PCD-værktøjet er fremstillet af polykrystallinsk diamantknivspids og hårdmetalmatrix gennem sintring ved høj temperatur og højt tryk. Det kan ikke kun udnytte fordelene ved høj hårdhed, høj varmeledningsevne, lav friktionskoefficient, lav varmeudvidelseskoefficient, lille affinitet med metal og ikke-metal, højt elasticitetsmodul, ingen kløvningsoverflade, isotropisk materiale, men tager også højde for den høje styrke af hårdlegeringer.
Termisk stabilitet, slagfasthed og slidstyrke er de vigtigste præstationsindikatorer for PCD. Da det primært anvendes i miljøer med høj temperatur og høj belastning, er termisk stabilitet det vigtigste. Undersøgelsen viser, at PCD's termiske stabilitet har stor indflydelse på dens slidstyrke og slagfasthed. Dataene viser, at når temperaturen er højere end 750 ℃, falder PCD's slidstyrke og slagfasthed generelt med 5% -10%.
PCD'ens krystaltilstand bestemmer dens egenskaber. I mikrostrukturen danner kulstofatomer kovalente bindinger med fire tilstødende atomer, opnår en tetraedrisk struktur og danner derefter en atomkrystal med stærk orienterings- og bindingskraft samt høj hårdhed. PCD's vigtigste ydeevneindekser er som følger: ① hårdheden kan nå 8000 HV, 8-12 gange hårdmetal; ② varmeledningsevnen er 700 W/mK, 1,5-9 gange højere end PCBN og kobber; ③ friktionskoefficienten er generelt kun 0,1-0,3, hvilket er meget mindre end 0,4-1 for hårdmetal, hvilket reducerer skærekraften betydeligt; ④ termisk udvidelseskoefficient er kun 0,9x10⁻⁶-1,18x10⁻⁶,1/5 for hårdmetal, hvilket kan reducere termisk deformation og forbedre bearbejdningsnøjagtigheden; ⑤ og ikke-metalliske materialer har mindre tilbøjelighed til at danne knuder.
Kubisk bornitrid har stærk oxidationsmodstand og kan bearbejde jernholdige materialer, men hårdheden er lavere end enkeltkrystaldiamant, bearbejdningshastigheden er langsom, og effektiviteten er lav. Enkeltkrystaldiamanten har høj hårdhed, men sejheden er utilstrækkelig. Anisotropi gør det nemt at dissociere langs (111) overfladen under påvirkning af ydre kræfter, og bearbejdningseffektiviteten er begrænset. PCD er en polymer syntetiseret af mikronstore diamantpartikler på bestemte måder. Den kaotiske natur af den uordnede ophobning af partikler fører til dens makroskopiske isotrope natur, og der er ingen retningsbestemt og kløvningsflade i trækstyrken. Sammenlignet med enkeltkrystaldiamanten reducerer korngrænsen af PCD effektivt anisotropien og optimerer de mekaniske egenskaber.
1. Designprincipper for PCD-skæreværktøjer
(1) Rimeligt valg af PCD-partikelstørrelse
Teoretisk set bør PCD forsøge at forfine kornene, og fordelingen af tilsætningsstoffer mellem produkterne bør være så ensartet som muligt for at overvinde anisotropien. Valget af PCD-partikelstørrelse er også relateret til forarbejdningsbetingelserne. Generelt kan PCD med høj styrke, god sejhed, god slagfasthed og finkornet bearbejdning bruges til sletbearbejdning eller supersletbearbejdning, og PCD med grov korn kan bruges til generel skrubbearbejdning. PCD-partikelstørrelsen kan påvirke værktøjets slidstyrke betydeligt. Relevant litteratur påpeger, at når råmaterialets korn er stort, øges slidstyrken gradvist med faldet i kornstørrelsen, men når kornstørrelsen er meget lille, gælder denne regel ikke.
Relaterede eksperimenter udvalgte fire diamantpulvere med gennemsnitlige partikelstørrelser på 10 µm, 5 µm, 2 µm og 1 µm, og det blev konkluderet, at: ① Med faldet i råmaterialets partikelstørrelse diffunderer Co mere jævnt; med faldet i ② faldt PCD's slidstyrke og varmebestandighed gradvist.
