PCD-gereedschap is gemaakt van een polykristallijne diamanten mespunt en een hardmetalen matrix, die door middel van sinteren bij hoge temperatuur en hoge druk tot stand is gebracht. Het laat niet alleen de voordelen van hoge hardheid, hoge thermische geleidbaarheid, lage wrijvingscoëfficiënt, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, geringe affiniteit met metaal en niet-metaal, hoge elasticiteitsmodulus, geen splijtoppervlak en isotroop volledig tot hun recht komen, maar houdt ook rekening met de hoge sterkte van de harde legering.
Thermische stabiliteit, slagvastheid en slijtvastheid zijn de belangrijkste prestatie-indicatoren van PCD. Omdat het vooral wordt gebruikt in omgevingen met hoge temperaturen en hoge spanningen, is thermische stabiliteit het allerbelangrijkste. De studie toont aan dat de thermische stabiliteit van PCD een grote invloed heeft op de slijtvastheid en slagvastheid. De gegevens tonen aan dat bij temperaturen boven 750 °C de slijtvastheid en slagvastheid van PCD over het algemeen met 5% tot 10% afnemen.
De kristaltoestand van PCD bepaalt de eigenschappen ervan. In de microstructuur vormen koolstofatomen covalente bindingen met vier aangrenzende atomen, verkrijgen de tetraëdrische structuur en vormen vervolgens het atoomkristal, dat een sterke oriëntatie en bindingskracht en een hoge hardheid heeft. De belangrijkste prestatie-indexen van PCD zijn als volgt: 1. De hardheid kan 8000 HV bereiken, 8-12 keer die van hardmetaal; 2. De thermische geleidbaarheid is 700 W/mK, 1,5-9 keer, zelfs hoger dan die van PCBN en koper; 3. De wrijvingscoëfficiënt is over het algemeen slechts 0,1-0,3, veel lager dan 0,4-1 van hardmetaal, wat de snijkracht aanzienlijk vermindert; 4. De thermische uitzettingscoëfficiënt is slechts 0,9 x 10-6-1,18 x 10-6,1 / 5 van hardmetaal, wat thermische vervorming kan verminderen en de verwerkingsnauwkeurigheid kan verbeteren; 5. En niet-metalen materialen hebben minder affiniteit om nodules te vormen.
Kubisch boornitride heeft een sterke oxidatieweerstand en kan ijzerhoudende materialen verwerken, maar de hardheid is lager dan die van monokristallijn diamant, de verwerkingssnelheid is laag en de efficiëntie is laag. Monokristallijn diamant heeft een hoge hardheid, maar de taaiheid is onvoldoende. Anisotropie maakt dissociatie langs het (111) oppervlak onder invloed van externe krachten gemakkelijk, en de verwerkingsefficiëntie is beperkt. PCD is een polymeer dat op bepaalde manieren wordt gesynthetiseerd uit microngrote diamantdeeltjes. De chaotische aard van de ongeordende ophoping van deeltjes leidt tot zijn macroscopische isotrope aard, en er is geen richtings- en splijtoppervlak in de treksterkte. Vergeleken met monokristallijn diamant vermindert de korrelgrens van PCD effectief de anisotropie en optimaliseert het de mechanische eigenschappen.
1. Ontwerpprincipes van PCD-snijgereedschappen
(1) Redelijke selectie van PCD-deeltjesgrootte
Theoretisch gezien zou PCD de korrels moeten verfijnen en de verdeling van additieven tussen producten zo uniform mogelijk moeten zijn om de anisotropie te overwinnen. De keuze van de PCD-deeltjesgrootte hangt ook af van de verwerkingsomstandigheden. Over het algemeen kan PCD met een hoge sterkte, goede taaiheid, goede slagvastheid en fijne korrel worden gebruikt voor nabewerking of superfinishing, terwijl PCD met een grove korrel kan worden gebruikt voor algemene ruwbewerking. De PCD-deeltjesgrootte kan de slijtagebestendigheid van het gereedschap aanzienlijk beïnvloeden. Relevante literatuur wijst erop dat bij een grote korrelgrootte van het ruwe materiaal de slijtvastheid geleidelijk toeneemt met een afname van de korrelgrootte, maar bij een zeer kleine korrelgrootte is deze regel niet van toepassing.
