PCD orodje je izdelano iz polikristalne diamantne konice in karbidne matrice s sintranjem pri visoki temperaturi in visokem tlaku. Ne le da v celoti izkoristi prednosti visoke trdote, visoke toplotne prevodnosti, nizkega koeficienta trenja, nizkega koeficienta toplotnega raztezanja, majhne afinitete s kovinami in nekovinami, visokega elastičnega modula, površine brez cepljenja in izotropnosti, ampak upošteva tudi visoko trdnost trde zlitine.
Toplotna stabilnost, udarna žilavost in odpornost proti obrabi so glavni kazalniki delovanja PCD-ja. Ker se večinoma uporablja v okolju z visokimi temperaturami in visokimi obremenitvami, je toplotna stabilnost najpomembnejša. Študija kaže, da ima toplotna stabilnost PCD velik vpliv na njegovo odpornost proti obrabi in udarno žilavost. Podatki kažejo, da se pri temperaturi višji od 750 ℃ odpornost proti obrabi in udarna žilavost PCD-ja na splošno zmanjšata za 5 %–10 %.
Kristalno stanje PCD-ja določa njegove lastnosti. V mikrostrukturi atomi ogljika tvorijo kovalentne vezi s štirimi sosednjimi atomi, dobijo tetraedrsko strukturo in nato tvorijo atomski kristal, ki ima močno orientacijo in vezno silo ter visoko trdoto. Glavni kazalniki delovanja PCD-ja so naslednji: 1. trdota lahko doseže 8000 HV, kar je 8–12-krat večja od karbida; 2. toplotna prevodnost je 700 W/mK, kar je 1,5–9-krat večja od PCBN in bakra; 3. koeficient trenja je običajno le 0,1–0,3, kar je precej manj kot 0,4–1 karbida, kar znatno zmanjša rezalno silo; 5. koeficient toplotnega raztezanja je le 0,9 x 10⁻⁶ do 1,18 x 10⁻⁶,1/5 karbida, kar lahko zmanjša toplotno deformacijo in izboljša natančnost obdelave; 6. in nekovinski materiali imajo manjšo afiniteto do tvorbe gomoljev.
Kubični borov nitrid ima močno odpornost proti oksidaciji in lahko obdeluje materiale, ki vsebujejo železo, vendar je trdota nižja kot pri monokristalnem diamantu, hitrost obdelave je počasna in učinkovitost nizka. Monokristalni diamant ima visoko trdoto, vendar nezadostno žilavost. Anizotropija omogoča enostavno disociacijo vzdolž površine (111) pod vplivom zunanje sile, učinkovitost obdelave pa je omejena. PCD je polimer, sintetiziran iz mikronskih diamantnih delcev na določen način. Kaotična narava neurejenega kopičenja delcev vodi do njegove makroskopske izotropnosti in nima usmerjene in cepitvene površine v natezni trdnosti. V primerjavi z monokristalnim diamantom meja zrn PCD učinkovito zmanjša anizotropijo in optimizira mehanske lastnosti.
1. Načela načrtovanja rezalnih orodij PCD
(1) Razumna izbira velikosti delcev PCD
Teoretično bi moral PCD poskušati prečistiti zrna, porazdelitev dodatkov med izdelki pa bi morala biti čim bolj enakomerna, da bi se premagala anizotropija. Izbira velikosti delcev PCD je povezana tudi s pogoji obdelave. Na splošno se lahko PCD z visoko trdnostjo, dobro žilavostjo, dobro odpornostjo proti udarcem in drobnimi zrni uporablja za končno ali super končno obdelavo, PCD z grobimi zrni pa se lahko uporablja za splošno grobo obdelavo. Velikost delcev PCD lahko pomembno vpliva na obrabno odpornost orodja. Ustrezna literatura poudarja, da se pri velikih zrnih surovina odpornost proti obrabi postopoma povečuje z zmanjševanjem velikosti zrn, pri zelo majhnih zrnih pa to pravilo ne velja.
V sorodnih poskusih so izbrali štiri diamantne praške s povprečnimi velikostmi delcev 10 μm, 5 μm, 2 μm in 1 μm, pri čemer je bilo ugotovljeno, da: ① Z zmanjšanjem velikosti delcev surovine se Co enakomerneje razprši; z zmanjšanjem ② se je odpornost proti obrabi in toplotni odpornost PCD postopoma zmanjševala.
