PCD -verktyg är tillverkat av polykristallin diamantknivspets och karbidmatris genom hög temperatur och sintring av högt tryck. Det kan inte bara ge full spel till fördelarna med hög hårdhet, hög värmeledningsförmåga, låg friktionskoefficient, låg termisk expansionskoefficient, liten affinitet med metall och icke-metall, hög elastisk modul, ingen klyvningsyta, isotropisk, men tar också hänsyn till den höga styrkan hos hårdlegering.
Termisk stabilitet, påverkan seghet och slitmotstånd är de viktigaste prestandaindikatorerna för PCD. Eftersom det mest används i hög temperatur och hög stressmiljö är termisk stabilitet det viktigaste. Studien visar att den termiska stabiliteten hos PCD har en stor inverkan på dess slitmotstånd och påverkan seghet. Data visar att när temperaturen är högre än 750 ℃, minskar slitmotståndet och påverkan på segheten hos PCD i allmänhet med 5% -10%.
Kristalltillståndet för PCD bestämmer dess egenskaper. I mikrostruktur bildar kolatomer kovalenta bindningar med fyra angränsande atomer, erhåller den tetraedrala strukturen och bildar sedan atomkristallen, som har stark orientering och bindande kraft och hög hårdhet. Huvudprestandaindexen för PCD är följande: ① Hårdhet kan nå 8000 HV, 8-12 gånger karbid; ② Termisk konduktivitet är 700W / MK, 1,5-9 gånger, ännu högre än PCBN och koppar; ③ Friktionskoefficient är i allmänhet endast 0,1-0,3, mycket mindre än 0,4-1 karbid, vilket avsevärt minskar skärkraften; ④ Termisk expansionskoefficient är endast 0,9x10-6-1.18x10-6,1 / 5 av karbid, vilket kan minska termisk deformation och förbättra bearbetningsnoggrannheten; ⑤ och icke-metalliska material är mindre affinitet för att bilda noduler.
Kubisk bornitrid har stark oxidationsmotstånd och kan bearbeta järninnehållande material, men hårdheten är lägre än enstaka kristalldiamant, bearbetningshastigheten är långsam och effektiviteten är låg. Den enkla kristalldiamanten har hög hårdhet, men segheten är otillräcklig. Anisotropi gör det enkelt att dissociera längs (111) ytan under påverkan av yttre kraft, och bearbetningseffektiviteten är begränsad. PCD är en polymer syntetiserad av diamantpartiklar med mikronstor på med vissa medel. Den kaotiska naturen hos den störda ackumuleringen av partiklar leder till dess makroskopiska isotropiska natur, och det finns ingen riktning och klyvningsyta i draghållfastheten. Jämfört med enkristalldiamanten reducerar korngränsen för PCD effektivt anisotropin och optimerar de mekaniska egenskaperna.
1. Designprinciper för PCD -skärverktyg
(1) Rimligt urval av PCD -partikelstorlek
Teoretiskt bör PCD försöka förfina kornen, och fördelningen av tillsatser mellan produkter bör vara så enhetlig som möjligt för att övervinna anisotropin. Valet av PCD -partikelstorlek är också relaterat till behandlingsförhållandena. Generellt sett kan PCD med hög styrka, god seghet, god slagmotstånd och finkorn användas för efterbehandling eller superbehandling, och PCD av grovkorn kan användas för allmän grov bearbetning. PCD -partikelstorleken kan påverka verktygets slitprestanda avsevärt. Relevant litteratur påpekar att när råmaterialkornet är stort ökar slitmotståndet gradvis med minskningen av kornstorleken, men när kornstorleken är mycket liten är denna regel inte tillämplig.
Relaterade experiment valde fyra diamantpulver med genomsnittliga partikelstorlekar på 10um, 5um, 2um och 1um, och det drogs slutsatsen att: ① Med minskningen av partikelstorleken på råmaterial diffunderar CO mer jämnt; Med minskningen av ② minskade slitmotståndet och värmemotståndet hos PCD gradvis.
