PCD алатката е изработена од поликристален дијамантски врв и карбидна матрица преку синтерување на висока температура и висок притисок. Не само што може целосно да ги искористи предностите на висока тврдост, висока топлинска спроводливост, низок коефициент на триење, низок коефициент на топлинска експанзија, мал афинитет со метали и неметали, висок модул на еластичност, површина без сечење, изотропна, туку ја зема предвид и високата цврстина на тврдата легура.
Термичката стабилност, цврстината на удар и отпорноста на абење се главните индикатори за перформанси на PCD. Бидејќи најчесто се користи во средини со висока температура и висок стрес, термичката стабилност е најважна. Студијата покажува дека термичката стабилност на PCD има големо влијание врз неговата отпорност на абење и цврстина на удар. Податоците покажуваат дека кога температурата е повисока од 750℃, отпорноста на абење и цврстината на удар на PCD генерално се намалуваат за 5% -10%.
Кристалната состојба на PCD ги одредува неговите својства. Во микроструктурата, јаглеродните атоми формираат ковалентни врски со четири соседни атоми, добиваат тетраедарска структура, а потоа формираат атомски кристал, кој има силна ориентација и сила на врзување, како и висока тврдост. Главните индикатори на перформанси на PCD се следниве: ① тврдоста може да достигне 8000 HV, 8-12 пати поголема од карбидот; ② топлинската спроводливост е 700W/mK, 1,5-9 пати поголема од PCBN и бакарот; ③ коефициентот на триење е генерално само 0,1-0,3, многу помалку од 0,4-1 кај карбидот, значително намалувајќи ја силата на сечење; ④ коефициентот на термичка експанзија е само 0,9x10-6-1,18x10-6,1/5 кај карбидот, што може да ја намали термичката деформација и да ја подобри точноста на обработката; ⑤ и неметалните материјали имаат помал афинитет кон формирање нодули.
Кубниот бор нитрид има силна отпорност на оксидација и може да обработува материјали што содржат железо, но тврдоста е помала од монокристалниот дијамант, брзината на обработка е бавна, а ефикасноста е ниска. Монокристалниот дијамант има висока тврдост, но жилавоста е недоволна. Анизотропијата го олеснува дисоцијацијата по површината (111) под влијание на надворешна сила, а ефикасноста на обработката е ограничена. PCD е полимер синтетизиран од дијамантски честички со големина на микрон со одредени средства. Хаотичната природа на нередовната акумулација на честички доведува до неговата макроскопска изотропна природа, а нема насочена и расцепена површина во затегнувачката цврстина. Во споредба со монокристалниот дијамант, границата на зрната на PCD ефикасно ја намалува анизотропијата и ги оптимизира механичките својства.
1. Принципи на дизајн на PCD алатки за сечење
(1) Разумен избор на големина на PCD честички
Теоретски, PCD треба да се обиде да ги рафинира зрната, а распределбата на адитивите помеѓу производите треба да биде што е можно порамномерна за да се надмине анизотропијата. Изборот на големината на честичките PCD е исто така поврзан со условите за обработка. Општо земено, PCD со висока цврстина, добра цврстина, добра отпорност на удар и фино зрно може да се користи за завршна обработка или супер завршна обработка, а PCD со грубо зрно може да се користи за општа груба обработка. Големината на честичките PCD може значително да влијае на перформансите на абење на алатот. Релевантната литература истакнува дека кога зрното на суровината е големо, отпорноста на абење постепено се зголемува со намалувањето на големината на зрното, но кога големината на зрното е многу мала, ова правило не е применливо.
Во поврзаните експерименти се избрани четири дијамантски прашоци со просечни големини на честичките од 10 μm, 5 μm, 2 μm и 1 μm, и е заклучено дека: ① Со намалување на големината на честичките на суровината, Co дифундира порамномерно; со намалување на ②, отпорноста на абење и отпорноста на топлина на PCD постепено се намалуваат.