(2) Razumna izbira oblike ustja rezila in debeline rezila
Oblika ustja rezila vključuje predvsem štiri strukture: obrnjen rob, topi krog, obrnjen topi krog s kompozitom in oster kot. Ostra kotna struktura naredi rob oster, hitrost rezanja je visoka, lahko znatno zmanjša rezalno silo in robove, izboljša kakovost površine izdelka, je bolj primerna za aluminijeve zlitine z nizko vsebnostjo silicija in druge neželezne kovine z nizko trdoto, enakomerno obdelavo. Topa okrogla struktura lahko pasivira ustje rezila in tvori kot R, kar učinkovito preprečuje lomljenje rezila, primerno za obdelavo aluminijevih zlitin s srednjo/visoko vsebnostjo silicija. V nekaterih posebnih primerih, kot sta plitva globina rezanja in majhno podajanje noža, je prednostna topa okrogla struktura. Obrnjena struktura lahko poveča robove in vogale, stabilizira rezilo, hkrati pa poveča pritisk in odpornost na rezanje, bolj primerna za rezanje aluminijevih zlitin z visoko vsebnostjo silicija pri velikih obremenitvah.
Za lažjo erozijsko obdelavo se običajno izbere tanka plast PDC pločevine (0,3–1,0 mm) in plast karbida, skupna debelina orodja pa je približno 28 mm. Plast karbida ne sme biti predebela, da se prepreči stratifikacija zaradi razlike v napetosti med lepljenima površinama.
2, postopek izdelave orodij PCD
Proizvodni proces orodja PCD neposredno določa rezalno zmogljivost in življenjsko dobo orodja, kar je ključnega pomena za njegovo uporabo in razvoj. Proizvodni proces orodja PCD je prikazan na sliki 5.
(1) Izdelava kompozitnih tablet PCD (PDC)
① Proizvodni postopek PDC-ja
PDC je običajno sestavljen iz naravnega ali sintetičnega diamantnega prahu in veziva pri visoki temperaturi (1000–2000 ℃) in visokem tlaku (5–10 atm). Vezivo tvori vezni most s TiC, Sic, Fe, Co, Ni itd. kot glavnimi sestavinami, diamantni kristal pa je v ogrodje vezivnega mostu vgrajen v obliko kovalentne vezi. PDC se običajno izdeluje v diske s fiksnim premerom in debelino, ki se brusijo, polirajo in uporabljajo druge ustrezne fizikalne in kemične obdelave. V bistvu bi idealna oblika PDC morala čim bolj ohraniti odlične fizikalne lastnosti monokristalnega diamanta, zato bi moralo biti v telesu za sintranje čim manj dodatkov, hkrati pa bi morala biti vezava delcev DD čim večja.
② Razvrstitev in izbira veziv
Vezivo je najpomembnejši dejavnik, ki vpliva na toplotno stabilnost orodja PCD, kar neposredno vpliva na njegovo trdoto, odpornost proti obrabi in toplotno stabilnost. Običajne metode vezanja PCD so: železo, kobalt, nikelj in druge prehodne kovine. Kot vezivno sredstvo je bil uporabljen mešani prah Co in W, celovita učinkovitost sintranja PCD pa je bila najboljša pri sintetičnem tlaku 5,5 GPa, temperaturi sintranja 1450 ℃ in izolaciji 4 minute. SiC, TiC, WC, TiB2 in drugi keramični materiali. SiC ima boljšo toplotno stabilnost kot Co, vendar sta trdota in žilavost relativno nizki. Ustrezno zmanjšanje velikosti surovine lahko izboljša trdoto in žilavost PCD. Brez lepila se grafit ali drugi viri ogljika pri ultra visoki temperaturi in visokem tlaku sežgejo v nanometrski polimerni diamant (NPD). Uporaba grafita kot predhodnika za pripravo NPD so najzahtevnejši pogoji, vendar ima sintetični NPD najvišjo trdoto in najboljše mehanske lastnosti.
Izbira in nadzor ③ zrn
Surovina diamantnega prahu je ključni dejavnik, ki vpliva na delovanje PCD. Predobdelava diamantnega mikroprahu, dodajanje majhne količine snovi, ki zavirajo rast nenormalnih diamantnih delcev, in razumna izbira dodatkov za sintranje lahko zavirajo rast nenormalnih diamantnih delcev.
Visoko čist NPD z enotno strukturo lahko učinkovito odpravi anizotropijo in dodatno izboljša mehanske lastnosti. Za uravnavanje vsebnosti kisika pri visokotemperaturnem predhodnem sintranju je bil uporabljen nanografitni prekurzorski prah, pripravljen z metodo visokoenergijskega mletja s kroglicami, ki je grafit pretvoril v diamant pod 18 GPa in 2100–2300 ℃, pri čemer je nastala lamela in granularna NPD, trdota pa se je povečevala z zmanjšanjem debeline lamele.
