Het PCD-gereedschap is gemaakt van een polykristallijne diamantpunt en een hardmetalen matrix door middel van sinteren bij hoge temperatuur en hoge druk. Het benut niet alleen de voordelen van hoge hardheid, hoge thermische geleidbaarheid, lage wrijvingscoëfficiënt, lage thermische uitzettingscoëfficiënt, geringe affiniteit met metalen en niet-metalen, hoge elasticiteitsmodulus, geen splijtvlak en isotropie, maar houdt ook rekening met de hoge sterkte van de hardmetaallegering.
Thermische stabiliteit, slagvastheid en slijtvastheid zijn de belangrijkste prestatie-indicatoren van PCD. Omdat het materiaal voornamelijk wordt gebruikt in omgevingen met hoge temperaturen en hoge spanningen, is thermische stabiliteit van het grootste belang. Uit onderzoek blijkt dat de thermische stabiliteit van PCD een grote invloed heeft op de slijtvastheid en slagvastheid. De gegevens tonen aan dat bij temperaturen boven de 750 °C de slijtvastheid en slagvastheid van PCD over het algemeen met 5% tot 10% afnemen.
De kristalstructuur van PCD bepaalt de eigenschappen ervan. In de microstructuur vormen koolstofatomen covalente bindingen met vier aangrenzende atomen, waardoor een tetraëdrische structuur ontstaat en vervolgens een atoomkristal wordt gevormd. Dit kristal heeft een sterke oriëntatie en bindingskracht, wat resulteert in een hoge hardheid. De belangrijkste prestatie-indicatoren van PCD zijn als volgt: ① de hardheid kan oplopen tot 8000 HV, 8-12 keer hoger dan die van hardmetaal; ② de thermische geleidbaarheid bedraagt 700 W/mK, 1,5-9 keer hoger dan die van PCBN en koper; ③ de wrijvingscoëfficiënt is over het algemeen slechts 0,1-0,3, veel lager dan de 0,4-1 van hardmetaal, waardoor de snijkracht aanzienlijk wordt verminderd; ④ de thermische uitzettingscoëfficiënt is slechts 0,9 x 10⁻⁶ - 1,18 x 10⁻⁶, 1/5 van die van hardmetaal, wat thermische vervorming kan verminderen en de bewerkingsnauwkeurigheid kan verbeteren; ⑤ PCD heeft een lagere neiging tot het vormen van knobbeltjes dan niet-metallische materialen.
Kubisch boornitride heeft een sterke oxidatieweerstand en kan ijzerhoudende materialen verwerken, maar de hardheid is lager dan die van eenkristaldiamant, de verwerkingssnelheid is laag en de efficiëntie is gering. Eenkristaldiamant heeft een hoge hardheid, maar de taaiheid is onvoldoende. Door de anisotropie is het gemakkelijk te dissociëren langs het (111)-oppervlak onder invloed van externe krachten, waardoor de verwerkingsefficiëntie beperkt is. PCD is een polymeer dat op een bepaalde manier wordt gesynthetiseerd uit diamantdeeltjes van micronformaat. De chaotische aard van de ongeordende opeenhoping van deeltjes leidt tot een macroscopisch isotrope structuur, waardoor er geen directionele of splijtvlakken in de treksterkte voorkomen. In vergelijking met eenkristaldiamant vermindert de korrelgrens van PCD de anisotropie effectief en optimaliseert de mechanische eigenschappen.
1. Ontwerpprincipes van PCD-snijgereedschappen
(1) Redelijke selectie van de PCD-deeltjesgrootte
Theoretisch gezien zou PCD de korrels moeten verfijnen en de verdeling van additieven tussen de producten zo uniform mogelijk moeten zijn om anisotropie te compenseren. De keuze van de PCD-deeltjesgrootte hangt ook samen met de verwerkingsomstandigheden. Over het algemeen kan PCD met een hoge sterkte, goede taaiheid, goede slagvastheid en fijne korrels worden gebruikt voor afwerking of superafwerking, terwijl PCD met grove korrels geschikt is voor algemene voorbewerking. De PCD-deeltjesgrootte kan de slijtvastheid van het gereedschap aanzienlijk beïnvloeden. Relevante literatuur wijst erop dat bij grote korrels de slijtvastheid geleidelijk toeneemt naarmate de korrelgrootte afneemt, maar dat deze regel niet geldt bij zeer kleine korrels.
