PCD-verktyget är tillverkat av polykristallin diamantknivspets och hårdmetallmatris genom sintring vid hög temperatur och högt tryck. Det kan inte bara utnyttja fördelarna med hög hårdhet, hög värmeledningsförmåga, låg friktionskoefficient, låg värmeutvidgningskoefficient, liten affinitet med metall och icke-metall, hög elasticitetsmodul, ingen klyvningsyta, isotropisk konstruktion, utan tar även hänsyn till den höga hållfastheten hos hårdlegeringar.
Termisk stabilitet, slagtålighet och slitstyrka är de viktigaste prestandaindikatorerna för PCD. Eftersom det främst används i miljöer med hög temperatur och hög belastning är termisk stabilitet det viktigaste. Studien visar att PCD:s termiska stabilitet har stor inverkan på dess slitstyrka och slagtålighet. Data visar att när temperaturen är högre än 750 ℃ minskar PCD:s slitstyrka och slagtålighet generellt med 5% -10%.
PCD:s kristalltillstånd bestämmer dess egenskaper. I mikrostrukturen bildar kolatomer kovalenta bindningar med fyra angränsande atomer, erhåller en tetraedrisk struktur och bildar sedan atomkristaller med stark orienterings- och bindningskraft samt hög hårdhet. PCD:s huvudsakliga prestandaindex är följande: ① hårdheten kan nå 8000 HV, 8-12 gånger hårdmetall; ② värmeledningsförmågan är 700 W/mK, 1,5-9 gånger högre än PCBN och koppar; ③ friktionskoefficienten är i allmänhet endast 0,1-0,3, mycket mindre än 0,4-1 för hårdmetall, vilket avsevärt minskar skärkraften; ④ värmeutvidgningskoefficienten är endast 0,9x10⁻⁶-1,18x10⁻⁶, 1/5 för hårdmetall, vilket kan minska termisk deformation och förbättra bearbetningsnoggrannheten; ⑤ och icke-metalliska material har lägre affinitet för att bilda noduler.
Kubisk bornitrid har stark oxidationsbeständighet och kan bearbeta järnhaltiga material, men hårdheten är lägre än för enkristalldiamant, bearbetningshastigheten är långsam och effektiviteten är låg. Enkristalldiamanten har hög hårdhet, men segheten är otillräcklig. Anisotropi gör det lätt att dissociera längs (111)-ytan under påverkan av yttre kraft, och bearbetningseffektiviteten är begränsad. PCD är en polymer som syntetiseras av mikronstora diamantpartiklar med vissa metoder. Den kaotiska naturen hos den oordnade ansamlingen av partiklar leder till dess makroskopiska isotropa natur, och det finns ingen riktnings- och klyvningsyta i draghållfastheten. Jämfört med enkristalldiamanten minskar korngränsen hos PCD effektivt anisotropin och optimerar de mekaniska egenskaperna.
1. Designprinciper för PCD-skärverktyg
(1) Rimligt val av PCD-partikelstorlek
Teoretiskt sett bör PCD försöka förfina kornen, och fördelningen av tillsatser mellan produkterna bör vara så jämn som möjligt för att övervinna anisotropin. Valet av PCD-partikelstorlek är också relaterat till bearbetningsförhållandena. Generellt sett kan PCD med hög hållfasthet, god seghet, god slagtålighet och finkornighet användas för finbearbetning eller superfinbearbetning, och PCD med grovkornighet kan användas för allmän grovbearbetning. PCD-partikelstorleken kan avsevärt påverka verktygets slitageprestanda. Relevant litteratur påpekar att när råmaterialets korn är stort ökar slitstyrkan gradvis med minskande kornstorlek, men när kornstorleken är mycket liten är denna regel inte tillämplig.
Relaterade experiment valde fyra diamantpulver med genomsnittliga partikelstorlekar på 10 µm, 5 µm, 2 µm och 1 µm, och man drog slutsatsen att: ① Med minskande partikelstorlek hos råmaterialet diffunderar Co jämnare; med minskningen av ② minskade slitstyrkan och värmebeständigheten hos PCD gradvis.