In gerelateerde experimenten werden vier soorten diamantpoeder geselecteerd met gemiddelde deeltjesgroottes van 10 µm, 5 µm, 2 µm en 1 µm, en werd geconcludeerd dat: ① Met het afnemen van de deeltjesgrootte van de grondstof diffundeert Co gelijkmatiger; met het afnemen van ② namen de slijtvastheid en hittebestendigheid van PCD geleidelijk af.
(2) Redelijke keuze van de vorm van de bladmond en de bladdikte
De vorm van de bladmond omvat hoofdzakelijk vier structuren: omgekeerde rand, stompe cirkel, omgekeerde rand stompe cirkel composiet en scherpe hoek. De scherpe hoekige structuur maakt de rand scherp, de snijsnelheid is hoog, kan de snijkracht en braam aanzienlijk verminderen, de oppervlaktekwaliteit van het product verbeteren, is meer geschikt voor aluminiumlegeringen met een laag siliciumgehalte en andere afwerkingen met een lage hardheid en een uniforme non-ferrometaalafwerking. De stompe ronde structuur kan de bladmond passiveren, een R-hoek vormen, effectief voorkomen dat het blad breekt, geschikt voor het verwerken van aluminiumlegeringen met een gemiddeld / hoog siliciumgehalte. In sommige speciale gevallen, zoals een geringe snijdiepte en een kleine mesinvoer, heeft de stompe ronde structuur de voorkeur. De omgekeerde randstructuur kan de randen en hoeken vergroten, het blad stabiliseren, maar zal tegelijkertijd de druk en snijweerstand verhogen, meer geschikt voor het snijden van zware lasten in aluminiumlegeringen met een hoog siliciumgehalte.
Om EDM te vergemakkelijken, kiest u meestal een dunne PDC-plaatlaag (0,3-1,0 mm), plus de hardmetalen laag. De totale dikte van het gereedschap is dan ongeveer 28 mm. De hardmetalen laag mag niet te dik zijn om gelaagdheid te voorkomen, veroorzaakt door het spanningsverschil tussen de hechtvlakken.
2. PCD-gereedschapproductieproces
Het productieproces van PCD-gereedschap bepaalt direct de snijprestaties en levensduur van het gereedschap, wat cruciaal is voor de toepassing en ontwikkeling ervan. Het productieproces van het PCD-gereedschap wordt weergegeven in figuur 5.
(1) Productie van PCD-composiettabletten (PDC)
① Productieproces van de PDC
PDC bestaat doorgaans uit natuurlijk of synthetisch diamantpoeder en een bindmiddel, dat bij hoge temperaturen (1000-2000 °C) en hoge druk (5-10 atm) wordt toegepast. Het bindmiddel vormt de bindbrug met TiC, SIC, Fe, Co, Ni, enz. als hoofdcomponenten. Het diamantkristal wordt in het skelet van de bindbrug ingebed in de vorm van een covalente binding. PDC wordt doorgaans verwerkt tot schijven met een vaste diameter en dikte, en wordt geslepen en gepolijst, en er worden andere bijbehorende fysische en chemische behandelingen uitgevoerd. In essentie moet de ideale vorm van PDC de uitstekende fysische eigenschappen van monokristallijn diamant zoveel mogelijk behouden. Daarom moeten de additieven in het sinterlichaam zo gering mogelijk zijn en tegelijkertijd de deeltjes-DD-bindingscombinatie zo veel mogelijk behouden.
