Fabricación e aplicación de ferramentas de diamante policristalino

A ferramenta PCD está feita dunha punta de coitelo de diamante policristalino e unha matriz de carburo mediante sinterización a alta temperatura e alta presión. Non só pode aproveitar ao máximo as vantaxes da alta dureza, alta condutividade térmica, baixo coeficiente de fricción, baixo coeficiente de expansión térmica, pequena afinidade con metais e non metais, alto módulo elástico, sen superficie de fenda e isotrópico, senón que tamén ten en conta a alta resistencia da aliaxe dura.
A estabilidade térmica, a tenacidade ao impacto e a resistencia ao desgaste son os principais indicadores de rendemento do PCD. Debido a que se usa principalmente en ambientes de alta temperatura e alta tensión, a estabilidade térmica é o máis importante. O estudo demostra que a estabilidade térmica do PCD ten un grande impacto na súa resistencia ao desgaste e tenacidade ao impacto. Os datos mostran que cando a temperatura é superior a 750 ℃, a resistencia ao desgaste e a tenacidade ao impacto do PCD xeralmente diminúen entre un 5 % e un 10 %.
O estado cristalino do PCD determina as súas propiedades. Na microestrutura, os átomos de carbono forman enlaces covalentes con catro átomos adxacentes, obteñen a estrutura tetraédrica e logo forman o cristal atómico, que ten unha forte orientación e forza de unión e alta dureza. Os principais índices de rendemento do PCD son os seguintes: ① a dureza pode alcanzar os 8000 HV, de 8 a 12 veces a do carburo; ② a condutividade térmica é de 700 W/mK, de 1,5 a 9 veces, incluso maior que a do PCBN e o cobre; ③ o coeficiente de fricción é xeralmente só de 0,1 a 0,3, moito menor que o 0,4 a 1 do carburo, o que reduce significativamente a forza de corte; ④ o coeficiente de expansión térmica é só de 0,9x10-6-1,18x10-6,1/5 do carburo, o que pode reducir a deformación térmica e mellorar a precisión do procesamento; ⑤ e os materiais non metálicos teñen menos afinidade para formar nódulos.
O nitruro de boro cúbico ten unha forte resistencia á oxidación e pode procesar materiais que conteñen ferro, pero a dureza é menor que a do diamante monocristal, a velocidade de procesamento é lenta e a eficiencia é baixa. O diamante monocristal ten unha dureza elevada, pero a tenacidade é insuficiente. A anisotropía facilita a disociación ao longo da superficie (111) baixo o impacto dunha forza externa e a eficiencia de procesamento é limitada. O PCD é un polímero sintetizado por partículas de diamante de tamaño micrónico por certos medios. A natureza caótica da acumulación desordenada de partículas leva á súa natureza isotrópica macroscópica e non hai superficie direccional nin de clivaxe na resistencia á tracción. En comparación co diamante monocristal, o límite de gran do PCD reduce eficazmente a anisotropía e optimiza as propiedades mecánicas.
1. Principios de deseño de ferramentas de corte de PCD
(1) Selección razoable do tamaño das partículas de PCD
Teoricamente, o PCD debería tentar refinar os grans, e a distribución de aditivos entre os produtos debería ser o máis uniforme posible para superar a anisotropía. A elección do tamaño das partículas de PCD tamén está relacionada coas condicións de procesamento. En xeral, o PCD con alta resistencia, boa tenacidade, boa resistencia ao impacto e gran fino pódese usar para o acabado ou o superacabado, e o PCD de gran groso pódese usar para o mecanizado en bruto xeral. O tamaño das partículas de PCD pode afectar significativamente o rendemento ao desgaste da ferramenta. A literatura relevante sinala que cando o gran da materia prima é grande, a resistencia ao desgaste aumenta gradualmente coa diminución do tamaño do gran, pero cando o tamaño do gran é moi pequeno, esta regra non é aplicable.
Experimentos relacionados seleccionaron catro po de diamante con tamaños medios de partícula de 10 µm, 5 µm, 2 µm e 1 µm, e concluíuse que: ① Coa diminución do tamaño de partícula da materia prima, o Co difúndese máis uniformemente; coa diminución de ②, a resistencia ao desgaste e a resistencia á calor do PCD diminuíron gradualmente.