In verwante experimenten werden vier diamantpoeders geselecteerd met gemiddelde deeltjesgroottes van 10 µm, 5 µm, 2 µm en 1 µm, en hieruit werd geconcludeerd dat: ① Naarmate de deeltjesgrootte van het ruwe materiaal afneemt, diffundeert Co gelijkmatiger; ② Naarmate de deeltjesgrootte afneemt, nemen de slijtvastheid en hittebestendigheid van PCD geleidelijk af.
(2) Redelijke keuze van de vorm van de bladmond en de bladdikte
De vorm van de snijkant van een mes omvat hoofdzakelijk vier structuren: omgekeerde rand, stompe cirkel, combinatie van omgekeerde rand en stompe cirkel, en scherpe hoek. De scherpe hoekstructuur zorgt voor een scherpe snijkant, een hoge snijsnelheid, een aanzienlijk lagere snijkracht en minder braamvorming, een betere oppervlaktekwaliteit en is meer geschikt voor het bewerken van aluminiumlegeringen met een laag siliciumgehalte en andere non-ferrometalen met een lage hardheid en een uniforme afwerking. De stompe ronde structuur passiveert de snijkant, vormt een R-hoek en voorkomt effectief breuk van het mes. Deze structuur is geschikt voor het bewerken van aluminiumlegeringen met een gemiddeld tot hoog siliciumgehalte. In sommige speciale gevallen, zoals bij een geringe snijdiepte en een kleine mesaanvoer, heeft de stompe ronde structuur de voorkeur. De omgekeerde randstructuur versterkt de randen en hoeken, stabiliseert het mes, maar verhoogt tegelijkertijd de druk en snijweerstand. Deze structuur is meer geschikt voor het bewerken van aluminiumlegeringen met een hoog siliciumgehalte onder zware belasting.
Om EDM te vergemakkelijken, wordt doorgaans gekozen voor een dunne PDC-plaatlaag (0,3-1,0 mm), plus een hardmetaallaag, waardoor de totale dikte van het gereedschap ongeveer 28 mm bedraagt. De hardmetaallaag mag niet te dik zijn om gelaagdheid te voorkomen die wordt veroorzaakt door spanningsverschillen tussen de hechtvlakken.
2. Productieproces van PCD-gereedschap
Het productieproces van PCD-gereedschap bepaalt direct de snijprestaties en de 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) Fabricage van PCD-composiettabletten (PDC)
① Productieproces van de PDC
PDC bestaat doorgaans uit natuurlijk of synthetisch diamantpoeder en een bindmiddel, gesinterd bij hoge temperatuur (1000-2000 °C) en hoge druk (5-10 atm). Het bindmiddel vormt een bindingsbrug met TiC, SiC, Fe, Co, Ni, enz. als belangrijkste componenten, en het diamantkristal is ingebed in het skelet van de bindingsbrug in de vorm van covalente bindingen. PDC wordt over het algemeen gevormd tot schijven met een vaste diameter en dikte, en vervolgens geslepen, gepolijst en onderworpen aan andere fysische en chemische behandelingen. In essentie moet de ideale vorm van PDC de uitstekende fysische eigenschappen van een enkelkristal diamant zoveel mogelijk behouden. Daarom moeten de toevoegingen in het sintermateriaal zo minimaal mogelijk zijn, terwijl tegelijkertijd de binding tussen de deeltjes en de diamantkristallen zo sterk mogelijk moet zijn.