(2) Rimligt val av bladmynningsform och bladtjocklek
Bladmynningens form innefattar huvudsakligen fyra strukturer: inverterad egg, trubbig cirkel, inverterad egg, trubbig cirkel, komposit och skarp vinkel. Den skarpa vinkelstrukturen gör eggen vass, skärhastigheten är hög, kan avsevärt minska skärkraften och graderna, förbättra produktens ytkvalitet, är mer lämplig för lågkiselaluminiumlegeringar och andra låghårda, enhetliga icke-järnmetallbehandlingar. Den trubbiga runda strukturen kan passivera bladmynningen, bilda R-vinkel, effektivt förhindra att bladet går sönder, lämplig för bearbetning av medelhög/högkiselaluminiumlegering. I vissa speciella fall, såsom grunt skärdjup och liten knivmatning, föredras den trubbiga runda strukturen. Den inverterade eggstrukturen kan öka kanterna och hörnen, stabilisera bladet, men samtidigt öka trycket och skärmotståndet, mer lämplig för tung belastningsskärning av högkiselaluminiumlegering.
För att underlätta gnistgnistning väljer man vanligtvis ett tunt PDC-arklager (0,3–1,0 mm) plus ett karbidlager. Verktygets totala tjocklek är cirka 28 mm. Karbidlagret bör inte vara för tjockt för att undvika skiktning orsakad av spänningsskillnaden mellan bindningsytorna.
2, tillverkningsprocess för PCD-verktyg
Tillverkningsprocessen för PCD-verktyg avgör direkt verktygets skärprestanda och livslängd, vilket är nyckeln till dess tillämpning och utveckling. Tillverkningsprocessen för PCD-verktyget visas i figur 5.
(1) Tillverkning av PCD-komposittabletter (PDC)
① Tillverkningsprocess för PDC
PDC består vanligtvis av naturligt eller syntetiskt diamantpulver och bindemedel vid hög temperatur (1000-2000 ℃) och högt tryck (5-10 atm). Bindemedlet bildar bindningsbryggan med TiC, Sic, Fe, Co, Ni, etc. som huvudkomponenter, och diamantkristallen är inbäddad i bindningsbryggans skelett i form av kovalent bindning. PDC tillverkas vanligtvis till skivor med fast diameter och tjocklek, och slipas och poleras och genomgår motsvarande fysikaliska och kemiska behandlingar. I huvudsak bör den ideala formen av PDC bibehålla de utmärkta fysikaliska egenskaperna hos enkristalldiamant så mycket som möjligt, därför bör tillsatserna i sintringskroppen vara så få som möjligt, samtidigt som partikel-DD-bindningskombinationen är så stor som möjligt.
② Klassificering och val av bindemedel
Bindemedlet är den viktigaste faktorn som påverkar PCD-verktygets termiska stabilitet, vilket direkt påverkar dess hårdhet, slitstyrka och termiska stabilitet. Vanliga PCD-bindningsmetoder är: järn, kobolt, nickel och andra övergångsmetaller. Co- och W-blandat pulver användes som bindemedel, och den övergripande prestandan för sintring av PCD var bäst när syntestrycket var 5,5 GPa, sintringstemperaturen var 1450 ℃ och isoleringen var 4 minuter. SiC, TiC, WC, TiB2 och andra keramiska material. SiC Den termiska stabiliteten hos SiC är bättre än Co, men hårdheten och brottsegheten är relativt låga. Lämplig minskning av råmaterialstorleken kan förbättra hårdheten och segheten hos PCD. Inget lim, med grafit eller andra kolkällor bränns vid ultrahög temperatur och högt tryck till en nanoskalig polymerdiamant (NPD). Att använda grafit som prekursor för att framställa NPD är de mest krävande förhållandena, men den syntetiska NPD har den högsta hårdheten och de bästa mekaniska egenskaperna.
Urval och kontroll av ③-korn
Råmaterialet diamantpulver är en nyckelfaktor som påverkar prestandan hos PCD. Förbehandling av diamantmikropulver, tillsats av en liten mängd ämnen som hindrar onormal tillväxt av diamantpartiklar och ett rimligt val av sintringstillsatser kan hämma tillväxten av onormala diamantpartiklar.