(2) Escolla razoable da forma da boca da lámina e do grosor da lámina
A forma da boca da lámina inclúe principalmente catro estruturas: bordo invertido, círculo romo, círculo romo composto de bordo invertido e ángulo afiado. A estrutura angular afiada fai que o bordo sexa afiado, a velocidade de corte é rápida, pode reducir significativamente a forza de corte e as rebabas, mellorar a calidade da superficie do produto, é máis axeitado para aliaxes de aluminio con baixo contido de silicio e outros metais non ferrosos de baixa dureza, acabado uniforme. A estrutura redonda obtusa pode pasivar a boca da lámina, formando un ángulo R, evitando eficazmente a rotura da lámina, axeitado para o procesamento de aliaxes de aluminio con baixo contido de silicio. Nalgúns casos especiais, como a profundidade de corte pouco profunda e a alimentación de coitelos pequena, prefírese a estrutura redonda roma. A estrutura do bordo invertido pode aumentar os bordos e as esquinas, estabilizar a lámina, pero ao mesmo tempo aumentará a presión e a resistencia ao corte, máis axeitado para o corte con cargas pesadas de aliaxes de aluminio con alto contido de silicio.
Para facilitar a electroerosión, adoita escollerse unha capa fina de lámina PDC (0,3-1,0 mm), máis a capa de carburo, o grosor total da ferramenta é duns 28 mm. A capa de carburo non debe ser demasiado grosa para evitar a estratificación causada pola diferenza de tensión entre as superficies de unión.
2, proceso de fabricación de ferramentas PCD
O proceso de fabricación da ferramenta PCD determina directamente o rendemento de corte e a vida útil da ferramenta, o que é a clave para a súa aplicación e desenvolvemento. O proceso de fabricación da ferramenta PCD móstrase na Figura 5.
(1) Fabricación de comprimidos compostos de PCD (PDC)
① Proceso de fabricación do PDC
O PDC xeralmente está composto de po de diamante natural ou sintético e axente aglutinante a alta temperatura (1000-2000 ℃) e alta presión (5-10 atm). O axente aglutinante forma a ponte de unión con TiC, Sic, Fe, Co, Ni, etc. como compoñentes principais, e o cristal de diamante está incrustado no esqueleto da ponte de unión en forma de enlace covalente. O PDC xeralmente faise en discos con diámetro e grosor fixos, e logo é tratado con esmerilado e pulido e outros tratamentos físicos e químicos correspondentes. En esencia, a forma ideal de PDC debería conservar as excelentes características físicas do diamante monocristalino tanto como sexa posible, polo que os aditivos no corpo de sinterización deberían ser o mínimo posible, ao mesmo tempo, a combinación de enlaces DD das partículas debería ser o máximo posible.
② Clasificación e selección de aglutinantes
O aglutinante é o factor máis importante que afecta á estabilidade térmica da ferramenta PCD, o que afecta directamente á súa dureza, resistencia ao desgaste e estabilidade térmica. Os métodos comúns de unión de PCD son: ferro, cobalto, níquel e outros metais de transición. Empregouse po mesturado de Co e W como axente aglutinante, e o rendemento integral do PCD de sinterización foi mellor cando a presión de síntese foi de 5,5 GPa, a temperatura de sinterización foi de 1450 ℃ e o illamento durante 4 minutos. SiC, TiC, WC, TiB2 e outros materiais cerámicos. SiC A estabilidade térmica do SiC é mellor que a do Co, pero a dureza e a tenacidade á fractura son relativamente baixas. Unha redución axeitada do tamaño da materia prima pode mellorar a dureza e a tenacidade do PCD. Sen adhesivo, con grafito ou outras fontes de carbono a temperatura ultra alta e alta presión queimadas nun diamante polimérico (NPD) a nanoescala. O uso de grafito como precursor para preparar NPD é a condición máis esixente, pero o NPD sintético ten a maior dureza e as mellores propiedades mecánicas.
Selección e control de grans ③
O po de diamante como materia prima é un factor clave que afecta o rendemento da PCD. O pretratamento do micropo de diamante, a adición dunha pequena cantidade de substancias que dificultan o crecemento anormal das partículas de diamante e unha selección razoable de aditivos de sinterización poden inhibir o crecemento de partículas de diamante anormais.
O NPD de alta pureza cunha estrutura uniforme pode eliminar eficazmente a anisotropía e mellorar aínda máis as propiedades mecánicas. O po precursor de nanografito preparado mediante o método de moenda de bólas de alta enerxía utilizouse para regular o contido de osíxeno na presentización a alta temperatura, transformando o grafito en diamante a 18 GPa e 2100-2300 ℃, xerando láminas e NPD granular, e a dureza aumentou coa diminución do grosor da lámina.