(2) Rimligt val av bladmunnform och bladtjocklek
Formen av bladmunn inkluderar huvudsakligen fyra strukturer: inverterad kant, trubbig cirkel, inverterad kant trubbig cirkelkomposit och skarp vinkel. Den skarpa vinkelstrukturen gör kanten skarp, skärhastigheten är snabb, kan avsevärt minska skärkraften och burr, förbättra produktens ytkvalitet, är mer lämplig för låg kisel aluminiumlegering och annan låg hårdhet, enhetlig icke-järnhaltig metallfinish. Den stöt runda strukturen kan passivera bladmunnen, bilda R -vinkel, förhindra effektivt bladet brytning, lämpligt för bearbetning av medelstora kiselaluminiumlegeringar. I vissa speciella fall, såsom grunt skärande djup och liten knivfoder, föredras den trubbiga rundstrukturen. Den inverterade kantstrukturen kan öka kanterna och hörnen, stabilisera bladet, men samtidigt kommer att öka trycket och skärmotståndet, mer lämpligt för kraftig belastning med hög kiselaluminiumlegering.
För att underlätta EDM väljer du vanligtvis ett tunt PDC-plåtskikt (0,3-1,0 mm), plus karbidskiktet, är den totala tjockleken på verktyget cirka 28 mm. Karbidskiktet bör inte vara för tjockt för att undvika stratifiering orsakad av stressskillnaden mellan bindningsytorna
2, PCD -verktygstillverkningsprocess
Tillverkningsprocessen för PCD -verktyg bestämmer direkt verktygets skärprestanda och livslängd, som är nyckeln till dess tillämpning och utveckling. Tillverkningsprocessen för PCD -verktyget visas i figur 5.
(1) Tillverkning av PCD -komposittabletter (PDC)
① Tillverkningsprocessen för PDC
PDC består vanligtvis av naturligt eller syntetiskt diamantpulver och bindande medel vid hög temperatur (1000-2000 ℃) och högt tryck (5-10 atm). Bindningsmedlet bildar den bindande bron med Tic, SiC, Fe, CO, Ni, etc. som huvudkomponenterna, och diamantkristallen är inbäddad i skelettet av den bindande bron i form av kovalent bindning. PDC görs vanligtvis till skivor med fast diameter och tjocklek, och slipning och polerad och andra motsvarande fysiska och kemiska behandlingar. I huvudsak bör den ideala formen av PDC behålla de utmärkta fysiska egenskaperna hos enkristalldiamant så mycket som möjligt, därför bör tillsatserna i sintringskroppen vara så lite som möjligt, samtidigt, partikel DD -bindningskombinationen så mycket som möjligt,
② Klassificering och val av bindemedel
Bindemedlet är den viktigaste faktorn som påverkar den termiska stabiliteten hos PCD -verktyget, som direkt påverkar dess hårdhet, slitmotstånd och termisk stabilitet. Vanliga PCD -bindningsmetoder är: järn, kobolt, nickel och andra övergångsmetaller. CO och W -blandat pulver användes som bindningsmedel, och den omfattande prestanda för sintring av PCD var bäst när syntestrycket var 5,5 GPa, sintringstemperaturen var 1450 ℃ och isoleringen i 4 min. SIC, TIC, WC, TIB2 och andra keramiska material. SIC Den termiska stabiliteten hos SIC är bättre än CO, men hårdheten och frakturens seghet är relativt låg. Lämplig minskning av råmaterialstorlek kan förbättra hårdheten och segheten hos PCD. Inget lim, med grafit eller andra kolkällor i den ultrahöga temperaturen och högt tryck brändes in i en nanoskala polymerdiamant (NPD). Att använda grafit som föregångare för att förbereda 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
Råmaterialets diamantpulver är en nyckelfaktor som påverkar PCD: s prestanda. Förbehandlande diamantmikropowder, tillägg av en liten mängd ämnen som hindrar onormala diamantpartiklar tillväxt och rimligt urval av sintringstillsatser kan hämma tillväxten av onormala diamantpartiklar.
