Scula PCD este fabricată dintr-un vârf de cuțit de diamant policristalin și o matrice de carbură prin sinterizare la temperatură înaltă și presiune înaltă. Nu numai că poate valorifica pe deplin avantajele durității ridicate, conductivității termice ridicate, coeficientului de frecare scăzut, coeficientului de dilatare termică scăzut, afinității reduse cu metalele și nemetalele, modulului de elasticitate ridicat, lipsei suprafeței de clivaj, izotropității, dar ia în considerare și rezistența ridicată a aliajului dur.
Stabilitatea termică, rezistența la impact și rezistența la uzură sunt principalii indicatori de performanță ai PCD-ului. Deoarece este utilizat în mare parte în medii cu temperaturi ridicate și solicitări mari, stabilitatea termică este cel mai important aspect. Studiul arată că stabilitatea termică a PCD-ului are un impact mare asupra rezistenței sale la uzură și a rezistenței la impact. Datele arată că atunci când temperatura este mai mare de 750℃, rezistența la uzură și rezistența la impact a PCD-ului scad în general cu 5%-10%.
Starea cristalină a PCD-ului îi determină proprietățile. În microstructură, atomii de carbon formează legături covalente cu patru atomi adiacenți, obținând structura tetraedrică și apoi formând cristalul atomic, care are o orientare și o forță de legare puternice și o duritate ridicată. Principalii indici de performanță ai PCD sunt următorii: ① duritatea poate ajunge la 8000 HV, de 8-12 ori mai mare decât cea a carburii; ② conductivitatea termică este de 700W/mK, de 1,5-9 ori mai mare decât cea a PCBN și a cuprului; ③ coeficientul de frecare este în general de numai 0,1-0,3, mult mai mic decât cel al carburii de 0,4-1, reducând semnificativ forța de așchiere; ④ coeficientul de dilatare termică este de numai 0,9x10-6 - 1,18x10-6, 1/5 al carburii, ceea ce poate reduce deformarea termică și îmbunătăți precizia procesării; ⑤ materialele nemetalice au o afinitate mai mică pentru a forma noduli.
Nitrura de bor cubică are o rezistență puternică la oxidare și poate procesa materiale care conțin fier, dar duritatea este mai mică decât cea a diamantului monocristalin, viteza de procesare este lentă, iar eficiența este scăzută. Diamantul monocristalin are o duritate ridicată, dar tenacitatea este insuficientă. Anizotropia facilitează disocierea de-a lungul suprafeței (111) sub impactul forței externe, iar eficiența de procesare este limitată. PCD este un polimer sintetizat prin anumite mijloace prin particule de diamant de dimensiuni micronice. Natura haotică a acumulării dezordonate a particulelor duce la natura sa izotropă macroscopică și nu există rezistență la tracțiune la suprafață direcțională și de clivaj. Comparativ cu diamantul monocristalin, limita granulară a PCD reduce eficient anizotropia și optimizează proprietățile mecanice.
1. Principii de proiectare a sculelor așchietoare PCD
(1) Selecție rezonabilă a dimensiunii particulelor PCD
Teoretic, prelucrarea prin prelucrare mecanică computerizată (PCD) ar trebui să încerce să rafineze granulele, iar distribuția aditivilor între produse ar trebui să fie cât mai uniformă posibil pentru a depăși anizotropia. Alegerea dimensiunii particulelor PCD este, de asemenea, legată de condițiile de procesare. În general, PCD-ul cu rezistență ridicată, tenacitate bună, rezistență bună la impact și granulație fină poate fi utilizat pentru finisare sau superfinisare, iar PCD-ul cu granulație grosieră poate fi utilizat pentru prelucrarea generală de degroșare. Dimensiunea particulelor PCD poate afecta semnificativ performanța la uzură a sculei. Literatura de specialitate subliniază faptul că atunci când granulația materiei prime este mare, rezistența la uzură crește treptat odată cu scăderea dimensiunii granulei, dar când dimensiunea granulei este foarte mică, această regulă nu este aplicabilă.
