A PCD szerszám polikristályos gyémántkéscsúcsból és keményfém mátrixból készül magas hőmérsékleten és nagynyomású szinterezéssel. Nemcsak a nagy keménység, a magas hővezető képesség, az alacsony súrlódási együttható, az alacsony hőtágulási együttható, a fémekhez és nemfémekhez való kis affinitás, a magas rugalmassági modulus, a hasadófelület hiánya és az izotrópia előnyeit élvezi, hanem figyelembe veszi a kemény ötvözet nagy szilárdságát is.
A PCD fő teljesítménymutatói a hőstabilitás, az ütésállóság és a kopásállóság. Mivel többnyire magas hőmérsékleten és nagy igénybevételű környezetben használják, a hőstabilitás a legfontosabb. A tanulmány kimutatta, hogy a PCD hőstabilitásának nagy hatása van a kopásállóságára és az ütésállóságára. Az adatok azt mutatják, hogy 750 ℃ feletti hőmérsékleten a PCD kopásállósága és ütésállósága általában 5-10%-kal csökken.
A PCD kristályállapota határozza meg tulajdonságait. A mikroszerkezetben a szénatomok kovalens kötéseket képeznek négy szomszédos atommal, tetraéderes szerkezetet képeznek, majd atomkristályt alkotnak, amely erős orientációval és kötőerővel, valamint nagy keménységgel rendelkezik. A PCD fő teljesítménymutatói a következők: ① a keménység elérheti a 8000 HV-t, ami 8-12-szerese a keményfémnek; ② a hővezető képesség 700 W/mK, ami 1,5-9-szerese, még magasabb, mint a PCBN-nek és a réznek; ③ a súrlódási együttható általában csak 0,1-0,3, ami jóval kisebb, mint a keményfém 0,4-1-e, ami jelentősen csökkenti a forgácsolóerőt; ④ a hőtágulási együttható mindössze 0,9x10-6-1,18x10-6,1/5 a keményfémnek, ami csökkenti a hődeformációt és javítja a megmunkálási pontosságot; ⑤ a nemfémes anyagok kevésbé hajlamosak csomók képződésére.
A köbös bór-nitrid erős oxidációs ellenállással rendelkezik, és vastartalmú anyagok feldolgozására alkalmas, de keménysége alacsonyabb, mint az egykristályos gyémánté, a feldolgozási sebesség lassú és a hatékonyság alacsony. Az egykristályos gyémánt nagy keménységgel rendelkezik, de szívóssága nem elegendő. Az anizotrópia megkönnyíti a (111) felület mentén történő disszociációt külső erő hatására, és a feldolgozási hatékonyság korlátozott. A PCD egy polimer, amelyet mikron méretű gyémántrészecskékből szintetizálnak bizonyos módon. A részecskék rendezetlen felhalmozódásának kaotikus jellege makroszkopikus izotróp jelleget eredményez, és a szakítószilárdságban nincs irányított és hasadó felület. Az egykristályos gyémánthoz képest a PCD szemcsehatára hatékonyan csökkenti az anizotrópiát és optimalizálja a mechanikai tulajdonságokat.
1. A PCD forgácsolószerszámok tervezési alapelvei
(1) A PCD részecskeméretének ésszerű kiválasztása
Elméletileg a PCD-nek a szemcsék finomítására kell törekednie, és az adalékanyagok termékek közötti eloszlásának a lehető legegyenletesebbnek kell lennie az anizotrópia kiküszöbölése érdekében. A PCD szemcseméretének megválasztása szintén összefügg a feldolgozási körülményekkel. Általánosságban elmondható, hogy a nagy szilárdságú, jó szívósságú, jó ütésállóságú és finom szemcséjű PCD használható simításra vagy szupersimításra, míg a durva szemcséjű PCD általános durva megmunkálásra. A PCD szemcsemérete jelentősen befolyásolhatja a szerszám kopási teljesítményét. A vonatkozó szakirodalom rámutat, hogy ha a nyersanyag szemcsemérete nagy, a kopásállóság fokozatosan növekszik a szemcseméret csökkenésével, de ha a szemcseméret nagyon kicsi, ez a szabály nem alkalmazható.