Hög ren NPD med en enhetlig struktur kan effektivt eliminera anisotropin och ytterligare förbättra de mekaniska egenskaperna. Nanografitprekursorpulveret framställt med högenergikulslipningsmetod användes för att reglera syreinnehållet vid hög temperatur före, omvandla grafit till diamant under 18 GPA och 2100-2300 ℃, vilket genererade lamell och granulär NPD, och hårdheten ökade med minskningen av lamellstjockleken.
④ Sen kemisk behandling
Vid samma temperatur (200 ° ℃) och tiden (20 timmar) var koboltavlägsningseffekten av Lewis-syra-FECL3 signifikant bättre än för vatten, och det optimala förhållandet mellan HCl var 10-15 g / 100 ml. Den termiska stabiliteten hos PCD förbättras när koboltborttagningsdjupet ökar. För grovkornig tillväxt PCD kan stark syrabehandling helt ta bort CO, men har stort inflytande på polymerprestanda; Att lägga till TIC och WC för att ändra den syntetiska polykristallstrukturen och kombinera med stark syrabehandling för att förbättra stabiliteten hos PCD. För närvarande förbättras beredningsprocessen för PCD -material, produktens seghet är bra, anisotropin har förbättrats kraftigt, har insett kommersiell produktion, relaterade industrier utvecklas snabbt.
(2) Bearbetning av PCD -bladet
① Skärningsprocess
PCD har hög hårdhet, god slitmotstånd och hög svår skärningsprocess.
② Svetsprocedur
PDC och knivkroppen genom mekanisk klämma, bindning och hårdlödning. Lödning är att trycka på PDC på karbidmatrisen, inklusive vakuumlödning, vakuumdiffusionssvetsning, högfrekvensinduktionsvärmning, lasersvetsning, etc. Högfrekvent induktionsvärmning har låg kostnad och hög avkastning och har använts allmänt. Svetskvaliteten är relaterad till flödet, svetslegeringen och svetsningstemperaturen. Svetsningstemperatur (i allmänhet lägre än 700 ° ℃) har den största effekten, temperaturen är för hög, lätt att orsaka PCD-grafitisering, eller till och med "överbränning", vilket direkt påverkar svetseffekten och för låg temperatur kommer att leda till otillräcklig svetsstyrka. Svetsningstemperaturen kan styras av isoleringstiden och djupet av PCD -rodnad.
③ Bladslipningsprocess
PCD -verktygsslipningsprocess är nyckeln till tillverkningsprocessen. Generellt sett är bladets toppvärde och bladet inom 5um, och bågradie är inom 4um; Den främre och bakre skärytan säkerställer viss ytfinish och till och med reducerar den främre skärytan Ra till 0,01 μm för att möta spegelkraven, få chips att flyta längs den främre knivytan och förhindra stickkniv.
Bladslipningsprocessen inkluderar diamantslipningshjul Mekanisk bladslipning, elektriskt gnistbladslipning (EDG), metallbindemedel super hårt slipande sliphjul online elektrolytisk efterbehandlingsbladslipning (ELID), sammansatt bladslipning. Bland dem är diamantslipningshjulets mekaniska bladslipning den mest mogna, det mest använda.
Relaterade experiment: ① Det grova partikelsliphjulet kommer att leda till allvarlig bladkollaps, och partikelstorleken på sliphjulet minskar, och bladets kvalitet blir bättre; Partikelstorleken på ② sliphjul är nära besläktat med bladkvaliteten på finpartikel eller ultrafina partikel PCD -verktyg, men har en begränsad effekt på grova partikel PCD -verktyg.
