Polikristalinio deimantinio įrankio gamyba ir pritaikymas

PCD įrankis pagamintas iš polikristalinio deimantinio peilio antgalio ir karbido matricos, naudojant aukšto temperatūros ir aukšto slėgio sukepinimo technologiją. Jis ne tik visapusiškai išnaudoja didelio kietumo, didelio šilumos laidumo, mažo trinties koeficiento, mažo šiluminio plėtimosi koeficiento, mažo afiniteto su metalais ir nemetalais, didelio elastingumo modulio, neskilimo paviršiaus, izotropiškumo privalumus, bet ir atsižvelgia į didelį kietojo lydinio stiprumą.
Terminis stabilumas, smūginis atsparumas ir atsparumas dilimui yra pagrindiniai PCD eksploatacinių savybių rodikliai. Kadangi PCD dažniausiai naudojamas aukštoje temperatūroje ir esant dideliam įtempiui, terminis stabilumas yra svarbiausias dalykas. Tyrimas rodo, kad PCD terminis stabilumas daro didelę įtaką jo atsparumui dilimui ir smūginiam atsparumui. Duomenys rodo, kad kai temperatūra viršija 750 ℃, PCD atsparumas dilimui ir smūginis atsparumas paprastai sumažėja 5–10 %.
PCD kristalinė būsena lemia jo savybes. Mikrostruktūroje anglies atomai sudaro kovalentinius ryšius su keturiais gretimais atomais, įgaudami tetraedrinę struktūrą ir tada suformuodami atominį kristalą, pasižymintį stipria orientacija, rišamąja jėga ir dideliu kietumu. Pagrindiniai PCD eksploataciniai rodikliai yra šie: 1. Kietumas gali siekti 8000 HV, t. y. 8–12 kartų didesnis nei karbido; 2. Šilumos laidumas yra 700 W/mK, t. y. 1,5–9 kartus didesnis nei PCBN ir vario; 3. Trinties koeficientas paprastai yra tik 0,1–0,3, t. y. daug mažesnis nei 0,4–1 karbido, todėl pjovimo jėga žymiai sumažėja; 4. Karbido šiluminio plėtimosi koeficientas yra tik 0,9x10⁻⁶–1,18x10⁻⁶/5, todėl sumažėja terminė deformacija ir pagerėja apdorojimo tikslumas; 5. Karbido ir nemetalinių medžiagų afinitetas sudaro mažiau mazgelių.
Kubinis boro nitridas pasižymi dideliu atsparumu oksidacijai ir gali apdirbti geležį turinčias medžiagas, tačiau jo kietumas yra mažesnis nei monokristalinio deimanto, apdorojimo greitis yra lėtas, o efektyvumas mažas. Monokristalinis deimantas yra labai kietas, tačiau jo tvirtumas nepakankamas. Dėl anizotropijos jis lengvai skaidosi išilgai (111) paviršiaus veikiant išorinei jėgai, todėl apdorojimo efektyvumas yra ribotas. PCD yra polimeras, tam tikromis priemonėmis sintetinamas iš mikronų dydžio deimanto dalelių. Dėl chaotiško netvarkingo dalelių kaupimosi jis yra makroskopiškai izotropinis, o tempiamasis stipris neturi kryptingo ir skilimo paviršiaus. Palyginti su monokristaliniu deimantu, PCD grūdelių riba efektyviai sumažina anizotropiją ir optimizuoja mechanines savybes.
1. PCD pjovimo įrankių projektavimo principai
(1) Tinkamas PCD dalelių dydžio pasirinkimas
Teoriškai, apdirbant PCD, reikėtų stengtis smulkinti grūdelius, o priedų pasiskirstymas tarp produktų turėtų būti kuo tolygesnis, kad būtų išvengta anizotropijos. PCD dalelių dydžio pasirinkimas taip pat susijęs su apdorojimo sąlygomis. Apskritai, apdailai arba superapdailai gali būti naudojamas didelio stiprumo, gero tvirtumo, gero atsparumo smūgiams ir smulkiagrūdis PCD, o bendram grubiam apdirbimui gali būti naudojamas stambiagrūdis PCD. PCD dalelių dydis gali smarkiai paveikti įrankio atsparumą dilimui. Atitinkamoje literatūroje nurodoma, kad kai žaliavos grūdeliai yra dideli, atsparumas dilimui palaipsniui didėja mažėjant grūdelių dydžiui, tačiau kai grūdelių dydis yra labai mažas, ši taisyklė netaikoma.
