņā izdevīga, tāpēc tā ir plaši izmantota. Metināšanas kvalitāte ir saistīta ar plūsmu, metināšanas sakausējumu un metināšanas temperatūru. Metināšanas temperatūrai (parasti zemākai par 700 °C) ir vislielākā ietekme, pārāk augsta temperatūra var viegli izraisīt PCD grafitizāciju vai pat "pārdegšanu", kas tieši ietekmē metināšanas efektu, un pārāk zema temperatūra novedīs pie nepietiekamas metināšanas stiprības. Metināšanas temperatūru var kontrolēt ar izolācijas laiku un PCD apsārtuma dziļumu.
③ asmens slīpēšanas process
PCD instrumentu slīpēšanas process ir ražošanas procesa atslēga. Parasti asmens un asmens maksimālā vērtība ir 5 μm robežās, un loka rādiuss ir 4 μm robežās; priekšējā un aizmugurējā griešanas virsma nodrošina noteiktu virsmas apdari un pat samazina priekšējās griešanas virsmas Ra vērtību līdz 0,01 μm, lai atbilstu spoguļa prasībām, nodrošinātu skaidu plūsmu gar priekšējā naža virsmu un novērstu naža salipšanu.
Asmens slīpēšanas procesi ietver dimanta slīpripas mehānisko asmeņu slīpēšanu, elektriskās dzirksteles asmeņu slīpēšanu (EDG), metāla saistvielas supercieto abrazīvo slīpripu tiešsaistes elektrolītiskās apdares asmeņu slīpēšanu (ELID), kompozītmateriālu asmeņu slīpēšanu un apstrādi. Starp tiem dimanta slīpripas mehāniskā asmeņu slīpēšana ir visnobriedušākā un visplašāk izmantotā metode.
Saistītie eksperimenti: ① rupjo daļiņu slīpripa novedīs pie nopietna asmens sabrukšanas, un slīpripas daļiņu izmērs samazinās, un asmens kvalitāte uzlabojas; ② slīpripas daļiņu izmērs ir cieši saistīts ar smalko daļiņu vai īpaši smalko daļiņu PCD instrumentu asmens kvalitāti, bet tam ir ierobežota ietekme uz rupjo daļiņu PCD instrumentiem.
Saistītie pētījumi gan mājās, gan ārzemēs galvenokārt ir vērsti uz asmeņu slīpēšanas mehānismu un procesu. Asmens slīpēšanas mehānismā dominējošā ir termoķīmiskā un mehāniskā noņemšana, un trausluma noņemšana un noguruma noņemšana ir relatīvi neliela. Slīpējot, atkarībā no dažādu saistvielu stiprības un karstumizturības dimanta slīpripām, pēc iespējas jāuzlabo slīpripas ātrums un rotācijas frekvence, jāizvairās no trausluma un noguruma noņemšanas, jāuzlabo termoķīmiskās noņemšanas īpatsvars un jāsamazina virsmas raupjums. Sausās slīpēšanas virsmas raupjums ir zems, bet augstās apstrādes temperatūras dēļ instrumenta virsma viegli apdeg.
Asmens slīpēšanas procesā jāpievērš uzmanība šādiem aspektiem: 1. Izvēlieties saprātīgus asmens slīpēšanas procesa parametrus, lai uzlabotu asmeņu kvalitāti un priekšējās un aizmugurējās asmens virsmas apdari. Tomēr ņemiet vērā arī lielo slīpēšanas spēku, lielos zudumus, zemo slīpēšanas efektivitāti un augstās izmaksas; 2. Izvēlieties saprātīgu slīpripas kvalitāti, tostarp saistvielas veidu, daļiņu izmēru, koncentrāciju, saistvielu un slīpripas apstrādi, lai ar saprātīgiem sausas un mitras asmens slīpēšanas apstākļiem optimizētu instrumenta priekšējo un aizmugurējo stūri, naža gala pasivācijas vērtību un citus parametrus, vienlaikus uzlabojot instrumenta virsmas kvalitāti.