Kapcsolódó kísérletekben négy gyémántport választottak ki, amelyek átlagos részecskemérete 10 μm, 5 μm, 2 μm és 1 μm volt, és a következőkre jutottak: ① A nyersanyag részecskeméretének csökkenésével a Co egyenletesebben diffundál; a ② csökkenésével a PCD kopásállósága és hőállósága fokozatosan csökkent.
(2) A penge szájának formájának és vastagságának ésszerű megválasztása
A penge szájának formája főként négy szerkezetet foglal magában: fordított él, tompa kör, fordított él, tompa kör kompozit és éles szög. Az éles szögletes szerkezet éles élt eredményez, gyors vágási sebességet biztosít, jelentősen csökkentheti a vágóerőt és a sorját, javíthatja a termék felületi minőségét, alkalmasabb alacsony szilíciumtartalmú alumíniumötvözetekhez és más alacsony keménységű, egyenletes színesfém megmunkáláshoz. A tompa, kerek szerkezet passziválhatja a penge száját, R szöget képezve, hatékonyan megakadályozza a penge törését, alkalmas közepes/magas szilíciumtartalmú alumíniumötvözetek megmunkálására. Bizonyos speciális esetekben, például kis vágási mélységnél és kis késadagolásnál, a tompa, kerek szerkezet előnyösebb. A fordított élű szerkezet növelheti az éleket és sarkokat, stabilizálja a pengét, ugyanakkor növeli a nyomást és a vágási ellenállást, alkalmasabb nagy terhelésű, magas szilíciumtartalmú alumíniumötvözetek vágására.
A szikraforgácsolás megkönnyítése érdekében általában egy vékony PDC lemezréteget (0,3-1,0 mm) választanak, plusz a keményfém réteget, a szerszám teljes vastagsága körülbelül 28 mm. A keményfém réteg nem lehet túl vastag, hogy elkerüljék a kötési felületek közötti feszültségkülönbség okozta rétegződést.
2, PCD szerszámgyártási folyamat
A PCD szerszám gyártási folyamata közvetlenül meghatározza a szerszám vágási teljesítményét és élettartamát, ami kulcsfontosságú az alkalmazásában és fejlesztésében. A PCD szerszám gyártási folyamatát az 5. ábra mutatja.
(1) PCD kompozit tabletták (PDC) gyártása
① A PDC gyártási folyamata
A PDC általában természetes vagy szintetikus gyémántporból és kötőanyagból áll magas hőmérsékleten (1000-2000 ℃) és nagy nyomáson (5-10 atm). A kötőanyag fő összetevői a TiC, Sic, Fe, Co, Ni stb., amelyek kötőhidat képeznek, és a gyémántkristály kovalens kötés formájában beágyazódik a kötőhíd vázába. A PDC-t általában rögzített átmérőjű és vastagságú korongokká alakítják, majd csiszolják, polírozzák és más megfelelő fizikai és kémiai kezeléseknek vetik alá. Lényegében a PDC ideális formájának a lehető legjobban meg kell őriznie az egykristályos gyémánt kiváló fizikai tulajdonságait, ezért a szinterező testben az adalékanyagoknak a lehető legkevesebbnek kell lenniük, ugyanakkor a részecskék DD kötéskombinációjának a lehető legnagyobbnak kell lennie.
