PCD nástroj je vyroben z polykrystalického diamantového nožového hrotu a karbidové matrice slinováním za vysokých teplot a tlaku. Dokáže nejen plně využít výhod vysoké tvrdosti, vysoké tepelné vodivosti, nízkého koeficientu tření, nízkého koeficientu tepelné roztažnosti, malé afinity ke kovům i nekovům, vysokého modulu pružnosti, absence štěpného povrchu a izotropnosti, ale také zohlednit vysokou pevnost tvrdé slitiny.
Tepelná stabilita, rázová houževnatost a odolnost proti opotřebení jsou hlavními výkonnostními ukazateli PCD. Protože se používá převážně ve vysokoteplotním a namáhaném prostředí, je tepelná stabilita nejdůležitější. Studie ukazuje, že tepelná stabilita PCD má velký vliv na jeho odolnost proti opotřebení a rázovou houževnatost. Data ukazují, že když je teplota vyšší než 750 °C, odolnost proti opotřebení a rázová houževnatost PCD se obecně snižují o 5 % až 10 %.
Krystalový stav PCD určuje jeho vlastnosti. V mikrostruktuře atomy uhlíku tvoří kovalentní vazby se čtyřmi sousedními atomy, čímž získávají tetraedrickou strukturu a následně tvoří atomový krystal, který má silnou orientaci a vazebnou sílu a vysokou tvrdost. Hlavní výkonnostní ukazatele PCD jsou následující: 1. Tvrdost může dosáhnout 8000 HV, což je 8–12krát více než u karbidu; 2. Tepelná vodivost je 700 W/mK, 1,5–9krát vyšší než u PCBN a mědi; 3. Koeficient tření je obecně pouze 0,1–0,3, což je mnohem méně než 0,4–1 u karbidu, což výrazně snižuje řeznou sílu; 4. Koeficient tepelné roztažnosti je pouze 0,9x10⁻⁶ až 1,18x10⁻⁶,1/5 u karbidu, což může snížit tepelnou deformaci a zlepšit přesnost zpracování; 5. Nekovové materiály mají menší afinitu k tvorbě uzlíků.
Kubický nitrid boru má silnou odolnost proti oxidaci a může zpracovávat materiály obsahující železo, ale tvrdost je nižší než u monokrystalického diamantu, rychlost zpracování je pomalá a účinnost nízká. Monokrystalický diamant má vysokou tvrdost, ale houževnatost je nedostatečná. Anizotropie usnadňuje disociaci podél povrchu (111) pod vlivem vnější síly a účinnost zpracování je omezená. PCD je polymer syntetizovaný z mikronových diamantových částic určitým způsobem. Chaotická povaha neuspořádaného nahromadění částic vede k jeho makroskopické izotropní povaze a v tahu neexistuje směrový a štěpný povrch. Ve srovnání s monokrystalickým diamantem hranice zrn PCD účinně snižuje anizotropii a optimalizuje mechanické vlastnosti.
1. Principy konstrukce řezných nástrojů z PCD
(1) Rozumný výběr velikosti částic PCD
Teoreticky by se PCD mělo snažit zjemnit zrna a rozložení přísad mezi výrobky by mělo být co nejrovnoměrnější, aby se překonala anizotropie. Volba velikosti částic PCD také souvisí s podmínkami zpracování. Obecně lze PCD s vysokou pevností, dobrou houževnatostí, dobrou rázovou odolností a jemnou zrnitostí použít pro dokončování nebo superfinišování, zatímco PCD s hrubou zrnitostí lze použít pro obecné hrubování. Velikost částic PCD může významně ovlivnit odolnost nástroje proti opotřebení. Relevantní literatura uvádí, že pokud je zrno suroviny velké, odolnost proti opotřebení se postupně zvyšuje s klesající velikostí zrna, ale pokud je velikost zrna velmi malá, toto pravidlo neplatí.
V souvisejících experimentech byly vybrány čtyři diamantové prášky s průměrnou velikostí částic 10 μm, 5 μm, 2 μm a 1 μm a byl zjištěn závěr, že: ① S klesající velikostí částic suroviny se Co rovnoměrněji rozprostírá; s klesající velikostí ② se postupně snižuje odolnost PCD proti opotřebení a tepelná odolnost.