Experimente similare au selectat patru tipuri de pulbere de diamant cu dimensiuni medii ale particulelor de 10 µm, 5 µm, 2 µm și 1 µm, concluzionând că: ① Odată cu scăderea dimensiunii particulelor materiei prime, Co se difuzează mai uniform; odată cu scăderea ②, rezistența la uzură și rezistența la căldură a PCD-ului au scăzut treptat.
(2) Alegerea rezonabilă a formei gurii lamei și a grosimii lamei
Forma gurii lamei include în principal patru structuri: muchie inversată, cerc bont, cerc compozit cu muchie inversată și unghi ascuțit. Structura unghiulară ascuțită face ca muchia să fie ascuțită, viteza de tăiere este mare, poate reduce semnificativ forța de tăiere și bavurile, îmbunătățind calitatea suprafeței produsului, fiind mai potrivită pentru aliaje de aluminiu cu conținut scăzut de siliciu și alte durități scăzute, finisând uniform metalele neferoase. Structura rotundă obtuză poate pasiva gura lamei, formând un unghi R, prevenind eficient ruperea lamei, fiind potrivită pentru prelucrarea aliajelor de aluminiu cu conținut mediu/ridicat de siliciu. În unele cazuri speciale, cum ar fi adâncimea mică de tăiere și alimentarea mică a cuțitului, se preferă structura rotundă bontă. Structura muchiei inversate poate mări muchiile și colțurile, poate stabiliza lama, dar în același timp va crește presiunea și rezistența la tăiere, fiind mai potrivită pentru tăierea cu sarcină mare a aliajelor de aluminiu cu conținut ridicat de siliciu.
Pentru a facilita prelucrarea prin electroeroziune (EDM), se alege de obicei un strat subțire de tablă PDC (0,3-1,0 mm), plus stratul de carbură, grosimea totală a sculei fiind de aproximativ 28 mm. Stratul de carbură nu trebuie să fie prea gros pentru a evita stratificarea cauzată de diferența de tensiune dintre suprafețele de lipire.
2, procesul de fabricație a sculelor PCD
Procesul de fabricație al sculei PCD determină direct performanța de așchiere și durata de viață a sculei, ceea ce reprezintă cheia aplicării și dezvoltării acesteia. Procesul de fabricație al sculei PCD este prezentat în Figura 5.
(1) Fabricarea tabletelor compozite PCD (PDC)
① Procesul de fabricație al PDC-ului
PDC-ul este în general compus din pulbere de diamant natural sau sintetic și un agent de legătură la temperatură ridicată (1000-2000℃) și presiune ridicată (5-10 atm). Agentul de legătură formează o punte de legătură cu TiC, Sic, Fe, Co, Ni etc. ca componente principale, iar cristalul de diamant este încorporat în scheletul punții de legătură sub formă de legătură covalentă. PDC-ul este în general realizat în discuri cu diametru și grosime fixe, apoi supus șlefuirii și lustruirii și altor tratamente fizice și chimice corespunzătoare. În esență, forma ideală de PDC ar trebui să păstreze cât mai mult posibil caracteristicile fizice excelente ale diamantului monocristalin, prin urmare, aditivii din corpul de sinterizare ar trebui să fie cât mai puțini posibil, în același timp, combinația de legături DD a particulelor ar trebui să fie cât mai mare.