② Kötőanyagok osztályozása és kiválasztása
A kötőanyag a legfontosabb tényező, amely befolyásolja a PCD szerszám hőstabilitását, amely közvetlenül befolyásolja annak keménységét, kopásállóságát és hőstabilitását. A gyakori PCD kötési módszerek a vas, kobalt, nikkel és más átmeneti fémek. Kötőanyagként Co és W kevert port használtak, és a szinterezett PCD átfogó teljesítménye akkor volt a legjobb, ha a szintézisnyomás 5,5 GPa volt, a szinterezési hőmérséklet 1450 ℃ és a szigetelés 4 percig tartott. SiC, TiC, WC, TiB2 és egyéb kerámia anyagok. A SiC hőstabilitása jobb, mint a Co-é, de a keménysége és a törési szívóssága viszonylag alacsony. A nyersanyag méretének megfelelő csökkentése javíthatja a PCD keménységét és szívósságát. Nincs ragasztó, grafitot vagy más szénforrásokat használnak, ultramagas hőmérsékleten és nagy nyomáson nanoskálájú polimer gyémánttá (NPD) égetik. A grafit, mint prekurzor használata az NPD előállításához a legigényesebb feltételeket jelenti, de a szintetikus NPD rendelkezik a legnagyobb keménységgel és a legjobb mechanikai tulajdonságokkal.
A ③ szemcsék kiválasztása és ellenőrzése
A nyersanyagként használt gyémántpor kulcsfontosságú tényező, amely befolyásolja a PCD teljesítményét. A gyémántmikropor előkezelése, kis mennyiségű, a rendellenes gyémántrészecskék növekedését gátló anyag hozzáadása és a szinterelési adalékanyagok ésszerű kiválasztása gátolhatja a rendellenes gyémántrészecskék növekedését.
A nagy tisztaságú, egyenletes szerkezetű NPD hatékonyan kiküszöböli az anizotrópiát és tovább javítja a mechanikai tulajdonságokat. A nagy energiájú golyósőrléssel előállított nanografit prekurzor port a magas hőmérsékletű előszinterelés során az oxigéntartalom szabályozására használták, 18 GPa nyomáson és 2100-2300 ℃ hőmérsékleten grafitot gyémánttá alakítva, lamellás és szemcsés NPD-t hozva létre, és a keménység a lamella vastagságának csökkenésével nőtt.
④ Késői kémiai kezelés
Ugyanazon a hőmérsékleten (200 °℃) és időn (20 óra) a Lewis-sav-FeCl3 kobalteltávolító hatása szignifikánsan jobb volt, mint a vízé, és az optimális HCl arány 10-15 g / 100 ml volt. A PCD termikus stabilitása a kobalteltávolítási mélység növekedésével javul. Durvaszemcsés növekedésű PCD esetén az erős savas kezelés teljesen eltávolíthatja a Co-t, de nagy hatással van a polimer teljesítményére; a TiC és a WC hozzáadásával megváltoztatható a szintetikus polikristályos szerkezet, és az erős savas kezeléssel kombinálva javítható a PCD stabilitása. Jelenleg a PCD anyagok előállítási folyamata javul, a termék szívóssága jó, az anizotrópia jelentősen javult, megvalósult a kereskedelmi termelés, és a kapcsolódó iparágak gyorsan fejlődnek.
(2) A PCD penge megmunkálása
① vágási folyamat
A PCD nagy keménységgel, jó kopásállósággal és nehéz forgácsolással rendelkezik.
② hegesztési eljárás
A PDC és a késtest mechanikus szorítással, kötéssel és forrasztással van összekapcsolva. A forrasztás a PDC keményfém mátrixra való préselését jelenti, beleértve a vákuumforrasztást, a vákuumdiffúziós hegesztést, a nagyfrekvenciás indukciós melegítésű forrasztást, a lézerhegesztést stb. A nagyfrekvenciás indukciós melegítésű forrasztás alacsony költséggel és magas megtérüléssel rendelkezik, és széles körben elterjedt. A hegesztés minősége a fluxustól, a hegesztőötvözettől és a hegesztési hőmérséklettől függ. A hegesztési hőmérséklet (általában 700 °C alatt) van a legnagyobb hatással, a túl magas hőmérséklet könnyen grafitizálódhat a PCD-hez, vagy akár "túlégetést" okozhat, ami közvetlenül befolyásolja a hegesztési hatást, a túl alacsony hőmérséklet pedig elégtelen hegesztési szilárdsághoz vezet. A hegesztési hőmérsékletet a szigetelési idővel és a PCD vörösödésének mélységével lehet szabályozni.
