Інструмент PCD виготовлений з полікристалічного алмазного ножового наконечника та карбідної матриці шляхом спікання за високої температури та високого тиску. Він не тільки повністю реалізує переваги високої твердості, високої теплопровідності, низького коефіцієнта тертя, низького коефіцієнта теплового розширення, малої спорідненості з металом та неметалом, високого модуля пружності, відсутності поверхні сколу, ізотропності, але й враховує високу міцність твердого сплаву.
Термічна стабільність, ударна в'язкість та зносостійкість є основними показниками ефективності PCD. Оскільки він здебільшого використовується в умовах високих температур та напружень, термічна стабільність є найважливішим фактором. Дослідження показує, що термічна стабільність PCD має великий вплив на його зносостійкість та ударну в'язкість. Дані показують, що коли температура перевищує 750℃, зносостійкість та ударна в'язкість PCD зазвичай знижуються на 5%-10%.
Кристалічний стан PCD визначає його властивості. У мікроструктурі атоми вуглецю утворюють ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами, набуваючи тетраедричної структури, а потім формують атомний кристал, який має сильну орієнтацію та зв'язуючу силу, а також високу твердість. Основні показники ефективності PCD такі: ① твердість може досягати 8000 HV, що в 8-12 разів більше, ніж у карбіду; ② теплопровідність становить 700 Вт/мК, що в 1,5-9 разів вище, ніж у PCBN та міді; ③ коефіцієнт тертя зазвичай становить лише 0,1-0,3, що значно менше, ніж 0,4-1 у карбіду, що значно знижує силу різання; ④ коефіцієнт теплового розширення становить лише 0,9x10⁻⁶ - 1,18x10⁻⁶,1/5 для карбіду, що може зменшити теплову деформацію та підвищити точність обробки; ⑤ неметалеві матеріали мають меншу схильність до утворення вузликів.
Кубічний нітрид бору має сильну стійкість до окислення та може обробляти залізовмісні матеріали, але твердість нижча, ніж у монокристалічного алмазу, швидкість обробки повільна, а ефективність низька. Монокристалічний алмаз має високу твердість, але в'язкість недостатня. Анізотропія сприяє легкій дисоціації вздовж поверхні (111) під впливом зовнішньої сили, що обмежує ефективність обробки. PCD - це полімер, синтезований з мікронних алмазних частинок певним чином. Хаотичний характер невпорядкованого накопичення частинок призводить до його макроскопічної ізотропної природи, і немає спрямованої та сколючої поверхні в міцності на розрив. Порівняно з монокристалічним алмазом, межа зерен PCD ефективно зменшує анізотропію та оптимізує механічні властивості.
1. Принципи проектування різальних інструментів PCD
(1) Розумний вибір розміру частинок PCD
Теоретично, PCD має намагатися подрібнити зерна, а розподіл добавок між виробами має бути максимально рівномірним, щоб подолати анізотропію. Вибір розміру частинок PCD також пов'язаний з умовами обробки. Загалом, PCD з високою міцністю, хорошою в'язкістю, хорошою ударною стійкістю та дрібним зерном може бути використаний для чистової або суперфінішної обробки, а PCD з крупним зерном може бути використаний для загальної чорнової обробки. Розмір частинок PCD може суттєво впливати на зносостійкість інструменту. У відповідній літературі зазначається, що коли зерно сировини велике, зносостійкість поступово зростає зі зменшенням розміру зерна, але коли розмір зерна дуже малий, це правило не застосовується.
У відповідних експериментах було обрано чотири алмазні порошки із середніми розмірами частинок 10 мкм, 5 мкм, 2 мкм та 1 мкм, і було зроблено висновок, що: ① Зі зменшенням розміру частинок сировини Co дифундує більш рівномірно; зі зменшенням ② зносостійкість та термостійкість PCD поступово знижуються.
