PCD-työkalu on valmistettu polykiteisestä timanttiterän kärjestä ja kovametallimatriisista korkean lämpötilan ja paineen sintrauksen avulla. Se ei ainoastaan hyödynnä korkeaa kovuutta, korkeaa lämmönjohtavuutta, alhaista kitkakerrointa, alhaista lämpölaajenemiskerrointa, pientä affiniteettia metalliin ja epämetalliin, korkeaa kimmomoduulia, halkeamatonta pintaa ja isotrooppista ominaisuutta, vaan myös kovametalliseoksen korkeaa lujuutta.
Lämpöstabiilius, iskunkestävyys ja kulutuskestävyys ovat PCD:n tärkeimmät suorituskykyindikaattorit. Koska sitä käytetään enimmäkseen korkeissa lämpötiloissa ja suurissa rasitusympäristöissä, lämpöstabiilius on tärkein ominaisuus. Tutkimus osoittaa, että PCD:n lämpöstabiilisuudella on suuri vaikutus sen kulutuskestävyyteen ja iskunkestävyysän. Tiedot osoittavat, että yli 750 ℃:n lämpötilassa PCD:n kulutuskestävyys ja iskunkestävyys heikkenevät yleensä 5–10 %.
PCD:n kidetila määrää sen ominaisuudet. Mikrorakenteessa hiiliatomit muodostavat kovalenttisia sidoksia neljän vierekkäisen atomin kanssa, jolloin muodostuu tetraedrinen rakenne ja atomikiteet, joilla on vahva orientaatio ja sitoutumisvoima sekä korkea kovuus. PCD:n tärkeimmät suorituskykyindikaattorit ovat seuraavat: 1. kovuus voi olla 8000 HV, 8–12 kertaa karbidin kovuus; 2. lämmönjohtavuus on 700 W/mK, 1,5–9 kertaa suurempi kuin PCBN:llä ja kuparilla; 3. kitkakerroin on yleensä vain 0,1–0,3, paljon pienempi kuin 0,4–1 karbidin, mikä vähentää merkittävästi leikkausvoimaa; 4. lämpölaajenemiskerroin on vain 0,9x10⁻⁶–1,18x10⁻⁶/5 karbidin, mikä voi vähentää lämpömuodonmuutosta ja parantaa työstötarkkuutta; 5. se muodostaa vähemmän noduuleja karbidin ja muiden kuin metallisten materiaalien kanssa.
Kuutioboorinitridillä on vahva hapettumisenkestävyys ja se voi käsitellä rautapitoisia materiaaleja, mutta sen kovuus on alhaisempi kuin yksikiteisellä timantilla, käsittelynopeus on hidas ja hyötysuhde alhainen. Yksikiteisellä timantilla on korkea kovuus, mutta sen sitkeys on riittämätön. Anisotropia helpottaa sen hajoamista (111)-pintaa pitkin ulkoisen voiman vaikutuksesta, ja käsittelytehokkuus on rajallinen. PCD on polymeeri, joka syntetisoidaan mikronikokoisista timanttihiukkasista tietyillä tavoilla. Hiukkasten kaoottinen ja epäjärjestäytynyt kertyminen johtaa sen makroskooppiseen isotrooppiseen luonteeseen, eikä vetolujuudessa ole suuntaavaa ja halkeavaa pintaa. Verrattuna yksikiteiseen timanttiin, PCD:n raeraja vähentää tehokkaasti anisotropiaa ja optimoi mekaaniset ominaisuudet.
1. PCD-leikkaustyökalujen suunnitteluperiaatteet
(1) PCD-hiukkasten koon kohtuullinen valinta
Teoriassa PCD:n tulisi pyrkiä hienontamaan rakeita, ja lisäaineiden jakautumisen tuotteiden välillä tulisi olla mahdollisimman tasainen anisotropian välttämiseksi. PCD-hiukkaskoon valinta liittyy myös prosessointiolosuhteisiin. Yleisesti ottaen viimeistelyyn tai superviimeistelyyn voidaan käyttää korkean lujuuden, hyvän sitkeyden, hyvän iskunkestävyyden ja hienorakeisuutta omaavaa PCD:tä, kun taas yleiseen karkeaan työstöön voidaan käyttää karkeaa PCD:tä. PCD-hiukkaskoko voi vaikuttaa merkittävästi työkalun kulumiskestävyyteen. Asiaankuuluvassa kirjallisuudessa todetaan, että kun raaka-aineen rakeisuus on suuri, kulutuskestävyys kasvaa vähitellen raekoon pienentyessä, mutta kun raekoko on hyvin pieni, tämä sääntö ei päde.