③ pengecsiszolás
A PCD szerszámköszörülési eljárás kulcsfontosságú a gyártási folyamatban. Általában a penge és a penge csúcsértéke 5 μm-en belül van, az ívsugár pedig 4 μm-en belül; az elülső és hátsó vágófelület biztosítja a megfelelő felületminőséget, sőt az elülső vágófelület Ra értékét 0,01 μm-re csökkenti a tükörkövetelmények teljesítése érdekében, így a forgácsok az elülső késfelület mentén áramlanak, és megakadályozzák a kés beragadását.
A pengecsiszolási eljárások közé tartozik a gyémántkorong mechanikus pengecsiszolása, az elektromos szikracsiszolás (EDG), a fém kötőanyaggal történő szuperkemény abrazív köszörűkorong online elektrolitikus simító pengecsiszolása (ELID), és a kompozit pengecsiszoló megmunkálása. Ezek közül a gyémántkorong mechanikus pengecsiszolása a legfejlettebb és legszélesebb körben használt eljárás.
Kapcsolódó kísérletek: ① a durva szemcsés köszörűkorong komoly pengetörést okoz, a köszörűkorong részecskemérete csökken, és a penge minősége javul; a ② köszörűkorong részecskemérete szorosan összefügg a finomszemcsés vagy ultrafinom szemcsés PCD szerszámok pengeminőségével, de korlátozott hatással van a durva szemcsés PCD szerszámokra.
A kapcsolódó hazai és külföldi kutatások főként a pengeköszörülés mechanizmusára és folyamatára összpontosítanak. A pengeköszörülési mechanizmusban a termokémiai és a mechanikai leválasztás a domináns, a ridegedés és a fáradás eltávolítása viszonylag kis mértékű. Köszörüléskor a különböző kötőanyagú gyémántcsiszolókorongok szilárdságától és hőállóságától függően a lehető legnagyobb mértékben javítani kell a köszörűkorong sebességét és lengési frekvenciáját, el kell kerülni a ridegedést és a fáradás eltávolítását, javítani kell a termokémiai leválasztás arányát, és csökkenteni kell a felületi érdességet. A száraz köszörülés felületi érdessége alacsony, de a magas feldolgozási hőmérséklet miatt könnyen megégetheti a szerszám felületét.
A pengeköszörülési folyamat során a következőkre kell figyelni: 1. Megfelelő pengeköszörülési folyamatparaméterek kiválasztása, amelyekkel kiválóbbá tehető az él-száj minősége, valamint az elülső és hátsó pengefelület minősége. Ugyanakkor figyelembe kell venni a nagy köszörülési erőt, a nagy veszteséget, az alacsony köszörülési hatékonyságot és a magas költségeket is; 2. Megfelelő minőségű köszörűkorong kiválasztása, beleértve a kötőanyag típusát, a szemcseméretet, a koncentrációt, a kötőanyagot és a köszörűkorong megmunkálását, valamint az ésszerű száraz és nedves pengeköszörülési feltételek mellett optimalizálható a szerszám elülső és hátsó sarka, a késhegy passzivációs értéke és egyéb paraméterek, miközben javítja a szerszám felületi minőségét.
A különböző kötésű gyémántcsiszolókorongok eltérő tulajdonságokkal, valamint csiszolási mechanizmussal és hatással rendelkeznek. A gyantakötő gyémántcsiszolókorong puha, a csiszolórészecskék könnyen leválnak idő előtt, nem rendelkezik hőállósággal, a felület könnyen deformálódik a hő hatására, a penge csiszolófelülete hajlamos a kopási nyomokra, nagy érdességgel rendelkezik; a fémkötő gyémántcsiszolókorong éles marad a csiszolás és a zúzás miatt, jó alakíthatóság, felületkezelés, alacsony a penge csiszolási felületi érdessége, nagyobb a hatásfok, azonban a csiszolórészecskék kötőképessége miatt az önéleződése gyenge, és a vágóél könnyen ütési rést hagy, ami súlyos szélső károkat okoz; a kerámia kötőanyagú gyémántcsiszolókorong közepes szilárdságú, jó öngerjesztési teljesítményű, több belső pórusú, kedvező a por eltávolítása és a hőelvezetés, alkalmazkodik a különféle hűtőfolyadékokhoz, alacsony a csiszolási hőmérséklet, a csiszolókorong kevésbé kopik, jó az alaktartása, a legnagyobb pontosságú, azonban a gyémántcsiszoló és a kötőanyag teste gödrök kialakulásához vezet a szerszám felületén. Használja a megmunkált anyagoknak megfelelően, átfogó csiszolási hatékonyság, csiszolási tartósság és a munkadarab felületi minősége érdekében.