(2) Розумний вибір форми горловини лопаті та товщини лопаті
Форма отвору леза в основному включає чотири структури: перевернуте лезо, тупе коло, перевернуте коло з тупим колом та гострий кут. Гостра кутова структура робить край гострим, швидкість різання високою, може значно зменшити силу різання та задирки, покращити якість поверхні виробу, більше підходить для низькокремнієвих алюмінієвих сплавів та інших кольорових металів з низькою твердістю, рівномірна обробка. Тупа кругла структура може пасивувати отвору леза, утворюючи кут R, ефективно запобігаючи зламу леза, підходить для обробки середньо-/висококремнієвих алюмінієвих сплавів. У деяких особливих випадках, таких як невелика глибина різання та невелика подача ножа, перевага надається тупокруглій структурі. Структура з перевернутим краєм може збільшити краї та кути, стабілізувати лезо, але водночас збільшить тиск та опір різанню, більше підходить для різання висококремнієвих алюмінієвих сплавів під великим навантаженням.
Для полегшення електроерозійної обробки зазвичай вибирають тонкий шар листа PDC (0,3-1,0 мм) плюс шар карбіду, загальна товщина інструменту становить близько 28 мм. Шар карбіду не повинен бути занадто товстим, щоб уникнути розшарування, спричиненого різницею напружень між поверхнями, що склеюються.
2, процес виготовлення інструменту з полікристалічного деформування (PCD)
Процес виготовлення інструменту з полікристалічного деформування (PCD) безпосередньо визначає продуктивність різання та термін служби інструменту, що є ключем до його застосування та розробки. Процес виготовлення інструменту з PCD показано на рисунку 5.
(1) Виробництво композитних таблеток PCD (PDC)
① Процес виробництва PDC
PDC зазвичай складається з порошку натурального або синтетичного алмазу та зв'язуючого агента, що обробляється за високої температури (1000-2000℃) та високого тиску (5-10 атм). Зв'язуючий агент утворює зв'язуючий місток з TiC, Sic, Fe, Co, Ni тощо як основними компонентами, а кристал алмазу вбудований у скелет зв'язуючого містка у вигляді ковалентного зв'язку. PDC зазвичай виготовляється у вигляді дисків фіксованого діаметра та товщини, шліфується, полірується та піддається іншим відповідним фізичним та хімічним обробкам. По суті, ідеальна форма PDC повинна максимально зберігати відмінні фізичні характеристики монокристалічного алмазу, тому добавок у спіканому тілі має бути якомога менше, водночас забезпечуючи максимально можливу комбінацію зв'язків DD з частинками.
② Класифікація та вибір в'яжучих речовин
Зв'язувальна речовина є найважливішим фактором, що впливає на термостабільність інструменту PCD, що безпосередньо впливає на його твердість, зносостійкість та термостабільність. Поширеними методами склеювання PCD є: залізо, кобальт, нікель та інші перехідні метали. Як зв'язувальний агент використовувався змішаний порошок Co та W, а комплексна продуктивність спікання PCD була найкращою, коли тиск синтезу становив 5,5 ГПа, температура спікання становила 1450 ℃ та ізоляція тривала 4 хвилини. SiC, TiC, WC, TiB2 та інші керамічні матеріали. Термічна стабільність SiC краща, ніж у Co, але твердість та в'язкість руйнування відносно низькі. Відповідне зменшення розміру сировини може покращити твердість та в'язкість PCD. Без клею, графіт або інші джерела вуглецю випалюються при надвисоких температурах та високому тиску в нанорозмірний полімерний алмаз (NPD). Використання графіту як попередника для отримання NPD є найвимогливішими умовами, але синтетичний NPD має найвищу твердість та найкращі механічні властивості.
Вибір та контроль ③ зерен
Алмазний порошок – сировина, що впливає на продуктивність полікристалічного кристалічного різання (ПКД). Попередня обробка алмазного мікропорошку, додавання невеликої кількості речовин, що перешкоджають росту аномальних алмазних частинок, та розумний вибір спікаючих добавок можуть перешкоджати росту аномальних алмазних частинок.
Високочистий NPD з однорідною структурою може ефективно усунути анізотропію та додатково покращити механічні властивості. Порошок-попередник нанографіту, отриманий методом високоенергетичного кульового подрібнення, використовувався для регулювання вмісту кисню при високотемпературному попередньому спіканні, перетворюючи графіт на алмаз під тиском 18 ГПа та температурою 2100-2300 ℃, утворюючи ламельний та гранульований NPD, а твердість зростала зі зменшенням товщини ламелей.