(2) Rozumná volba tvaru ústí čepele a tloušťky čepele
Tvar ústí čepele zahrnuje hlavně čtyři struktury: obrácenou hranu, tupý kruh, obrácenou hranu s tupým kruhem a ostrý úhel. Ostrá hranatá struktura činí hranu ostrou, řeznou rychlost je vysoká, může výrazně snížit řeznou sílu a otřepy, zlepšit kvalitu povrchu výrobku, je vhodnější pro hliníkové slitiny s nízkým obsahem křemíku a další nízkou tvrdost, rovnoměrné opracování neželezných kovů. Tupá kulatá struktura může pasivovat ústí čepele a vytvořit R-úhel, účinně zabraňuje zlomení čepele, je vhodná pro zpracování hliníkových slitin se středním/vysokým obsahem křemíku. V některých zvláštních případech, jako je malá hloubka řezu a malé podávání nože, je výhodnější tupá kulatá struktura. Obrácená hrana může zvětšit hrany a rohy, stabilizovat čepel, ale zároveň zvyšuje tlak a řezný odpor, je vhodnější pro řezání hliníkových slitin s vysokým obsahem křemíku při vysokém zatížení.
Pro usnadnění EDM se obvykle volí tenká vrstva PDC plechu (0,3–1,0 mm) plus vrstva karbidu, celková tloušťka nástroje je asi 28 mm. Vrstva karbidu by neměla být příliš silná, aby se zabránilo stratifikaci způsobené rozdílem napětí mezi spojovanými povrchy.
2, proces výroby PCD nástrojů
Výrobní proces PCD nástroje přímo určuje řezný výkon a životnost nástroje, což je klíčem k jeho použití a vývoji. Výrobní proces PCD nástroje je znázorněn na obrázku 5.
(1) Výroba kompozitních tablet PCD (PDC)
① Výrobní proces PDC
PDC se obvykle skládá z přírodního nebo syntetického diamantového prášku a pojiva při vysoké teplotě (1000–2000 °C) a vysokém tlaku (5–10 atm). Pojivo tvoří vazebný můstek s TiC, Sic, Fe, Co, Ni atd. jako hlavními složkami a diamantový krystal je v kostře vazebného můstku zabudován ve formě kovalentní vazby. PDC se obvykle vyrábí do disků s pevným průměrem a tloušťkou, které se brouší, leští a podrobuje dalším odpovídajícím fyzikálním a chemickým úpravám. V podstatě by si ideální forma PDC měla co nejvíce zachovat vynikající fyzikální vlastnosti monokrystalického diamantu, proto by mělo být co nejméně přísad ve slinovacím tělese a zároveň by měla být co největší kombinace vazeb DD částic.
② Klasifikace a výběr pojiv
Pojivo je nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím tepelnou stabilitu PCD nástroje, který přímo ovlivňuje jeho tvrdost, odolnost proti opotřebení a tepelnou stabilitu. Běžné metody spojování PCD jsou: železo, kobalt, nikl a další přechodné kovy. Jako pojivo byl použit směsný prášek Co a W a komplexní výkon slinování PCD byl nejlepší při syntetickém tlaku 5,5 GPa, teplotě slinování 1450 °C a izolaci po dobu 4 minut. SiC, TiC, WC, TiB2 a další keramické materiály. SiC Tepelná stabilita SiC je lepší než u Co, ale tvrdost a lomová houževnatost jsou relativně nízké. Vhodné zmenšení velikosti suroviny může zlepšit tvrdost a houževnatost PCD. Bez lepidla se grafit nebo jiné zdroje uhlíku vypalují při ultravysokých teplotách a vysokém tlaku do nanoměřítkového polymerního diamantu (NPD). Použití grafitu jako prekurzoru pro přípravu NPD představuje nejnáročnější podmínky, ale syntetický NPD má nejvyšší tvrdost a nejlepší mechanické vlastnosti.
Výběr a kontrola ③ zrn
Diamantový prášek jako surovina je klíčovým faktorem ovlivňujícím výkon PCD. Předúprava diamantového mikroprášku, přidání malého množství látek bránících abnormálnímu růstu diamantových částic a rozumný výběr slinovacích přísad mohou růst abnormálních diamantových částic zabránit.
Vysoce čistý NPD s jednotnou strukturou dokáže účinně eliminovat anizotropii a dále zlepšit mechanické vlastnosti. Prášek nanografitového prekurzoru připravený metodou vysokoenergetického mletí v kuličkách byl použit k regulaci obsahu kyslíku při vysokoteplotním předspékání, čímž se grafit transformoval na diamant pod tlakem 18 GPa a teplotou 2100–2300 °C, čímž se vytvořila lamelová a granulární NPD a tvrdost se zvyšovala se zmenšující se tloušťkou lamely.
