PCD-tööriist on valmistatud polükristallilisest teemantnoa otsast ja karbiidmaatriksist kõrgel temperatuuril ja kõrgsurvel paagutamise teel. See võimaldab täielikult ära kasutada mitte ainult kõrget kõvadust, kõrget soojusjuhtivust, madalat hõõrdetegurit, madalat soojuspaisumistegurit, väikest afiinsust metalli ja mittemetalliga, kõrget elastsusmoodulit, lõhenemispinna puudumist ja isotroopsust, vaid ka kõvasulami suurt tugevust.
PCD peamised toimivusnäitajad on termiline stabiilsus, löögikindlus ja kulumiskindlus. Kuna seda kasutatakse enamasti kõrge temperatuuri ja suure pingega keskkonnas, on termiline stabiilsus kõige olulisem. Uuring näitab, et PCD termilisel stabiilsusel on suur mõju selle kulumiskindlusele ja löögikindlusele. Andmed näitavad, et kui temperatuur on üle 750 ℃, vähenevad PCD kulumiskindlus ja löögikindlus üldiselt 5–10%.
PCD kristalliline olek määrab selle omadused. Mikrostruktuuris moodustavad süsiniku aatomid kovalentseid sidemeid nelja külgneva aatomiga, saavutades tetraeedrilise struktuuri ja seejärel aatomkristalli, millel on tugev orientatsioon ja siduv jõud ning kõrge kõvadus. PCD peamised jõudlusnäitajad on järgmised: 1. kõvadus võib ulatuda 8000 HV-ni, mis on 8–12 korda suurem kui karbiidil; 2. soojusjuhtivus on 700 W/mK, mis on 1,5–9 korda suurem kui PCBN-il ja vasel; 3. hõõrdetegur on üldiselt vaid 0,1–0,3, mis on palju väiksem kui karbiidi 0,4–1, mis vähendab oluliselt lõikejõudu; 4. soojuspaisumistegur on vaid 0,9x10⁻⁶–1,18x10⁻⁶/5 karbiidil, mis vähendab termilist deformatsiooni ja parandab töötlemise täpsust; 5. karbiidil ja mittemetallilistel materjalidel on väiksem afiinsus moodustada sõlmesid.
Kuubil boornitriidil on tugev oksüdatsioonikindlus ja see suudab töödelda rauda sisaldavaid materjale, kuid selle kõvadus on madalam kui monokristallil, töötlemiskiirus on aeglane ja efektiivsus madal. Monokristallil on kõrge kõvadus, kuid sitkus on ebapiisav. Anisotroopia hõlbustab selle dissotsieerumist piki (111) pinda välise jõu mõjul ja töötlemise efektiivsus on piiratud. PCD on polümeer, mis sünteesitakse teatud viisil mikroni suuruste teemantosakeste abil. Osakeste korrapäratu kogunemise kaootiline olemus annab sellele makroskoopilise isotroopse olemuse ning tõmbetugevuses puudub suunav ja lõhestuv pind. Võrreldes monokristalliga vähendab PCD terapiir tõhusalt anisotroopiat ja optimeerib mehaanilisi omadusi.
1. PCD-lõikeriistade projekteerimispõhimõtted
(1) PCD osakeste suuruse mõistlik valik
Teoreetiliselt peaks PCD püüdma terasid peenestada ja lisandite jaotus toodete vahel peaks olema võimalikult ühtlane, et ületada anisotroopia. PCD osakeste suuruse valik on seotud ka töötlemistingimustega. Üldiselt saab viimistlemiseks või superviimistlemiseks kasutada suure tugevusega, hea sitkusega, hea löögikindlusega ja peeneteralist PCD-d ning üldiseks töötlemata töötlemiseks jämedateralist PCD-d. PCD osakeste suurus võib oluliselt mõjutada tööriista kulumiskindlust. Asjakohane kirjandus osutab, et kui tooraine tera on suur, suureneb kulumiskindlus järk-järgult tera suuruse vähenemisega, kuid kui tera suurus on väga väike, siis see reegel ei kehti.