④ Пізня хімічна обробка
За тієї ж температури (200 °℃) та часу (20 год) ефект видалення кобальту за допомогою кислоти Льюїса-FeCl3 був значно кращим, ніж за допомогою води, а оптимальне співвідношення HCl становило 10-15 г/100 мл. Термічна стабільність PCD покращується зі збільшенням глибини видалення кобальту. Для PCD з грубозернистим ростом обробка сильною кислотою може повністю видалити Co, але має великий вплив на характеристики полімеру; додавання TiC та WC для зміни структури синтетичного полікристалу та поєднання з обробкою сильною кислотою покращує стабільність PCD. Наразі процес отримання матеріалів PCD покращується, в'язкість продукту хороша, анізотропія значно покращилася, реалізовано комерційне виробництво, суміжні галузі промисловості швидко розвиваються.
(2) Обробка леза PCD
① процес різання
PCD має високу твердість, добру зносостійкість та складний процес різання.
② процедура зварювання
PDC та корпус ножа за допомогою механічного затискання, склеювання та паяння. Пайка полягає у пресуванні PDC на карбідну матрицю, включаючи вакуумну пайку, вакуумне дифузійне зварювання, високочастотну індукційну пайку, лазерне зварювання тощо. Високочастотна індукційна пайка має низьку вартість та високу рентабельність, тому широко використовується. Якість зварювання залежить від флюсу, зварювального сплаву та температури зварювання. Температура зварювання (зазвичай нижче 700 °℃) має найбільший вплив, занадто висока температура може спричинити графітизацію PCD або навіть "перегорання", що безпосередньо впливає на ефект зварювання, а занадто низька температура призведе до недостатньої міцності зварювання. Температуру зварювання можна контролювати часом ізоляції та глибиною почервоніння PCD.
③ процес шліфування леза
Процес шліфування інструменту PCD є ключовим у виробничому процесі. Як правило, пікове значення леза та самого леза знаходиться в межах 5 мкм, а радіус дуги — в межах 4 мкм; передня та задня ріжучі поверхні забезпечують належну якість обробки поверхні, а також зменшують передню ріжучу поверхню Ra до 0,01 мкм, щоб відповідати вимогам до дзеркального відбиття, забезпечуючи плавне відведення стружки вздовж передньої поверхні ножа та запобігаючи його заїданню.
Процес шліфування лез включає механічне шліфування алмазних шліфувальних кругів, шліфування лез електроіскрою (EDG), електролітичне шліфування лез надтвердим абразивним шліфувальним кругом з металевим зв'язуючим елементом онлайн (ELID), шліфування композитних лез. Серед них механічне шліфування лез алмазних шліфувальних кругів є найзрілішим та найширше використовуваним.
Пов'язані експерименти: ① використання грубозернистого шліфувального круга призведе до серйозного руйнування леза, а розмір частинок шліфувального круга зменшиться, а якість леза покращиться; розмір частинок ② шліфувального круга тісно пов'язаний з якістю леза дрібнозернистих або ультрадрібнозернистих інструментів для полікристалічного кристалізації (PCD), але має обмежений вплив на грубозернисті інструменти для PCD.
Відповідні дослідження в країні та за кордоном в основному зосереджені на механізмі та процесі шліфування лез. У механізмі шліфування лез домінують термохімічне та механічне видалення, а крихке видалення та видалення втоми є відносно незначними. Під час шліфування, залежно від міцності та термостійкості різних зв'язуючих алмазних шліфувальних кругів, слід максимально покращити швидкість та частоту коливання шліфувального круга, щоб уникнути крихкості та видалення втоми, покращити частку термохімічного видалення та зменшити шорсткість поверхні. Шорсткість поверхні сухого шліфування низька, але легко обпалює поверхню інструменту через високу температуру обробки.
