Fabbricazione è applicazione di strumenti di diamanti policristallini

L'arnese PCD hè fattu di punta di cultellu di diamante policristallina è matrice di carburo per via di a sinterizzazione à alta temperatura è alta pressione. Pò micca solu dà pienu ghjocu à i vantaghji di alta durezza, alta conducibilità termica, bassu coefficientu di attritu, bassu coefficientu di dilatazione termica, piccula affinità cù u metallu è u non metallu, altu modulu elasticu, nisuna superficia di scissione, isotropia, ma ancu tene contu di l'alta resistenza di a lega dura.
A stabilità termica, a tenacità à l'impattu è a resistenza à l'usura sò i principali indicatori di prestazione di u PCD. Siccomu hè soprattuttu adupratu in ambienti à alta temperatura è à alta tensione, a stabilità termica hè a cosa più impurtante. U studiu mostra chì a stabilità termica di u PCD hà un grande impattu nantu à a so resistenza à l'usura è a tenacità à l'impattu. I dati mostranu chì quandu a temperatura hè superiore à 750 ℃, a resistenza à l'usura è a tenacità à l'impattu di u PCD generalmente diminuiscenu di 5% -10%.
U statu cristallinu di u PCD determina e so proprietà. In a microstruttura, l'atomi di carboniu formanu ligami covalenti cù quattru atomi adiacenti, ottenenu a struttura tetraedrica, è dopu formanu u cristallu atomicu, chì hà una forte orientazione è forza di legame, è una durezza elevata. I principali indici di prestazione di u PCD sò i seguenti: ① a durezza pò ghjunghje à 8000 HV, 8-12 volte u carburu; ② a cunduttività termica hè 700W / mK, 1,5-9 volte, ancu più alta di PCBN è rame; ③ u coefficientu di attritu hè generalmente solu 0,1-0,3, assai menu di 0,4-1 di carburu, riducendu significativamente a forza di taglio; ④ u coefficientu di dilatazione termica hè solu 0,9x10-6-1,18x10-6,1 / 5 di carburu, chì pò riduce a deformazione termica è migliurà a precisione di trasfurmazione; ⑤ è i materiali non metallici anu menu affinità per furmà noduli.
U nitruru di boru cubicu hà una forte resistenza à l'ossidazione è pò trasfurmà materiali chì cuntenenu ferru, ma a durezza hè più bassa di u diamante monocristallinu, a velocità di trasfurmazione hè lenta è l'efficienza hè bassa. U diamante monocristallinu hà una durezza elevata, ma a tenacità hè insufficiente. L'anisotropia facilita a dissociazione longu a superficia (111) sottu l'impattu di una forza esterna, è l'efficienza di trasfurmazione hè limitata. U PCD hè un polimeru sintetizatu da particelle di diamante di dimensioni microniche per certi mezi. A natura caotica di l'accumulazione disordinata di particelle porta à a so natura isotropica macroscopica, è ùn ci hè micca una superficia direzionale è di scissione in a resistenza à a trazione. In paragone cù u diamante monocristallinu, u cunfine di granu di u PCD riduce efficacemente l'anisotropia è ottimizza e proprietà meccaniche.
1. Principii di cuncepimentu di strumenti di taglio PCD
(1) Selezzione raghjonevule di a dimensione di e particelle PCD
Teoricamente, u PCD duveria pruvà à raffinà i grani, è a distribuzione di l'additivi trà i prudutti duveria esse a più uniforme pussibule per superà l'anisotropia. A scelta di a dimensione di e particelle di PCD hè ancu ligata à e cundizioni di trasfurmazione. In generale, u PCD cù alta resistenza, bona tenacità, bona resistenza à l'impattu è grana fina pò esse adupratu per a finitura o a superfinitura, è u PCD di grana grossa pò esse adupratu per a sgrossatura generale. A dimensione di e particelle di PCD pò influenzà significativamente e prestazioni di usura di l'utensile. A letteratura pertinente indica chì quandu a grana di a materia prima hè grande, a resistenza à l'usura aumenta gradualmente cù a diminuzione di a dimensione di u granu, ma quandu a dimensione di u granu hè assai chjuca, sta regula ùn hè micca applicabile.