Dažādām dimanta slīpripām ar sveķu saistvielu ir atšķirīgas īpašības, kā arī atšķirīgs slīpēšanas mehānisms un efekts. Dimanta slīpripas ar sveķu saistvielu ir mīkstas, slīpēšanas daļiņas viegli priekšlaicīgi nokrīt, tām nav karstumizturības, virsma karstuma ietekmē viegli deformējas, asmens slīpēšanas virsma ir pakļauta nodiluma pēdām, liela raupjuma pakāpe; metāla saistvielas dimanta slīpripa tiek uzturēta asa, pateicoties slīpēšanas un drupināšanas procesam, laba formējamība, virsmas apstrāde, zems asmens slīpēšanas virsmas raupjums, augsta efektivitāte, tomēr slīpēšanas daļiņu saistīšanās spēja apgrūtina pašuzasināšanos, un griešanas mala viegli atstāj trieciena spraugu, radot nopietnus bojājumus malās; keramikas saistvielas dimanta slīpripai ir vidēja izturība, laba pašizraisīšanās veiktspēja, vairāk iekšējo poru, labāka putekļu noņemšana un siltuma izkliede, var pielāgoties dažādiem dzesēšanas šķidrumiem, zema slīpēšanas temperatūra, slīpripa ir mazāk nodilusi, laba formas saglabāšana, visaugstākā precizitāte, tomēr dimanta slīpēšanas un saistvielas daļiņas veido bedres uz instrumenta virsmas. Izmantojiet atbilstoši apstrādājamajiem materiāliem, lai nodrošinātu visaptverošu slīpēšanas efektivitāti, abrazīvo izturību un sagataves virsmas kvalitāti.
Slīpēšanas efektivitātes pētījumi galvenokārt ir vērsti uz produktivitātes uzlabošanu un izmaksu kontroli. Parasti kā novērtēšanas kritēriji tiek izmantots slīpēšanas ātrums Q (PCD noņemšana laika vienībā) un nodiluma koeficients G (PCD noņemšanas attiecība pret slīpripas zudumiem).
Vācu zinātnieks KENTER slīpē PCD instrumentu ar nemainīgu spiedienu, tests: 1. Palielinot slīpripas ātrumu, PDC daļiņu izmēru un dzesēšanas šķidruma koncentrāciju, samazinās slīpēšanas ātrums un nodiluma koeficients; 2. Palielinot slīpēšanas daļiņu izmēru, palielinot nemainīgu spiedienu, palielinās dimanta koncentrācija slīpripā, palielinās slīpēšanas ātrums un nodiluma koeficients; 3. Atšķiroties saistvielas veidam, atšķiras arī slīpēšanas ātrums un nodiluma koeficients. KENTER PCD instrumenta asmeņu slīpēšanas process tika pētīts sistemātiski, bet asmeņu slīpēšanas procesa ietekme netika analizēta sistemātiski.
3. PCD griezējinstrumentu lietošana un bojājumi
(1) Instrumentu griešanas parametru izvēle
PCD instrumentu sākotnējā lietošanas periodā asā mala pakāpeniski tika pasivēta, un apstrādes virsmas kvalitāte uzlabojās. Pasivācija var efektīvi noņemt mikro spraugas un mazos atsprādzienus, kas radušies asmens slīpēšanas laikā, uzlabot griešanas malas virsmas kvalitāti un vienlaikus veidot apļveida malas rādiusu, lai saspiestu un labotu apstrādāto virsmu, tādējādi uzlabojot sagataves virsmas kvalitāti.
PCD instrumentu virsmas frēzēšanai alumīnija sakausējumā, griešanas ātrums parasti ir 4000 m/min, caurumu apstrāde parasti ir 800 m/min, augstas elastības-plastiskuma krāsaino metālu apstrādei nepieciešams lielāks virpošanas ātrums (300–1000 m/min). Padeves apjoms parasti ir no 0,08 līdz 0,15 mm/apgr. Pārāk liels padeves apjoms, palielināts griešanas spēks, palielināta sagataves virsmas atlikušā ģeometriskā platība; pārāk mazs padeves apjoms, palielināts griešanas siltums un palielināts nodilums. Palielinoties griešanas dziļumam, palielinās griešanas spēks, palielinās griešanas siltums, samazinās kalpošanas laiks, pārmērīgs griešanas dziļums var viegli izraisīt asmens sabrukšanu; mazs griešanas dziļums novedīs pie apstrādes sacietēšanas, nodiluma un pat asmens sabrukšanas.
(2) Nodiluma forma
Apstrādājot sagatavi berzes, augstas temperatūras un citu iemeslu dēļ, nodilums ir neizbēgams. Dimanta instrumenta nodilums sastāv no trim posmiem: sākotnējā ātrā nodiluma fāze (pazīstama arī kā pārejas fāze), stabilā nodiluma fāze ar nemainīgu nodiluma ātrumu un sekojošā ātrā nodiluma fāze. Ātrā nodiluma fāze norāda, ka instruments nedarbojas un ir nepieciešams to pārasināt. Griešanas instrumentu nodiluma veidi ietver adhēzijas nodilumu (aukstās metināšanas nodilumu), difūzijas nodilumu, abrazīvo nodilumu, oksidācijas nodilumu utt.