(2) Rimeligt valg af bladmundingsform og bladtykkelse
Bladmundingens form omfatter hovedsageligt fire strukturer: omvendt kant, stump cirkel, omvendt kant stump cirkel komposit og skarp vinkel. Den skarpe, kantede struktur gør kanten skarp, skærehastigheden er hurtig, kan reducere skærekraften og grater betydeligt, forbedre produktets overfladekvalitet, er mere egnet til lav-silicium aluminiumlegering og andre lav hårdheds-, ensartet ikke-jernholdig metalbehandling. Den stumpe, runde struktur kan passivere bladmundingen, danne R-vinkel, effektivt forhindre bladet i at knække, egnet til bearbejdning af mellem/høj-silicium aluminiumlegering. I nogle særlige tilfælde, såsom lav skæredybde og lille knivfremføring, foretrækkes den stumpe, runde struktur. Den omvendte kantstruktur kan øge kanter og hjørner, stabilisere bladet, men samtidig øge trykket og skæremodstanden, mere egnet til tung belastningsskæring af høj-silicium aluminiumlegering.
For at lette EDM vælges normalt et tyndt PDC-pladelag (0,3-1,0 mm) plus et hårdmetallag. Værktøjets samlede tykkelse er ca. 28 mm. Hårdmetallaget bør ikke være for tykt for at undgå lagdeling forårsaget af spændingsforskellen mellem bindingsfladerne.
2, PCD-værktøjsfremstillingsproces
Fremstillingsprocessen for PCD-værktøjer bestemmer direkte værktøjets skæreevne og levetid, hvilket er nøglen til dets anvendelse og udvikling. Fremstillingsprocessen for PCD-værktøjet er vist i figur 5.
(1) Fremstilling af PCD-komposittabletter (PDC)
① Fremstillingsproces for PDC'en
PDC består generelt af naturligt eller syntetisk diamantpulver og bindemiddel ved høj temperatur (1000-2000 ℃) og højt tryk (5-10 atm). Bindemidlet danner en bindingsbro med TiC, Sic, Fe, Co, Ni osv. som hovedkomponenter, og diamantkrystallen er indlejret i bindingsbroens skelette i form af en kovalent binding. PDC fremstilles generelt til skiver med fast diameter og tykkelse, og slibning og polering samt andre tilsvarende fysiske og kemiske behandlinger udføres. I bund og grund bør den ideelle form for PDC bevare de fremragende fysiske egenskaber ved enkeltkrystaldiamant så meget som muligt, derfor bør tilsætningsstofferne i sintringslegemet være så få som muligt, samtidig med at kombinationen af partiklernes DD-bindinger skal være så stor som muligt.
② Klassificering og udvælgelse af bindemidler
Bindemidlet er den vigtigste faktor, der påvirker PCD-værktøjets termiske stabilitet, hvilket direkte påvirker dets hårdhed, slidstyrke og termiske stabilitet. Almindelige PCD-bindingsmetoder er: jern, kobolt, nikkel og andre overgangsmetaller. Co- og W-blandet pulver blev brugt som bindemiddel, og den samlede ydeevne af sintrings-PCD var bedst, når syntesetrykket var 5,5 GPa, sintringstemperaturen var 1450 ℃, og isoleringen var i 4 minutter. SiC, TiC, WC, TiB2 og andre keramiske materialer. SiC Den termiske stabilitet af SiC er bedre end Co's, men hårdheden og brudstyrken er relativt lav. Passende reduktion af råmaterialestørrelsen kan forbedre hårdheden og sejheden af PCD. Ingen klæbemiddel, med grafit eller andre kulstofkilder ved ultrahøj temperatur og højt tryk brændt til en nanoskala polymerdiamant (NPD). Brugen af grafit som forløber til fremstilling af NPD er de mest krævende betingelser, men den syntetiske NPD har den højeste hårdhed og de bedste mekaniske egenskaber.
Udvælgelse og kontrol af ③ korn
Råmaterialet diamantpulver er en nøglefaktor, der påvirker PCD's ydeevne. Forbehandling af diamantmikropulver, tilsætning af en lille mængde stoffer, der hindrer unormal vækst af diamantpartikler, og et rimeligt valg af sintringsadditiver kan hæmme væksten af unormale diamantpartikler.