④ Tratamento químico tardío
Á mesma temperatura (200 °℃) e tempo (20 h), o efecto de eliminación de cobalto do ácido de Lewis-FeCl3 foi significativamente mellor que o da auga, e a proporción óptima de HCl foi de 10-15 g/100 ml. A estabilidade térmica do PCD mellora a medida que aumenta a profundidade de eliminación de cobalto. Para o PCD de crecemento de gran groso, o tratamento con ácido forte pode eliminar completamente o Co, pero ten unha grande influencia no rendemento do polímero; engadindo TiC e WC para cambiar a estrutura policristalina sintética e combinándoo cun tratamento con ácido forte para mellorar a estabilidade do PCD. Na actualidade, o proceso de preparación dos materiais de PCD está a mellorar, a tenacidade do produto é boa, a anisotropía mellorou moito, conseguiuse a produción comercial e as industrias relacionadas están a desenvolverse rapidamente.
(2) Procesamento da lámina PCD
① proceso de corte
O PCD ten alta dureza, boa resistencia ao desgaste e un proceso de corte moi difícil.
② procedemento de soldadura
PDC e o corpo da coitela mediante fixación mecánica, unión e soldadura. A soldadura consiste en presionar o PDC sobre a matriz de carburo, incluíndo a soldadura ao baleiro, a soldadura por difusión ao baleiro, a soldadura por quecemento por indución de alta frecuencia, a soldadura por láser, etc. A soldadura por quecemento por indución de alta frecuencia ten un baixo custo e unha alta rendibilidade, e foi amplamente utilizada. A calidade da soldadura está relacionada co fluxo, a aliaxe de soldadura e a temperatura de soldadura. A temperatura de soldadura (xeralmente inferior a 700 °℃) ten o maior impacto, unha temperatura demasiado alta pode provocar grafitización do PCD ou incluso "sobrequeimadura", o que afecta directamente o efecto de soldadura, e unha temperatura demasiado baixa levará a unha resistencia de soldadura insuficiente. A temperatura de soldadura pode controlarse mediante o tempo de illamento e a profundidade do avermellamento do PCD.
③ proceso de rectificado de láminas
O proceso de rectificado de ferramentas PCD é a clave do proceso de fabricación. Xeralmente, o valor máximo da lámina e da lámina está dentro dos 5 µm, e o raio do arco está dentro dos 4 µm; a superficie de corte dianteira e traseira garante un certo acabado superficial e mesmo reduce a superficie de corte dianteira Ra a 0,01 μm para cumprir os requisitos de espello, facendo que as virutas flúan ao longo da superficie dianteira da coitela e evitando que a coitela se pegue.
O proceso de rectificado de láminas inclúe a rectificación mecánica de láminas con láminas de rebarbado de diamante, a rectificación eléctrica de láminas de faísca (EDG), a rectificación electrolítica de láminas de acabado en liña con láminas abrasivas superduras con aglutinante metálico (ELID) e o mecanizado de rectificación de láminas compostas. Entre elas, a rectificación mecánica de láminas con láminas de rebarbado de diamante é a máis madura e a máis utilizada.
Experimentos relacionados: ① a rebarbadora de partículas grosas provocará un colapso grave da lámina, o tamaño das partículas da rebarbadora diminúe e a calidade da lámina mellora; o tamaño das partículas da ② rebarbadora está estreitamente relacionado coa calidade da lámina das ferramentas de PCD de partículas finas ou ultrafinas, pero ten un efecto limitado nas ferramentas de PCD de partículas grosas.
A investigación relacionada no país e no estranxeiro céntrase principalmente no mecanismo e proceso de rectificado de láminas. No mecanismo de rectificado de láminas, a eliminación termoquímica e a eliminación mecánica son as dominantes, e a eliminación de fraxilidade e a eliminación de fatiga son relativamente pequenas. Ao rectificar, segundo a forza e a resistencia á calor das diferentes rodas de rebarba de diamante con axente aglutinante, mellore a velocidade e a frecuencia de oscilación da roda de rebarba na medida do posible, evite a eliminación de fraxilidade e fatiga, mellore a proporción de eliminación termoquímica e reduza a rugosidade superficial. A rugosidade superficial da rectificación en seco é baixa, pero facilmente debido á alta temperatura de procesamento, queima a superficie da ferramenta,
No proceso de rectificado de láminas, débese prestar atención a: ① escoller parámetros razoables do proceso de rectificado de láminas, o que pode facer que a calidade da boca do filo sexa mellor e que o acabado superficial dianteiro e traseiro da lámina sexa mellor. Non obstante, tamén hai que ter en conta a alta forza de rectificado, as grandes perdas, a baixa eficiencia de rectificado e o alto custo; ② seleccionar unha calidade razoable da mola de rectificado, incluíndo o tipo de aglutinante, o tamaño das partículas, a concentración, o aglutinante e o revestimento da mola de rectificado. Con condicións razoables de rectificado de láminas en seco e en húmido, pode optimizar as esquinas dianteiras e traseiras da ferramenta, o valor de pasivación da punta da coitela e outros parámetros, ao mesmo tempo que mellora a calidade superficial da ferramenta.