② Clasificarea și selecția lianților
Liantul este cel mai important factor care afectează stabilitatea termică a sculei PCD, afectând în mod direct duritatea, rezistența la uzură și stabilitatea termică. Metodele comune de lipire PCD sunt: fier, cobalt, nichel și alte metale de tranziție. Ca agent de lipire s-a folosit pulbere mixtă de Co și W, iar performanța completă a PCD-ului de sinterizare a fost cea mai bună atunci când presiunea de sinteză a fost de 5,5 GPa, temperatura de sinterizare a fost de 1450 ℃ și izolația a fost de 4 minute. SiC, TiC, WC, TiB2 și alte materiale ceramice. SiC Stabilitatea termică a SiC este mai bună decât cea a Co, dar duritatea și tenacitatea la fractură sunt relativ scăzute. Reducerea adecvată a dimensiunii materiei prime poate îmbunătăți duritatea și tenacitatea PCD-ului. Fără adeziv, grafit sau alte surse de carbon sunt arse la temperaturi ultra-înalte și presiune înaltă într-un diamant polimeric la scară nanometrică (NPD). Utilizarea grafitului ca precursor pentru prepararea NPD este cea mai solicitantă condiție, dar NPD-ul sintetic are cea mai mare duritate și cele mai bune proprietăți mecanice.
Selecția și controlul boabelor ③
Pulberea de diamant, materia primă, este un factor cheie care afectează performanța PCD-ului. Pretratarea micropulberii de diamant, adăugarea unei cantități mici de substanțe care împiedică creșterea anormală a particulelor de diamant și selecția rezonabilă a aditivilor de sinterizare pot inhiba creșterea particulelor anormale de diamant.
NPD-ul de înaltă puritate, cu o structură uniformă, poate elimina eficient anizotropia și poate îmbunătăți în continuare proprietățile mecanice. Pulberea precursoare de nanografit preparată prin metoda de măcinare cu bile de înaltă energie a fost utilizată pentru a regla conținutul de oxigen la pre-sinterizarea la temperatură înaltă, transformând grafitul în diamant la 18 GPa și 2100-2300℃, generând NPD lamelar și granular, iar duritatea a crescut odată cu scăderea grosimii lamelelor.
④ Tratament chimic tardiv
La aceeași temperatură (200 °℃) și timp (20h), efectul de îndepărtare a cobaltului obținut prin utilizarea acidului Lewis-FeCl3 a fost semnificativ mai bun decât cel al apei, iar raportul optim de HCl a fost de 10-15g/100ml. Stabilitatea termică a PCD-ului se îmbunătățește odată cu creșterea adâncimii de îndepărtare a cobaltului. Pentru PCD-ul cu creștere granulară grosieră, tratamentul cu acid puternic poate îndepărta complet Co, dar are o influență mare asupra performanței polimerului; adăugarea de TiC și WC pentru a schimba structura policristalină sintetică și combinarea cu tratamentul cu acid puternic pentru a îmbunătăți stabilitatea PCD-ului. În prezent, procesul de preparare a materialelor PCD se îmbunătățește, rezistența produsului este bună, anizotropia a fost mult îmbunătățită, producția comercială a fost realizată, iar industriile conexe se dezvoltă rapid.
(2) Prelucrarea lamei PCD
① procesul de tăiere
PCD-ul are duritate ridicată, rezistență bună la uzură și un proces de tăiere foarte dificil.
② procedura de sudare
PDC și corpul cuțitului prin prindere mecanică, lipire și lipire. Lipirea constă în presarea PDC pe matricea de carbură, inclusiv lipirea în vid, sudarea prin difuzie în vid, lipirea prin încălzire prin inducție de înaltă frecvență, sudarea cu laser etc. Lipirea prin încălzire prin inducție de înaltă frecvență are un cost redus și un randament ridicat și a fost utilizată pe scară largă. Calitatea sudării este legată de flux, aliajul de sudură și temperatura de sudare. Temperatura de sudare (în general sub 700 °℃) are cel mai mare impact, o temperatură prea ridicată poate provoca grafitizarea PCD sau chiar „supra-ardere”, ceea ce afectează direct efectul de sudare, iar o temperatură prea scăzută va duce la o rezistență insuficientă a sudării. Temperatura de sudare poate fi controlată de timpul de izolație și de adâncimea de înroșire a PCD.