Atšķirībā no tradicionālajiem instrumentiem, PCD instrumentu nodiluma veidi ir līmes nodilums, difūzijas nodilums un polikristāliskā slāņa bojājumi. Starp tiem galvenais iemesls ir polikristāliskā slāņa bojājumi, kas izpaužas kā neliels asmens sabrukums ārēja trieciena vai līmes zuduma dēļ PDC, veidojot spraugu, kas pieder pie fiziskiem mehāniskiem bojājumiem un var izraisīt apstrādes precizitātes samazināšanos un sagataves brāzmus. PCD daļiņu izmērs, asmens forma, asmens leņķis, sagataves materiāls un apstrādes parametri ietekmē asmens asmens izturību un griešanas spēku, un pēc tam izraisa polikristāliskā slāņa bojājumus. Inženiertehniskajā praksē atbilstošais izejmateriāla daļiņu izmērs, instrumenta parametri un apstrādes parametri jāizvēlas atbilstoši apstrādes apstākļiem.
4. PCD griezējinstrumentu attīstības tendences
Pašlaik PCD instrumentu pielietojuma klāsts ir paplašināts no tradicionālās virpošanas līdz urbšanai, frēzēšanai, ātrgaitas griešanai, un tie ir plaši izmantoti gan mājās, gan ārzemēs. Elektromobiļu straujā attīstība ir ne tikai ietekmējusi tradicionālo autobūves nozari, bet arī radījusi vēl nebijušus izaicinājumus instrumentu nozarei, mudinot to paātrināt optimizāciju un inovācijas.
Plašais PCD griezējinstrumentu pielietojums ir padziļinājis un veicinājis griezējinstrumentu izpēti un attīstību. Padziļinoties pētījumiem, PDC specifikācijas kļūst arvien mazākas, graudu smalkuma kvalitātes optimizācija, veiktspējas vienmērīgums, slīpēšanas ātrums un nodiluma koeficients kļūst arvien augstāks, forma un struktūra tiek dažādota. PCD instrumentu pētniecības virzieni ietver: 1. plāna PCD slāņa izpēte un izstrāde; 2. jaunu PCD instrumentu materiālu izpēte un izstrāde; 3. izpēte, lai uzlabotu PCD instrumentu metināšanu un vēl vairāk samazinātu izmaksas; 4. izpēte, lai uzlabotu PCD instrumentu asmeņu slīpēšanas procesu, lai uzlabotu efektivitāti; 5. izpēte, lai optimizētu PCD instrumentu parametrus un izmantotu instrumentus atbilstoši vietējiem apstākļiem; 6. izpēte, lai racionāli izvēlētos griešanas parametrus atbilstoši apstrādājamajiem materiāliem.
īss kopsavilkums
(1) PCD instrumentu griešanas veiktspēja kompensē daudzu karbīda instrumentu trūkumu; tajā pašā laikā cena ir ievērojami zemāka nekā monokristāla dimanta instrumentiem, kas mūsdienu griešanas tehnikā ir daudzsološs instruments;
(2) Atkarībā no apstrādājamo materiālu veida un veiktspējas, saprātīga PCD instrumentu daļiņu izmēra un parametru izvēle, kas ir instrumentu ražošanas un lietošanas priekšnoteikums,
(3) PCD materiālam ir augsta cietība, kas ir ideāls materiāls griešanas nažu apstrādei, taču tas rada arī grūtības griezējinstrumentu ražošanā. Ražojot, vispusīgi jāņem vērā procesa sarežģītība un apstrādes vajadzības, lai sasniegtu vislabāko izmaksu efektivitāti.
(4) PCD apstrādes materiāliem nažu apgabalā mums ir pamatoti jāizvēlas griešanas parametri, pamatojoties uz produkta veiktspējas sasniegšanu, lai pēc iespējas pagarinātu instrumenta kalpošanas laiku, lai panāktu instrumenta kalpošanas laika, ražošanas efektivitātes un produkta kvalitātes līdzsvaru;
(5) Izpētīt un izstrādāt jaunus PCD instrumentu materiālus, lai pārvarētu to raksturīgos trūkumus
Šis raksts ir ņemts no "supercietā materiāla tīkls"
Publicēšanas laiks: 2025. gada 25. marts