④ Pozna kemična obdelava
Pri enaki temperaturi (200 °C) in času (20 ur) je bil učinek odstranjevanja kobalta z Lewisovo kislino-FeCl3 bistveno boljši kot pri vodi, optimalno razmerje HCl pa je bilo 10–15 g/100 ml. Termična stabilnost PCD se izboljšuje z naraščajočo globino odstranjevanja kobalta. Pri PCD z grobozrnato rastjo lahko obdelava z močno kislino popolnoma odstrani Co, vendar ima velik vpliv na delovanje polimera; dodajanje TiC in WC spremeni strukturo sintetičnih polikristalov in kombinacija obdelave z močno kislino izboljša stabilnost PCD. Trenutno se postopek priprave PCD materialov izboljšuje, žilavost izdelka je dobra, anizotropija se je močno izboljšala, dosežena je komercialna proizvodnja, sorodne industrije pa se hitro razvijajo.
(2) Obdelava rezila PCD
① postopek rezanja
PCD ima visoko trdoto, dobro odpornost proti obrabi in zelo težaven postopek rezanja.
② postopek varjenja
PDC in telo noža se mehansko vpneta, spajata in spajkata. Spajkanje pomeni pritiskanje PDC na karbidno matrico, vključno z vakuumskim spajkanjem, vakuumskim difuzijskim varjenjem, visokofrekvenčnim indukcijskim segrevanjem, laserskim varjenjem itd. Visokofrekvenčno indukcijsko segrevanje spajkanja ima nizke stroške in visok donos ter se pogosto uporablja. Kakovost varjenja je povezana s fluksom, varilno zlitino in temperaturo varjenja. Največji vpliv ima temperatura varjenja (običajno nižja od 700 °C), previsoka temperatura lahko povzroči grafitizacijo PCD ali celo "pregorelost", kar neposredno vpliva na učinek varjenja, prenizka temperatura pa bo povzročila nezadostno trdnost varjenja. Temperaturo varjenja je mogoče nadzorovati s časom izolacije in globino rdečice PCD.
③ postopek brušenja rezila
Postopek brušenja orodij PCD je ključnega pomena za proizvodni proces. Na splošno je najvišja vrednost rezila in rezila znotraj 5 μm, polmer loka pa znotraj 4 μm; sprednja in zadnja rezalna površina zagotavljata določeno površinsko obdelavo in celo zmanjšata sprednjo rezalno površino Ra na 0,01 μm, da izpolnita zahteve glede zrcalne obdelave, kar omogoča pretok odrezkov vzdolž sprednje površine noža in preprečuje zatikanje noža.
Postopek brušenja rezil vključuje mehansko brušenje rezil z diamantnim brusilnim kolesom, električno iskrijoče brušenje rezil (EDG), elektrolitsko fino brušenje rezil s kovinskim vezivom (ELID) in strojno brušenje kompozitnih rezil. Med njimi je mehansko brušenje rezil z diamantnim brusilnim kolesom najbolj zrelo in najbolj razširjeno.
Sorodni poskusi: ① brusilno kolo z grobimi delci bo povzročilo resen zlom rezila, velikost delcev brusilnega kolesa pa se zmanjša, kakovost rezila pa se izboljša; velikost delcev ② brusilnega kolesa je tesno povezana s kakovostjo rezila orodij za PCD z drobnimi ali ultrafinimi delci, vendar ima omejen vpliv na orodja za PCD z grobimi delci.
Sorodne raziskave doma in v tujini se osredotočajo predvsem na mehanizem in postopek brušenja rezil. Pri mehanizmu brušenja rezil prevladujeta termokemično in mehansko odstranjevanje, medtem ko sta krhkost in utrujenost relativno majhna. Pri brušenju je treba glede na trdnost in toplotno odpornost različnih veziv diamantnih brusnih plošč čim bolj izboljšati hitrost in frekvenco nihanja brusne plošče, preprečiti krhkost in utrujenost, izboljšati delež termokemičnega odstranjevanja in zmanjšati hrapavost površine. Hrapavost površine pri suhem brušenju je nizka, vendar se zaradi visoke temperature obdelave površina orodja zlahka opeče.