② Classificatie en selectie van bindmiddelen
Het bindmiddel is de belangrijkste factor die de thermische stabiliteit van het PCD-gereedschap beïnvloedt, wat direct van invloed is op de hardheid, slijtvastheid en thermische stabiliteit. Veelgebruikte PCD-verbindingsmethoden zijn: ijzer, kobalt, nikkel en andere overgangsmetalen. Gemengd poeder van Co en W werd gebruikt als bindmiddel en de algehele prestaties van het sinter-PCD waren het beste bij een synthesedruk van 5,5 GPa, een sintertemperatuur van 1450 °C en isolatie gedurende 4 minuten. SiC, TiC, WC, TiB2 en andere keramische materialen. SiC: De thermische stabiliteit van SiC is beter dan die van Co, maar de hardheid en breuktaaiheid zijn relatief laag. Een geschikte verkleining van de grondstof kan de hardheid en taaiheid van PCD verbeteren. Geen lijm, met grafiet of andere koolstofbronnen, bij ultrahoge temperatuur en hoge druk gebrand tot een nanoschaal polymeer diamant (NPD). Het gebruik van grafiet als precursor voor de bereiding van NPD is de meest veeleisende conditie, maar synthetische NPD heeft de hoogste hardheid en de beste mechanische eigenschappen.
Selectie en controle van ③ granen
De grondstof diamantpoeder is een belangrijke factor die de prestaties van PCD beïnvloedt. Het voorbehandelen van diamantmicropoeder, het toevoegen van een kleine hoeveelheid stoffen die de groei van abnormale diamantdeeltjes verhinderen en een zorgvuldige selectie van sinteradditieven kunnen de groei van abnormale diamantdeeltjes remmen.
Een hoge zuiverheid van NPD met een uniforme structuur kan anisotropie effectief elimineren en de mechanische eigenschappen verder verbeteren. Het nanografietprecursorpoeder, bereid met behulp van een hoogenergetische kogelmaalmethode, werd gebruikt om het zuurstofgehalte te reguleren bij voorsintering op hoge temperatuur. Dit resulteerde in de transformatie van grafiet tot diamant onder 18 GPa en 2100-2300 °C. Hierdoor ontstond lamellen- en granulaire NPD, en nam de hardheid toe naarmate de lamellendikte afnam.
④ Late chemische behandeling
Bij dezelfde temperatuur (200 °C) en tijd (20 uur) was het kobaltverwijderingseffect van Lewiszuur-FeCl3 aanzienlijk beter dan dat van water, en de optimale verhouding HCl was 10-15 g / 100 ml. De thermische stabiliteit van PCD verbetert naarmate de kobaltverwijderingsdiepte toeneemt. Voor grofkorrelig PCD kan een sterke zuurbehandeling Co volledig verwijderen, maar dit heeft een grote invloed op de polymeerprestaties; toevoeging van TiC en WC om de synthetische polykristalstructuur te veranderen en combinatie met een sterke zuurbehandeling om de stabiliteit van PCD te verbeteren. Momenteel wordt het bereidingsproces van PCD-materialen verbeterd, de producttaaiheid is goed, de anisotropie is sterk verbeterd en commerciële productie is gerealiseerd, en aanverwante industrieën ontwikkelen zich snel.
(2) Verwerking van het PCD-blad
① snijproces
PCD heeft een hoge hardheid, goede slijtvastheid en is bestand tegen een moeilijk snijproces.
② lasprocedure
PDC en het meslichaam door middel van mechanische klemming, verlijming en solderen. Solderen is het persen van PDC op de hardmetalen matrix, waaronder vacuümsolderen, vacuümdiffusielassen, hoogfrequent inductieverhittingsolderen, laserlassen, enz. Hoogfrequent inductieverhittingsolderen is goedkoop en heeft een hoog rendement en wordt veel gebruikt. De laskwaliteit is afhankelijk van de flux, de laslegering en de lastemperatuur. De lastemperatuur (over het algemeen lager dan 700 °C) heeft de grootste impact. Bij een te hoge temperatuur kan PCD-grafitisatie of zelfs "oververbranding" optreden, wat direct van invloed is op het laseffect. Een te lage temperatuur leidt tot onvoldoende lassterkte. De lastemperatuur kan worden geregeld door de isolatietijd en de diepte van de PCD-roodheid.