Esperimenti cunnessi anu sceltu quattru polveri di diamanti cù dimensioni medie di particelle di 10um, 5um, 2um è 1um, è hè statu cunclusu chì: ① Cù a diminuzione di a dimensione di e particelle di a materia prima, u Co si diffonde più uniformemente; cù a diminuzione di ②, a resistenza à l'usura è a resistenza à u calore di u PCD diminuiscenu gradualmente.
(2) Scelta raghjonevule di a forma di a bocca di a lama è di u spessore di a lama
A forma di a bocca di a lama include principalmente quattru strutture: bordu inversu, cerchju smussatu, cerchju cumpostu di bordu smussatu inversu è angulu acutu. A struttura angulare acuta rende u bordu acutu, a velocità di taglio hè rapida, pò riduce significativamente a forza di taglio è a bava, migliurà a qualità di a superficia di u pruduttu, hè più adatta per leghe d'aluminiu à bassu siliciu è altre finiture di metalli non ferrosi à bassa durezza, uniforme. A struttura tonda ottusa pò passivà a bocca di a lama, furmendu un angulu R, impedisce efficacemente a rottura di a lama, adatta per a trasfurmazione di leghe d'aluminiu à bassu siliciu. In certi casi speciali, cum'è una prufundità di taglio bassa è una piccula alimentazione di cultelli, a struttura tonda smussata hè preferita. A struttura di u bordu inversu pò aumentà i bordi è l'anguli, stabilizà a lama, ma à u listessu tempu aumenterà a pressione è a resistenza à u taglio, più adatta per u tagliu di carichi pesanti di leghe d'aluminiu à altu siliciu.
Per facilità l'EDM, di solitu sceglite un stratu di foglia PDC finu (0,3-1,0 mm), più u stratu di carburo, u spessore tutale di l'utensile hè di circa 28 mm. U stratu di carburo ùn deve esse troppu grossu per evità a stratificazione causata da a differenza di stress trà e superfici di legame.
2, prucessu di fabricazione di strumenti PCD
U prucessu di fabricazione di l'utensile PCD determina direttamente e prestazioni di taglio è a durata di vita di l'utensile, chì hè a chjave per a so applicazione è u so sviluppu. U prucessu di fabricazione di l'utensile PCD hè mostratu in a Figura 5.
(1) Fabricazione di pasticche cumposite PCD (PDC)
① Prucessu di fabricazione di u PDC
U PDC hè generalmente cumpostu di polvere di diamante naturale o sinteticu è agente legante à alta temperatura (1000-2000 ℃) è alta pressione (5-10 atm). L'agente legante forma u ponte legante cù TiC, Sic, Fe, Co, Ni, ecc. cum'è cumpunenti principali, è u cristallu di diamante hè incrustatu in u scheletru di u ponte legante in forma di ligame covalente. U PDC hè generalmente trasfurmatu in dischi cù diametru è spessore fissi, è macinatu è lucidatu è altri trattamenti fisichi è chimichi currispondenti. In sostanza, a forma ideale di PDC deve mantene u più pussibule l'eccellenti caratteristiche fisiche di u diamante monocristallinu, dunque, l'additivi in u corpu di sinterizazione devenu esse u menu pussibule, à u listessu tempu, a cumminazione di ligami DD di particelle u più pussibule,
② Classificazione è selezzione di leganti
U legante hè u fattore u più impurtante chì affetta a stabilità termica di l'utensile PCD, chì affetta direttamente a so durezza, a resistenza à l'usura è a stabilità termica. I metudi cumuni di legame PCD sò: ferru, cobalt, nichel è altri metalli di transizione. A polvere mista di Co è W hè stata aduprata cum'è agente legante, è a prestazione cumpleta di u PCD di sinterizazione era megliu quandu a pressione di sintesi era di 5,5 GPa, a temperatura di sinterizazione era di 1450 ℃ è l'insulazione per 4 minuti. SiC, TiC, WC, TiB2 è altri materiali ceramici. SiC A stabilità termica di SiC hè megliu cà quella di Co, ma a durezza è a tenacità à a frattura sò relativamente basse. Una riduzione adatta di a dimensione di a materia prima pò migliurà a durezza è a tenacità di PCD. Nisun adesivo, cù grafite o altre fonti di carbone in a temperatura ultra-alta è alta pressione brusgiate in un diamante polimeru nanoscala (NPD). L'usu di grafite cum'è precursore per preparà NPD hè a cundizione più esigente, ma l'NPD sinteticu hà a più alta durezza è e migliori proprietà meccaniche.