A köszörülési hatékonysággal kapcsolatos kutatások főként a termelékenység javítására és a költségek szabályozására összpontosítanak. Általában a köszörülési sebességet Q (PCD-leválasztás egységnyi idő alatt) és a kopási arányt G (a PCD-leválasztás és a köszörűkorong-veszteség aránya) használják értékelési kritériumként.
Német tudós, KENTER állandó nyomással köszörül egy PCD szerszámot, teszt: ① növeli a köszörűkorong sebességét, a PDC részecskeméretét és a hűtőfolyadék koncentrációját, csökkenti a köszörülési sebességet és a kopási arányt; ② növeli az őrlőrészecske méretét, növeli az állandó nyomást, növeli a gyémánt koncentrációját a köszörűkorongban, növeli a köszörülési sebességet és a kopási arányt; ③ eltérő kötőanyag-típus esetén az köszörülési sebesség és a kopási arány is eltérő. KENTER A PCD szerszám pengeköszörülési folyamatát szisztematikusan vizsgálták, de a pengeköszörülési folyamat hatását nem elemezték szisztematikusan.
3. PCD forgácsolószerszámok használata és meghibásodása
(1) A szerszámforgácsolási paraméterek kiválasztása
A PCD szerszámok kezdeti időszakában az éles él szájrésze fokozatosan passzivált, és a megmunkált felület minősége javult. A passziválás hatékonyan eltávolítja a pengecsiszolás által okozott mikroréseket és apró sorjákat, javítja a vágóél felületi minőségét, és egyidejűleg kör alakú élrádiuszt képez a megmunkált felület összenyomásához és javításához, ezáltal javítva a munkadarab felületi minőségét.
Alumíniumötvözet PCD szerszámmal történő felületmarása esetén a vágási sebesség általában 4000 m/perc, a furatmegmunkálás általában 800 m/perc. A nagy rugalmasságú-képlékeny színesfémek megmunkálásához nagyobb esztergálási sebességre van szükség (300-1000 m/perc). Az előtolási mennyiség általában 0,08-0,15 mm/ford között ajánlott. A túl nagy előtolási mennyiség megnövekedett forgácsolóerőt és a munkadarab felületének megnövekedett geometriai területét eredményezi; a túl kis előtolási mennyiség megnövekedett forgácsolási hőt és fokozott kopást eredményez. A forgácsolási mélység növekedésével a forgácsolóerő és a forgácsolási hő is megnő, az élettartam csökken, a túlzott forgácsolási mélység könnyen a penge törését okozhatja; a kis forgácsolási mélység megmunkálási keményedéshez, kopáshoz és akár a penge töréséhez is vezethet.
(2) Kopásforma
A szerszámmegmunkálás során a munkadarab kopása a súrlódás, a magas hőmérséklet és egyéb okok miatt elkerülhetetlen. A gyémántszerszám kopása három szakaszból áll: a kezdeti gyors kopási fázisból (más néven átmeneti fázisból), a stabil kopási fázisból állandó kopási sebességgel, és az azt követő gyors kopási fázisból. A gyors kopási fázis azt jelzi, hogy a szerszám nem működik, és újra kell élezni. A vágószerszámok kopási formái közé tartozik az adhéziós kopás (hideghegesztéses kopás), a diffúziós kopás, az abrazív kopás, az oxidációs kopás stb.