Susijusiuose eksperimentuose buvo atrinkti keturi deimantų milteliai, kurių vidutinis dalelių dydis buvo 10 μm, 5 μm, 2 μm ir 1 μm, ir padaryta išvada, kad: 1. Mažėjant žaliavos dalelių dydžiui, Co pasiskirsto tolygiau; mažėjant 2., PCD atsparumas dilimui ir karščiui palaipsniui mažėjo.
(2) Tinkamas mentės burnos formos ir mentės storio pasirinkimas
Ašmenų žiotys daugiausia apima keturias struktūras: apverstą briauną, buką apskritimą, apverstą buką apskritimą su kompozicine konstrukcija ir aštrų kampą. Aštri kampinė struktūra suteikia ašmenims aštrumo, didelį pjovimo greitį, gali žymiai sumažinti pjovimo jėgą ir šerpetojimą, pagerinti gaminio paviršiaus kokybę, labiau tinka mažo silicio aliuminio lydiniams ir kitiems mažo kietumo aliuminio lydiniams, tolygiai apdirbti spalvotuosius metalus. Buka apvali struktūra gali pasyvuoti ašmenų žiotis, sudarydama R kampą, efektyviai apsaugo nuo ašmenų lūžimo, tinka vidutinio / didelio silicio aliuminio lydinių apdirbimui. Kai kuriais ypatingais atvejais, pvz., mažo pjovimo gylio ir mažo peilio padavimo atveju, pirmenybė teikiama bukai apvaliai struktūrai. Apverstos briaunos struktūra gali padidinti kraštus ir kampus, stabilizuoti ašmenis, tačiau tuo pačiu metu padidina slėgį ir pjovimo pasipriešinimą, labiau tinka pjauti didelio silicio aliuminio lydinius su didele apkrova.
Siekiant palengvinti EDM, paprastai rinkitės ploną PDC lakšto sluoksnį (0,3–1,0 mm) ir karbido sluoksnį, bendras įrankio storis yra apie 28 mm. Karbido sluoksnis neturėtų būti per storas, kad būtų išvengta stratifikacijos, kurią sukelia įtempių skirtumas tarp jungiamųjų paviršių.
2, PCD įrankių gamybos procesas
PCD įrankio gamybos procesas tiesiogiai lemia įrankio pjovimo našumą ir tarnavimo laiką, o tai yra pagrindinis jo pritaikymo ir kūrimo veiksnys. PCD įrankio gamybos procesas parodytas 5 paveiksle.
(1) PCD kompozicinių tablečių (PDC) gamyba
① PDC gamybos procesas
PDC paprastai sudaro natūralūs arba sintetiniai deimantų milteliai ir rišiklis, kaitinamas aukštoje temperatūroje (1000–2000 ℃) ir aukštame slėgyje (5–10 atm). Rišiklis sudaro rišamąjį tiltelį su pagrindiniais komponentais TiC, Sic, Fe, Co, Ni ir kt., o deimanto kristalas kovalentinio ryšio forma įterpiamas į rišamojo tiltelio karkasą. PDC paprastai gaminamas į fiksuoto skersmens ir storio diskus, kurie šlifuojami, poliruojami ir kitaip atitinkamai fiziškai bei chemiškai apdorojami. Iš esmės ideali PDC forma turėtų kuo labiau išlaikyti puikias monokristalio deimanto fizines savybes, todėl sukepinimo korpuse turėtų būti kuo mažiau priedų, tuo pačiu metu kuo daugiau dalelių DD jungčių.