Selezzione è cuntrollu di i grani ③
A materia prima di a polvere di diamante hè un fattore chjave chì affetta a prestazione di u PCD. U pretrattamentu di a micropolvera di diamante, l'aghjuntu di una piccula quantità di sustanze chì impediscenu a crescita anormale di e particelle di diamante è una selezzione raghjonevule di additivi di sinterizazione ponu inibisce a crescita di e particelle di diamante anormali.
Un NPD d'alta purezza cù una struttura uniforme pò eliminà efficacemente l'anisotropia è migliurà ulteriormente e proprietà meccaniche. A polvere precursore di nanografite preparata da u metudu di macinazione à palle d'alta energia hè stata aduprata per regulà u cuntenutu d'ossigenu à a pre-sinterizazione à alta temperatura, trasfurmendu a grafite in diamante sottu à 18 GPa è 2100-2300 ℃, generendu NPD lamellare è granulare, è a durezza hè aumentata cù a diminuzione di u spessore di a lamella.
④ Trattamentu chimicu tardu
À a listessa temperatura (200 °℃) è tempu (20 ore), l'effettu di rimuzione di u cobaltu di l'acidu Lewis-FeCl3 era significativamente megliu cà quellu di l'acqua, è u rapportu ottimale di HCl era 10-15 g / 100 ml. A stabilità termica di u PCD migliora cù l'aumentu di a prufundità di rimuzione di u cobaltu. Per u PCD di crescita à grana grossa, u trattamentu cù acidu forte pò rimuovere cumpletamente u Co, ma hà una grande influenza nantu à e prestazioni di u polimeru; aghjunghjendu TiC è WC per cambià a struttura policristallina sintetica è cumbinendu cù u trattamentu cù acidu forte per migliurà a stabilità di u PCD. Attualmente, u prucessu di preparazione di i materiali PCD hè in migliurazione, a tenacità di u pruduttu hè bona, l'anisotropia hè stata assai migliurata, hà realizatu a pruduzzione cummerciale, l'industrie cunnesse si stanu sviluppendu rapidamente.
(2) Trasfurmazione di a lama PCD
① prucessu di tagliu
U PCD hà una durezza elevata, una bona resistenza à l'usura è un prucessu di taglio assai difficiule.
② prucedura di saldatura
PDC è u corpu di u cultellu per mezu di serraggio meccanicu, incollaggio è brasatura. A brasatura consiste à pressà u PDC nantu à a matrice di carburo, cumprese a brasatura à vuoto, a saldatura à diffusione à vuoto, a brasatura à riscaldamentu per induzione à alta frequenza, a saldatura laser, ecc. A brasatura à riscaldamentu per induzione à alta frequenza hà un costu bassu è un rendimentu elevatu, è hè stata largamente aduprata. A qualità di a saldatura hè ligata à u flussu, a lega di saldatura è a temperatura di saldatura. A temperatura di saldatura (generalmente inferiore à 700 ° ℃) hà u più grande impattu, se a temperatura hè troppu alta, hè faciule causà a grafitizazione di u PCD, o ancu "sovracombustione", chì affetta direttamente l'effettu di saldatura, è una temperatura troppu bassa porterà à una forza di saldatura insufficiente. A temperatura di saldatura pò esse cuntrullata da u tempu d'isolamentu è da a prufundità di u rossore di u PCD.