Aiheeseen liittyvissä kokeissa valittiin neljä timanttijauhetta, joiden keskimääräiset hiukkaskoot olivat 10 μm, 5 μm, 2 μm ja 1 μm, ja pääteltiin, että: 1. Raaka-aineen hiukkaskoon pienentyessä Co diffundoituu tasaisemmin; 2. koon pienentyessä PCD:n kulutuskestävyys ja lämmönkestävyys heikkenivät vähitellen.
(2) Terän suun muodon ja terän paksuuden kohtuullinen valinta
Terän suun muoto koostuu pääasiassa neljästä rakenteesta: käänteinen reuna, tylppä ympyrä, käänteinen reuna tylppä ympyrä komposiitti ja terävä kulma. Terävä kulmarakenne tekee reunasta terävän, leikkausnopeus on nopea, se voi merkittävästi vähentää leikkausvoimaa ja purseita, parantaa tuotteen pinnanlaatua, sopii paremmin niukkapiiisten alumiiniseosten ja muiden kovien ei-rautametallien työstöön, tasainen viimeistely. Tylppä pyöreä rakenne voi passivoita terän suun muodostaen R-kulman, mikä estää tehokkaasti terän rikkoutumisen, sopii keski-/runsasti piisten alumiiniseosten työstöön. Joissakin erityistapauksissa, kuten matalassa leikkaussyvyydessä ja pienessä veitsen syötössä, tylppä pyöreä rakenne on parempi. Käänteinen reunarakenne voi lisätä reunoja ja kulmia, vakauttaa terää, mutta samalla se lisää painetta ja leikkausvastusta, sopii paremmin runsaspiiisten alumiiniseosten raskaaseen leikkaamiseen.
EDM:n helpottamiseksi valitaan yleensä ohut PDC-levykerros (0,3–1,0 mm) ja kovametallikerros. Työkalun kokonaispaksuus on noin 28 mm. Kovametallikerroksen ei tulisi olla liian paksu, jotta vältetään liimauspintojen välisen jännityseron aiheuttama kerrostuminen.
2, PCD-työkalun valmistusprosessi
PCD-työkalun valmistusprosessi määrää suoraan työkalun leikkaustehon ja käyttöiän, mikä on avainasemassa sen soveltamisessa ja kehittämisessä. PCD-työkalun valmistusprosessi on esitetty kuvassa 5.
(1) PCD-komposiittitablettien (PDC) valmistus
① PDC:n valmistusprosessi
PDC koostuu yleensä luonnollisesta tai synteettisestä timanttijauheesta ja sideaineesta korkeassa lämpötilassa (1000–2000 ℃) ja korkeassa paineessa (5–10 atm). Sideaine muodostaa sidossillan, jonka pääkomponentit ovat TiC, Sic, Fe, Co, Ni jne., ja timanttikide on kiinnitetty sidossillan runkoon kovalenttisen sidoksen muodossa. PDC:stä valmistetaan yleensä kiinteän halkaisijan ja paksuuden omaavia kiekkoja, jotka hiotaan, kiillotetaan ja käsitellään muulla vastaavalla fysikaalisella ja kemiallisella käsittelyllä. Pohjimmiltaan ihanteellisen PDC-muodon tulisi säilyttää mahdollisimman paljon yksittäisen timantin erinomaiset fysikaaliset ominaisuudet, joten sintrauskappaleen lisäaineiden tulisi olla mahdollisimman vähän ja samalla hiukkasten DD-sidosten yhdistelmä mahdollisimman suuri.