Højrent NPD med en ensartet struktur kan effektivt eliminere anisotropien og yderligere forbedre de mekaniske egenskaber. Nanografit-forløberpulveret fremstillet ved højenergi-kugleslibning blev brugt til at regulere iltindholdet ved højtemperatur-præsintring, hvorved grafit omdannes til diamant under 18 GPa og 2100-2300 ℃, hvilket genererer lameller og granulær NPD, og hårdheden steg med faldet i lamellernes tykkelse.
④ Sen kemisk behandling
Ved samme temperatur (200 °℃) og tid (20 timer) var Lewis-syre-FeCl3's koboltfjernelseseffekt betydeligt bedre end vands, og det optimale forhold mellem HCl var 10-15 g / 100 ml. PCD's termiske stabilitet forbedres, efterhånden som koboltfjernelsesdybden øges. For grovkornet PCD med vækst kan stærk syrebehandling fjerne Co fuldstændigt, men det har stor indflydelse på polymerens ydeevne; tilsætning af TiC og WC ændrer den syntetiske polykrystalstruktur og kombination med stærk syrebehandling forbedrer PCD's stabilitet. I øjeblikket forbedres fremstillingsprocessen for PCD-materialer, produktets sejhed er god, anisotropien er blevet betydeligt forbedret, der er opnået kommerciel produktion, og relaterede industrier udvikler sig hurtigt.
(2) Bearbejdning af PCD-bladet
① skæreproces
PCD har høj hårdhed, god slidstyrke og en meget vanskelig skæreproces.
② svejseprocedure
PDC og knivlegemet fastklemmes, limes og loddes. Lodning er at presse PDC på hårdmetalmatrixen, herunder vakuumlodning, vakuumdiffusionssvejsning, højfrekvent induktionsvarmelodning, lasersvejsning osv. Højfrekvent induktionsvarmelodning har lave omkostninger og højt udbytte og er blevet meget anvendt. Svejsekvaliteten er relateret til flux, svejselegering og svejsetemperatur. Svejsetemperaturen (generelt lavere end 700 °℃) har den største indflydelse. For høj temperatur kan let forårsage PCD-grafitisering eller endda "overbrænding", hvilket direkte påvirker svejseeffekten, og for lav temperatur vil føre til utilstrækkelig svejsestyrke. Svejsetemperaturen kan styres af isoleringstiden og dybden af PCD-rødheden.
③ klingeslibningsproces
PCD-værktøjsslibningsprocessen er nøglen til fremstillingsprocessen. Generelt er spidsværdien for bladet og bladet inden for 5 µm, og bueradiusen er inden for 4 µm. Den forreste og bageste skæreflade sikrer en vis overfladefinish og reducerer endda den forreste skæreflade Ra til 0,01 μm for at opfylde spejlkravene, få spånerne til at flyde langs den forreste knivoverflade og forhindre kniven i at sætte sig fast.
Klingslibeprocessen omfatter mekanisk klingeslibning af diamantslibeskive, elektrisk gnistklingeslibning (EDG), superhård slibeskive til metalbindemidler, online elektrolytisk efterbehandling af klingeslibning (ELID) og bearbejdning af kompositklinger. Blandt disse er mekanisk klingeslibning af diamantslibeskive den mest modne og mest udbredte.
Relaterede eksperimenter: ① grovpartikelslibeskiven vil føre til alvorligt klingekollaps, og slibeskivens partikelstørrelse falder, og klingens kvalitet forbedres; partikelstørrelsen på ② slibeskiven er tæt forbundet med klingekvaliteten af PCD-værktøjer med fine eller ultrafine partikler, men har begrænset effekt på PCD-værktøjer med grove partikler.
Relateret forskning i ind- og udland fokuserer primært på mekanismen og processen bag klingeslibning. I klingeslibningsmekanismen er termokemisk fjernelse og mekanisk fjernelse dominerende, og fjernelse af sprødhed og udmattelse er relativt lille. Ved slibning skal slibeskivens hastighed og svingfrekvens forbedres så meget som muligt i henhold til styrken og varmebestandigheden af forskellige diamantslibeskiver med bindemiddel, undgå fjernelse af sprødhed og udmattelse, forbedre andelen af termokemisk fjernelse og reducere overfladeruheden. Overfladeruheden ved tørslibning er lav, men kan let brænde værktøjets overflade på grund af den høje bearbejdningstemperatur.