Під час шліфування леза слід звернути увагу на: ① вибір розумних параметрів процесу шліфування леза може покращити якість різання кромки, а також покращити якість поверхні переднього та заднього леза. Однак також враховуйте високе зусилля шліфування, великі втрати, низьку ефективність шліфування та високу вартість; ② вибір розумної якості шліфувального круга, включаючи тип зв'язуючого матеріалу, розмір частинок, концентрацію зв'язуючого матеріалу, обробку шліфувального круга, з розумними умовами сухого та мокрого шліфування леза, що може оптимізувати передній та задній кути інструменту, значення пасивації кінчика ножа та інші параметри, одночасно покращуючи якість поверхні інструменту.
Різні алмазні шліфувальні круги зі зв'язуючими речовинами мають різні характеристики, механізм шліфування та ефект. Алмазні шліфувальні круги зі смоляним зв'язуючим речовиною м'які, шліфувальні частинки легко відпадають передчасно, не мають термостійкості, поверхня легко деформується під дією тепла, шліфувальна поверхня леза схильна до зносу, велика шорсткість; алмазні шліфувальні круги з металевим зв'язуючим речовиною залишаються гострими завдяки шліфуванню, подрібненню, мають добру формуваність та оброблюваність, низьку шорсткість поверхні леза при шліфуванні, вищу ефективність, проте зв'язувальна здатність шліфувальних частинок призводить до поганого самозаточування, а ріжуча кромка легко залишає ударний зазор, що призводить до серйозних пошкоджень по краях; алмазні шліфувальні круги з керамічним зв'язуючим речовиною мають помірну міцність, хороші характеристики самозбудження, більше внутрішніх пор, сприятливі для видалення пилу та розсіювання тепла, можуть адаптуватися до різних охолоджувальних рідин, низькі температури шліфування, менш зношуються, добре зберігають форму, мають найвищу точність та ефективність, проте, алмазні шліфувальні круги та зв'язувальні речовини призводять до утворення ямок на поверхні інструменту. Використання залежить від оброблюваних матеріалів, забезпечує повну ефективність шліфування, абразивну стійкість та якість поверхні заготовки.
Дослідження ефективності шліфування в основному зосереджені на підвищенні продуктивності та контролі витрат. Зазвичай як критерії оцінки використовуються швидкість шліфування Q (видалення PCD за одиницю часу) та коефіцієнт зносу G (співвідношення видалення PCD до втрат шліфувального круга).
Німецький вчений KENTER провів випробування шліфування інструменту з полікристалічного алмазу (PCD) за постійного тиску, згідно з яким: ① збільшується швидкість шліфувального круга, розмір частинок PDC та концентрація охолоджувальної рідини, зменшується швидкість шліфування та коефіцієнт зносу; ② збільшується розмір шліфувальних частинок, збільшується постійний тиск, збільшується концентрація алмазу в шліфувальному кругу, збільшується швидкість шліфування та коефіцієнт зносу; ③ тип сполучної речовини відрізняється, швидкість шліфування та коефіцієнт зносу відрізняються. KENTER Процес шліфування леза інструменту з полікристалічного алмазу вивчався систематично, але вплив процесу шліфування леза не аналізувався систематично.
3. Використання та вихід з ладу різальних інструментів PCD
(1) Вибір параметрів різання інструменту
Протягом початкового періоду використання інструменту з полікристалічним деформаційним шаром (PCD) гостра кромка поступово пасивувалася, що покращувало якість оброблюваної поверхні. Пасивація може ефективно видаляти мікрозазори та дрібні задирки, що утворюються внаслідок шліфування леза, покращувати якість поверхні ріжучої кромки та водночас формувати круглий радіус кромки для стискання та відновлення обробленої поверхні, тим самим покращуючи якість поверхні заготовки.
Фрезерування поверхні алюмінієвого сплаву за допомогою PCD-інструменту зазвичай становить 4000 м/хв, а обробка отворів – 800 м/хв. Обробка високоеластичних кольорових металів повинна потребувати вищої швидкості різання (300-1000 м/хв). Рекомендований об'єм подачі зазвичай становить від 0,08 до 0,15 мм/об. Занадто великий об'єм подачі збільшує силу різання та збільшує залишкову геометричну площу поверхні заготовки; занадто малий об'єм подачі призводить до збільшення нагрівання різання та збільшення зносу. Зі збільшенням глибини різання збільшується сила різання, збільшується нагрівання різання, зменшується термін служби. Надмірна глибина різання може легко призвести до руйнування леза; мала глибина різання призведе до загартування, зносу та навіть руйнування леза.