④ Pozdní chemické ošetření
Při stejné teplotě (200 °C) a čase (20 hodin) byl účinek odstraňování kobaltu pomocí Lewisovy kyseliny FeCl3 výrazně lepší než u vody a optimální poměr HCl byl 10-15 g / 100 ml. Tepelná stabilita PCD se zlepšuje s rostoucí hloubkou odstranění kobaltu. U hrubozrnného PCD může silná kyselina zcela odstranit Co, ale má velký vliv na vlastnosti polymeru; přidání TiC a WC ke změně syntetické polykrystalické struktury a kombinace se silnou kyselinou ke zlepšení stability PCD. V současné době se proces přípravy PCD materiálů zlepšuje, houževnatost produktu je dobrá, anizotropie se výrazně zlepšila, byla realizována komerční výroba a související odvětví se rychle rozvíjejí.
(2) Zpracování čepele z PCD
① proces řezání
PCD má vysokou tvrdost, dobrou odolnost proti opotřebení a velmi obtížný řezný proces.
② postup svařování
PDC a tělo nože se spojí mechanickým upnutím, lepením a pájením. Pájení spočívá v přitlačení PDC na karbidovou matrici, včetně vakuového pájení, vakuového difuzního svařování, vysokofrekvenčního indukčního pájení, laserového svařování atd. Vysokofrekvenční indukční pájení má nízké náklady a vysokou návratnost a je široce používáno. Kvalita svařování závisí na tavidle, svařovací slitině a teplotě svařování. Největší vliv má teplota svařování (obecně nižší než 700 °C). Příliš vysoká teplota snadno způsobí grafitizaci PCD nebo dokonce "přepálení", což přímo ovlivňuje svařovací účinek. Příliš nízká teplota povede k nedostatečné pevnosti svařování. Teplotu svařování lze regulovat dobou izolace a hloubkou zčervenání PCD.
③ proces broušení čepele
Broušení nástrojů PCD je klíčem k výrobnímu procesu. Obecně platí, že maximální hodnota ostří a ostří je do 5 μm a poloměr oblouku je do 4 μm; přední a zadní řezná plocha zajišťují jistou kvalitu povrchu a dokonce snižují přední řeznou plochu Ra na 0,01 μm, aby splňovaly požadavky na zrcadlový lesk, a umožňují tak plynulý tok třísek po přední ploše nože a zabraňují jeho zasekávání.
Procesy broušení kotoučů zahrnují mechanické broušení kotoučů diamantovými brusnými kotouči, broušení kotoučů elektrojiskrou (EDG), broušení kotoučů s kovovým pojivem a super tvrdým abrazivním kotoučem online elektrolytickou úpravou kotoučů (ELID) a broušení kompozitních kotoučů. Mezi nimi je mechanické broušení kotoučů diamantovými brusnými kotouči nejvyspělejší a nejrozšířenější.
Související experimenty: ① hrubozrnný brusný kotouč povede k vážnému zhroucení čepele, což snižuje velikost částic brusného kotouče a zlepšuje kvalitu čepele; velikost částic ② brusného kotouče úzce souvisí s kvalitou čepele jemnozrnných nebo ultrajemnozrnných PCD nástrojů, ale má omezený vliv na hrubozrnné PCD nástroje.
Související výzkum v tuzemsku i v zahraničí se zaměřuje především na mechanismus a proces broušení kotoučů. V mechanismu broušení kotoučů dominuje termochemické a mechanické odstraňování, zatímco křehké odstraňování a únavové odstraňování jsou relativně malé. Při broušení je třeba v závislosti na pevnosti a tepelné odolnosti diamantových brusných kotoučů s různými pojivy co nejvíce zlepšit rychlost a frekvenci kývání brusného kotouče, aby se zabránilo křehkosti a únavovému odstraňování, zlepšit podíl termochemického odstraňování a snížit drsnost povrchu. Drsnost povrchu při suchém broušení je nízká, ale v důsledku vysoké teploty zpracování se povrch nástroje snadno spálí.