③ prucessu di macinazione di lame
U prucessu di rettifica di l'utensili PCD hè a chjave di u prucessu di fabricazione. In generale, u valore di piccu di a lama è di a lama hè in menu di 5 um, è u raghju di l'arcu hè in menu di 4 um; a superficia di taglio anteriore è posteriore assicura una certa finitura superficiale, è ancu riduce a superficia di taglio anteriore Ra à 0,01 μm per risponde à i requisiti di specchiu, fà chì i trucioli scorrinu longu a superficia anteriore di u cultellu è impediscenu chì u cultellu si attacchi.
U prucessu di mola di lame include a mola meccanica di lame per mola diamantata, a mola elettrica à scintilla (EDG), a mola di finitura elettrolitica in linea per mola abrasiva superdura à legante metallicu (ELID), a macchina di mola di lame cumposte. Trà elle, a mola meccanica di lame per mola diamantata hè a più matura, a più aduprata.
Esperimenti cunnessi: ① a mola à particelle grosse porterà à un colapsu seriu di a lama, è a dimensione di e particelle di a mola diminuisce, è a qualità di a lama diventa megliu; a dimensione di e particelle di ② a mola hè strettamente ligata à a qualità di a lama di l'utensili PCD à particelle fini o ultrafini, ma hà un effettu limitatu nantu à l'utensili PCD à particelle grosse.
A ricerca cunnessa in casa è à l'esteru si cuncentra principalmente nantu à u mecanismu è u prucessu di mola di lame. In u mecanismu di mola di lame, a rimozione termochimica è a rimozione meccanica sò dominanti, è a rimozione fragile è a rimozione di fatica sò relativamente chjuche. Quandu si mola, secondu a forza è a resistenza à u calore di e diverse mole abrasive di diamanti cù agente legante, migliurà a velocità è a frequenza di oscillazione di a mola u più pussibule, evità a rimozione di fragilità è fatica, migliurà a proporzione di rimozione termochimica è riduce a rugosità superficiale. A rugosità superficiale di a mola a secco hè bassa, ma facilmente brusgia a superficia di l'utensile per via di l'alta temperatura di trasfurmazione,
U prucessu di mola di a lama deve fà attenzione à: ① sceglie parametri ragionevuli di u prucessu di mola di a lama, pò fà chì a qualità di a bocca di u tagliu sia megliu, a finitura di a superficia di a lama anteriore è posteriore sia megliu. Tuttavia, cunsiderate ancu una forza di mola elevata, una grande perdita, una bassa efficienza di mola, un costu elevatu; ② sceglie una qualità ragionevule di a mola, cumprese u tipu di legante, a dimensione di e particelle, a cuncentrazione, u legante, a ravvivatura di a mola, cù cundizioni ragionevuli di mola di a lama à seccu è à umitu, pò ottimizà l'angulu anteriore è posteriore di l'utensile, u valore di passivazione di a punta di u cuteddu è altri parametri, mentre migliurà a qualità di a superficia di l'utensile.
Diverse mole abrasive diamantate cù legante anu diverse caratteristiche, è diversi meccanismi è effetti di macinazione. A mola abrasiva diamantata cù legante in resina hè dolce, e particelle di macinazione sò facili à cascà prematuramente, ùn hà micca resistenza à u calore, a superficia hè facilmente deformata da u calore, a superficia di macinazione di a lama hè propensa à segni di usura, grande rugosità; a mola abrasiva diamantata cù legante metallicu hè mantenuta affilata da a macinazione è a frantumazione, bona furmabilità, superficia, bassa rugosità superficiale di a lama abrasiva, maggiore efficienza, tuttavia, a capacità di legame di e particelle di macinazione rende l'autoaffilatura scarsa, è u tagliente hè faciule da lascià un spaziu d'impattu, causendu gravi danni marginali; a mola abrasiva diamantata cù legante ceramicu hà una forza moderata, bone prestazioni di autoeccitazione, più pori interni, favurevule per a rimozione di a polvere è a dissipazione di u calore, pò adattassi à una varietà di refrigeranti, a bassa temperatura di macinazione, a mola hè menu usurata, bona ritenzione di a forma, a precisione di a più alta efficienza, tuttavia, u corpu di a macinazione di diamanti è di u legante porta à a furmazione di pozzi nantu à a superficia di l'utensile. Aduprà secondu i materiali di trasfurmazione, l'efficienza di macinazione cumpleta, a durabilità abrasiva è a qualità di a superficia di u pezzu.