② Sideaineiden luokittelu ja valinta
Sideaine on tärkein PCD-työkalun lämpöstabiilisuuteen vaikuttava tekijä, joka vaikuttaa suoraan sen kovuuteen, kulutuskestävyyteen ja lämpöstabiilisuuteen. Yleisiä PCD-liimausmenetelmiä ovat rauta, koboltti, nikkeli ja muut siirtymämetallit. Sideaineena käytettiin Co- ja W-seosjauhetta, ja sintraavan PCD:n kokonaisvaltainen suorituskyky oli paras, kun synteesipaine oli 5,5 GPa, sintrauslämpötila 1450 ℃ ja eristysaika 4 minuuttia. SiC, TiC, WC, TiB2 ja muut keraamiset materiaalit. SiC:n lämpöstabiilisuus on parempi kuin Co:n, mutta kovuus ja murtumissitkeys ovat suhteellisen alhaiset. Raaka-aineen koon asianmukainen pienentäminen voi parantaa PCD:n kovuutta ja sitkeyttä. Ei liimaa, grafiitti tai muut hiililähteet poltetaan erittäin korkeassa lämpötilassa ja paineessa nanomittakaavan polymeeritimanteiksi (NPD). Grafiitin käyttö NPD:n esiasteena on vaativimmat olosuhteet, mutta synteettisellä NPD:llä on korkein kovuus ja parhaat mekaaniset ominaisuudet.
③-jyvien valinta ja hallinta
Raaka-aineena käytettävä timanttijauhe on keskeinen PCD:n suorituskykyyn vaikuttava tekijä. Timanttimikrojauheen esikäsittely, pienen määrän epänormaalia timanttihiukkasten kasvua estävien aineiden lisääminen ja kohtuullinen sintrauslisäaineiden valinta voivat estää epänormaalien timanttihiukkasten kasvua.
Korkean puhtauden ja yhtenäisen rakenteen omaava NPD-arvo voi tehokkaasti poistaa anisotropian ja parantaa entisestään mekaanisia ominaisuuksia. Korkeaenergisellä kuulajauhatusmenetelmällä valmistettua nanografiittiesiastejauhetta käytettiin happipitoisuuden säätelyyn korkeassa lämpötilassa tapahtuvassa esisintrauksessa, jolloin grafiitti muuttui timanteiksi 18 GPa:n paineessa ja 2100–2300 ℃:n lämpötilassa, jolloin muodostui lamelli- ja rakeista NPD-arvoa, ja kovuus kasvoi lamellin paksuuden pienentyessä.
④ Myöhäinen kemiallinen käsittely
Samassa lämpötilassa (200 °C) ja ajassa (20 h) Lewis-happo-FeCl3:n kobolttinpoistovaikutus oli huomattavasti parempi kuin veden, ja optimaalinen HCl-suhde oli 10-15 g / 100 ml. PCD:n terminen stabiilius paranee koboltin poistosyvyyden kasvaessa. Karkearakeisessa PCD:ssä vahva happokäsittely voi poistaa koboltin kokonaan, mutta sillä on suuri vaikutus polymeerin suorituskykyyn; TiC:n ja WC:n lisääminen synteettisen polykiderakenteen muuttamiseksi ja yhdistäminen vahvaan happokäsittelyyn PCD:n stabiilisuuden parantamiseksi. Tällä hetkellä PCD-materiaalien valmistusprosessi paranee, tuotteen sitkeys on hyvä, anisotropia on parantunut huomattavasti, kaupallinen tuotanto on toteutunut ja siihen liittyvät teollisuudenalat kehittyvät nopeasti.
(2) PCD-terän käsittely
① leikkausprosessi
PCD:llä on korkea kovuus, hyvä kulutuskestävyys ja erittäin vaikea leikkausprosessi.
② hitsausmenettely
PDC ja veitsen runko mekaanisen puristuksen, liimauksen ja juottamisen avulla. Juotto tarkoittaa PDC:n puristamista kovametallimatriisiin, mukaan lukien tyhjiöjuotto, tyhjiödiffuusiohitsaus, korkeataajuinen induktiokuumennusjuotto, laserhitsaus jne. Korkeataajuinen induktiokuumennusjuotto on edullista ja tuottoisaa, ja sitä on käytetty laajalti. Hitsauksen laatu riippuu juoksutteesta, hitsausseoksesta ja hitsauslämpötilasta. Hitsauslämpötilalla (yleensä alle 700 °C) on suurin vaikutus. Liian korkea lämpötila voi helposti aiheuttaa PCD:n grafitisoitumista tai jopa "ylikuultumista", mikä vaikuttaa suoraan hitsausvaikutukseen. Liian alhainen lämpötila johtaa riittämättömään hitsauslujuuteen. Hitsauslämpötilaa voidaan säätää eristysajalla ja PCD:n punastumisen syvyydellä.