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 bindmiddelen voor PCD zijn: ijzer, kobalt, nikkel en andere overgangsmetalen. Een mengsel van kobalt- en wolfraampoeder werd gebruikt als bindmiddel, en de algehele prestaties van het gesinterde PCD waren het beste bij een synthesedruk van 5,5 GPa, een sintertemperatuur van 1450 °C en een isolatietijd van 4 minuten. SiC, TiC, WC, TiB2 en andere keramische materialen worden ook gebruikt. De thermische stabiliteit van SiC is beter dan die van kobalt, maar de hardheid en breuktaaiheid zijn relatief laag. Een geschikte verkleining van de grondstofdeeltjes kan de hardheid en taaiheid van PCD verbeteren. Zonder bindmiddel wordt grafiet of een andere koolstofbron onder ultrahoge temperatuur en hoge druk ingebrand tot een nanopolymeerdiamant (NPD). Het gebruik van grafiet als precursor voor de bereiding van NPD stelt de hoogste eisen, maar het synthetische NPD heeft de hoogste hardheid en de beste mechanische eigenschappen.
Selectie en controle van ③-korrels
De grondstof, diamantpoeder, is een cruciale factor die de prestaties van PCD beïnvloedt. Voorbehandeling van diamantmicropoeder, toevoeging van een kleine hoeveelheid stoffen die de groei van abnormale diamantdeeltjes remmen en een verstandige selectie van sintertoevoegingen kunnen de groei van abnormale diamantdeeltjes tegengaan.
Hoogzuiver NPD met een uniforme structuur kan de anisotropie effectief elimineren en de mechanische eigenschappen verder verbeteren. Het nanografiet-precursorpoeder, bereid met behulp van de hoge-energie-kogelmaalmethode, werd gebruikt om het zuurstofgehalte te reguleren tijdens het voorverhitten bij hoge temperatuur. Hierdoor werd grafiet omgezet in diamant onder een druk van 18 GPa en een temperatuur van 2100-2300 °C, wat resulteerde in lamellair en korrelig NPD. De hardheid nam toe naarmate de dikte van de lamellen afnam.
④ Late chemische behandeling
Bij dezelfde temperatuur (200 °C) en tijdsduur (20 uur) was het effect van Lewis-zuur-FeCl3 op de verwijdering van kobalt 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 verwijderingsdiepte van kobalt toeneemt. Bij grofkorrelig gegroeid PCD kan een behandeling met sterk zuur Co volledig verwijderen, maar dit heeft een grote invloed op de polymeereigenschappen; het toevoegen van TiC en WC om de synthetische polykristallijne structuur te veranderen en dit te combineren met een behandeling met sterk zuur verbetert de stabiliteit van PCD. Momenteel wordt het bereidingsproces van PCD-materialen verbeterd, de taaiheid van het product is goed, de anisotropie is sterk verbeterd en commerciële productie is mogelijk. De gerelateerde industrieën ontwikkelen zich snel.
(2) Verwerking van het PCD-blad
① snijproces
PCD heeft een hoge hardheid, goede slijtvastheid en is zeer moeilijk te bewerken.
2 lasprocedure
De PDC en het meslichaam worden mechanisch geklemd, verlijmd en gesoldeerd. Solderen is het persen van de PDC op de hardmetaalmatrix, inclusief vacuümsolderen, vacuümdiffusielassen, inductiesolderen met hoge frequentie, laserlassen, enz. Inductiesolderen met hoge frequentie is goedkoop en heeft een hoog rendement, en wordt daarom veel gebruikt. De laskwaliteit hangt samen met het vloeimiddel, de laslegering en de lastemperatuur. De lastemperatuur (doorgaans lager dan 700 °C) heeft de grootste invloed; een te hoge temperatuur kan leiden tot grafitisatie van de PCD of zelfs "oververhitting", wat het lasresultaat direct beïnvloedt. Een te lage temperatuur leidt daarentegen tot onvoldoende lassterkte. De lastemperatuur kan worden geregeld door de isolatietijd en de diepte van de PCD-ontkleuring.