Högren NPD med en enhetlig struktur kan effektivt eliminera anisotropin och ytterligare förbättra de mekaniska egenskaperna. Nanografitprekursorpulvret framställt med högenergikulslipningsmetod användes för att reglera syrehalten vid högtemperaturförsintring, vilket omvandlade grafit till diamant under 18 GPa och 2100-2300 ℃, vilket genererade lameller och granulär NPD, och hårdheten ökade med minskande lamelltjocklek.
④ Sen kemisk behandling
Vid samma temperatur (200 °℃) och tid (20 timmar) var effekten av Lewis-syra-FeCl3 att avlägsna kobolt betydligt bättre än för vatten, och det optimala förhållandet HCl var 10-15 g / 100 ml. PCD:s termiska stabilitet förbättras med ökande koboltavlägsningsdjup. För grovkornig PCD kan stark syrabehandling avlägsna Co helt, men har stor inverkan på polymerens prestanda. Tillsats av TiC och WC förändrar den syntetiska polykristallstrukturen och kombination med stark syrabehandling förbättrar PCD:s stabilitet. För närvarande förbättras framställningsprocessen för PCD-material, produktens seghet är god, anisotropin har förbättrats kraftigt, kommersiell produktion har uppnåtts och relaterade industrier utvecklas snabbt.
(2) Bearbetning av PCD-bladet
① skärprocessen
PCD har hög hårdhet, god slitstyrka och svår skärprocess.
② svetsprocedur
PDC och knivkroppen med hjälp av mekanisk klämning, bindning och lödning. Lödning innebär att PDC pressas mot hårdmetallmatrisen, inklusive vakuumlödning, vakuumdiffusionssvetsning, högfrekvent induktionslödning, lasersvetsning etc. Högfrekvent induktionslödning har låg kostnad och hög avkastning och har använts i stor utsträckning. Svetskvaliteten är relaterad till flussmedlet, svetslegeringen och svetstemperaturen. Svetstemperaturen (generellt lägre än 700 °℃) har störst inverkan. För hög temperatur orsakar lätt PCD-grafitisering eller till och med "överbränning", vilket direkt påverkar svetseffekten. För låg temperatur leder till otillräcklig svetsstyrka. Svetstemperaturen kan styras av isoleringstiden och djupet av PCD-rodnaden.
③ bladslipningsprocess
PCD-verktygsslipningsprocessen är nyckeln till tillverkningsprocessen. Generellt sett är toppvärdet för bladet och bladet inom 5 µm, och bågradien är inom 4 µm. Den främre och bakre skärytan säkerställer en viss ytfinish, och kan till och med reducera den främre skärytan Ra till 0,01 μm för att uppfylla spegelkraven, få spånorna att flyta längs den främre knivytan och förhindra att kniven fastnar.
Bladslipningsprocessen inkluderar mekanisk bladslipning av diamantslipskivor, elektrisk gnistslipning av blad (EDG), superhård slipning av metallbindemedelsslipskivor online för elektrolytisk efterbehandling av blad (ELID) och bearbetning av kompositblad. Bland dessa är mekanisk bladslipning av diamantslipskivor den mest mogna och mest använda.
Relaterade experiment: ① grovpartikelslipskivan leder till allvarligt bladkollaps, och slipskivans partikelstorlek minskar och bladets kvalitet förbättras; partikelstorleken på ② slipskivan är nära relaterad till bladkvaliteten på PCD-verktyg för fina eller ultrafina partiklar, men har begränsad effekt på PCD-verktyg för grova partiklar.
Relaterad forskning, både hemma och utomlands, fokuserar huvudsakligen på mekanismen och processen för bladslipning. I bladslipningsmekanismen är termokemisk avverkning och mekanisk avverkning dominerande, och avverkningen av sprödhet och utmattning är relativt liten. Vid slipning, beroende på hållfastheten och värmebeständigheten hos olika diamantslipskivor med bindemedel, förbättra slipskivans hastighet och svängfrekvens så mycket som möjligt, undvik avverkning av sprödhet och utmattning, förbättra andelen termokemisk avverkning och minska ytjämnheten. Ytjämnheten vid torrslipning är låg, men lätt orsakad av hög bearbetningstemperatur, brännskador på verktygsytan,
Vid slipning av blad måste man vara uppmärksam på följande: ① att välja rimliga parametrar för bladslipning, vilket kan förbättra eggkvaliteten och förbättra ytfinishen på bladets fram- och baksida. Tänk dock även på hög slipkraft, stor förlust, låg slipeffektivitet och hög kostnad; ② att välja rimlig slipskivskvalitet, inklusive bindemedelstyp, partikelstorlek, koncentration, bindemedel, slipskivslipning, samt rimliga torra och våta slipförhållanden för bladet, vilket kan optimera verktygets främre och bakre hörn, knivspetsens passiveringsvärde och andra parametrar, samtidigt som verktygets ytkvalitet förbättras.