② Rišamųjų medžiagų klasifikavimas ir parinkimas
Rišiklis yra svarbiausias veiksnys, turintis įtakos PCD įrankio terminiam stabilumui, kuris tiesiogiai veikia jo kietumą, atsparumą dilimui ir terminį stabilumą. Įprasti PCD jungimo būdai yra geležis, kobaltas, nikelis ir kiti pereinamieji metalai. Kaip rišiklis buvo naudojami Co ir W mišrūs milteliai, o visapusiškas sukepinimo PCD veikimas buvo geriausias, kai sintezės slėgis buvo 5,5 GPa, sukepinimo temperatūra buvo 1450 ℃, o izoliacija buvo 4 min. SiC, TiC, WC, TiB2 ir kitos keraminės medžiagos. SiC. SiC terminis stabilumas yra geresnis nei Co, tačiau kietumas ir atsparumas lūžiams yra santykinai maži. Tinkamas žaliavos dydžio sumažinimas gali pagerinti PCD kietumą ir atsparumą. Nėra klijų, grafitas ar kiti anglies šaltiniai yra deginami itin aukštoje temperatūroje ir aukštame slėgyje į nanoskalės polimerinį deimantą (NPD). Grafito naudojimas kaip NPD pirmtako yra sudėtingiausios sąlygos, tačiau sintetinis NPD pasižymi didžiausiu kietumu ir geriausiomis mechaninėmis savybėmis.
③ grūdų atranka ir kontrolė
Žaliavos deimantų milteliai yra pagrindinis veiksnys, turintis įtakos PCD našumui. Iš anksto apdorojus deimantų mikromiltelius, pridėjus nedidelį kiekį medžiagų, stabdančių nenormalių deimantų dalelių augimą, ir tinkamai parinkus sukepinimo priedus, galima slopinti nenormalių deimantų dalelių augimą.
Didelio grynumo NPD ir vienodos struktūros gali efektyviai pašalinti anizotropiją ir dar labiau pagerinti mechanines savybes. Nanografito pirmtako milteliai, paruošti didelės energijos rutulinio šlifavimo metodu, buvo naudojami deguonies kiekiui reguliuoti aukštoje temperatūroje atliekant išankstinio sukepinimo procesą, grafitą paverčiant deimantu esant 18 GPa slėgiui ir 2100–2300 ℃ temperatūrai, susidarant lamelių ir granuliuotam NPD, o kietumas didėjo mažėjant lamelių storiui.
④ Vėlyvas cheminis apdorojimas
Esant tai pačiai temperatūrai (200 °C) ir laikui (20 val.), Lewis rūgšties ir FeCl3 kobalto šalinimo efektas buvo žymiai geresnis nei vandens, o optimalus HCl santykis buvo 10–15 g / 100 ml. PCD terminis stabilumas gerėja didėjant kobalto šalinimo gyliui. Stambiagrūdžio augimo PCD atveju stipri rūgštinis apdorojimas gali visiškai pašalinti Co, tačiau tai daro didelę įtaką polimero savybėms; pridedant TiC ir WC, keičiama sintetinė polikristalinė struktūra, ir derinant su stipriu rūgštiniu apdorojimu, pagerinamas PCD stabilumas. Šiuo metu PCD medžiagų gamybos procesas gerėja, produkto tvirtumas yra geras, anizotropija labai pagerėjo, pradėta komercinė gamyba, sparčiai vystosi susijusios pramonės šakos.
(2) PCD ašmenų apdorojimas
① pjovimo procesas
PCD pasižymi dideliu kietumu, geru atsparumu dilimui ir sudėtingu pjovimo procesu.
② suvirinimo procedūra
PDC ir peilio korpusas sujungiami mechaniniu spaustuku, sujungimu ir litavimu. Litavimas – tai PDC presavimas ant karbido matricos, įskaitant vakuuminį litavimą, vakuuminį difuzinį suvirinimą, aukšto dažnio indukcinio kaitinimo litavimą, lazerinį suvirinimą ir kt. Aukšto dažnio indukcinio kaitinimo litavimas yra nebrangus ir ekonomiškas, todėl plačiai naudojamas. Suvirinimo kokybė priklauso nuo srauto, suvirinimo lydinio ir suvirinimo temperatūros. Suvirinimo temperatūra (paprastai žemesnė nei 700 °C) turi didžiausią įtaką. Per aukšta temperatūra gali sukelti PCD grafitizaciją arba net „perdegimą“, o tai tiesiogiai veikia suvirinimo efektą, o per žema temperatūra sukels nepakankamą suvirinimo stiprumą. Suvirinimo temperatūrą galima kontroliuoti izoliacijos laiku ir PCD paraudimo gyliu.