A ricerca nantu à l'efficienza di a macinazione si cuncentra principalmente nantu à u miglioramentu di a produttività è u cuntrollu di i costi. In generale, a velocità di macinazione Q (rimozione di PCD per unità di tempu) è u rapportu di usura G (rapportu trà a rimozione di PCD è a perdita di a mola) sò aduprati cum'è criteri di valutazione.
U studiosu tedescu KENTER hà pruvatu à fà una prova di rettifica di l'utensile PCD cù una pressione custante: ① aumenta a velocità di a mola, a dimensione di e particelle PDC è a cuncentrazione di u refrigerante, a velocità di rettifica è u rapportu di usura sò ridotti; ② aumenta a dimensione di e particelle di rettifica, aumenta a pressione custante, aumenta a cuncentrazione di diamanti in a mola, a velocità di rettifica è u rapportu di usura aumentanu; ③ u tipu di legante hè diversu, a velocità di rettifica è u rapportu di usura sò diversi. KENTER U prucessu di rettifica di a lama di l'utensile PCD hè statu studiatu sistematicamente, ma l'influenza di u prucessu di rettifica di a lama ùn hè stata analizata sistematicamente.

3. Usu è fallimentu di l'utensili di taglio PCD
(1) Selezzione di i parametri di taglio di l'utensili
Durante u periodu iniziale di l'utensile PCD, a bocca di u tagliu affilatu s'hè gradualmente passivata, è a qualità di a superficia di machinazione hè diventata megliu. A passivazione pò eliminà efficacemente i micro spazii è e piccule bave purtate da a rettifica di a lama, migliurà a qualità di a superficia di u tagliente, è à u listessu tempu, furmà un raghju di tagliu circulare per stringhje è riparà a superficia trattata, migliurendu cusì a qualità di a superficia di u pezzu.
Fresatura di superfici di utensili PCD in lega d'aluminiu, a velocità di taglio hè generalmente di 4000 m/min, a trasfurmazione di i fori hè generalmente di 800 m/min, a trasfurmazione di metalli non ferrosi altamente elastici-plastici deve piglià una velocità di tornitura più alta (300-1000 m/min). U vulume di alimentazione hè generalmente cunsigliatu trà 0,08-0,15 mm/r. Un vulume di alimentazione troppu grande, una forza di taglio aumentata, una area geometrica residua aumentata di a superficia di u pezzu; un vulume di alimentazione troppu chjucu, un calore di taglio aumentatu è una usura aumentata. A prufundità di taglio aumenta, a forza di taglio aumenta, u calore di taglio aumenta, a vita diminuisce, una prufundità di taglio eccessiva pò facilmente causà u collassu di a lama; una piccula prufundità di taglio porterà à l'indurimentu di a machinazione, à l'usura è ancu à u collassu di a lama.
(2) Forma di usura
Durante a trasfurmazione di l'utensili, l'usura hè inevitabile per via di l'attritu, di l'alta temperatura è di altre ragioni. L'usura di l'utensile di diamanti si compone di trè fasi: a fase iniziale di usura rapida (cunnisciuta ancu cum'è fase di transizione), a fase di usura stabile cù un ritmu di usura costante è a successiva fase di usura rapida. A fase di usura rapida indica chì l'utensile ùn funziona micca è richiede una riaffilatura. E forme di usura di l'utensili di taglio includenu l'usura adesiva (usura di saldatura à fretu), l'usura per diffusione, l'usura abrasiva, l'usura per ossidazione, ecc.