Seotud katsetes valiti välja neli teemantpulbrit keskmise osakeste suurusega 10 μm, 5 μm, 2 μm ja 1 μm ning jõuti järeldusele, et: ① Tooraine osakeste suuruse vähenemisega hajub Co ühtlasemalt; ② vähenemisega vähenevad järk-järgult PCD kulumiskindlus ja kuumakindlus.
(2) Tera suu kuju ja tera paksuse mõistlik valik
Tera ava kuju hõlmab peamiselt nelja struktuuri: ümberpööratud servaga, nüri ringiga, ümberpööratud servaga nüri ringi komposiitmaterjalist ja terava nurgaga. Terav nurgeline struktuur muudab serva teravaks, lõikekiirus on suur, võib oluliselt vähendada lõikejõudu ja ebatasasusi, parandada toote pinnakvaliteeti, sobib paremini madala ränisisaldusega alumiiniumisulamite ja muude madala kõvadusega värviliste metallide töötlemiseks, ühtlase viimistlusega. Nüri ümar struktuur passiveerib tera ava, moodustades R-nurga, mis hoiab tõhusalt ära tera purunemise, sobib keskmise/kõrge ränisisaldusega alumiiniumisulamite töötlemiseks. Mõningatel erijuhtudel, näiteks madala lõikesügavuse ja väikese noa etteande korral, on eelistatud nüri ümar struktuur. Pööratud servaga struktuur suurendab servi ja nurki, stabiliseerib tera, kuid samal ajal suurendab see survet ja lõiketakistust, sobib paremini kõrge ränisisaldusega alumiiniumisulamite raskete koormuste lõikamiseks.
EDM-i hõlbustamiseks vali tavaliselt õhuke PDC-lehtkiht (0,3–1,0 mm) ja karbiidikiht, tööriista kogupaksus on umbes 28 mm. Karbiidikiht ei tohiks olla liiga paks, et vältida liimimispindade vahelise pinge erinevuse põhjustatud kihistumist.
2, PCD tööriistade tootmisprotsess
PCD-tööriista tootmisprotsess määrab otseselt tööriista lõikeomaduse ja kasutusea, mis on selle rakendamise ja arendamise võti. PCD-tööriista tootmisprotsess on näidatud joonisel 5.
(1) PCD-komposiittablettide (PDC) tootmine
① PDC tootmisprotsess
PDC koosneb üldiselt looduslikust või sünteetilisest teemantpulbrist ja sideainest kõrgel temperatuuril (1000–2000 ℃) ja kõrgel rõhul (5–10 atm). Sideaine moodustab sideaine, mille põhikomponendid on TiC, Sic, Fe, Co, Ni jne, ja teemantkristall kinnistub sidesilla karkassi kovalentse sideme kujul. PDC-st valmistatakse tavaliselt kindla läbimõõdu ja paksusega kettaid, mida lihvitakse, poleeritakse ja töödeldakse muul vastaval füüsikalisel ja keemilisel viisil. Põhimõtteliselt peaks PDC ideaalne vorm säilitama teemandi monokristalli suurepärased füüsikalised omadused nii palju kui võimalik, seega peaks paagutuskehas olema lisandeid nii vähe kui võimalik, samal ajal kui osakeste DD-sidemete kombinatsioon peaks olema võimalikult suur.