Relaterad forskning hemma och utomlands fokuserar huvudsakligen på mekanismen och processen för bladslipning. I bladslipningsmekanismen är termokemiskt avlägsnande och mekaniskt avlägsnande av det dominerande och spröd borttagning och trötthetsborttagning är relativt små. Vid slipning, enligt styrkan och värmemotståndet för olika bindande medel diamantsliphjul, förbättrar hastigheten och svängfrekvensen för sliphjulet så långt som möjligt, undvika sprödhet och trötthetsborttagning, förbättra andelen termokemisk borttagning och minska ytråheten. Ytråheten hos torr slipning är låg, men lätt på grund av hög bearbetningstemperatur, brännverktygsyta,
Bladslipningsprocessen måste vara uppmärksam på: ① Välj rimliga bladslipningsprocessparametrar, kan göra kanten munnkvalitet mer utmärkt, främre och bakre bladytan slutar högre. Men också överväga hög slipkraft, stor förlust, låg slipeffektivitet, höga kostnader; ② Välj rimlig slipkvalitet, inklusive bindemedel, partikelstorlek, koncentration, bindemedel, slipning av hjulförband, med rimliga torra och våta bladslipförhållanden, kan optimera verktygets främre och bakre hörn, knivspetsens passiveringsvärde och andra parametrar, samtidigt som du förbättrar ytkvaliteten på verktyget.
Olika bindande diamantsliphjul har olika egenskaper och olika slipmekanism och effekt. Hartsbindemedelsdiamantsandhjulet är mjukt, slippartiklar är lätta att falla för tidigt, utan att ha en värmemotstånd, ytan deformeras lätt av värmen, bladslipyta är benägna att bära märken, stor grovhet; Metallbindemedel diamantsliphjul hålls skarpt genom slipning av krossning, god formbarhet, ytor, låg ytråhet i bladslipningen, högre effektivitet, men bindningsförmågan hos slippartiklar gör den självskärande fattiga, och den banbrytande är lätt att lämna en påverkan klyftan, vilket orsakar allvarlig marginell skada; Ceramic Binder Diamond Sliping Wheel har en måttlig styrka, god självexcitationsprestanda, mer inre porer, gynnämne av damm och värmeavledning, kan anpassa sig till en mängd kylvätska, den låga slipningstemperaturen, sliphjulet är mindre slitna, god formhållning, noggrannheten för den högsta effektiviteten, men kroppen av diamantslipning och bindemedel leder till form av form. Använd enligt bearbetningsmaterialet, omfattande slipeffektivitet, slipande hållbarhet och ytkvalitet på arbetsstycket.
Forskningen om slipeffektivitet fokuserar främst på att förbättra produktiviteten och kontrollkostnaden. Generellt används slipningshastighet Q (PCD -borttagning per tidsenhet) och slitförhållande G (förhållandet mellan PCD -borttagning och slipförlust) som utvärderingskriterier.
Tysk forskare Kenters slipning av PCD -verktyg med konstant tryck, test: ① Ökar sliphjulets hastighet, PDC -partikelstorlek och kylvätskekoncentration, sliphastigheten och slitförhållandet reduceras; ② Ökar slippartikelstorleken, ökar det konstanta trycket, ökar koncentrationen av diamant i sliphjulet, sliphastigheten och slitförhållandet ökar; ③ Bindemedel är annorlunda, sliphastigheten och slitförhållandet är annorlunda. Kenter, bladslipningsprocessen för PCD -verktyget studerades systematiskt, men påverkan av bladslipningsprocessen analyserades inte systematiskt.
3. Användning och misslyckande med PCD -skärverktyg
(1) Val av verktygsskärningsparametrar
Under den första perioden med PCD -verktyget passerade den skarpa kanten munnen gradvis och bearbetningsytkvaliteten blev bättre. Passivering kan effektivt ta bort mikrogapet och små burr som föras av bladslipningen, förbättra ytkvaliteten på skärkanten och samtidigt bilda en cirkulär kantradie för att pressa och reparera den bearbetade ytan, vilket förbättrar arbetsstyckets ytkvalitet.
PCD-verktygsytfräsning av aluminiumlegering, skärhastighet är i allmänhet i 4000 m / min, hålbearbetning är i allmänhet i 800 m / min, bearbetning av hög elastisk plastisk icke-järnmetall bör ta en högre vridningshastighet (300-1000 m / min). Fodervolym rekommenderas vanligtvis mellan 0,08-0,15 mm/r. För stor fodervolym, ökad skärkraft, ökat restgeometriskt område på arbetsstyckets yta; För liten fodervolym, ökad skärande värme och ökat slitage. Skärdjupet ökar, skärkraften ökar, skärningsvärmen ökar, livet minskar, överdrivet skärdjup kan lätt orsaka bladkollaps; Litet skärdjup kommer att leda till bearbetning av härdning, slitage och till och med bladkollaps.