À u cuntrariu di l'arnesi tradiziunali, a forma di usura di l'arnesi PCD hè l'usura adesiva, l'usura per diffusione è u dannu di u stratu policristallinu. Frà elli, u dannu di u stratu policristallinu hè a ragione principale, chì si manifesta cum'è u suttile collassu di a lama causatu da un impattu esternu o a perdita di adesivo in PDC, furmendu un spaziu, chì appartene à u dannu meccanicu fisicu, chì pò purtà à a riduzione di a precisione di trasfurmazione è à u scartu di i pezzi di travagliu. A dimensione di e particelle PCD, a forma di a lama, l'angulu di a lama, u materiale di u pezzu di travagliu è i parametri di trasfurmazione influenzeranu a forza di a lama è a forza di taglio, è dopu causeranu u dannu di u stratu policristallinu. In a pratica ingegneristica, a dimensione di e particelle di materia prima, i parametri di l'arnesi è i parametri di trasfurmazione adatti devenu esse scelti secondu e cundizioni di trasfurmazione.

4. Tendenza di sviluppu di l'utensili di taglio PCD
Attualmente, a gamma d'applicazione di l'utensili PCD hè stata allargata da a tornitura tradiziunale à a perforazione, a fresatura, u tagliu à alta velocità, è hè stata largamente aduprata in casa è à l'esteru. U rapidu sviluppu di i veiculi elettrichi ùn hà micca solu purtatu un impattu à l'industria automobilistica tradiziunale, ma hà ancu purtatu sfide senza precedenti à l'industria di l'utensili, incitendu l'industria di l'utensili à accelerà l'ottimisazione è l'innuvazione.
L'ampia applicazione di l'utensili di taglio PCD hà approfondutu è prumuvutu a ricerca è u sviluppu di utensili di taglio. Cù l'approfondimentu di a ricerca, e specificazioni PDC diventanu sempre più chjuche, l'ottimizazione di a qualità di raffinazione di u granu, l'uniformità di e prestazioni, a velocità di macinazione è u rapportu di usura sò sempre più alti, a diversificazione di a forma è di a struttura. E direzzione di ricerca di l'utensili PCD includenu: ① ricerca è sviluppu di un stratu sottile di PCD; ② ricerca è sviluppu di novi materiali per utensili PCD; ③ ricerca per saldà megliu l'utensili PCD è riduce ulteriormente i costi; ④ a ricerca migliora u prucessu di macinazione di e lame di l'utensili PCD per migliurà l'efficienza; ⑤ a ricerca ottimizza i parametri di l'utensili PCD è usa l'utensili secondu e cundizioni lucali; ⑥ a ricerca selezziuna razionalmente i parametri di taglio secondu i materiali trasfurmati.
breve riassuntu
(1) A prestazione di taglio di l'utensili PCD, cumpensa a scarsità di parechji strumenti di carburo; à u listessu tempu, u prezzu hè assai più bassu chè l'utensile di diamante monocristallinu, in u taglio mudernu, hè un strumentu promettente;
(2) Sicondu u tipu è e prestazioni di i materiali trasfurmati, una selezzione raghjonevule di a dimensione di e particelle è di i parametri di l'arnesi PCD, chì hè a premessa di a fabricazione è di l'usu di l'arnesi,
(3) U materiale PCD hà una durezza elevata, chì hè u materiale ideale per taglià i cultelli, ma porta ancu difficultà per a fabricazione di strumenti di taglio. Quandu si fabrica, cunsiderà cumpletamente a difficultà di u prucessu è i bisogni di trasfurmazione, per ottene u megliu rendimentu di costu;
(4) I materiali di trasfurmazione PCD in u dipartimentu di cultelli, duvemu selezziunà ragiunevolmente i parametri di taglio, in basa à a suddisfazione di e prestazioni di u produttu, in quantu pussibule per allargà a vita di serviziu di l'utensile per ottene l'equilibriu trà a vita di l'utensile, l'efficienza di a pruduzzione è a qualità di u produttu;
(5) Ricerca è sviluppu di novi materiali di strumenti PCD per superà i so svantaghji inerenti
Questu articulu hè statu pigliatu da "rete di materiali superduri"