Olika diamantslipskivor med bindemedel har olika egenskaper och olika slipmekanismer och effekter. Diamantslipskivor med hartsbindemedel är mjuka, slippartiklarna faller lätt av i förtid, de har ingen värmebeständighet, ytan deformeras lätt av värmen, slipytan på bladet är benägen att få slitage och har stor ojämnhet; diamantslipskivan med metallbindemedel hålls vass genom slipning och krossning, god formbarhet och ytbehandling, låg ytjämnhet på bladet, högre effektivitet, men slippartiklarnas bindningsförmåga gör självslipningen dålig, och skäreggen lämnar lätt ett slaggap, vilket orsakar allvarliga marginalskador; diamantslipskivan med keramisk bindemedel har måttlig hållfasthet, god självexciteringsprestanda, fler inre porer, gynnsam för dammborttagning och värmeavledning, kan anpassa sig till en mängd olika kylvätskor, låg sliptemperatur, slipskivan är mindre sliten, god formbeständighet, noggrannhet med högsta effektivitet, men diamantslipningens och bindemedlets sammansättning leder till att gropar bildas på verktygsytan. Använd enligt bearbetningsmaterialet, omfattande slipeffektivitet, sliphållbarhet och arbetsstyckets ytkvalitet.
Forskningen kring slipningseffektivitet fokuserar huvudsakligen på att förbättra produktiviteten och kontrollera kostnader. Generellt används slipningshastighet Q (PCD-borttagning per tidsenhet) och slitageförhållandet G (förhållandet mellan PCD-borttagning och slipskivsförlust) som utvärderingskriterier.
Den tyska forskaren KENTER slipar PCD-verktyg med konstant tryck, test: 1 ökar slipskivans hastighet, PDC-partikelstorleken och kylvätskekoncentrationen minskar, slipningshastigheten och slitageförhållandet minskar; 2 ökar slippartikelstorleken, ökar det konstanta trycket, ökar koncentrationen av diamant i slipskivan, slipningshastigheten och slitageförhållandet ökar; 3 bindemedelstypen är annorlunda, slipningshastigheten och slitageförhållandet är olika. KENTER Bladslipningsprocessen för PCD-verktyg studerades systematiskt, men inverkan av bladslipningsprocessen analyserades inte systematiskt.
3. Användning och fel på PCD-skärverktyg
(1) Val av verktygsskärparametrar
Under den inledande perioden med PCD-verktyget passiverades den vassa eggmynningen gradvis, och bearbetningsytans kvalitet förbättrades. Passivering kan effektivt ta bort mikrospalt och små grader som orsakas av bladslipningen, förbättra ytkvaliteten på skäreggen och samtidigt forma en cirkulär eggradie för att pressa och reparera den bearbetade ytan, vilket förbättrar arbetsstyckets ytkvalitet.
PCD-verktyg för ytfräsning av aluminiumlegering, skärhastigheten är generellt 4000 m/min, hålbearbetning är generellt 800 m/min, bearbetning av högelastiska icke-järnmetaller bör kräva en högre svarvhastighet (300-1000 m/min). Matningsvolymen rekommenderas generellt mellan 0,08-0,15 mm/varv. För stor matningsvolym, ökad skärkraft, ökad restgeometrisk area av arbetsstyckets yta; för liten matningsvolym, ökad skärvärme och ökat slitage. Ökat skärdjup, ökad skärkraft, ökad skärvärme och minskad livslängd. För stort skärdjup kan lätt orsaka bladkollaps; ett litet skärdjup leder till hårdnande bearbetning, slitage och till och med bladkollaps.