③ terän hiontaprosessi
PCD-työkalun hiontaprosessi on avainasemassa valmistusprosessissa. Yleensä terän ja terän huippuarvo on 5 μm:n sisällä ja kaaren säde 4 μm:n sisällä. Etu- ja takaleikkauspinta takaavat tietyn pinnanlaadun ja jopa pienentävät etuleikkauspinnan Ra:n 0,01 μm:iin peilivaatimusten täyttämiseksi, jotta lastut virtaavat etuveitsen pintaa pitkin ja estävät veitsen tarttumisen.
Terän hiontaprosesseihin kuuluvat timanttihiomalaikan mekaaninen hionta, sähköinen kipinähiomalaikan hionta (EDG), metallisideaineella toimiva superkovan hiomalaikan online-elektrolyyttinen viimeistelyhioma (ELID) ja komposiittiterän hionta. Näistä timanttihiomalaikan mekaaninen hioma on kehittynein ja laajimmin käytetty menetelmä.
Aiheeseen liittyviä kokeita: ① karkeahiomalaikka johtaa terän vakavaan romahtamiseen, ja hiomalaikan hiukkaskoko pienenee ja terän laatu paranee; ② hiomalaikan hiukkaskoko liittyy läheisesti hienojakoisten tai ultrapienten hiukkasten PCD-työkalujen terän laatuun, mutta sillä on rajoitettu vaikutus karkeiden hiukkasten PCD-työkaluihin.
Kotimaassa ja ulkomailla tehty aiheeseen liittyvä tutkimus keskittyy pääasiassa terän hiontamekanismiin ja -prosessiin. Terän hiontamekanismissa termokemiallinen ja mekaaninen poisto ovat hallitsevia, ja haurauden ja väsymisen poisto ovat suhteellisen pieniä. Hiottaessa on parannettava hiomalaikan nopeutta ja pyörimistaajuutta mahdollisimman paljon erilaisten sideaineiden lujuuden ja lämmönkestävyyden mukaan, vältettävä haurautta ja väsymisen poistoa, parannettava termokemiallisen poiston osuutta ja vähennettävä pinnan karheutta. Kuivahionnan pinnan karheus on alhainen, mutta se palaa helposti korkean käsittelylämpötilan vuoksi, mikä voi aiheuttaa työkalun pinnan palamisen.
Terän hiontaprosessissa on kiinnitettävä huomiota seuraaviin seikkoihin: 1. Valitse kohtuulliset terän hiontaprosessiparametrit, jotta terän suun laatu ja etu- ja takapinnan viimeistely paranevat. Ota kuitenkin huomioon myös suuri hiontavoima, suuri hävikki, alhainen hiontatehokkuus ja korkeat kustannukset; 2. Valitse kohtuullinen hiomalaikan laatu, mukaan lukien sideaineen tyyppi, hiukkaskoko, pitoisuus, sideaine ja hiomalaikan käsittely. Kohtuulliset kuiva- ja märkähiontaolosuhteet optimoivat työkalun etu- ja takakulmat, veitsen kärjen passivointiarvon ja muut parametrit samalla parantaen työkalun pinnanlaatua.
Erilaisilla sideaineella varustetuilla timanttihiomalaikoilla on erilaiset ominaisuudet ja hiontamekanismit ja -vaikutukset. Hartsisideaineella varustetut timanttihiomalaikat ovat pehmeitä, hiontahiukkaset irtoavat helposti ennenaikaisesti, niillä ei ole lämmönkestävyyttä, pinta vääntyy helposti lämmön vaikutuksesta, terän hiomapinta on altis kulumisjäljille, suuri karheus; metallisideaineella varustetut timanttihiomalaikat pysyvät terävinä jauhamalla ja murskaamalla, hyvä muovattavuus, pinnanlaatu, terän hionnan alhainen pinnan karheus, korkea hyötysuhde, kuitenkin hiontahiukkasten sitoutumiskyky tekee itseteroittuvuudesta huonoa, ja leikkuureunaan jää helposti iskurakoja, mikä aiheuttaa vakavia reunavaurioita; keraamisella sideaineella varustetuilla timanttihiomalaikoilla on kohtalainen lujuus, hyvä itseherättymiskyky, enemmän sisäisiä huokosia, hyvä pölynpoisto ja lämmönpoisto, soveltuu erilaisiin jäähdytysnesteisiin, alhainen hiontalämpötila, hiomalaikka kuluu vähemmän, hyvä muodonpidätys, korkein hyötysuhde tarkkuudessa, mutta timanttihionnan ja sideaineen yhdistelmä johtaa kuoppien muodostumiseen työkalun pinnalle. Käytä työstettävistä materiaaleista riippuen, jotta saavutetaan kattava hiontatehokkuus, hankauskestävyys ja työkappaleen pinnanlaatu.