Pri brušenju rezil je treba biti pozoren na: ① izbiro razumnih parametrov brušenja rezil lahko izboljša kakovost robov ter izboljša površinsko obdelavo sprednjega in zadnjega dela rezila. Vendar pa je treba upoštevati tudi visoko silo brušenja, velike izgube, nizko učinkovitost brušenja in visoke stroške; ② izbiro razumne kakovosti brusnega kolesa, vključno z vrsto veziva, velikostjo delcev, koncentracijo veziva in poravnavo brusnega kolesa, z ustreznimi pogoji suhega in mokrega brušenja rezila lahko optimizirate sprednji in zadnji vogal orodja, vrednost pasivizacije konice rezila in druge parametre ter hkrati izboljšate kakovost površine orodja.
Različna vezivna diamantna brusilna kolesa imajo različne značilnosti ter različne mehanizme in učinke brušenja. Diamantno brusno kolo s smolnim vezivom je mehko, brusni delci zlahka odpadajo, ni toplotno odporno, površina se zaradi vročine zlahka deformira, brusna površina rezila je nagnjena k obrabi, velika hrapavost; diamantno brusno kolo s kovinskim vezivom ostane ostro z brušenjem in drobljenjem, dobra oblikovalnost in površinska hrapavost, nizka hrapavost površine brušenega rezila, večja učinkovitost, vendar pa vezavna sposobnost brusnih delcev slabo vpliva na samoostrenje, rezalni rob pa zlahka pusti udarno režo, kar povzroči resne robne poškodbe; diamantno brusno kolo s keramičnim vezivom ima zmerno trdnost, dobro lastnost vzbujanja, več notranjih por, ugodne za odstranjevanje prahu in odvajanje toplote, se lahko prilagodi različnim hladilnim sredstvom, nizka temperatura brušenja, manjša obraba brusnega kolesa, dobra ohranitev oblike, najvišja natančnost in učinkovitost, vendar pa diamantno brusno telo in vezivo povzročita nastanek jamic na površini orodja. Uporaba je odvisna od obdelovalnega materiala, celovite učinkovitosti brušenja, abrazivne vzdržljivosti in kakovosti površine obdelovanca.
Raziskave učinkovitosti brušenja se osredotočajo predvsem na izboljšanje produktivnosti in nadzor stroškov. Kot merila za ocenjevanje se na splošno uporabljata hitrost brušenja Q (odstranjevanje PCD na enoto časa) in razmerje med obrabo in obrabo G (razmerje med odstranjevanjem PCD in izgubo brusnega kolesa).
Nemški znanstvenik KENTER je preizkusil brušenje PCD orodja s konstantnim tlakom: 1. Poveča hitrost brusilnega kolesa, velikost delcev PDC in koncentracijo hladilne tekočine, zmanjša hitrost brušenja in stopnjo obrabe; 2. Poveča velikost brusilnih delcev, poveča konstantni tlak, poveča koncentracijo diamanta v brusilnem kolesu, poveča hitrost brušenja in stopnjo obrabe; 3. Razlika v vrsti veziva vodi do razlike v hitrosti brušenja in stopnji obrabe. KENTER je sistematično preučeval postopek brušenja rezil PCD orodja, vendar vpliv postopka brušenja rezil ni bil sistematično analiziran.
3. Uporaba in okvara rezalnih orodij PCD
(1) Izbira parametrov rezanja orodja
V začetnem obdobju uporabe orodja PCD se je oster rob postopoma pasitiraval, kakovost obdelane površine pa se je izboljšala. Pasivacija lahko učinkovito odstrani mikro reže in majhne zareze, ki nastanejo zaradi brušenja rezila, izboljša kakovost površine rezalnega roba in hkrati oblikuje krožni radij roba za stiskanje in popravilo obdelane površine, s čimer se izboljša kakovost površine obdelovanca.
Rezkanje površin iz aluminijeve zlitine s PCD orodjem, hitrost rezanja je običajno 4000 m/min, obdelava lukenj pa običajno 800 m/min, obdelava visoko elastično-plastičnih neželeznih kovin pa mora zahtevati višjo hitrost struženja (300–1000 m/min). Priporočena količina podajanja je običajno med 0,08 in 0,15 mm/obr. Prevelika količina podajanja vodi do povečane rezalne sile in povečane preostale geometrijske površine obdelovanca; premajhna količina podajanja vodi do povečane rezalne toplote in povečane obrabe. Povečanje globine reza, povečanje rezalne sile in povečanje rezalne toplote vodita do krajše življenjske dobe, prekomerna globina reza pa lahko zlahka povzroči zlom rezila; majhna globina reza pa lahko povzroči utrjevanje, obrabo in celo zlom rezila.