③ procesul de șlefuire a lamei
Procesul de rectificare a sculelor PCD este cheia procesului de fabricație. În general, valoarea maximă a lamei și a lamei este în limita a 5 μm, iar raza arcului este în limita a 4 μm; suprafețele de tăiere frontale și posterioare asigură un anumit finisaj al suprafeței și chiar reduc suprafața de tăiere frontală Ra la 0,01 μm pentru a îndeplini cerințele de oglindă, făcând ca așchiile să curgă de-a lungul suprafeței frontale a cuțitului și prevenind blocarea cuțitului.
Procesul de șlefuire a lamelor include șlefuirea mecanică a lamelor cu discuri abrazive diamantate, șlefuirea electrică a lamelor cu scânteie (EDG), șlefuirea electrolitică online a lamelor cu discuri abrazive superdure cu liant metalic (ELID), prelucrarea prin șlefuire a lamelor compozite. Printre acestea, șlefuirea mecanică a lamelor cu discuri abrazive diamantate este cea mai matură și cea mai utilizată.
Experimente conexe: ① discul abraziv cu particule grosiere va duce la o prăbușire gravă a lamei, iar dimensiunea particulelor discului abraziv scade, iar calitatea lamei se îmbunătățește; dimensiunea particulelor ② discului abraziv este strâns legată de calitatea lamei sculelor PCD cu particule fine sau ultrafine, dar are un efect limitat asupra sculelor PCD cu particule grosiere.
Cercetările conexe din țară și din străinătate se concentrează în principal pe mecanismul și procesul de rectificare a lamelor. În mecanismul de rectificare a lamelor, îndepărtarea termochimică și îndepărtarea mecanică sunt dominante, iar îndepărtarea fragilității și îndepărtarea oboselii sunt relativ mici. La rectificare, în funcție de rezistența și rezistența la căldură a diferitelor corpuri abrazive diamantate cu lianți, se recomandă îmbunătățirea vitezei și a frecvenței de oscilație a pietrei abrazive pe cât posibil, evitarea fragilității și îndepărtarea oboselii, îmbunătățirea proporției de îndepărtare termochimică și reducerea rugozității suprafeței. Rugozitatea suprafeței la rectificarea uscată este scăzută, dar, datorită temperaturii ridicate de prelucrare, se poate arde ușor suprafața sculei.
În procesul de rectificare a lamei, trebuie acordată atenție următoarelor aspecte: ① alegerea unor parametri rezonabili ai procesului de rectificare a lamei, ceea ce poate îmbunătăți calitatea muchiei din față și din spate și îmbunătățește finisajul suprafeței frontale și posterioare a lamei. Totuși, trebuie luate în considerare și forța mare de rectificare, pierderile mari, eficiența scăzută a rectificarii și costul ridicat; ② selectarea unei calități rezonabile a pietrei de rectificare, inclusiv tipul de liant, dimensiunea particulelor, concentrația, liantul, finisarea pietrei de rectificare. În condiții rezonabile de rectificare a lamei, atât uscată, cât și umedă, se pot optimiza colțurile frontale și posterioare ale sculei, valoarea de pasivizare a vârfului cuțitului și alți parametri, îmbunătățind în același timp calitatea suprafeței sculei.
Corpurile abrazive diamantate cu legare diferite au caracteristici diferite, precum și mecanisme și efecte de șlefuire diferite. Corpul abraziv diamantat cu liant rășinic este moale, particulele de șlefuire se desprind ușor prematur, nu are rezistență la căldură, suprafața se deformează ușor din cauza căldurii, suprafața de șlefuire a lamei este predispusă la urme de uzură, rugozitate mare; corpul abraziv diamantat cu liant metalic este menținut ascuțit prin șlefuire și concasare, formabilitate bună, suprafață bună, rugozitate scăzută a suprafeței lamei de șlefuire, eficiență mai mare, cu toate acestea, capacitatea de legare a particulelor de șlefuire face ca auto-ascuțirea să fie slabă, iar muchia așchietoare lasă ușor un spațiu de impact, provocând daune marginale grave; corpul abraziv diamantat cu liant ceramic are o rezistență moderată, performanță bună de auto-excitație, mai mulți pori interni, favorabil îndepărtării prafului și disipării căldurii, se poate adapta la o varietate de agenți de răcire, temperatură scăzută de șlefuire, corpul abraziv este mai puțin uzat, menținere bună a formei, precizie de cea mai mare eficiență, cu toate acestea, corpul abraziv diamantat și liantul duc la formarea de gropi pe suprafața sculei. Utilizarea se face în funcție de materialele de prelucrare, eficiența completă a șlefuirii, durabilitatea abrazivă și calitatea suprafeței piesei de prelucrat.