③ peilio šlifavimo procesas
PCD įrankių šlifavimo procesas yra pagrindinis gamybos proceso elementas. Paprastai ašmenų ir ašmenų didžiausia vertė yra 5 μm, o lanko spindulys – 4 μm; priekinis ir galinis pjovimo paviršiai užtikrina tam tikrą paviršiaus apdailą ir netgi sumažina priekinio pjovimo paviršiaus Ra iki 0,01 μm, kad atitiktų veidrodžio reikalavimus, užtikrintų drožlių tekėjimą priekiniu peilio paviršiumi ir neleistų peiliui prilipti.
Ašmenų šlifavimo procesai apima deimantinio šlifavimo disko mechaninį šlifavimą, elektrinį kibirkštinio šlifavimo diską (EDG), metalinio rišikliu su itin kietu abrazyviniu šlifavimo disku elektrolitiniu apdailos šlifavimą (ELID), kompozitinių ašmenų šlifavimą. Iš jų deimantinio šlifavimo disko mechaninis šlifavimas yra labiausiai išvystytas ir plačiausiai naudojamas.
Susiję eksperimentai: ① stambiųjų dalelių šlifavimo diskas smarkiai sulūžta, sumažėja šlifavimo disko dalelių dydis ir pagerėja disko kokybė; ② šlifavimo disko dalelių dydis yra glaudžiai susijęs su smulkiųjų arba ultrasmulkiųjų dalelių PCD įrankių disko kokybe, tačiau stambiųjų dalelių PCD įrankiams tai daro ribotą įtaką.
Susiję tyrimai šalyje ir užsienyje daugiausia skirti ašmenų šlifavimo mechanizmui ir procesui. Ašmenų šlifavimo mechanizme dominuoja termocheminis ir mechaninis šalinimas, o trapumo ir nuovargio šalinimas yra santykinai nedideli. Šlifuojant, atsižvelgiant į deimantinių šlifavimo diskų stiprumą ir atsparumą karščiui, kiek įmanoma reikia pagerinti šlifavimo disko greitį ir sukimosi dažnį, vengti trapumo ir nuovargio šalinimo, pagerinti termocheminio šalinimo dalį ir sumažinti paviršiaus šiurkštumą. Sauso šlifavimo paviršiaus šiurkštumas yra mažas, tačiau dėl aukštos apdorojimo temperatūros įrankio paviršius lengvai nudega.
Šlifuojant peilius reikia atkreipti dėmesį į: 1. Pasirinkite tinkamus peilių šlifavimo proceso parametrus, kad būtų užtikrinta geresnė ašmenų kokybė, priekinio ir galinio peilių paviršiaus apdaila. Taip pat atsižvelkite į didelę šlifavimo jėgą, didelius nuostolius, mažą šlifavimo efektyvumą ir dideles sąnaudas; 2. Pasirinkite tinkamą šlifavimo disko kokybę, įskaitant rišiklio tipą, dalelių dydį, koncentraciją, rišiklį, šlifavimo disko apdirbimą, kad sauso ir šlapio peilio šlifavimo sąlygos būtų tinkamos, kad būtų optimizuoti įrankio priekiniai ir galiniai kampai, peilio antgalio pasyvavimo vertė ir kiti parametrai, tuo pačiu pagerinant įrankio paviršiaus kokybę.
Skirtingi deimantinio šlifavimo disko rišikliai pasižymi skirtingomis savybėmis, šlifavimo mechanizmu ir poveikiu. Dervos rišikliu pagamintas deimantinis šlifavimo diskas yra minkštas, šlifavimo dalelės lengvai per anksti nubyra, neatsparus karščiui, paviršius lengvai deformuojasi dėl karščio, šlifavimo paviršius linkęs į dilimo žymes, didelis šiurkštumas; metalinio rišikliu pagamintas deimantinis šlifavimo diskas išlieka aštrus dėl šlifavimo ir trupinimo, gerai formuojamas ir formuojamas paviršius, mažas šlifavimo disko paviršiaus šiurkštumas, didesnis efektyvumas, tačiau šlifavimo dalelių rišamosios savybės prastai galanda, o pjovimo briaunoje lengvai paliekamas smūgio tarpas, dėl kurio gali būti padaryta didelė žala kraštams; keraminio rišikliu pagamintas deimantinis šlifavimo diskas yra vidutinio stiprumo, geras savaiminio sužadinimo efektyvumas, daugiau vidinių porų, lengviau pašalina dulkes ir išsklaido šilumą, prisitaiko prie įvairių aušinimo skysčių, žema šlifavimo temperatūra, šlifavimo diskas mažiau dilsta, gerai išlaiko formą, tikslumas yra didžiausias, tačiau deimantinio šlifavimo ir rišiklio derinys įrankio paviršiuje gali sukelti įdubimų susidarymą. Naudokite atsižvelgiant į apdirbamas medžiagas, kad būtų užtikrintas platus šlifavimo efektyvumas, abrazyvinis patvarumas ir ruošinio paviršiaus kokybė.