(2) Slitform
Verktygsbehandling Arbetsstycke, på grund av friktion, hög temperatur och andra skäl, är slitage oundvikligt. Slitage på diamantverktyget består av tre steg: den initiala snabba slitfasen (även känd som övergångsfasen), den stabila slitfasen med en konstant slithastighet och den efterföljande snabba slitfasen. Den snabba slitfasen indikerar att verktyget inte fungerar och kräver reglering. Sliteformerna för skärverktyg inkluderar limslitage (kallt svetsning slitage), diffusionsslitage, slipslitage, oxidationslitage, etc.
Till skillnad från traditionella verktyg är slitformen av PCD -verktyg vidhäftande slitage, diffusionsslitage och polykristallin skiktskador. Bland dem är skadorna på polykristallskikt det främsta skälet, som manifesteras som den subtila bladkollapsen orsakad av yttre påverkan eller förlust av lim i PDC, som bildar ett gap, som tillhör fysisk mekanisk skada, vilket kan leda till minskning av bearbetning av precision och skrot av arbetsstycken. PCD -partikelstorlek, bladform, bladvinkel, arbetsstycksmaterial och bearbetningsparametrar kommer att påverka bladbladstyrkan och skärkraften och sedan orsaka skadan på polykristallskiktet. I ingenjörspraxis bör lämplig råmaterialpartikelstorlek, verktygsparametrar och behandlingsparametrar väljas enligt behandlingsförhållandena.
4. Utvecklingstrend av PCD -skärverktyg
För närvarande har applikationsintervallet för PCD-verktyget utvidgats från traditionell vändning till borrning, fräsning, höghastighetsskärning och har använts allmänt hemma och utomlands. Den snabba utvecklingen av elektriska fordon har inte bara fått inverkan på den traditionella bilindustrin, utan också medfört verktygsindustrins enastående utmaningar och uppmanade verktygsindustrin att påskynda optimeringen och innovationen.
Den breda tillämpningen av PCD -skärverktyg har fördjupats och främjat forskning och utveckling av skärverktyg. Med fördjupningen av forskningen blir PDC -specifikationerna mindre och mindre, kvalitetsoptimering av kvalitet, prestanda enhetlighet, sliphastighet och slitförhållande är högre och högre, form och strukturdiversifiering. Forskningsinstruktionerna för PCD -verktyg inkluderar: ① Forskning och utveckla tunt PCD -lager; ② Undersök och utvecklar nya PCD -verktygsmaterial; ③ Forskning för att bättre svetsa PCD -verktyg och ytterligare minska kostnaderna; ④ Forskning förbättrar PCD -verktygsbladslipningsprocessen 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 -verktygsskärningsprestanda, kompensera för bristen på många karbidverktyg; Samtidigt är priset mycket lägre än enkristall diamantverktyg, i modern skärning, är ett lovande verktyg;
(2) Enligt typ och prestanda för de bearbetade materialen, ett rimligt urval av partikelstorlek och parametrar för PCD -verktyg, som är förutsättningen för verktygstillverkning och användning,
(3) PCD -material har en hög hårdhet, vilket är det perfekta materialet för att klippa knivlän, men det ger också svårigheten för att skära verktygstillverkning. Vid tillverkning, för att omfattande överväga processens svårigheter och bearbetningsbehov, för att uppnå bästa kostnadsprestanda;
(4) PCD -bearbetningsmaterial I knivlän bör vi rimligen välja skärparametrar, på grundval av att möta produktprestanda, så långt som möjligt för att förlänga verktygets livslängd för att uppnå balans mellan verktygsliv, produktionseffektivitet och produktkvalitet;
(5) Forskning och utveckla nya PCD -verktygsmaterial för att övervinna dess inneboende nackdelar
Den här artikeln kommer från ""Superhard Material Network"
Posttid: Mar-25-2025