② Sideainete liigitamine ja valik
Sideaine on PCD-tööriista termilist stabiilsust mõjutav kõige olulisem tegur, mis omakorda mõjutab otseselt selle kõvadust, kulumiskindlust ja termilist stabiilsust. Levinud PCD-liimimismeetodid on raud, koobalt, nikkel ja muud siirdemetallid. Sideainena kasutati Co ja W segapulbrit ning paagutatud PCD terviklik jõudlus oli parim sünteesirõhul 5,5 GPa, paagutamistemperatuuril 1450 ℃ ja isolatsioonil 4 minutit. SiC, TiC, WC, TiB2 ja muud keraamilised materjalid. SiC termiline stabiilsus on parem kui Co-l, kuid kõvadus ja purunemiskindlus on suhteliselt madalad. Tooraine suuruse asjakohane vähendamine võib parandada PCD kõvadust ja vastupidavust. Grafiidi või muude süsinikuallikate kasutamine ülikõrgel temperatuuril ja kõrgel rõhul nanoskaala polümeerteemandiks (NPD) ei vaja liimi. Grafiidi kasutamine NPD valmistamise lähteainena on kõige nõudlikumad tingimused, kuid sünteetilisel NPD-l on kõrgeim kõvadus ja parimad mehaanilised omadused.
③ terade valik ja kontroll
Teemantpulbri tooraine on PCD jõudlust mõjutav võtmetegur. Teemantmikropulbri eeltöötlus, väikese koguse ebanormaalseid teemantosakeste kasvu takistavate ainete lisamine ja paagutuslisandite mõistlik valik võivad pärssida ebanormaalsete teemantosakeste kasvu.
Kõrge puhtusastmega ja ühtlase struktuuriga NPD suudab tõhusalt kõrvaldada anisotroopia ja veelgi parandada mehaanilisi omadusi. Kõrge energiaga kuullihvimismeetodil valmistatud nanografiidi eellaspulbrit kasutati hapnikusisalduse reguleerimiseks kõrgel temperatuuril eelpaagutamisel, muutes grafiidi teemandiks 18 GPa rõhul ja 2100–2300 ℃ temperatuuril, tekitades lamell- ja granuleeritud NPD-d ning kõvadus suurenes lamelli paksuse vähenemisega.
④ Hiline keemiline töötlemine
Samal temperatuuril (200 °℃) ja ajal (20 tundi) oli Lewise happe ja FeCl3 segu koobalti eemaldamise efekt oluliselt parem kui veel ning optimaalne HCl suhe oli 10–15 g / 100 ml. PCD termiline stabiilsus paraneb koobalti eemaldamise sügavuse suurenedes. Jämedateralise kasvuga PCD puhul võib tugeva happega töötlemine koobalti täielikult eemaldada, kuid sellel on suur mõju polümeeri jõudlusele; TiC ja WC lisamine muudab sünteetilise polükristallstruktuuri ning nende kombineerimine tugeva happega parandab PCD stabiilsust. Praegu paraneb PCD materjalide valmistusprotsess, toote sitkus on hea, anisotroopia on oluliselt paranenud, on toimunud kaubanduslik tootmine ja seotud tööstusharud arenevad kiiresti.
(2) PCD-tera töötlemine
① lõikeprotsess
PCD-l on kõrge kõvadus, hea kulumiskindlus ja väga keeruline lõikeprotsess.
② keevitusprotseduur
PDC ja noa korpus mehaanilise klambri, liimimise ja kõvajoodisega jootmise teel. Kõvajoodisega jootmine on PDC pressimine karbiidmaatriksile, sealhulgas vaakumkõvajoodisega jootmine, vaakumdiffusioonkeevitus, kõrgsageduslik induktsioonkuumutusega jootmine, laserkeevitus jne. Kõrgsageduslik induktsioonkuumutusega jootmine on odav ja tulus ning seda on laialdaselt kasutatud. Keevituse kvaliteet on seotud räbusti, keevitussulami ja keevitustemperatuuriga. Keevitustemperatuuril (üldiselt alla 700 °C) on suurim mõju. Liiga kõrge temperatuur võib kergesti põhjustada PCD grafitiseerumist või isegi "ülepõlemist", mis mõjutab otseselt keevitustulemust, ja liiga madal temperatuur põhjustab ebapiisavat keevitustugevust. Keevitustemperatuuri saab reguleerida isolatsiooniaja ja PCD punetuse sügavuse abil.