Šlifavimo efektyvumo tyrimuose daugiausia dėmesio skiriama produktyvumo gerinimui ir sąnaudų kontrolei. Paprastai vertinimo kriterijais naudojami šlifavimo greitis Q (PCD pašalinimas per laiko vienetą) ir dilimo koeficientas G (PCD pašalinimo ir šlifavimo disko nuostolių santykis).
Vokiečių mokslininko KENTER šlifuojamas PCD įrankis esant pastoviam slėgiui, bandymas: 1. Padidinus šlifavimo disko greitį, PDC dalelių dydį ir aušinimo skysčio koncentraciją, sumažėja šlifavimo greitis ir dilimo santykis; 2. Padidinus šlifavimo dalelių dydį, padidinus pastovų slėgį, padidėja deimantų koncentracija šlifavimo diske, padidėja šlifavimo greitis ir dilimo santykis; 3. Skirtingam rišiklio tipui esant skirtingam šlifavimo greičiui ir dilimo santykiui, skiriasi šlifavimo greitis. KENTER sistemingai tirtas PCD įrankio ašmenų šlifavimo procesas, tačiau ašmenų šlifavimo proceso įtaka sistemingai analizuojama nebuvo.

3. PCD pjovimo įrankių naudojimas ir gedimai
(1) Įrankio pjovimo parametrų pasirinkimas
Pradiniu PCD įrankio naudojimo laikotarpiu aštri briauna palaipsniui pasivavo, todėl pagerėjo apdirbamo paviršiaus kokybė. Pasyvavimas gali efektyviai pašalinti mikro tarpus ir mažas šerpetojančias daleles, atsiradusias šlifuojant peiliuką, pagerinti pjovimo briaunos paviršiaus kokybę ir tuo pačiu suformuoti apskritą briaunos spindulį, kad būtų galima suspausti ir pataisyti apdirbtą paviršių, taip pagerinant ruošinio paviršiaus kokybę.
PCD įrankio paviršiaus frezavimas aliuminio lydiniu, pjovimo greitis paprastai yra 4000 m/min., skylių apdirbimas paprastai yra 800 m/min. Didelio elastingumo ir plastiškumo spalvotųjų metalų apdirbimui reikia didesnio tekinimo greičio (300–1000 m/min.). Paprastai rekomenduojamas padavimo kiekis yra nuo 0,08 iki 0,15 mm/aps. Per didelis padavimo kiekis, padidėjusi pjovimo jėga, padidėjęs ruošinio paviršiaus liekamasis geometrinis plotas; per mažas padavimo kiekis, padidėjusi pjovimo šiluma ir padidėjęs dilimas. Didėjant pjovimo gyliui, didėja pjovimo jėga, didėja pjovimo šiluma, trumpėja tarnavimo laikas, per didelis pjovimo gylis gali lengvai sukelti disko sulūžimą; mažas pjovimo gylis sukels apdirbimo sukietėjimą, dilimą ir net disko sulūžimą.
(2) Dėvėjimosi forma
Įrankio apdirbimo ruošinys dėl trinties, aukštos temperatūros ir kitų priežasčių neišvengiamai susidėvi. Deimantinio įrankio susidėvėjimas susideda iš trijų etapų: pradinės greito susidėvėjimo fazės (dar vadinamos pereinamuoju etapu), stabilaus susidėvėjimo fazės su pastoviu susidėvėjimo greičiu ir vėlesnės greito susidėvėjimo fazės. Greito susidėvėjimo fazė rodo, kad įrankis neveikia ir jį reikia pergaląsti. Pjovimo įrankių susidėvėjimo formos apima sukibimo susidėvėjimą (šaltojo suvirinimo susidėvėjimą), difuzinį susidėvėjimą, abrazyvinį susidėvėjimą, oksidacinį susidėvėjimą ir kt.