(2) Разумен избор на обликот на устата на сечилото и дебелината на сечилото
Формата на отворот на сечилото главно вклучува четири структури: превртен раб, тап круг, композитен тап круг со превртен раб и остар агол. Острата аголна структура го прави работ остар, брзината на сечење е голема, може значително да ја намали силата на сечење и брусењето, да го подобри квалитетот на површината на производот, е посоодветна за легури на алуминиум со ниска силициумска содржина и други обоени метали со ниска тврдост, униформна завршна обработка. Тапата кружна структура може да го пасивизира отворот на сечилото, формирајќи R агол, ефикасно спречувајќи кршење на сечилото, погодна за обработка на легури на алуминиум со среден/висок силициум. Во некои посебни случаи, како што се плитка длабочина на сечење и мало полнење на ножот, се претпочита тапа кружна структура. Структурата со превртен раб може да ги зголеми рабовите и аглите, да го стабилизира сечилото, но во исто време ќе го зголеми притисокот и отпорноста на сечење, посоодветна за сечење на легури на алуминиум со висока силициумска содржина под големи оптоварувања.
За да се олесни EDM, обично се избира тенок слој од PDC лист (0,3-1,0 mm), плус карбиден слој, вкупната дебелина на алатот е околу 28 mm. Карбидниот слој не треба да биде премногу дебел за да се избегне стратификација предизвикана од разликата во напрегањето помеѓу површините за лепење.
2, процес на производство на PCD алатки
Процесот на производство на PCD алатката директно ги одредува перформансите на сечење и работниот век на алатката, што е клучот за нејзината примена и развој. Процесот на производство на PCD алатката е прикажан на Слика 5.
(1) Производство на PCD композитни таблети (PDC)
① Процес на производство на PDC
PDC генерално е составен од природен или синтетички дијамантски прав и врзивно средство при висока температура (1000-2000℃) и висок притисок (5-10 atm). Врзувачкото средство го формира врзивниот мост со TiC, Sic, Fe, Co, Ni, итн. како главни компоненти, а дијамантскиот кристал е вграден во скелетот на врзивниот мост во форма на ковалентна врска. PDC генерално се прави во дискови со фиксен дијаметар и дебелина, и се бруси и полира и други соодветни физички и хемиски третмани. Во суштина, идеалната форма на PDC треба да ги задржи одличните физички карактеристики на монокристалниот дијамант колку што е можно повеќе, затоа, адитивите во телото за синтерување треба да бидат што е можно помалку, во исто време, комбинацијата на честички DD врска колку што е можно повеќе.
② Класификација и избор на врзива
Врзувачкото средство е најважниот фактор што влијае на термичката стабилност на PCD алатката, што директно влијае на нејзината тврдост, отпорност на абење и термичка стабилност. Вообичаени методи на PCD сврзување се: железо, кобалт, никел и други преодни метали. Мешан прав од Co и W се користел како средство за врзување, а сеопфатните перформанси на PCD за синтерување биле најдобри кога притисокот на синтеза бил 5,5 GPa, температурата на синтерување била 1450℃ и изолацијата 4 минути. SiC, TiC, WC, TiB2 и други керамички материјали. SiC. Термичката стабилност на SiC е подобра од онаа на Co, но тврдоста и цврстината на кршење се релативно ниски. Соодветното намалување на големината на суровината може да ја подобри тврдоста и цврстината на PCD. Не се користи лепило, со графит или други извори на јаглерод на ултра висока температура и висок притисок согорува во наноскален полимерен дијамант (NPD). Користењето графит како претходник за подготовка на NPD е во најсложените услови, но синтетичкиот NPD има највисока тврдост и најдобри механички својства.
Селекција и контрола на ③ зрна
Суровината како дијамантски прав е клучен фактор што влијае на перформансите на PCD. Предтретирањето на дијамантскиот микроправ, додавањето мала количина на супстанции што го спречуваат растот на абнормалните дијамантски честички и разумниот избор на адитиви за синтерување можат да го инхибираат растот на абнормалните дијамантски честички.
Високочист NPD со униформна структура може ефикасно да ја елиминира анизотропијата и дополнително да ги подобри механичките својства. Правот од нанографит, подготвен со метод на мелење со топчиња со висока енергија, беше користен за регулирање на содржината на кислород при претходно синтерување на висока температура, трансформирајќи графит во дијамант под 18 GPa и 2100-2300℃, генерирајќи ламели и грануларен NPD, а тврдоста се зголеми со намалување на дебелината на ламелата.