③ slijpproces van het blad
Het PCD-gereedschapslijpproces is de sleutel tot het productieproces. Over het algemeen ligt de piekwaarde van het lemmet en het lemmet binnen 5 µm en de boogradius binnen 4 µm; het voorste en achterste snijvlak zorgen voor een zekere oppervlakteafwerking en verlagen zelfs de Ra van het voorste snijvlak tot 0,01 µm om te voldoen aan de spiegelvereisten, de spaanders langs het voorste mesoppervlak te laten stromen en vastlopen van het mes te voorkomen.
Het slijpproces omvat het mechanisch slijpen van diamantschijven, het elektrisch vonkslijpen van schijven (EDG), het online elektrolytisch afwerken van schijven met een metaalbinder en een superhard abrasief slijpsysteem (ELID) en het bewerken van composietschijven. Het mechanisch slijpen van diamantschijven is het meest volwassen en meest gebruikte proces.
Verwante experimenten: ① het slijpwiel met grove deeltjes zal leiden tot een ernstige instorting van het blad, en de deeltjesgrootte van het slijpwiel neemt af, terwijl de kwaliteit van het blad beter wordt; de deeltjesgrootte van ② het slijpwiel is nauw verwant aan de bladkwaliteit van PCD-gereedschappen met fijne of ultrafijne deeltjes, maar heeft een beperkt effect op PCD-gereedschappen met grove deeltjes.
Gerelateerd onderzoek in binnen- en buitenland richt zich voornamelijk op het mechanisme en proces van het slijpen van messen. Bij het slijpen van messen zijn thermochemische en mechanische verwijdering de dominante factoren, terwijl de verwijdering van brosheid en vermoeiingsverlies relatief klein zijn. Verbeter bij het slijpen, afhankelijk van de sterkte en hittebestendigheid van verschillende bindmiddelen voor diamantslijpschijven, de snelheid en zwaaifrequentie van de slijpschijf zoveel mogelijk, voorkom brosheid en vermoeiingsverlies, verbeter het aandeel thermochemische verwijdering en verminder de oppervlakteruwheid. De oppervlakteruwheid bij droog slijpen is laag, maar kan door de hoge verwerkingstemperatuur gemakkelijk verbranden.
Bij het slijpen van messen moet u letten op: 1. Kies redelijke parameters voor het slijpen van messen. Dit kan de kwaliteit van de snijkant verbeteren en de oppervlakteafwerking van de voor- en achterkant van het mes verbeteren. Houd echter ook rekening met een hoge slijpkracht, groot verlies, een lage slijpefficiëntie en hoge kosten. 2. Kies een slijpschijf van redelijke kwaliteit, inclusief het type bindmiddel, de deeltjesgrootte, de concentratie, het bindmiddel en de afwerking van de slijpschijf. Met geschikte droge en natte slijpomstandigheden kunt u de voor- en achterhoek van het gereedschap, de passiveringswaarde van de mespunt en andere parameters optimaliseren en tegelijkertijd de oppervlaktekwaliteit van het gereedschap verbeteren.
Diamantslijpschijven met verschillende bindingen hebben verschillende eigenschappen en verschillende slijpmechanismen en effecten. Diamantslijpschijven met harsbinding zijn zacht, slijpdeeltjes vallen gemakkelijk voortijdig af, hebben geen hittebestendigheid, vervormen gemakkelijk door hitte, het slijpoppervlak is gevoelig voor slijtplekken, grote ruwheid; diamantslijpschijven met metaalbinding houden scherp door te slijpen en te breken, goede vervormbaarheid, lage oppervlakteruwheid van het slijpblad, hogere efficiëntie, het bindend vermogen van slijpdeeltjes maakt de zelfscherpte echter slecht, en de snijkant laat gemakkelijk een impactspleet achter, wat ernstige marginale schade veroorzaakt; diamantslijpschijven met keramisch bindmiddel hebben een matige sterkte, goede zelfexcitatie, meer interne poriën, favfor stofafvoer en warmteafvoer, kan zich aanpassen aan verschillende koelmiddelen, de lage slijptemperatuur, de slijpschijf is minder slijtend, goede vormbehoud, de nauwkeurigheid van de hoogste efficiëntie, echter, de body van diamantslijpen en bindmiddel leidt tot de vorming van putjes op het gereedschapsoppervlak. Gebruik volgens de te bewerken materialen, het algehele slijprendement, de schuurbestendigheid en de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk.