(2) Slitageform
Verktygsbearbetningsarbetsstycket, på grund av friktion, hög temperatur och andra orsaker, är slitage oundvikligt. Slitaget på diamantverktyget består av tre steg: den initiala snabba slitagefasen (även känd som övergångsfasen), den stabila slitagefasen med konstant slitagehastighet och den efterföljande snabba slitagefasen. Den snabba slitagefasen indikerar att verktyget inte fungerar och behöver slipas om. Slitningsformer för skärverktyg inkluderar adhesivt slitage (kallsvetsslitage), diffusionsslitage, slipande slitage, oxidationsslitage etc.
Till skillnad från traditionella verktyg är slitageformen hos PCD-verktyg adhesivt slitage, diffusionsslitage och skador på det polykristallina skiktet. Bland dessa är skador på polykristallina skiktet den främsta orsaken, vilket manifesteras som ett subtilt bladkollaps orsakat av yttre påverkan eller förlust av adhesiv i PDC, vilket bildar ett mellanrum, vilket hör till fysisk mekanisk skada, vilket kan leda till minskad bearbetningsprecision och skrapning av arbetsstycket. PCD-partikelstorlek, bladform, bladvinkel, arbetsstyckets material och bearbetningsparametrar påverkar bladets hållfasthet och skärkraft, och orsakar sedan skador på polykristallina skiktet. I ingenjörspraxis bör lämplig råmaterialpartikelstorlek, verktygsparametrar och bearbetningsparametrar väljas i enlighet med bearbetningsförhållandena.
4. Utvecklingstrend för PCD-skärverktyg
För närvarande har användningsområdet för PCD-verktyg utökats från traditionell svarvning till borrning, fräsning och höghastighetsbearbetning, och har använts i stor utsträckning både hemma och utomlands. Den snabba utvecklingen av elfordon har inte bara påverkat den traditionella bilindustrin, utan också medfört exempellösa utmaningar för verktygsindustrin, vilket har uppmanat verktygsindustrin att påskynda optimering och innovation.
Den breda tillämpningen av PCD-skärverktyg har fördjupat och främjat forskningen och utvecklingen av skärverktyg. Med den fördjupade forskningen blir PDC-specifikationerna allt mindre, kornförfiningens kvalitet optimeras, prestandan blir jämn, slipningshastigheten och slitageförhållandet blir allt högre, samt form- och strukturdiversifiering. Forskningsinriktningarna för PCD-verktyg inkluderar: ① forskning och utveckling av tunna PCD-skikt; ② forskning och utveckling av nya PCD-verktygsmaterial; ③ forskning för att bättre svetsa PCD-verktyg och ytterligare minska kostnaderna; ④ forskning förbättrar slipprocessen för PCD-verktygsblad för att förbättra effektiviteten; ⑤ forskning optimerar PCD-verktygsparametrar och använder verktyg enligt lokala förhållanden; ⑥ forskning väljer rationellt skärparametrar enligt de bearbetade materialen.
kort sammanfattning
(1) PCD-verktygets skärprestanda kompenserar för bristen på många hårdmetallverktyg; samtidigt är priset betydligt lägre än enkristalldiamantverktyg, vilket är ett lovande verktyg för modern skärning;
(2) Beroende på typen och prestandan hos de bearbetade materialen, ett rimligt val av partikelstorlek och parametrar för PCD-verktyg, vilket är förutsättningen för verktygstillverkning och användning,
(3) PCD-material har hög hårdhet, vilket är det ideala materialet för skärande knivar, men det medför också svårigheter vid tillverkning av skärverktyg. Vid tillverkning bör man noggrant beakta processens svårighetsgrad och bearbetningsbehov för att uppnå bästa möjliga kostnadseffektivitet.
(4) För PCD-bearbetningsmaterial i knivdistrikt bör vi rimligen välja skärparametrar, baserat på att uppfylla produktens prestanda, för att så långt som möjligt förlänga verktygets livslängd för att uppnå balans mellan verktygets livslängd, produktionseffektivitet och produktkvalitet;
(5) Undersök och utveckla nya PCD-verktygsmaterial för att övervinna dess inneboende nackdelar.
Den här artikeln är hämtad från "nätverk av superhårda material"
Publiceringstid: 25 mars 2025