③ slijpproces van het mes
Het slijpproces van PCD-gereedschappen is cruciaal voor het productieproces. Over het algemeen ligt de piekwaarde van het mes en de snijkant binnen 5 µm, en de boogradius binnen 4 µm. De voor- en achterkant van het snijvlak zorgen voor een bepaalde oppervlakteafwerking, waarbij de Ra-waarde van het voorste snijvlak zelfs tot 0,01 µm wordt gereduceerd om aan de spiegelgladheidseis te voldoen. Hierdoor worden de spanen langs het voorste mesoppervlak afgevoerd en wordt voorkomen dat het mes blijft plakken.
Het slijpproces van messen omvat mechanisch slijpen met een diamantslijpschijf, elektrisch vonkslijpen (EDG), elektrolytisch slijpen met een metaalbindende superharde schuurschijf (ELID) en het slijpen van composietmessen. Het mechanisch slijpen met een diamantslijpschijf is hiervan de meest ontwikkelde en meest gebruikte methode.
Gerelateerde experimenten: ① Een slijpschijf met grove deeltjes leidt tot ernstige breuk van het zaagblad, en naarmate de deeltjesgrootte van de slijpschijf afneemt, verbetert de kwaliteit van het zaagblad; de deeltjesgrootte van ② de slijpschijf is nauw verbonden met de zaagbladkwaliteit 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 dominant, terwijl brosse verwijdering en vermoeidheidsverwijdering relatief klein zijn. Bij het slijpen, afhankelijk van de sterkte en hittebestendigheid van de diamantslijpschijven met verschillende bindmiddelen, moet de snelheid en de zwaaifrequentie van de slijpschijf zoveel mogelijk worden verhoogd om brosse en vermoeidheidsverwijdering te voorkomen, het aandeel thermochemische verwijdering te vergroten en de oppervlakteruwheid te verminderen. De oppervlakteruwheid van droog slijpen is laag, maar door de hoge procestemperatuur kan het gereedschapsoppervlak gemakkelijk verbranden.
Bij het slijpen van messen moet op het volgende gelet worden: ① Het kiezen van redelijke slijpparameters voor messen zorgt voor een betere snijkant en een hogere oppervlakteafwerking aan de voor- en achterkant van het mes. Houd echter rekening met de hoge slijpkracht, het grote verlies, de lage slijpefficiëntie en de hoge kosten; ② Het selecteren van een slijpschijf van redelijke kwaliteit, inclusief bindmiddeltype, korrelgrootte, concentratie, bindmiddelafstelling en slijpschijfafstelling, in combinatie met redelijke droge en natte slijpomstandigheden, optimaliseert de voor- en achterhoek van het gereedschap, de passiveringswaarde van de mespunt en andere parameters, en verbetert tegelijkertijd de oppervlaktekwaliteit van het gereedschap.
Verschillende diamantslijpschijven met bindmiddel hebben verschillende eigenschappen, slijpmechanismen en effecten. Diamantslijpschijven met harsbindmiddel zijn zacht, slijpdeeltjes laten gemakkelijk voortijdig los, ze zijn niet hittebestendig, het oppervlak vervormt gemakkelijk door hitte, het slijpoppervlak is gevoelig voor slijtage en heeft een hoge ruwheid. Diamantslijpschijven met metaalbindmiddel worden scherp gehouden door het slijpproces, hebben een goede vormbaarheid en oppervlaktebehandeling, een lage oppervlakteruwheid en een hogere efficiëntie. Echter, de bindingskracht van de slijpdeeltjes zorgt voor een slechte zelfscherping en de snijkant kan gemakkelijk een beschadiging oplopen, wat ernstige randschade kan veroorzaken. Diamantslijpschijven met keramisch bindmiddel hebben een gemiddelde sterkte, goede zelfontspanning, meer interne poriën, bevorderen stofafvoer en warmteafvoer, zijn geschikt voor diverse koelvloeistoffen, hebben een lage slijptemperatuur, slijten minder, behouden hun vorm goed en bieden de hoogste nauwkeurigheid. Echter, de combinatie van diamant en bindmiddel leidt tot de vorming van putjes op het gereedschapsoppervlak. Gebruik het schuurmiddel afhankelijk van de te bewerken materialen, de algehele slijpefficiëntie, de duurzaamheid van het schuurmiddel en de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk.