Při broušení kotoučů je třeba dbát na tyto body: ① volba přiměřených parametrů procesu broušení kotoučů může zlepšit kvalitu ostří a povrchovou úpravu předního a zadního kotouče. Zvažte však také vysokou brusnou sílu, velké ztráty, nízkou účinnost broušení a vysoké náklady; ② volba přiměřené kvality brusného kotouče, včetně typu pojiva, velikosti částic, koncentrace pojiva a opracování brusného kotouče. Přiměřené podmínky pro suché a mokré broušení kotouče mohou optimalizovat přední a zadní roh nástroje, pasivaci špičky nože a další parametry a zároveň zlepšit kvalitu povrchu nástroje.
Různé pojivové diamantové brusné kotouče mají různé vlastnosti a různé mechanismy broušení a účinek. Diamantové brusné kotouče s pryskyřičným pojivem jsou měkké, brusné částice snadno předčasně odpadávají, nemají tepelnou odolnost, povrch se snadno deformuje teplem, brusný povrch kotouče je náchylný k opotřebení, má velkou drsnost; diamantové brusné kotouče s kovovým pojivem se udržují ostré díky broušení a drcení, mají dobrou tvárnost a obráběný povrch, nízkou drsnost povrchu brusného kotouče, vyšší účinnost, avšak schopnost pojiva brusných částic zhoršuje samoostření a břit snadno zanechává nárazovou mezeru, což způsobuje vážné poškození okrajů; diamantové brusné kotouče s keramickým pojivem mají střední pevnost, dobrý samobuzení, více vnitřních pórů, vhodné pro odstraňování prachu a odvod tepla, lze přizpůsobit různým chladicím kapalinám, nízké teploty broušení, brusný kotouč se méně opotřebovává, má dobrou tvarovou stálost a nejvyšší účinnost. Diamantové brusné kotouče a pojivo však vedou k tvorbě důlků na povrchu nástroje. Použití se řídí zpracovávanými materiály, komplexní účinností broušení, abrazivní trvanlivostí a kvalitou povrchu obrobku.
Výzkum účinnosti broušení se zaměřuje především na zlepšení produktivity a kontrolu nákladů. Jako hodnotící kritéria se obecně používají rychlost broušení Q (úběr PCD za jednotku času) a poměr opotřebení G (poměr úběru PCD ke ztrátám brusného kotouče).
Německý vědec KENTER brousil PCD nástroje s konstantním tlakem, test: 1. Zvyšuje se rychlost brusného kotouče, velikost částic PDC a koncentrace chladicí kapaliny, snižuje se rychlost broušení a poměr opotřebení; 2. Zvyšuje se velikost brusných částic, zvyšuje se konstantní tlak, zvyšuje se koncentrace diamantu v brusném kotouči, zvyšuje se rychlost broušení a poměr opotřebení; 3. Liší se typ pojiva, liší se rychlost broušení a poměr opotřebení. KENTER Proces broušení čepelí PCD nástroje byl systematicky studován, ale vliv procesu broušení čepelí nebyl systematicky analyzován.
3. Použití a selhání řezných nástrojů z PCD
(1) Výběr řezných parametrů nástroje
Během počátečního období používání PCD nástroje se ostrá hrana postupně pasitovala a kvalita obrobeného povrchu se zlepšila. Pasivace může účinně odstranit mikromezery a malé otřepy vzniklé broušením čepele, zlepšit kvalitu povrchu břitu a zároveň vytvořit kruhový poloměr břitu pro stlačení a opravu obrobeného povrchu, čímž se zlepší kvalita povrchu obrobku.
Frézování povrchu hliníkové slitiny pomocí PCD nástroje, řezná rychlost je obvykle 4000 m/min, obrábění otvorů je obvykle 800 m/min, obrábění vysoce elastických neželezných kovů by mělo vyžadovat vyšší rychlost otáčení (300-1000 m/min). Obecně se doporučuje objem posuvu mezi 0,08-0,15 mm/ot. Příliš velký objem posuvu vede ke zvýšení řezné síly, zvětšení zbytkové geometrické plochy povrchu obrobku; příliš malý objem posuvu vede ke zvýšení řezného tepla a zvýšenému opotřebení. Zvětšuje se hloubka řezu, zvyšuje se řezná síla, zvyšuje se řezné teplo, snižuje se životnost, nadměrná hloubka řezu může snadno způsobit zhroucení pilového listu; malá hloubka řezu vede k obrábění s kalením, opotřebení a dokonce i k zhroucení pilového listu.