④ Доцен хемиски третман
На иста температура (200 °℃) и време (20 часа), ефектот на отстранување на кобалтот од Луисовата киселина-FeCl3 беше значително подобар од оној на водата, а оптималниот сооднос на HCl беше 10-15 g / 100 ml. Термичката стабилност на PCD се подобрува со зголемување на длабочината на отстранување на кобалтот. За грубо зрнест PCD раст, третманот со силна киселина може целосно да го отстрани Co, но има големо влијание врз перформансите на полимерот; додавањето TiC и WC за промена на синтетичката поликристална структура и комбинирањето со третман со силна киселина за подобрување на стабилноста на PCD. Во моментов, процесот на подготовка на PCD материјалите се подобрува, цврстината на производот е добра, анизотропијата е значително подобрена, реализирано е комерцијално производство, сродните индустрии се развиваат брзо.
(2) Обработка на PCD сечилото
① процес на сечење
PCD има висока цврстина, добра отпорност на абење и висок тежок процес на сечење.
② постапка за заварување
PDC и телото на ножот се притискаат со механичка стега, лепење и лемење. Лемењето е со притискање на PDC на карбидната матрица, вклучувајќи вакуумско лемење, вакуумско дифузно заварување, високофреквентно индукциско лемење со греење, ласерско заварување итн. Лемењето со високофреквентно индукциско греење има ниска цена и висок принос, и е широко користено. Квалитетот на заварувањето е поврзан со флуксот, легурата за заварување и температурата на заварување. Температурата на заварување (обично пониска од 700 °℃) има најголемо влијание, температурата е превисока, лесно може да предизвика PCD графитизација, или дури и „прекумерно согорување“, што директно влијае на ефектот на заварување, а прениската температура ќе доведе до недоволна цврстина на заварување. Температурата на заварување може да се контролира со времето на изолација и длабочината на црвенилото на PCD.
③ процес на мелење со сечило
Процесот на мелење на PCD алатката е клучен за процесот на производство. Општо земено, врвната вредност на сечилото и сечилото е во рамките на 5 μm, а радиусот на лакот е во рамките на 4 μm; предната и задната површина за сечење обезбедуваат одредена завршна обработка на површината, па дури и го намалуваат Ra на предната површина за сечење на 0,01 μ m за да ги задоволат барањата на огледалото, овозможувајќи струготини да течат по површината на предниот нож и спречувајќи лепење на ножот.
Процесот на мелење сечила вклучува механичко мелење на сечила со дијамантско мелно тркало, мелење на сечила со електрична искра (EDG), супер тврдо абразивно мелено тркало за метално врзување со електролитичко завршно мелење на сечила (ELID), обработка на мелење на композитни сечила. Меѓу нив, механичкото мелење на сечила со дијамантско мелно тркало е најзрело и најшироко користено.
Поврзани експерименти: ① тркалото за мелење со крупни честички ќе доведе до сериозно уривање на сечилото, а големината на честичките на тркалото за мелење се намалува, а квалитетот на сечилото станува подобар; големината на честичките на ② тркалото за мелење е тесно поврзана со квалитетот на сечилото на PCD алатките со фини честички или ултрафини честички, но има ограничен ефект врз PCD алатките со крупни честички.
Поврзаните истражувања дома и во странство главно се фокусираат на механизмот и процесот на мелење на сечилото. Во механизмот за мелење на сечилото, термохемиското отстранување и механичкото отстранување се доминантни, а отстранувањето на кршливост и отстранувањето на замор се релативно мали. При мелење, според јачината и отпорноста на топлина на различните врзивни средства за дијамантско мелење, подобрете ја брзината и фреквенцијата на замав на меленото тркало колку што е можно повеќе, избегнувајте кршливост и отстранување на замор, подобрете го процентот на термохемиско отстранување и намалете ја грубоста на површината. Грубоста на површината при суво мелење е мала, но лесно се гори поради високата температура на обработка, површината на алатот,
При процесот на мелење со сечило, потребно е да се обрне внимание на следново: ① изберете разумни параметри на процесот на мелење со сечило, што може да го направи квалитетот на работ на отворот поодличен, а предната и задната површина на сечилото поквалитетна. Сепак, земете ја предвид и високата сила на мелење, големите загуби, ниската ефикасност на мелење и високата цена; ② изберете разумен квалитет на меленото тркало, вклучувајќи го типот на врзивно средство, големината на честичките, концентрацијата, врзивно средство, обработката на меленото тркало, со разумни услови за суво и влажно мелење со сечило, што може да го оптимизира предниот и задниот агол на алатот, вредноста на пасивација на врвот на ножот и други параметри, а воедно да го подобри квалитетот на површината на алатот.