As diferentes rodas de rebar de diamante con aglutinante teñen diferentes características, así como diferentes mecanismos e efectos de rebar. A roda de rebar de diamante con aglutinante de resina é branda, as partículas de rebar caen prematuramente facilmente, non ten resistencia á calor, a superficie defórmase facilmente pola calor, a superficie de rebar da lámina é propensa a marcas de desgaste, gran rugosidade; a roda de rebar de diamante con aglutinante de metal mantense afiada pola esmagamento da rebar, boa formabilidade, superficies, baixa rugosidade superficial da lámina de rebar, maior eficiencia, non obstante, a capacidade de unión das partículas de rebar fai que o autoafiado sexa deficiente e o filo de corte deixa facilmente un oco de impacto, o que causa graves danos marxinais; a roda de rebar de diamante con aglutinante cerámico ten unha resistencia moderada, bo rendemento de autoexcitación, máis poros internos, favorable para a eliminación de po e a disipación da calor, pode adaptarse a unha variedade de refrixerantes, baixa temperatura de rebar, a roda de rebar está menos desgastada, boa retención da forma, precisión da máis alta eficiencia, non obstante, o corpo de rebar de diamante e aglutinante leva á formación de pozos na superficie da ferramenta. Úsase segundo os materiais de procesamento, a eficiencia de rebar integral, a durabilidade abrasiva e a calidade da superficie da peza.
A investigación sobre a eficiencia da moenda céntrase principalmente na mellora da produtividade e no control dos custos. Xeralmente, a taxa de moenda Q (eliminación de PCD por unidade de tempo) e a taxa de desgaste G (relación entre a eliminación de PCD e a perda da mola) utilízanse como criterios de avaliación.
O erudito alemán KENTER probou unha ferramenta de PCD con presión constante: ① aumenta a velocidade da rebarbadora, o tamaño das partículas do PDC e a concentración do refrixerante, o que reduce a velocidade de rebarbado e a relación de desgaste; ② aumenta o tamaño das partículas de rebarbado, o que aumenta a presión constante, o que aumenta a concentración de diamante na rebarbadora, o que aumenta a velocidade de rebarbado e a relación de desgaste; ③ o tipo de aglutinante é diferente, o que difire a velocidade de rebarbado e a relación de desgaste. KENTER O proceso de rebarbado da lámina da ferramenta de PCD estudouse sistematicamente, pero a influencia do proceso de rebarbado da lámina non se analizou sistematicamente.

3. Uso e fallos das ferramentas de corte de PCD
(1) Selección dos parámetros de corte da ferramenta
Durante o período inicial da ferramenta PCD, a boca do filo afiado foi pasificando gradualmente e a calidade da superficie de mecanizado mellorou. A pasivación pode eliminar eficazmente as microescoitas e as pequenas rebabas provocadas polo afiado da lámina, mellorar a calidade da superficie do filo de corte e, ao mesmo tempo, formar un radio de filo circular para comprimir e reparar a superficie procesada, mellorando así a calidade da superficie da peza.
Fresado superficial de ferramentas PCD de aliaxe de aluminio, a velocidade de corte é xeralmente de 4000 m/min, o procesamento de buratos é xeralmente de 800 m/min, o procesamento de metais non ferrosos de alta elasticidade-plástico debe requirir unha velocidade de xiro máis alta (300-1000 m/min). O volume de alimentación recoméndase xeralmente entre 0,08-0,15 mm/r. Un volume de alimentación demasiado grande, aumento da forza de corte, aumento da área xeométrica residual da superficie da peza; un volume de alimentación demasiado pequeno, aumento da calor de corte e aumento do desgaste. A profundidade de corte aumenta, a forza de corte aumenta, a calor de corte aumenta, a vida útil diminúe, unha profundidade de corte excesiva pode causar facilmente o colapso da lámina; unha pequena profundidade de corte levará ao endurecemento do mecanizado, ao desgaste e mesmo ao colapso da lámina.