Skirtingai nuo tradicinių įrankių, PCD įrankių nusidėvėjimo formos yra sukibimo dilimas, difuzinis dilimas ir polikristalinio sluoksnio pažeidimas. Pagrindinė jų priežastis yra polikristalinio sluoksnio pažeidimas, pasireiškiantis nedideliu ašmenų įgriuvimu dėl išorinio smūgio arba klijų praradimu PDC, susidarant tarpui, kuris priskiriamas fiziniams mechaniniams pažeidimams, dėl kurių gali sumažėti apdorojimo tikslumas ir susidaryti ruošiniai. PCD dalelių dydis, ašmenų forma, ašmenų kampas, ruošinio medžiaga ir apdorojimo parametrai turi įtakos ašmenų stiprumui ir pjovimo jėgai, o tai savo ruožtu pažeidžia polikristalinį sluoksnį. Inžinerinėje praktikoje tinkamas žaliavos dalelių dydis, įrankio parametrai ir apdorojimo parametrai turėtų būti parinkti atsižvelgiant į apdorojimo sąlygas.

4. PCD pjovimo įrankių plėtros tendencijos
Šiuo metu PCD įrankių taikymo sritis išsiplėtė nuo tradicinio tekinimo iki gręžimo, frezavimo, greitaeigio pjovimo ir yra plačiai naudojami tiek šalyje, tiek užsienyje. Sparčiai vystantis elektromobiliams, ne tik paveikė tradicinę automobilių pramonę, bet ir sukėlė precedento neturinčių iššūkių įrankių pramonei, ragindamas šią pramonę paspartinti optimizavimą ir inovacijas.
Platus PCD pjovimo įrankių taikymas pagilino ir paskatino pjovimo įrankių tyrimus ir plėtrą. Gilėjant tyrimams, PDC specifikacijos tampa vis mažesnės, grūdelių smulkinimo kokybė optimizuojama, našumas tolygesnis, šlifavimo greitis ir dilimo santykis didėja, forma ir struktūra įvairinama. PCD įrankių tyrimų kryptys apima: 1. plonų PCD sluoksnių tyrimai ir kūrimas; 2. naujų PCD įrankių medžiagų tyrimai ir kūrimas; 3. geresnio PCD įrankių suvirinimo ir sąnaudų mažinimo tyrimai; 4. PCD įrankių ašmenų šlifavimo proceso tobulinimas siekiant padidinti efektyvumą; 5. PCD įrankių parametrų optimizavimas ir įrankių naudojimas pagal vietos sąlygas; 6. Pjovimo parametrų racionalus pasirinkimas pagal apdorojamas medžiagas.
trumpa santrauka
(1) PCD įrankių pjovimo našumas kompensuoja daugelio kietojo karbido įrankių trūkumą; tuo pačiu metu kaina yra daug mažesnė nei monokristalių deimantinių įrankių, todėl šiuolaikiniame pjovime tai yra perspektyvus įrankis;
(2) Atsižvelgiant į apdorojamų medžiagų tipą ir našumą, pagrįstas PCD įrankių dalelių dydžio ir parametrų pasirinkimas yra įrankių gamybos ir naudojimo prielaida.
(3) PCD medžiaga yra labai kieta, todėl idealiai tinka pjaustyti peilius, tačiau ji taip pat apsunkina pjovimo įrankių gamybą. Gaminant reikia visapusiškai atsižvelgti į proceso sudėtingumą ir apdorojimo poreikius, kad būtų pasiektas geriausias kainos ir kokybės santykis.
(4) PCD apdirbimo medžiagų pjovimo parametrus peilių srityje reikėtų pagrįstai parinkti atsižvelgiant į gaminio eksploatacines savybes, kad būtų kuo labiau pailgintas įrankio tarnavimo laikas ir pasiekta įrankio tarnavimo laiko, gamybos efektyvumo ir gaminio kokybės pusiausvyra;
(5) Tyrinėti ir kurti naujas PCD įrankių medžiagas, siekiant įveikti būdingus jų trūkumus
Šis straipsnis paimtas iš „superkietų medžiagų tinklas"