Onderzoek naar slijpefficiëntie richt zich voornamelijk op het verbeteren van de productiviteit en kostenbeheersing. Over het algemeen worden de slijpsnelheid Q (PCD-verwijdering per tijdseenheid) en de slijtageverhouding G (verhouding tussen PCD-verwijdering en slijpschijfverlies) gebruikt als evaluatiecriteria.
De Duitse KENTER-onderzoeker slijpt PCD-gereedschap met constante druk. Test: 1. Verhoogt de snelheid van de slijpschijf, de PDC-deeltjesgrootte en de koelmiddelconcentratie, waardoor de slijpsnelheid en slijtageverhouding afnemen. 2. Verhoogt de deeltjesgrootte van de slijpschijf, verhoogt de constante druk, verhoogt de diamantconcentratie in de slijpschijf, waardoor de slijpsnelheid en slijtageverhouding toenemen. 3. Het type bindmiddel is anders, de slijpsnelheid en slijtageverhouding zijn anders. KENTER Het slijpproces van PCD-gereedschappen met een zaagblad is systematisch bestudeerd, maar de invloed van het slijpproces met een zaagblad is niet systematisch geanalyseerd.
3. Gebruik en falen van PCD-snijgereedschappen
(1) Selectie van gereedschapssnijparameters
Tijdens de beginfase van het PCD-gereedschap passeert de scherpe rand geleidelijk en verbetert de oppervlaktekwaliteit van het bewerkingswerk. Passivering kan effectief de microspleet en kleine bramen verwijderen die door het slijpen van het blad zijn ontstaan, de oppervlaktekwaliteit van de snijkant verbeteren en tegelijkertijd een cirkelvormige randradius vormen om het bewerkte oppervlak te comprimeren en te herstellen, wat de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk verbetert.
PCD-gereedschapsvlakfrezen van aluminiumlegeringen: de snijsnelheid ligt doorgaans op 4000 m/min, het bewerken van gaten op 800 m/min. Voor het bewerken van hoog-elastisch plastisch non-ferrometaal is een hogere draaisnelheid vereist (300-1000 m/min). Een voedingsvolume wordt over het algemeen aanbevolen tussen 0,08 en 0,15 mm/omw. Een te groot voedingsvolume leidt tot een verhoogde snijkracht, een groter restoppervlak van het werkstuk; een te klein voedingsvolume leidt tot verhoogde snijwarmte en meer slijtage. De snijdiepte neemt toe, de snijkracht neemt toe, de snijwarmte neemt toe en de levensduur neemt af. Een te grote snijdiepte kan gemakkelijk leiden tot het inzakken van het zaagblad; een te kleine snijdiepte leidt tot verharding, slijtage en zelfs tot het inzakken van het zaagblad.
(2) Draagvorm
Bij het bewerken van een werkstuk is slijtage door wrijving, hoge temperaturen en andere oorzaken onvermijdelijk. De slijtage van diamantgereedschap bestaat uit drie fasen: de eerste snelle slijtagefase (ook wel de overgangsfase genoemd), de stabiele slijtagefase met een constante slijtagesnelheid, en de daaropvolgende snelle slijtagefase. De snelle slijtagefase geeft aan dat het gereedschap niet meer werkt en opnieuw geslepen moet worden. Slijtagevormen van snijgereedschappen zijn onder andere adhesieve slijtage (koudlasslijtage), diffusieslijtage, abrasieve slijtage, oxidatieslijtage, enz.