Различните дијамантски брусилки за врзување имаат различни карактеристики и различен механизам и ефект на мелење. Дијамантскиот песочен тркало за врзување со смола е мек, честичките за мелење лесно паѓаат предвреме, немаат отпорност на топлина, површината лесно се деформира од топлина, површината за мелење на сечилото е склона кон траги од абење, голема грубост; дијамантскиот брусилки за метален врзивен материјал се одржуваат остри со дробење, добра формабилност, површинска обработка, мала површинска грубост на сечилото за мелење, поголема ефикасност. Сепак, способноста за врзување на честичките за мелење го прави самоострењето слабо, а сечилото лесно остава празнина од удар, предизвикувајќи сериозно маргинално оштетување; керамичкиот врзивен дијамантски тркало за мелење има умерена цврстина, добри перформанси на самовозбудување, повеќе внатрешни пори, поволно за отстранување на прашина и дисипација на топлина, може да се прилагоди на различни течности за ладење, ниска температура на мелење, тркалото за мелење е помалку истрошено, добро ја задржува формата, точноста е највисока ефикасност. Сепак, телото на дијамантското мелење и врзивно средство доведуваат до формирање на вдлабнатини на површината на алатот. Употребата е во согласност со материјалите за обработка, сеопфатната ефикасност на мелење, издржливоста на абразивот и квалитетот на површината на работното парче.
Истражувањето за ефикасноста на мелењето главно се фокусира на подобрување на продуктивноста и трошоците за контрола. Општо земено, стапката на мелење Q (отстранување на PCD по единица време) и коефициентот на абење G (однос на отстранување на PCD кон загубата на брусилката) се користат како критериуми за евалуација.
Германски научник KENTER мелење PCD алатка со константен притисок, тест: ① ја зголемува брзината на меленото тркало, големината на PDC честичките и концентрацијата на течноста за ладење, стапката на мелење и односот на абење се намалуваат; ② ја зголемува големината на мелечките честички, го зголемува константниот притисок, ја зголемува концентрацијата на дијамант во меленото тркало, стапката на мелење и односот на абење се зголемуваат; ③ типот на врзивно средство е различен, стапката на мелење и односот на абење се различни. KENTER Процесот на мелење со сечило на PCD алатката беше систематски проучен, но влијанието на процесот на мелење со сечило не беше систематски анализирано.
3. Употреба и дефект на PCD алатките за сечење
(1) Избор на параметри за сечење со алатки
За време на почетниот период на PCD алатката, отворот на остриот раб постепено се паситираше, а квалитетот на површината за обработка стана подобар. Пасивацијата може ефикасно да ги отстрани микропразнините и малите вдлабнатини предизвикани од брусењето на сечилото, да го подобри квалитетот на површината на сечилото, а во исто време да формира кружен радиус на раб за да ја исцеди и поправи обработената површина, со што се подобрува квалитетот на површината на обработуваниот дел.
PCD алатката за површинско глодање од алуминиумска легура, брзината на сечење е генерално 4000m/min, обработката на дупки е генерално 800m/min, обработката на високоеластично-пластични обоени метали треба да бара поголема брзина на стружење (300-1000m/min). Генерално се препорачува волумен на напојување помеѓу 0,08-0,15mm/r. Преголем волумен на напојување, зголемена сила на сечење, зголемена преостаната геометриска површина на површината на работното парче; премал волумен на напојување, зголемена топлина на сечење и зголемено абење. Длабочината на сечење се зголемува, силата на сечење се зголемува, топлината на сечење се зголемува, животниот век се намалува, прекумерната длабочина на сечење лесно може да предизвика колапс на сечилото; малата длабочина на сечење ќе доведе до стврднување на машинската обработка, абење, па дури и колапс на сечилото.