Hiontatehokkuutta koskeva tutkimus keskittyy pääasiassa tuottavuuden parantamiseen ja kustannusten hallintaan. Yleisesti ottaen arviointikriteereinä käytetään hiontanopeutta Q (PCD-hiontayksikköä kohti) ja kulumissuhdetta G (PCD-hiontayksikön ja hiomalaikan häviön suhde).
Saksalainen tutkija KENTER hioo PCD-työkalua vakiopaineella, testi: ① hiomalaikan nopeus, PDC-hiukkasten koko ja jäähdytysnesteen pitoisuus kasvavat, jolloin jauhatusnopeus ja kulumissuhde pienenevät; ② hiomalaikan hiukkaskoko kasvaa, paine kasvaa vakiona, jolloin timanttipitoisuus hiomalaikassa kasvaa, jolloin jauhatusnopeus ja kulumissuhde kasvavat; ③ sideaineen tyypin vaihdellessa myös jauhatusnopeus ja kulumissuhde muuttuvat. KENTER PCD-työkalun terän hiontaprosessia tutkittiin systemaattisesti, mutta terän hiontaprosessin vaikutusta ei analysoitu systemaattisesti.
3. PCD-leikkaustyökalujen käyttö ja vikaantuminen
(1) Työkalun leikkausparametrien valinta
PCD-työkalun alkuvaiheessa terävän reunan suu passivoitiin vähitellen ja työstöpinnan laatu parani. Passivointi voi tehokkaasti poistaa terän hiomisesta aiheutuvat mikroraot ja pienet purseet, parantaa leikkuupinnan pinnan laatua ja samalla muodostaa pyöreän reunasäteen työstetyn pinnan puristamiseksi ja korjaamiseksi, mikä parantaa työkappaleen pinnan laatua.
PCD-työkalun pinnan jyrsinnässä alumiiniseoksesta leikkuunopeus on yleensä 4000 m/min ja reiän työstönopeus yleensä 800 m/min. Erittäin elastisten ja plastisten ei-rautametallien työstössä on käytettävä suurempaa sorvausnopeutta (300–1000 m/min). Syöttömäärän suositeltu arvo on yleensä 0,08–0,15 mm/r. Liian suuri syöttömäärä lisää leikkuuvoimaa ja työkappaleen pinnan jäännösgeometriaa; liian pieni syöttömäärä lisää leikkuulämpöä ja kulumista. Leikkaussyvyyden kasvaessa leikkuuvoima kasvaa ja leikkuulämpö kasvaa, käyttöikä lyhenee ja liiallinen leikkuusyvyys voi helposti aiheuttaa terän romahtamisen; pieni leikkuusyvyys johtaa työstössä syntyvään karhenemiseen, kulumiseen ja jopa terän romahtamiseen.
(2) Kulumismuoto
Työkappaleen työstössä kuluminen on väistämätöntä kitkan, korkean lämpötilan ja muiden syiden vuoksi. Timanttityökalun kuluminen koostuu kolmesta vaiheesta: alkuvaiheen nopeasta kulumisvaiheesta (tunnetaan myös siirtymävaiheena), vakaan kulumisvaiheen vaiheesta, jossa kulumisnopeus on vakio, ja sitä seuraavasta nopeasta kulumisvaiheesta. Nopea kulumisvaihe osoittaa, että työkalu ei toimi ja vaatii hiomista. Leikkaustyökalujen kulumismuotoja ovat adheesiokuluminen (kylmähitsauskuluminen), diffuusiokuluminen, abrasiivinen kuluminen ja hapettumiskuluminen.