(2) Forma de desgaste
Ao procesar unha ferramenta, o desgaste é inevitable debido á fricción, ás altas temperaturas e a outras razóns. O desgaste da ferramenta de diamante consta de tres etapas: a fase inicial de desgaste rápido (tamén coñecida como fase de transición), a fase de desgaste estable cunha taxa de desgaste constante e a posterior fase de desgaste rápido. A fase de desgaste rápido indica que a ferramenta non funciona e require reafilado. As formas de desgaste das ferramentas de corte inclúen o desgaste adhesivo (desgaste por soldadura en frío), o desgaste por difusión, o desgaste abrasivo, o desgaste por oxidación, etc.
A diferenza das ferramentas tradicionais, a forma de desgaste das ferramentas de PCD é o desgaste por adhesivo, o desgaste por difusión e o dano na capa policristalina. Entre elas, o dano da capa policristalina é a razón principal, que se manifesta como o sutil colapso da lámina causado por impactos externos ou a perda de adhesivo no PDC, formando un oco, que pertence a danos físico-mecánicos, o que pode levar á redución da precisión do procesamento e ao refugallo das pezas de traballo. O tamaño das partículas de PCD, a forma da lámina, o ángulo da lámina, o material da peza de traballo e os parámetros de procesamento afectarán a resistencia da lámina e a forza de corte, e logo causarán o dano da capa policristalina. Na práctica da enxeñaría, o tamaño de partícula da materia prima, os parámetros da ferramenta e os parámetros de procesamento axeitados deben seleccionarse segundo as condicións de procesamento.

4. Tendencia de desenvolvemento das ferramentas de corte de PCD
Na actualidade, a gama de aplicacións das ferramentas de PCD ampliouse desde o torneado tradicional ata a perforación, o fresado e o corte de alta velocidade, e utilizouse amplamente tanto no país como no estranxeiro. O rápido desenvolvemento dos vehículos eléctricos non só tivo un impacto na industria automobilística tradicional, senón que tamén supuxo desafíos sen precedentes para a industria das ferramentas, o que as instou a acelerar a optimización e a innovación.
A ampla aplicación das ferramentas de corte de PCD afondou e promoveu a investigación e o desenvolvemento de ferramentas de corte. Coa profundización da investigación, as especificacións de PDC son cada vez máis pequenas, a optimización da calidade do refinamento do gran, a uniformidade do rendemento, a velocidade de moenda e a relación de desgaste son cada vez maiores, e a diversificación da forma e a estrutura. As direccións de investigación das ferramentas de PCD inclúen: ① investigar e desenvolver unha capa fina de PCD; ② investigar e desenvolver novos materiais para ferramentas de PCD; ③ investigar para mellorar a soldadura das ferramentas de PCD e reducir aínda máis os custos; ④ a investigación mellora o proceso de moenda das láminas das ferramentas de PCD para mellorar a eficiencia; ⑤ a investigación optimiza os parámetros das ferramentas de PCD e utiliza as ferramentas segundo as condicións locais; ⑥ a investigación selecciona racionalmente os parámetros de corte segundo os materiais procesados.
breve resumo
(1) O rendemento de corte das ferramentas de PCD compensa a escaseza de moitas ferramentas de carburo; ao mesmo tempo, o prezo é moito menor que o das ferramentas de diamante monocristalino, que no corte moderno son unha ferramenta prometedora;
(2) Segundo o tipo e o rendemento dos materiais procesados, unha selección razoable do tamaño das partículas e os parámetros das ferramentas de PCD, que é a premisa da fabricación e o uso das ferramentas,
(3) O material PCD ten unha alta dureza, o que o converte no material ideal para o corte de coitelos, pero tamén presenta dificultades para a fabricación de ferramentas de corte. Ao fabricar, débese ter en conta exhaustivamente a dificultade do proceso e as necesidades de procesamento para conseguir o mellor rendemento en termos de custos;
(4) Nos materiais de procesamento de PCD no condado de coitelos, debemos seleccionar razoablemente os parámetros de corte, en función do rendemento do produto, na medida do posible para prolongar a vida útil da ferramenta e lograr o equilibrio entre a vida útil da ferramenta, a eficiencia da produción e a calidade do produto;
(5) Investigar e desenvolver novos materiais de ferramentas de PCD para superar os seus inconvenientes inherentes
Este artigo provén de "rede de materiais superduros"