Ved klingeslibning skal man være opmærksom på: ① at vælge rimelige klingeslibningsparametre, hvilket kan forbedre klingens mundingskvalitet og forbedre overfladefinishen på for- og bagsiden af klingerne. Man skal dog også tage højde for høj slibekraft, stort tab, lav slibeeffektivitet og høje omkostninger; ② at vælge en rimelig slibeskivekvalitet, herunder bindemiddeltype, partikelstørrelse, koncentration, bindemiddel, slibeskivebehandling samt rimelige tørre og våde klingeslibningsforhold, hvilket kan optimere værktøjets forreste og bageste hjørner, knivspidsens passiveringsværdi og andre parametre, samtidig med at værktøjets overfladekvalitet forbedres.
Forskellige diamantslibeskiver med bindemiddel har forskellige egenskaber og forskellige slibemekanismer og -effekter. Diamantslibeskiven med harpiksbindemiddel er blød, slibepartiklerne falder let af for tidligt, den har ingen varmebestandighed, overfladen deformeres let af varmen, klingens slibeflade er tilbøjelig til slidmærker, og ruheden er stor. Diamantslibeskiven med metalbindemiddel holdes skarp ved slibning og knusning, god formbarhed og overfladebehandling, lav overfladeruhed ved slibning, højere effektivitet. Slibepartiklernes bindeevne gør dog selvslibningen dårlig, og skærekanten efterlader let et slaggab, hvilket forårsager alvorlig marginalskade. Diamantslibeskiven med keramisk bindemiddel har moderat styrke, god selvexciteringsevne, flere indre porer, er god til støvfjerning og varmeafledning, kan tilpasse sig en række forskellige kølemidler, lav slibetemperatur, slibeskiven slides mindre, god formbevarelse, nøjagtighed med højeste effektivitet, men diamantslibningens og bindemiddelets sammensætning fører til dannelse af huller på værktøjets overflade. Brug i henhold til forarbejdningsmaterialerne, omfattende slibeeffektivitet, slibebestandighed og emnets overfladekvalitet.
Forskningen i slibeeffektivitet fokuserer primært på at forbedre produktiviteten og kontrollere omkostningerne. Generelt anvendes slibehastigheden Q (fjernelse af PCD pr. tidsenhed) og slidforholdet G (forholdet mellem fjernelse af PCD og tab af slibeskive) som evalueringskriterier.
Den tyske forsker KENTER slibning af PCD-værktøj med konstant tryk, test: 1 øger slibeskivens hastighed, PDC-partikelstørrelse og kølemiddelkoncentration, reducerer slibehastigheden og slidforholdet; 2 øger slibepartikelstørrelsen, øger det konstante tryk, øger koncentrationen af diamant i slibeskiven, øger slibehastigheden og slidforholdet; 3 bindemiddeltypen er forskellig, slibehastigheden og slidforholdet er forskelligt. KENTER PCD-værktøjets klingeslibningsprocessen er blevet systematisk undersøgt, men indflydelsen af klingeslibningsprocessen er ikke systematisk analyseret.
3. Brug og fejl ved PCD-skæreværktøjer
(1) Valg af værktøjsskæringsparametre
I den indledende periode med PCD-værktøjet blev den skarpe kant gradvist passiveret, og bearbejdningsoverfladen blev bedre. Passivering kan effektivt fjerne mikrospalter og små grater forårsaget af klingens slibning, forbedre skærekantens overfladekvalitet og samtidig danne en cirkulær kantradius for at klemme og reparere den bearbejdede overflade og dermed forbedre emnets overfladekvalitet.
PCD-værktøjsoverfladefræsning i aluminiumlegering. Skærehastigheden er generelt 4000 m/min, hulbearbejdning er generelt 800 m/min. Bearbejdning af højelastisk plastisk ikke-jernholdigt metal bør kræve en højere drejehastighed (300-1000 m/min). Tilspændingsvolumen anbefales generelt mellem 0,08-0,15 mm/rpm. For stor tilspændingsvolumen, øget skærekraft, øget restgeometrisk areal af emnets overflade; for lille tilspændingsvolumen, øget skærevarme og øget slid. Øget skæredybde, øget skærekraft, øget skærevarme og reduceret levetid. For stor skæredybde kan let forårsage klingesammenbrud; en lille skæredybde vil føre til bearbejdningshærdning, slid og endda klingesammenbrud.