Perinteisistä työkaluista poiketen PCD-työkalujen kulumismuodot ovat adheesiokuluminen, diffuusiokuluminen ja polykidekerroksen vaurioituminen. Näistä polykidekerroksen vaurioituminen on tärkein syy, joka ilmenee terän hienovaraisena romahtamisena ulkoisen iskun tai liiman häviämisen seurauksena PDC:ssä, mikä muodostaa rakoja. Tämä kuuluu fysikaalisiin mekaanisiin vaurioihin ja voi johtaa työstötarkkuuden heikkenemiseen ja työkappaleiden hylkymiseen. PCD-hiukkasten koko, terän muoto, teräkulma, työkappaleen materiaali ja työstöparametrit vaikuttavat terän lujuuteen ja leikkausvoimaan ja aiheuttavat siten polykidekerroksen vaurioitumisen. Tekniikan alalla sopiva raaka-aineen hiukkaskoko, työkaluparametrit ja työstöparametrit tulisi valita työstöolosuhteiden mukaan.
4. PCD-leikkaustyökalujen kehityssuunta
Tällä hetkellä PCD-työkalujen käyttöaluetta on laajennettu perinteisestä sorvauksesta poraukseen, jyrsintään ja nopeaan leikkaukseen, ja niitä on käytetty laajalti sekä kotimaassa että ulkomailla. Sähköajoneuvojen nopea kehitys ei ole ainoastaan vaikuttanut perinteiseen autoteollisuuteen, vaan se on myös tuonut ennennäkemättömiä haasteita työkaluteollisuudelle, mikä on kehottanut työkaluteollisuutta nopeuttamaan optimointia ja innovaatioita.
PCD-leikkaustyökalujen laaja käyttö on syventänyt ja edistänyt leikkaustyökalujen tutkimusta ja kehitystä. Tutkimuksen syventyessä PDC-spesifikaatiot pienenevät ja pienenevät, raekoon hienosäätön laatu optimoidaan, suorituskyky tasaiseksi muutetaan, hiontanopeus ja kulumissuhde nousevat ja muoto ja rakenne monipuolistuvat. PCD-työkalujen tutkimussuuntiin kuuluvat: 1. ohuiden PCD-kerrosten tutkiminen ja kehittäminen; 2. uusien PCD-työkalumateriaalien tutkiminen ja kehittäminen; 3. PCD-työkalujen hitsauksen parantaminen ja kustannusten vähentäminen entisestään; 4. PCD-työkalujen terän hiontaprosessin parantaminen tehokkuuden parantamiseksi; 5. PCD-työkaluparametrien optimointi ja työkalujen käyttö paikallisten olosuhteiden mukaisesti; 6. leikkausparametrien rationaalinen valinta käsiteltävien materiaalien mukaan.
lyhyt yhteenveto
(1) PCD-työkalun leikkausteho, korvaa monien kovametallityökalujen pulaa; samaan aikaan hinta on huomattavasti alhaisempi kuin yksikiteisten timanttityökalujen, mikä on lupaava työkalu nykyaikaisessa leikkauksessa;
(2) Käsiteltävien materiaalien tyypin ja suorituskyvyn mukaan PCD-työkalujen hiukkaskoko ja parametrit on valittava kohtuullisin edellytyksin työkalujen valmistuksessa ja käytössä.
(3) PCD-materiaalilla on korkea kovuus, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalin leikkausveitsien valmistukseen, mutta se tuo mukanaan myös vaikeuksia leikkaustyökalujen valmistuksessa. Valmistuksessa on otettava kattavasti huomioon prosessin vaikeus ja käsittelytarpeet parhaan kustannustehokkuuden saavuttamiseksi.
(4) PCD-käsittelymateriaalien osalta veitsien valmistuksessa on valittava kohtuullisesti leikkausparametrit tuotteen suorituskyvyn perusteella, jotta voidaan pidentää työkalun käyttöikää mahdollisimman paljon ja saavuttaa tasapaino työkalun käyttöiän, tuotantotehokkuuden ja tuotteen laadun välillä.
(5) Tutkia ja kehittää uusia PCD-työkalumateriaaleja niiden luontaisten haittojen voittamiseksi
Tämä artikkeli on peräisin teoksesta "superkovan materiaalin verkosto"
Julkaisun aika: 25.3.2025