③ tera lihvimisprotsess
PCD-tööriistade lihvimine on tootmisprotsessi võti. Üldiselt on tera ja tera tippväärtus 5 μm piires ja kaare raadius 4 μm piires; eesmine ja tagumine lõikepind tagavad teatud pinnaviimistluse ja isegi vähendavad esilõikepinna Ra väärtust 0,01 μm-ni, et täita peeglinõudeid, tagada laastude voolamine mööda esitera pinda ja vältida tera kinnikiilumist.
Tera lihvimise protsesside hulka kuuluvad teemantlihvketta mehaanilise tera lihvimine, elektrilise sädetera lihvimine (EDG), metallsideainega ülikõva abrasiivse lihvketta elektrolüütilise viimistlusega tera lihvimine (ELID) ja komposiittera lihvimine. Nende hulgas on teemantlihvketta mehaaniline tera lihvimine kõige küpsem ja enimkasutatav.
Seotud katsed: ① jämedateralise lihvketta kasutamine põhjustab tera tõsise purunemise, lihvketta osakeste suurus väheneb ja tera kvaliteet paraneb; ② lihvketta osakeste suurus on tihedalt seotud peen- või ülipeenosakeste PCD-tööriistade tera kvaliteediga, kuid jämedateralise PCD-tööriistade puhul on sellel piiratud mõju.
Seotud uuringud nii kodu- kui ka välismaal keskenduvad peamiselt tera lihvimise mehhanismile ja protsessile. Tera lihvimise mehhanismis on domineerivad termokeemiline ja mehaaniline eemaldamine ning hapruse ja väsimuse eemaldamine on suhteliselt väikesed. Lihvimisel tuleks teemantlihvketaste tugevuse ja kuumakindluse põhjal parandada lihvketta kiirust ja pöördesagedust nii palju kui võimalik, et vältida hapruse ja väsimuse eemaldamist, parandada termokeemilise eemaldamise osakaalu ning vähendada pinna karedust. Kuivlihvimise pinna karedus on madal, kuid kõrge töötlemistemperatuuri tõttu võib tööriista pind kergesti põleda.
Tera lihvimisel tuleb pöörata tähelepanu järgmisele: 1. Valige mõistlikud tera lihvimisprotsessi parameetrid, mis parandavad tera serva ja lõiketera kvaliteeti ning esi- ja tagapinna viimistlust. Samuti arvestage suure lihvimisjõu, suure kadu, madala lihvimisefektiivsuse ja kõrgete kuludega; 2. Valige mõistliku kvaliteediga lihvketas, sealhulgas sideaine tüüp, osakeste suurus, kontsentratsioon, sideaine, lihvketta viimistlus, ning mõistlikud lihvketta kuiva ja märja lihvimise tingimused, mis optimeerivad tööriista esi- ja taganurka, noaotsa passiivsuse väärtust ja muid parameetreid, parandades samal ajal tööriista pinnakvaliteeti.
Erinevatel teemantlihvketastel on erinevad omadused ning erinev lihvimismehhanism ja -efekt. Vaiguga sideainega teemantlihvketas on pehme, lihvimisosakesed kukuvad kergesti enneaegselt maha, neil puudub kuumakindlus, pind deformeerub kuumuse tõttu kergesti, tera lihvimispind on altid kulumisjälgedele, suur karedus; metallsideainega teemantlihvketas püsib lihvimise ja purustamise teel teravana, hea vormitavus, pind on madal, tera lihvimise pinna karedus on madal, efektiivsus on suurem, kuid lihvimisosakeste sidumisvõime muudab iseteritumise kehvaks ja lõikeservale jääb kergesti löögipilu, mis põhjustab tõsiseid äärekahjustusi; keraamilise sideainega teemantlihvkettal on mõõdukas tugevus, hea isetoonimisvõime, rohkem sisemisi poore, parem tolmu eemaldamine ja soojuse hajumine, sobib mitmesuguste jahutusvedelikega, madal lihvimistemperatuur, lihvimisketas on vähem kulunud, hea kuju säilitamine, kõrge efektiivsusega täpsus, kuid teemantlihvimis- ja sideainekihi vaheline koormus põhjustab tööriista pinnale aukude teket. Kasutage vastavalt töötlemismaterjalidele, et tagada ulatuslik lihvimistõhusus, abrasiivne vastupidavus ja töödeldava detaili pinnakvaliteet.