(2) Slidform
Værktøjsbearbejdningsemnet slides uundgåeligt på grund af friktion, høj temperatur og andre årsager. Sliddet på diamantværktøjet består af tre faser: den indledende hurtige slidfase (også kendt som overgangsfasen), den stabile slidfase med en konstant slidhastighed og den efterfølgende hurtige slidfase. Den hurtige slidfase indikerer, at værktøjet ikke fungerer og kræver slibning. Slidformerne for skæreværktøjer omfatter klæbende slid (koldsvejsning), diffusionsslid, slibende slid, oxidationsslid osv.
I modsætning til traditionelle værktøjer er slidformen på PCD-værktøjer klæbende slid, diffusionsslid og beskadigelse af det polykrystallinske lag. Blandt disse er skader på polykrystallinsk lag den primære årsag, hvilket manifesterer sig som et subtilt klingekollaps forårsaget af ekstern påvirkning eller tab af klæbemiddel i PDC, hvilket danner et mellemrum, som hører til fysisk mekanisk skade, hvilket kan føre til reduceret bearbejdningspræcision og slibning af emner. PCD-partikelstørrelse, klingeform, klingevinkel, emnemateriale og bearbejdningsparametre vil påvirke klingens klingestyrke og skærekraft og derefter forårsage beskadigelse af polykrystallinsk lag. I ingeniørpraksis bør den passende råmaterialepartikelstørrelse, værktøjsparametre og bearbejdningsparametre vælges i henhold til bearbejdningsbetingelserne.
4. Udviklingstendens for PCD-skæreværktøjer
I øjeblikket er anvendelsesområdet for PCD-værktøj blevet udvidet fra traditionel drejning til boring, fræsning og højhastighedsskæring, og det har været meget anvendt i ind- og udland. Den hurtige udvikling af elbiler har ikke kun haft indflydelse på den traditionelle bilindustri, men også medført hidtil usete udfordringer for værktøjsindustrien, hvilket har opfordret værktøjsindustrien til at accelerere optimering og innovation.
Den brede anvendelse af PCD-skæreværktøjer har uddybet og fremmet forskningen og udviklingen af skæreværktøjer. Med den uddybede forskning bliver PDC-specifikationerne mindre og mindre, kornforfinelsens kvalitet optimeres, ydeevnens ensartethed øges, slibehastigheden og slidforholdet øges, og form og struktur diversificeres. Forskningsretningerne for PCD-værktøjer omfatter: ① forskning og udvikling af tynde PCD-lag; ② forskning og udvikling af nye PCD-værktøjsmaterialer; ③ forskning for bedre svejsning af PCD-værktøjer og yderligere reduktion af omkostningerne; ④ forskning forbedrer slibningsprocessen for PCD-værktøjsklinger for at forbedre effektiviteten; ⑤ forskning optimerer PCD-værktøjsparametre og bruger værktøjer i henhold til lokale forhold; ⑥ forskning vælger rationelt skæreparametre i henhold til de forarbejdede materialer.
kort opsummering
(1) PCD-værktøjets skæreevne kompenserer for manglen på mange hårdmetalværktøjer; samtidig er prisen langt lavere end enkeltkrystaldiamantværktøj, hvilket er et lovende værktøj inden for moderne skæring;
(2) I henhold til typen og ydeevnen af de forarbejdede materialer, et rimeligt valg af partikelstørrelse og parametre for PCD-værktøjer, hvilket er forudsætningen for værktøjsfremstilling og -brug,
(3) PCD-materiale har en høj hårdhed, hvilket er det ideelle materiale til skæreknive, men det medfører også vanskeligheder ved fremstilling af skæreværktøjer. Ved fremstilling skal processens vanskeligheder og forarbejdningsbehov tages i betragtning for at opnå den bedste omkostningseffektivitet;
(4) PCD-forarbejdningsmaterialer i knivdistrikter bør vælge skæreparametre med rimelighed baseret på produktets ydeevne for at forlænge værktøjets levetid så meget som muligt for at opnå balance mellem værktøjslevetid, produktionseffektivitet og produktkvalitet;
(5) Undersøg og udvikle nye PCD-værktøjsmaterialer for at overvinde deres iboende ulemper.
Denne artikel er hentet fra "superhårdt materialenetværk"
Opslagstidspunkt: 25. marts 2025