Anders dan bij traditioneel gereedschap, zijn adhesieve slijtage, diffusieslijtage en beschadiging van de polykristallijne laag de belangrijkste oorzaken van slijtage bij PCD-gereedschappen. Schade aan de polykristallijne laag is hierbij de belangrijkste oorzaak. Deze schade manifesteert zich als een subtiele instorting van het lemmet door een externe impact of verlies van hechting in de PDC, waardoor een spleet ontstaat. Dit is een fysieke mechanische schade die kan leiden tot een afname van de verwerkingsnauwkeurigheid en uitval van werkstukken. De PCD-deeltjesgrootte, de vorm van het lemmet, de hoek van het lemmet, het materiaal van het werkstuk en de verwerkingsparameters beïnvloeden de sterkte en snijkracht van het lemmet en veroorzaken vervolgens schade aan de polykristallijne laag. In de praktijk moeten de juiste deeltjesgrootte van het grondstofmateriaal, de gereedschapsparameters en de verwerkingsparameters worden geselecteerd op basis van de verwerkingsomstandigheden.
4. Ontwikkelingstrend van PCD-snijgereedschappen
Het toepassingsgebied van PCD-gereedschap is momenteel uitgebreid van traditioneel draaien naar boren, frezen en hogesnelheidsverspanen, en wordt op grote schaal gebruikt in binnen- en buitenland. De snelle ontwikkeling van elektrische voertuigen heeft niet alleen gevolgen gehad voor de traditionele auto-industrie, maar bracht ook ongekende uitdagingen met zich mee voor de gereedschapsindustrie, waardoor de gereedschapsindustrie zich genoodzaakt ziet om de optimalisatie en innovatie te versnellen.
De brede toepassing van PCD-snijgereedschappen heeft het onderzoek naar en de ontwikkeling van snijgereedschappen verdiept en bevorderd. Met de verdieping van het onderzoek worden de PDC-specificaties steeds kleiner, wordt de korrelkwaliteit geoptimaliseerd, de prestaties uniformer, de slijpsnelheid en slijtageverhouding steeds hoger en de vorm- en structuurdiversificatie verbeterd. De onderzoeksrichtingen voor PCD-gereedschappen omvatten: 1. onderzoek naar en ontwikkeling van een dunne PCD-laag; 2. onderzoek naar en ontwikkeling van nieuwe PCD-gereedschapsmaterialen; 3. onderzoek naar het verbeteren van het lassen van PCD-gereedschappen en het verder verlagen van de kosten; 4. onderzoek naar het verbeteren van het slijpproces van PCD-gereedschapsbladen om de efficiëntie te verbeteren; 5. onderzoek naar het optimaliseren van PCD-gereedschapsparameters en het gebruik van gereedschappen op basis van lokale omstandigheden; 6. onderzoek naar het rationeel selecteren van snijparameters op basis van de verwerkte materialen.
korte samenvatting
(1) De snijprestaties van PCD-gereedschappen maken het tekort aan veel hardmetalen gereedschappen goed; tegelijkertijd is de prijs veel lager dan die van een enkelkristaldiamantgereedschap; bij het moderne snijden is het een veelbelovend gereedschap;
(2) Afhankelijk van het type en de prestaties van de verwerkte materialen, een redelijke selectie van de deeltjesgrootte en parameters van PCD-gereedschappen, wat de basis is voor de vervaardiging en het gebruik van gereedschap,
(3) PCD-materiaal heeft een hoge hardheid, wat het ideale materiaal is voor snijmessen, maar het brengt ook problemen met zich mee bij de productie van snijgereedschappen. Bij de productie moet rekening worden gehouden met de procesmoeilijkheden en verwerkingsbehoeften om de beste kosteneffectiviteit te bereiken.
(4) PCD-verwerkingsmaterialen in messengebied: we moeten de snijparameters redelijkerwijs selecteren op basis van het voldoen aan de productprestaties, om de levensduur van het gereedschap zo lang mogelijk te verlengen om de balans te bereiken tussen de levensduur van het gereedschap, de productie-efficiëntie en de productkwaliteit;
(5) Onderzoek en ontwikkel nieuwe PCD-gereedschapsmaterialen om de inherente nadelen ervan te overwinnen
Dit artikel is afkomstig van de "superhard materiaalnetwerk"
Plaatsingstijd: 25-03-2025