Lihvimise efektiivsuse uuringud keskenduvad peamiselt tootlikkuse parandamisele ja kulude kontrollimisele. Üldiselt kasutatakse hindamiskriteeriumidena lihvimiskiirust Q (PCD eemaldamine ajaühikus) ja kulumissuhet G (PCD eemaldamise ja lihvketta kao suhe).
Saksa teadlane KENTER lihvib PCD-tööriista konstantse rõhu all, katse: ① suurendab lihvketta kiirust, PDC osakeste suurust ja jahutusvedeliku kontsentratsiooni, vähendavad lihvimiskiirust ja kulumissuhet; ② suurendab lihvketta kiirust, suurendab konstantset rõhku, suurendab teemandi kontsentratsiooni lihvkettas, suurendavad lihvimiskiirust ja kulumissuhet; ③ sideaine tüübi erinevuse korral on erinevad lihvimiskiirus ja kulumissuhe. KENTER PCD-tööriista tera lihvimisprotsessi uuriti süstemaatiliselt, kuid tera lihvimisprotsessi mõju ei analüüsitud süstemaatiliselt.
3. PCD-lõikeriistade kasutamine ja rike
(1) Tööriista lõikeparameetrite valik
PCD-tööriista algperioodil terava serva suudme passiveerimine järk-järgult paranes ja töötlemispinna kvaliteet paranes. Passiveerimine aitab tõhusalt eemaldada tera lihvimisel tekkivad mikropilud ja väikesed ebatasasused, parandada lõikeserva pinna kvaliteeti ning samal ajal moodustada ringikujulise serva raadiuse töödeldud pinna pigistamiseks ja parandamiseks, parandades seeläbi tooriku pinna kvaliteeti.
PCD-tööriistaga alumiiniumisulamist pinna freesimiseks on lõikekiirus üldiselt 4000 m/min ja aukude töötlemiseks üldiselt 800 m/min. Suure elastsusega plastsete värviliste metallide töötlemiseks on vaja suuremat treimiskiirust (300–1000 m/min). Soovitatav etteandekogus on üldiselt vahemikus 0,08–0,15 mm/p. Liiga suur etteandekogus suurendab lõikejõudu ja töödeldava pinna jääkgeomeetrilist pindala; liiga väike etteandekogus suurendab lõikekuumust ja kulumist. Lõikesügavuse suurenedes suureneb lõikejõud ja lõikekuumus, eluiga lüheneb ja liigne lõikesügavus võib kergesti põhjustada tera kokkuvarisemist; väike lõikesügavus põhjustab töötlemise kõvenemist, kulumist ja isegi tera kokkuvarisemist.
(2) Kulumisvorm
Tööriistade töötlemisel on hõõrdumise, kõrge temperatuuri ja muude põhjuste tõttu kulumine vältimatu. Teemanttööriista kulumine koosneb kolmest etapist: esialgne kiire kulumise faas (tuntud ka kui üleminekufaas), stabiilse kulumise faas konstantse kulumiskiirusega ja järgnev kiire kulumise faas. Kiire kulumise faas näitab, et tööriist ei tööta ja vajab teritamist. Lõikeriistade kulumisvormide hulka kuuluvad adhesioonkulumine (külmkeevituskulumine), difusioonkulumine, abrasiivne kulumine, oksüdatsioonkulumine jne.