Het onderzoek naar slijpefficiëntie richt zich voornamelijk op het verbeteren van de productiviteit en het beheersen van de kosten. Over het algemeen worden de slijpsnelheid Q (PCD-verwijdering per tijdseenheid) en de slijtageverhouding G (verhouding tussen PCD-verwijdering en slijtage van de slijpschijf) gebruikt als evaluatiecriteria.
De Duitse wetenschapper KENTER slijpte een PCD-gereedschap met constante druk. Testresultaten: ① Bij een hogere slijpsnelheid, grotere PDC-deeltjesgrootte en hogere koelvloeistofconcentratie nemen de slijpsnelheid en slijtage af; ② Bij een grotere slijpdeeltjesgrootte en een hogere constante druk neemt de diamantconcentratie in de slijpschijf toe, waardoor de slijpsnelheid en slijtage toenemen; ③ Bij een ander bindmiddeltype zijn de slijpsnelheid en slijtage verschillend. KENTER bestudeerde het slijpproces van PCD-gereedschappen systematisch, maar analyseerde de invloed van het slijpproces zelf niet systematisch.
3. Gebruik en defecten van PCD-snijgereedschap
(1) Selectie van gereedschapssnijparameters
Tijdens de eerste periode van het PCD-gereedschap onderging de scherpe rand geleidelijk passivering, waardoor de oppervlaktekwaliteit van de bewerking verbeterde. Passivering verwijdert effectief de micro-openingen en kleine bramen die door het slijpen van het blad ontstaan, verbetert de oppervlaktekwaliteit van de snijkant en vormt tegelijkertijd een cirkelvormige randradius die het bewerkte oppervlak samendrukt en herstelt, waardoor de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk verbetert.
Bij het frezen van aluminiumlegeringen met een PCD-gereedschap is de snijsnelheid doorgaans 4000 m/min, voor het bewerken van gaten is dit meestal 800 m/min. Voor het bewerken van zeer elastische en plastische non-ferrometalen is een hogere draaisnelheid (300-1000 m/min) vereist. De aanbevolen voeding ligt doorgaans tussen 0,08 en 0,15 mm/omwenteling. Een te grote voeding verhoogt de snijkracht en vergroot het resterende geometrische oppervlak van het werkstuk; een te kleine voeding verhoogt de snijwarmte en de slijtage. Een grotere snijdiepte betekent een hogere snijkracht, meer snijwarmte en een kortere levensduur. Een te grote snijdiepte kan gemakkelijk leiden tot het afbreken van het gereedschap; een te kleine snijdiepte kan leiden tot verharding, slijtage en zelfs het afbreken van het gereedschap.
(2) Draagvorm
Bij het bewerken van werkstukken met gereedschap is slijtage onvermijdelijk als gevolg van wrijving, hoge temperaturen en andere factoren. De slijtage van een diamantgereedschap bestaat uit drie fasen: de initiële 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 goed functioneert en geslepen moet worden. De slijtagevormen van snijgereedschappen omvatten adhesieve slijtage (koudlasslijtage), diffusieslijtage, abrasieve slijtage, oxidatieslijtage, enzovoort.