Cercetarea privind eficiența șlefuirii se concentrează în principal pe îmbunătățirea productivității și controlul costurilor. În general, se utilizează ca și criterii de evaluare rata de șlefuire Q (îndepărtarea PCD pe unitatea de timp) și raportul de uzură G (raportul dintre îndepărtarea PCD și pierderea pietrei abrazive).
Savantul german KENTER a testat următoarele teste de rectificare a unei scule PCD cu presiune constantă: ① crește viteza pietrei abrazive, dimensiunea particulelor PDC și concentrația agentului de răcire, reducând viteza de rectificare și raportul de uzură; ② crește dimensiunea particulelor abrazive, crește presiunea constantă, crește concentrația de diamant în piatra abrazivă, crescând viteza de rectificare și raportul de uzură; ③ în funcție de tipul de liant, viteza de rectificare și raportul de uzură sunt diferite. KENTER Procesul de rectificare a lamei sculei PCD a fost studiat sistematic, dar influența procesului de rectificare a lamei nu a fost analizată sistematic.
3. Utilizarea și defectarea sculelor de tăiere PCD
(1) Selectarea parametrilor de așchiere a sculei
În perioada inițială de prelucrare a sculei PCD, muchia ascuțită a suferit o pasivizare treptată, iar calitatea suprafeței de prelucrare s-a îmbunătățit. Pasivizarea poate elimina eficient micro-spațiile și bavurile mici produse de rectificarea lamei, poate îmbunătăți calitatea suprafeței muchiei așchietoare și, în același timp, poate forma o rază circulară a muchiei pentru a comprima și repara suprafața prelucrată, îmbunătățind astfel calitatea suprafeței piesei de prelucrat.
Frezarea suprafeței sculei PCD din aliaj de aluminiu are o viteză de așchiere în general de 4000 m/min, prelucrarea găurilor este în general de 800 m/min, iar prelucrarea metalelor neferoase cu elasticitate ridicată trebuie să necesite o viteză de strunjire mai mare (300-1000 m/min). Volumul de avans este în general recomandat între 0,08-0,15 mm/rotație. Un volum de avans prea mare duce la creșterea forței de așchiere, creșterea suprafeței geometrice reziduale a piesei de prelucrat; un volum de avans prea mic duce la creșterea căldurii de așchiere și uzură. Adâncimea de așchiere crește, forța de așchiere crește, căldura de așchiere crește, durata de viață scade. O adâncime excesivă de așchiere poate provoca cu ușurință prăbușirea lamei; o adâncime mică de așchiere va duce la călirea prelucrării, uzură și chiar prăbușirea lamei.
(2) Formă de uzură
La prelucrarea piesei de prelucrat, uzura este inevitabilă din cauza frecării, temperaturii ridicate și a altor motive. Uzura sculei diamantate constă în trei etape: faza inițială de uzură rapidă (cunoscută și sub numele de faza de tranziție), faza de uzură stabilă cu o rată de uzură constantă și faza ulterioară de uzură rapidă. Faza de uzură rapidă indică faptul că scula nu funcționează și necesită rectificare. Formele de uzură ale sculelor așchietoare includ uzura adezivă (uzura prin sudură la rece), uzura prin difuzie, uzura abrazivă, uzura prin oxidare etc.