Erinevalt traditsioonilistest tööriistadest on PCD-tööriistade kulumisvormideks liimkulumine, difusioonkulumine ja polükristallilise kihi kahjustus. Nende hulgas on peamine põhjus polükristallilise kihi kahjustus, mis avaldub tera peene kokkuvarisemisena välise löögi või liimi kadumise tagajärjel PDC-s, moodustades tühimiku, mis kuulub füüsikaliste mehaaniliste kahjustuste hulka ja võib viia töötlemise täpsuse vähenemiseni ning toorikute praagimiseni. PCD osakeste suurus, tera kuju, tera nurk, tooriku materjal ja töötlemisparameetrid mõjutavad tera tera tugevust ja lõikejõudu ning seejärel põhjustavad polükristallilise kihi kahjustusi. Inseneripraktikas tuleks valida sobiv tooraine osakeste suurus, tööriista parameetrid ja töötlemisparameetrid vastavalt töötlemistingimustele.
4. PCD lõikeriistade arengusuund
Praegu on PCD-tööriistade rakendusala laienenud traditsioonilisest treimisest puurimise, freesimise ja kiire lõikamiseni ning neid on laialdaselt kasutatud nii kodu- kui ka välismaal. Elektrisõidukite kiire areng on mõjutanud mitte ainult traditsioonilist autotööstust, vaid toonud kaasa ka enneolematuid väljakutseid tööriistatööstusele, sundides tööriistatööstust kiirendama optimeerimist ja innovatsiooni.
PCD-lõikeriistade laialdane kasutamine on süvendanud ja edendanud lõikeriistade uurimis- ja arendustegevust. Uurimistöö süvenemisega muutuvad PDC spetsifikatsioonid aina väiksemaks, terade peenestamise kvaliteet optimeeritakse, jõudlus ühtlane, lihvimiskiirus ja kulumissuhe suurenevad ning kuju ja struktuur mitmekesistuvad. PCD-tööriistade uurimissuunad hõlmavad järgmist: 1. õhukese PCD-kihi uurimine ja arendamine; 2. uute PCD-tööriistamaterjalide uurimine ja arendamine; 3. PCD-tööriistade keevitamise parandamise ja kulude edasise vähendamise uuringud; 4. PCD-tööriistaterade lihvimisprotsessi täiustamine efektiivsuse parandamiseks; 5. PCD-tööriista parameetrite optimeerimine ja tööriistade kasutamine vastavalt kohalikele oludele; 6. lõikeparameetrite ratsionaalne valimine vastavalt töödeldavatele materjalidele.
lühike kokkuvõte
(1) PCD-tööriista lõikeomadused kompenseerivad paljude karbiidist tööriistade puudust; samal ajal on hind tunduvalt madalam kui monokristalliliste teemanttööriistade puhul ja on tänapäevases lõikamises paljulubav tööriist;
(2) Töödeldud materjalide tüübi ja toimivuse järgi on PCD-tööriistade osakeste suuruse ja parameetrite mõistlik valik tööriistade tootmise ja kasutamise eelduseks.
(3) PCD-materjalil on kõrge kõvadus, mis sobib ideaalselt lõikenoadeks, kuid see tekitab ka raskusi lõikeriistade valmistamisel. Tootmisel tuleb parima hinna ja kvaliteedi suhte saavutamiseks põhjalikult arvestada protsessi keerukusega ja töötlemisvajadustega.
(4) PCD-töötlusmaterjalide puhul nugade maakonnas peaksime mõistlikult valima lõikeparameetrid, mis vastavad toote toimivusele, et pikendada tööriista kasutusiga nii palju kui võimalik, et saavutada tööriista eluea, tootmise efektiivsuse ja toote kvaliteedi tasakaal;
(5) Uute PCD-tööriistamaterjalide uurimine ja arendamine, et ületada nende loomupärased puudused
See artikkel pärineb allikast "ülikõva materjali võrgustik"
Postituse aeg: 25. märts 2025