Anders dan bij traditionele gereedschappen, bestaat de slijtage van PCD-gereedschappen uit adhesieve slijtage, diffusieslijtage en beschadiging van de polykristallijne laag. Beschadiging van de polykristallijne laag is de belangrijkste oorzaak, die zich manifesteert als een subtiele afbrokkeling van het snijblad door externe impact of verlies van hechting in de PDC, waardoor een opening ontstaat. Dit is een vorm van fysieke mechanische schade die kan leiden tot een verminderde bewerkingsprecisie en afval van werkstukken. De deeltjesgrootte van het PCD-materiaal, de vorm van het snijblad, de snijhoek, het werkstukmateriaal en de bewerkingsparameters beïnvloeden de snijbladsterkte en de snijkracht, en veroorzaken vervolgens beschadiging van de polykristallijne laag. In de praktijk moeten de juiste deeltjesgrootte van het basismateriaal, gereedschapsparameters en bewerkingsparameters worden gekozen op basis van de bewerkingsomstandigheden.
4. Ontwikkelingstrend van PCD-snijgereedschappen
Het toepassingsgebied van PCD-gereedschap is inmiddels uitgebreid van traditioneel draaien naar boren, frezen en hogesnelheidssnijden, en wordt zowel in binnen- als buitenland veelvuldig gebruikt. De snelle ontwikkeling van elektrische voertuigen heeft niet alleen een impact gehad op de traditionele auto-industrie, maar heeft ook ongekende uitdagingen voor de gereedschapsindustrie met zich meegebracht, waardoor deze industrie wordt aangespoord om de optimalisatie en innovatie te versnellen.
De brede toepassing van PCD-snijgereedschappen heeft het onderzoek en de ontwikkeling van snijgereedschappen verdiept en bevorderd. Door de verdieping van het onderzoek worden de specificaties van PCD-gereedschappen steeds kleiner, de korrelverfijning geoptimaliseerd, de prestatie-uniformiteit verbeterd, de slijpsnelheid en slijtageverhouding steeds hoger, en de vorm en structuur gediversifieerd. De onderzoeksrichtingen voor PCD-gereedschappen omvatten: ① onderzoek en ontwikkeling van dunne PCD-lagen; ② onderzoek en ontwikkeling van nieuwe PCD-gereedschapsmaterialen; ③ onderzoek naar betere lasmethoden voor PCD-gereedschappen en verdere kostenreductie; ④ onderzoek naar verbetering van het slijpproces van PCD-gereedschapsbladen om de efficiëntie te verhogen; ⑤ onderzoek naar optimalisatie van PCD-gereedschapsparameters en het gebruik van gereedschappen op basis van lokale omstandigheden; ⑥ onderzoek naar rationele selectie van snijparameters op basis van de te bewerken materialen.
korte samenvatting
(1) De snijprestaties van PCD-gereedschappen compenseren het tekort aan veel hardmetalen gereedschappen; tegelijkertijd is de prijs veel lager dan die van monokristallijne diamantgereedschappen, waardoor het een veelbelovend gereedschap is voor moderne snijtechnieken;
(2) Afhankelijk van het type en de eigenschappen van de te verwerken materialen, is een redelijke selectie van de deeltjesgrootte en parameters van de PCD-gereedschappen noodzakelijk, wat de voorwaarde is voor de vervaardiging en het gebruik van de gereedschappen.
(3) PCD-materiaal heeft een hoge hardheid, waardoor het een ideaal materiaal is voor snijmessen, maar dit brengt ook moeilijkheden met zich mee bij de productie van snijgereedschappen. Bij de productie moet rekening worden gehouden met de procesmoeilijkheid en de verwerkingsbehoeften om de beste prijs-kwaliteitverhouding te bereiken;
(4) Bij de verwerking van PCD-materialen in het messendistrict moeten we de snijparameters redelijk selecteren, op basis van het voldoen aan de productprestaties, om de levensduur van het gereedschap zoveel mogelijk te verlengen en zo een evenwicht te bereiken tussen de levensduur van het gereedschap, de productie-efficiëntie en de productkwaliteit;
(5) Onderzoek en ontwikkeling van nieuwe PCD-gereedschapsmaterialen om de inherente nadelen ervan te overwinnen
Dit artikel is afkomstig van de "superhard materiaal netwerk"
Geplaatst op: 25 maart 2025