(2) Oblika obrabe
Pri obdelavi obdelovanca z orodjem je obraba zaradi trenja, visoke temperature in drugih razlogov neizogibna. Obraba diamantnega orodja je sestavljena iz treh faz: začetne faze hitre obrabe (znane tudi kot prehodna faza), faze stabilne obrabe s konstantno hitrostjo obrabe in nadaljnje faze hitre obrabe. Faza hitre obrabe pomeni, da orodje ne deluje in ga je treba ponovno brusiti. Med oblike obrabe rezalnih orodij spadajo adhezivna obraba (obraba zaradi hladnega varjenja), difuzijska obraba, abrazivna obraba, oksidacijska obraba itd.
Za razliko od tradicionalnih orodij se orodja PCD obrabljajo zaradi adhezivne obrabe, difuzijske obrabe in poškodb polikristalne plasti. Med njimi je glavni vzrok poškodba polikristalne plasti, ki se kaže kot subtilno zrušitev rezila zaradi zunanjega udarca ali izgube lepila v PDC-ju, kar povzroči nastanek vrzeli. To je fizikalno-mehanska poškodba, ki lahko povzroči zmanjšanje natančnosti obdelave in odpadke obdelovancev. Velikost delcev PCD, oblika rezila, kot rezila, material obdelovanca in parametri obdelave vplivajo na trdnost rezila in rezalno silo ter nato povzročijo poškodbe polikristalne plasti. V inženirski praksi je treba ustrezno velikost delcev surovine, parametre orodja in parametre obdelave izbrati glede na pogoje obdelave.
4. Trend razvoja rezalnih orodij PCD
Trenutno se je področje uporabe orodij PCD razširilo s tradicionalnega struženja na vrtanje, rezkanje in hitro rezanje ter se pogosto uporablja doma in v tujini. Hiter razvoj električnih vozil ni vplival le na tradicionalno avtomobilsko industrijo, temveč je prinesel tudi izjemne izzive za orodjarno in jo spodbudil k pospešitvi optimizacije in inovacij.
Široka uporaba rezalnih orodij PCD je poglobila in spodbudila raziskave in razvoj rezalnih orodij. S poglabljanjem raziskav se specifikacije PDC vedno bolj zmanjšujejo, kakovost prečiščevanja zrn se optimizira, enakomernost delovanja se povečuje, stopnja brušenja in obrabe se povečujeta, diverzifikacija oblik in struktur pa se povečuje. Raziskovalne smeri orodij PCD vključujejo: 1. raziskave in razvoj tankih plasti PCD; 2. raziskave in razvoj novih materialov za orodja PCD; 3. raziskave za boljše varjenje orodij PCD in nadaljnje zmanjšanje stroškov; 5. raziskave za izboljšanje procesa brušenja rezil orodij PCD za izboljšanje učinkovitosti; 6. raziskave za optimizacijo parametrov orodij PCD in uporabo orodij glede na lokalne pogoje; 6. raziskave za racionalno izbiro rezalnih parametrov glede na obdelane materiale.
kratek povzetek
(1) Zmogljivost rezanja orodij PCD nadomesti pomanjkanje mnogih karbidnih orodij; hkrati je cena veliko nižja od cene orodij z monokristalnim diamantom, kar je v sodobnem rezanju obetavno orodje;
(2) Glede na vrsto in zmogljivost obdelanih materialov je treba izbrati razumno velikost delcev in parametre orodij PCD, kar je predpogoj za izdelavo in uporabo orodij.
(3) PCD material ima visoko trdoto, zaradi česar je idealen material za rezanje z noži, vendar prinaša tudi težave pri izdelavi rezalnih orodij. Pri izdelavi je treba celovito upoštevati težavnost procesa in potrebe po obdelavi, da se doseže najboljša stroškovna učinkovitost;
(4) Pri obdelavi materialov PCD v okrožju nožev moramo razumno izbrati parametre rezanja, ki temeljijo na doseganju zmogljivosti izdelka, da čim bolj podaljšamo življenjsko dobo orodja in dosežemo ravnovesje med življenjsko dobo orodja, učinkovitostjo proizvodnje in kakovostjo izdelka;
(5) Raziskati in razviti nove materiale za orodja PCD za premagovanje njihovih inherentnih pomanjkljivosti
Ta članek izvira iz "mreža supertrdih materialov"
Čas objave: 25. marec 2025