(2) Форма зносу
Під час обробки заготовки інструментом через тертя, високу температуру та інші причини знос неминучий. Знос алмазного інструменту складається з трьох стадій: початкової фази швидкого зносу (також відомої як перехідна фаза), фази стабільного зносу з постійною швидкістю зносу та наступної фази швидкого зносу. Фаза швидкого зносу вказує на те, що інструмент не працює та потребує перешліфування. До форм зносу ріжучого інструменту належать адгезійний знос (знос від холодного зварювання), дифузійний знос, абразивний знос, окислювальний знос тощо.
На відміну від традиційних інструментів, інструменти з полікристалічного кристалічного покриття (PCD) мають такі форми зносу, як адгезійне зношування, дифузійне зношування та пошкодження полікристалічного шару. Серед них основною причиною є пошкодження полікристалічного шару, що проявляється у вигляді ледь помітного руйнування леза, спричиненого зовнішнім впливом або втратою адгезиву в PDC, утворюючи зазор, що є фізико-механічним пошкодженням, що може призвести до зниження точності обробки та браку заготовок. Розмір частинок PCD, форма леза, кут леза, матеріал заготовки та параметри обробки впливають на міцність леза та силу різання, а отже, призводять до пошкодження полікристалічного шару. В інженерній практиці відповідний розмір частинок сировини, параметри інструменту та параметри обробки слід вибирати відповідно до умов обробки.
4. Тенденція розвитку різальних інструментів PCD
Наразі діапазон застосування інструментів PCD розширився від традиційного токарного різання до свердління, фрезерування, високошвидкісного різання та широко використовується в країні та за кордоном. Швидкий розвиток електромобілів не лише вплинув на традиційну автомобільну промисловість, але й створив безпрецедентні виклики для інструментальної промисловості, спонукаючи її до прискорення оптимізації та впровадження інновацій.
Широке застосування різальних інструментів з полікристалічним деформованим шаром (PCD) поглибило та сприяло дослідженням і розробкам різальних інструментів. З поглибленням досліджень характеристики PDC стають все меншими та меншими, оптимізується якість подрібнення зерна, однорідність продуктивності, швидкість шліфування та коефіцієнт зносу зростають, а форма та структура урізноманітнюються. Напрямки досліджень PCD-інструментів включають: 1. дослідження та розробку тонкого шару PCD; 2. дослідження та розробку нових матеріалів для PCD-інструментів; 3. дослідження для покращення зварювання PCD-інструментів та подальшого зниження вартості; 5. дослідження для покращення процесу шліфування лез PCD-інструментів для підвищення ефективності; 6. дослідження для оптимізації параметрів PCD-інструментів та використання інструментів відповідно до місцевих умов; 6. дослідження для раціонального вибору параметрів різання відповідно до оброблюваних матеріалів.
короткий виклад
(1) Ріжуча продуктивність інструменту з полікристалічного алмазного покриття компенсує дефіцит багатьох твердосплавних інструментів; водночас ціна значно нижча, ніж у монокристалічного алмазного інструменту, що є перспективним інструментом у сучасному різанні;
(2) Відповідно до типу та характеристик оброблюваних матеріалів, розумний вибір розміру частинок та параметрів інструментів PCD, що є передумовою виробництва та використання інструментів,
(3) Матеріал PCD має високу твердість, що є ідеальним матеріалом для різальних ножів, але це також створює труднощі для виробництва ріжучих інструментів. Під час виробництва необхідно всебічно враховувати складність процесу та потреби обробки, щоб досягти найкращої економічної ефективності;
(4) Для обробки матеріалів PCD у повіті ножів слід розумно вибирати параметри різання, виходячи з відповідності характеристикам продукту, щоб максимально продовжити термін служби інструменту та досягти балансу між терміном служби інструменту, ефективністю виробництва та якістю продукції;
(5) Дослідження та розробка нових матеріалів для інструментів з полікристалічного деформування (ПКД) для подолання їхніх властивих недоліків
Ця стаття взята з видання «мережа надтвердих матеріалів"
Час публікації: 25 березня 2025 р.