(2) Způsob opotřebení
Při obrábění obrobku nástrojem je opotřebení v důsledku tření, vysoké teploty a dalších důvodů nevyhnutelné. Opotřebení diamantového nástroje se skládá ze tří fází: počáteční fáze rychlého opotřebení (známá také jako přechodová fáze), fáze stabilního opotřebení s konstantní rychlostí opotřebení a následná fáze rychlého opotřebení. Fáze rychlého opotřebení znamená, že nástroj nefunguje a je nutné jej přebrousit. Mezi formy opotřebení řezných nástrojů patří adhezní opotřebení (opotřebení svařováním za studena), difuzní opotřebení, abrazivní opotřebení, oxidační opotřebení atd.
Na rozdíl od tradičních nástrojů se u nástrojů z PCD vyskytuje adhezní opotřebení, difuzní opotřebení a poškození polykrystalické vrstvy. Hlavní příčinou opotřebení polykrystalické vrstvy je poškození, které se projevuje jemným zhroucením čepele v důsledku vnějšího nárazu nebo ztráty lepidla v PDC, čímž vzniká mezera. Toto poškození patří k fyzikálně-mechanickým problémům a může vést ke snížení přesnosti obrábění a vzniku zmetků obrobků. Velikost částic PCD, tvar čepele, úhel čepele, materiál obrobku a parametry obrábění ovlivňují pevnost čepele a řeznou sílu a následně způsobují poškození polykrystalické vrstvy. V inženýrské praxi by měla být vhodná velikost částic suroviny, parametry nástroje a parametry obrábění voleny podle podmínek obrábění.
4. Trend vývoje řezných nástrojů z PCD
V současné době se rozsah použití PCD nástrojů rozšířil z tradičního soustružení na vrtání, frézování a vysokorychlostní řezání a nachází široké uplatnění doma i v zahraničí. Rychlý rozvoj elektrických vozidel nejenže ovlivnil tradiční automobilový průmysl, ale také přinesl bezprecedentní výzvy pro nástrojařský průmysl a nutil jej k urychlení optimalizace a inovací.
Široké použití řezných nástrojů PCD prohloubilo a podpořilo výzkum a vývoj řezných nástrojů. S prohlubováním výzkumu se specifikace PDC zmenšují, optimalizuje se kvalita zjemnění zrna, zvyšuje se rovnoměrnost výkonu, zvyšuje se rychlost broušení a poměr opotřebení a diverzifikuje se tvar a struktura. Mezi směry výzkumu v oblasti nástrojů PCD patří: 1. výzkum a vývoj tenkých vrstev PCD; 2. výzkum a vývoj nových materiálů pro nástroje PCD; 3. výzkum zaměřený na lepší svařování nástrojů PCD a další snížení nákladů; 5. výzkum zaměřený na zlepšení procesu broušení čepelí nástrojů PCD za účelem zvýšení efektivity; 6. výzkum zaměřený na optimalizaci parametrů nástrojů PCD a použití nástrojů podle místních podmínek; 6. výzkum zaměřený na racionální výběr řezných parametrů podle zpracovávaných materiálů.
stručné shrnutí
(1) Řezný výkon nástroje z PCD, který kompenzuje nedostatek mnoha karbidových nástrojů; zároveň je cena mnohem nižší než u diamantových nástrojů z monokrystalů, v moderním řezání je to slibný nástroj;
(2) Podle typu a výkonu zpracovávaných materiálů je třeba zvolit rozumnou velikost částic a parametry nástrojů PCD, což je předpokladem pro výrobu a použití nástrojů.
(3) Materiál PCD má vysokou tvrdost, což je ideální materiál pro výrobu řezných nožů, ale zároveň s sebou nese obtíže při výrobě řezných nástrojů. Při výrobě je třeba komplexně zvážit náročnost procesu a požadavky na zpracování, aby se dosáhlo co nejlepších nákladů a výkonu;
(4) Při obrábění materiálů z PCD v okrese nožů bychom měli rozumně volit řezné parametry na základě splnění výkonu produktu, aby se co nejvíce prodloužila životnost nástroje a dosáhlo se rovnováhy mezi životností nástroje, efektivitou výroby a kvalitou produktu;
(5) Výzkum a vývoj nových materiálů pro nástroje z PCD s cílem překonat jejich inherentní nevýhody
Tento článek pochází z publikace „síť supertvrdých materiálů"
Čas zveřejnění: 25. března 2025