A hagyományos szerszámoktól eltérően a PCD szerszámok kopási formái az adhéziós kopás, a diffúziós kopás és a polikristályos réteg sérülése. Ezek közül a polikristályos réteg sérülése a fő ok, amely a külső behatás vagy a PDC ragasztóvesztesége által okozott finom penge-összeroppanásban vagy résképződésben nyilvánul meg, ami a fizikai-mechanikai sérülések közé tartozik, és a megmunkálási pontosság csökkenéséhez és a munkadarabok selejtezéséhez vezethet. A PCD részecskemérete, a penge alakja, a pengeszög, a munkadarab anyaga és a megmunkálási paraméterek befolyásolják a penge szilárdságát és a vágóerőt, ami a polikristályos réteg sérülését okozza. A mérnöki gyakorlatban a megfelelő nyersanyag-részecskeméretet, a szerszámparamétereket és a megmunkálási paramétereket a megmunkálási körülményeknek megfelelően kell kiválasztani.
4. A PCD forgácsolószerszámok fejlesztési trendje
Jelenleg a PCD szerszámok alkalmazási köre kibővült a hagyományos esztergálástól a fúrásig, marásig és nagysebességű forgácsolásig, és széles körben használják belföldön és külföldön egyaránt. Az elektromos járművek gyors fejlődése nemcsak a hagyományos autóiparra volt hatással, hanem példátlan kihívások elé állította a szerszámipart is, sürgetve a szerszámipart az optimalizálás és az innováció felgyorsítására.
A PCD forgácsolószerszámok széles körű alkalmazása elmélyítette és elősegítette a forgácsolószerszámok kutatását és fejlesztését. A kutatás elmélyülésével a PDC specifikációk egyre kisebbek, a szemcsefinomítás minősége optimalizált, a teljesítmény egyenletessége, az őrlési sebesség és a kopási arány egyre magasabb, az alak és a szerkezet pedig diverzifikálódik. A PCD szerszámok kutatási irányai a következők: ① vékony PCD réteg kutatása és fejlesztése; ② új PCD szerszámanyagok kutatása és fejlesztése; ③ kutatás a PCD szerszámok jobb hegesztésére és a költségek további csökkentésére; ④ kutatás a PCD szerszámlapátok köszörülési folyamatának fejlesztésére a hatékonyság javítása érdekében; ⑤ kutatás a PCD szerszámparaméterek optimalizálására és a szerszámok helyi körülményeknek megfelelő használatára; ⑥ kutatás a forgácsolási paraméterek racionális kiválasztására a feldolgozott anyagoknak megfelelően.
rövid összefoglaló
(1) A PCD szerszám forgácsolási teljesítménye ellensúlyozza a keményfém szerszámok hiányát; ugyanakkor az ára jóval alacsonyabb, mint az egykristályos gyémántszerszámoké, így a modern forgácsolásban ígéretes eszköznek számít;
(2) A feldolgozott anyagok típusa és teljesítménye alapján a PCD szerszámok szemcseméretének és paramétereinek ésszerű kiválasztása a szerszámgyártás és -használat előfeltétele.
(3) A PCD anyag nagy keménységgel rendelkezik, ami ideális anyag a kések vágásához, de nehézségeket is okoz a vágószerszámok gyártásában. A gyártás során átfogóan figyelembe kell venni a folyamat nehézségeit és a feldolgozási igényeket a legjobb költséghatékonyság elérése érdekében.
(4) A PCD-feldolgozási anyagok esetében a kések megmunkálásakor ésszerűen kell kiválasztani a vágási paramétereket a termék teljesítményének elérése alapján, amennyire csak lehetséges, a szerszám élettartamának meghosszabbítása érdekében, hogy egyensúlyt teremtsünk a szerszám élettartama, a termelési hatékonyság és a termékminőség között;
(5) Új PCD szerszámanyagok kutatása és fejlesztése a benne rejlő hátrányok kiküszöbölése érdekében
Ez a cikk a következő forrásból származik: "szuperkemény anyaghálózat"
Közzététel ideje: 2025. márc. 25.