(2) Форма на носење
При обработката на работното парче, поради триење, висока температура и други причини, абењето е неизбежно. Абењето на дијамантската алатка се состои од три фази: почетна фаза на брзо абење (исто така позната како преодна фаза), стабилна фаза на абење со константна стапка на абење и последователна фаза на брзо абење. Фазата на брзо абење означува дека алатот не работи и бара повторно брусење. Формите на абење на алатите за сечење вклучуваат абење на лепило (абење од ладно заварување), абење од дифузија, абење од абразија, абење од оксидација итн.
За разлика од традиционалните алатки, обликот на абење на PCD алатките е абење на лепилото, абење на дифузија и оштетување на поликристалниот слој. Меѓу нив, оштетувањето на поликристалниот слој е главната причина, кое се манифестира како суптилно паѓање на сечилото предизвикано од надворешно влијание или губење на лепилото во PDC, формирајќи празнина, што припаѓа на физичко-механичко оштетување, што може да доведе до намалување на прецизноста на обработката и отпаднување на обработените парчиња. Големината на PCD честичките, обликот на сечилото, аголот на сечилото, материјалот на обработливото парче и параметрите на обработката ќе влијаат на цврстината на сечилото и силата на сечење, а потоа ќе предизвикаат оштетување на поликристалниот слој. Во инженерската пракса, соодветната големина на честичките од суровината, параметрите на алатот и параметрите на обработката треба да се изберат според условите на обработка.
4. Тренд на развој на PCD алатки за сечење
Во моментов, опсегот на примена на PCD алатките е проширен од традиционално стругање до дупчење, глодање, брзо сечење и е широко користен дома и во странство. Брзиот развој на електричните возила не само што донесе влијание врз традиционалната автомобилска индустрија, туку донесе и невидени предизвици за индустријата за алати, поттикнувајќи ја индустријата за алати да ја забрза оптимизацијата и иновациите.
Широката примена на PCD алатките за сечење го продлабочи и го промовира истражувањето и развојот на алатките за сечење. Со продлабочувањето на истражувањата, спецификациите на PDC стануваат сè помали и помали, оптимизацијата на квалитетот на префинетоста на зрната, униформноста на перформансите, брзината на мелење и односот на абење се сè поголеми и поголеми, а обликот и структурата се диверзифицирани. Истражувачките насоки на PCD алатките вклучуваат: ① истражување и развој на тенок PCD слој; ② истражување и развој на нови PCD материјали за алатки; ③ истражување за подобро заварување на PCD алатките и понатамошно намалување на трошоците; ④ истражувањето го подобрува процесот на мелење на сечилото на PCD алатката за да се подобри ефикасноста; ⑤ истражувањето ги оптимизира параметрите на PCD алатката и ги користи алатките според локалните услови; ⑥ истражувањето рационално ги избира параметрите на сечење според обработените материјали.
краток преглед
(1) Перформансите на сечење со PCD алатка го надоместуваат недостигот кај многу карбидни алатки; во исто време, цената е многу пониска од монокристалната дијамантска алатка, во модерното сечење, е ветувачка алатка;
(2) Според видот и перформансите на обработените материјали, разумен избор на големината на честичките и параметрите на PCD алатките, што е премиса за производство и употреба на алатки,
(3) PCD материјалот има висока тврдост, што е идеален материјал за сечење ножеви, но исто така носи тешкотии во производството на алатки за сечење. При производството, сеопфатно треба да се земат предвид тежината на процесот и потребите за обработка, со цел да се постигнат најдобри ценовни перформанси;
(4) Материјалите за обработка на PCD во округот Нож, треба разумно да ги избереме параметрите за сечење, врз основа на исполнување на перформансите на производот, колку што е можно повеќе за да го продолжиме работниот век на алатот со цел да постигнеме рамнотежа помеѓу животниот век на алатот, ефикасноста на производството и квалитетот на производот;
(5) Истражување и развој на нови материјали за PCD алатки за да се надминат неговите вродени недостатоци
Оваа статија е преземена од „“мрежа од супертврд материјал"
Време на објавување: 25 март 2025 година