Spre deosebire de uneltele tradiționale, forma de uzură a uneltelor PCD este uzura prin adeziv, uzura prin difuzie și deteriorarea stratului policristalin. Printre acestea, deteriorarea stratului policristalin este principala cauză, manifestându-se prin prăbușirea subtilă a lamei cauzată de impact extern sau pierderea adezivului în PDC, formând un spațiu, care aparține deteriorării fizice-mecanice, putând duce la reducerea preciziei de prelucrare și la pierderea pieselor de prelucrat. Dimensiunea particulelor PCD, forma lamei, unghiul lamei, materialul piesei de prelucrat și parametrii de prelucrare vor afecta rezistența lamei și forța de tăiere, provocând apoi deteriorarea stratului policristalin. În practica inginerească, dimensiunea adecvată a particulelor de materie primă, parametrii sculei și parametrii de prelucrare trebuie selectați în funcție de condițiile de prelucrare.
4. Tendința de dezvoltare a sculelor așchietoare PCD
În prezent, gama de aplicații a sculelor PCD a fost extinsă de la strunjirea tradițională la găurire, frezare, așchiere de mare viteză și a fost utilizată pe scară largă în țară și în străinătate. Dezvoltarea rapidă a vehiculelor electrice nu numai că a avut un impact asupra industriei automobilelor tradiționale, dar a adus și provocări fără precedent industriei sculelor, îndemnând industria sculelor să accelereze optimizarea și inovarea.
Aplicarea pe scară largă a sculelor așchietoare PCD a aprofundat și a promovat cercetarea și dezvoltarea sculelor așchietoare. Odată cu aprofundarea cercetării, specificațiile PDC devin din ce în ce mai mici, optimizarea calității rafinării granulelor, uniformitatea performanței, rata de șlefuire și raportul de uzură sunt din ce în ce mai mari, iar forma și structura se diversifică. Direcțiile de cercetare în domeniul sculelor PCD includ: ① cercetarea și dezvoltarea unui strat subțire de PCD; ② cercetarea și dezvoltarea de noi materiale pentru scule PCD; ③ cercetarea pentru îmbunătățirea sudării sculelor PCD și reducerea suplimentară a costurilor; ④ cercetarea pentru îmbunătățirea procesului de șlefuire a lamelor sculelor PCD pentru a îmbunătăți eficiența; ⑤ cercetarea pentru optimizarea parametrilor sculelor PCD și utilizarea sculelor în funcție de condițiile locale; ⑥ cercetarea pentru selectarea rațională a parametrilor de așchiere în funcție de materialele prelucrate.
scurt rezumat
(1) Performanța de așchiere a sculelor PCD compensează deficitul multor scule din carbură; în același timp, prețul este mult mai mic decât cel al sculelor cu diamant monocristal, fiind o unealtă promițătoare în așchierea modernă;
(2) În funcție de tipul și performanța materialelor prelucrate, o selecție rezonabilă a dimensiunii particulelor și a parametrilor sculelor PCD, care reprezintă premisa fabricării și utilizării sculelor,
(3) Materialul PCD are o duritate ridicată, fiind ideal pentru prelucrarea cuțitelor, dar prezintă și dificultăți în fabricarea sculelor așchietoare. La fabricare, trebuie luate în considerare cu atenție dificultatea procesului și nevoile de prelucrare pentru a obține cele mai bune performanțe de cost;
(4) În cazul materialelor de prelucrare PCD în districtul cuțitelor, parametrii de așchiere ar trebui selectați în mod rezonabil, pe baza performanței produsului, pe cât posibil pentru a prelungi durata de viață a sculei și a obține echilibrul între durata de viață a sculei, eficiența producției și calitatea produsului;
(5) Cercetarea și dezvoltarea de noi materiale pentru scule PCD pentru a depăși dezavantajele inerente
Acest articol este preluat de la „rețea de materiale superdure"
Data publicării: 25 martie 2025
