Alat PCD diperbuat daripada hujung pisau berlian polikristalin dan matriks karbida melalui pensinteran suhu tinggi dan tekanan tinggi. Ia bukan sahaja dapat memainkan peranan sepenuhnya terhadap kelebihan kekerasan tinggi, kekonduksian terma yang tinggi, pekali geseran rendah, pekali pengembangan terma yang rendah, afiniti kecil dengan logam dan bukan logam, modulus elastik yang tinggi, permukaan tanpa belahan, isotropik, tetapi juga mengambil kira kekuatan tinggi aloi keras.
Kestabilan terma, ketahanan hentaman dan rintangan haus adalah petunjuk prestasi utama PCD. Kerana ia kebanyakannya digunakan dalam persekitaran suhu tinggi dan tekanan tinggi, kestabilan terma adalah perkara yang paling penting. Kajian menunjukkan bahawa kestabilan terma PCD mempunyai kesan yang besar terhadap rintangan haus dan ketahanan hentamannya. Data menunjukkan bahawa apabila suhu lebih tinggi daripada 750℃, rintangan haus dan ketahanan hentaman PCD secara amnya menurun sebanyak 5% -10%.
Keadaan kristal PCD menentukan sifatnya. Dalam mikrostruktur, atom karbon membentuk ikatan kovalen dengan empat atom bersebelahan, memperoleh struktur tetrahedral, dan kemudian membentuk kristal atom, yang mempunyai orientasi dan daya ikatan yang kuat, serta kekerasan yang tinggi. Indeks prestasi utama PCD adalah seperti berikut: ① kekerasan boleh mencapai 8000 HV, 8-12 kali ganda karbida; ② kekonduksian terma ialah 700W/mK, 1.5-9 kali ganda, malah lebih tinggi daripada PCBN dan kuprum; ③ pekali geseran secara amnya hanya 0.1-0.3, jauh lebih rendah daripada 0.4-1 karbida, mengurangkan daya pemotongan dengan ketara; ④ pekali pengembangan terma hanya 0.9x10-6-1.18x10-6,1/5 karbida, yang boleh mengurangkan ubah bentuk terma dan meningkatkan ketepatan pemprosesan; ⑤ dan bahan bukan logam kurang afiniti untuk membentuk nodul.
Nitrida boron padu mempunyai rintangan pengoksidaan yang kuat dan boleh memproses bahan yang mengandungi besi, tetapi kekerasannya lebih rendah daripada berlian kristal tunggal, kelajuan pemprosesannya perlahan dan kecekapannya rendah. Berlian kristal tunggal mempunyai kekerasan yang tinggi, tetapi ketahanannya tidak mencukupi. Anisotropi memudahkan penceraian di sepanjang permukaan (111) di bawah kesan daya luaran, dan kecekapan pemprosesannya terhad. PCD ialah polimer yang disintesis oleh zarah berlian bersaiz mikron melalui cara tertentu. Sifat huru-hara pengumpulan zarah yang tidak teratur membawa kepada sifat isotropik makroskopiknya, dan tiada permukaan berarah dan belahan dalam kekuatan tegangan. Berbanding dengan berlian kristal tunggal, sempadan butiran PCD berkesan mengurangkan anisotropi dan mengoptimumkan sifat mekanikal.
1. Prinsip reka bentuk alat pemotong PCD
(1) Pemilihan saiz zarah PCD yang munasabah
Secara teorinya, PCD harus cuba menghalusi butiran, dan pengagihan bahan tambahan antara produk haruslah sekata mungkin untuk mengatasi anisotropi. Pemilihan saiz zarah PCD juga berkaitan dengan keadaan pemprosesan. Secara amnya, PCD dengan kekuatan tinggi, ketahanan yang baik, rintangan hentaman yang baik dan butiran halus boleh digunakan untuk kemasan atau kemasan super, dan PCD butiran kasar boleh digunakan untuk pemesinan kasar umum. Saiz zarah PCD boleh menjejaskan prestasi haus alat dengan ketara. Literatur yang berkaitan menunjukkan bahawa apabila butiran bahan mentah besar, rintangan haus secara beransur-ansur meningkat dengan penurunan saiz butiran, tetapi apabila saiz butiran sangat kecil, peraturan ini tidak terpakai.
Eksperimen berkaitan memilih empat serbuk berlian dengan saiz zarah purata 10um, 5um, 2um dan 1um, dan disimpulkan bahawa: ① Dengan pengurangan saiz zarah bahan mentah, Co meresap dengan lebih sekata; dengan penurunan ②, rintangan haus dan rintangan haba PCD secara beransur-ansur menurun.
(2) Pilihan bentuk mulut bilah dan ketebalan bilah yang munasabah
Bentuk mulut bilah terutamanya merangkumi empat struktur: tepi terbalik, bulatan tumpul, tepi terbalik bulatan tumpul komposit dan sudut tajam. Struktur sudut tajam menjadikan tepi tajam, kelajuan pemotongan pantas, boleh mengurangkan daya pemotongan dan burr dengan ketara, meningkatkan kualiti permukaan produk, lebih sesuai untuk aloi aluminium silikon rendah dan kemasan logam bukan ferus kekerasan rendah yang lain, seragam. Struktur bulat tumpul boleh memasifkan mulut bilah, membentuk Sudut R, berkesan mencegah bilah patah, sesuai untuk memproses aloi aluminium silikon sederhana/tinggi. Dalam beberapa kes khas, seperti kedalaman pemotongan cetek dan penyuapan pisau kecil, struktur bulat tumpul adalah lebih disukai. Struktur tepi terbalik boleh meningkatkan tepi dan sudut, menstabilkan bilah, tetapi pada masa yang sama akan meningkatkan tekanan dan rintangan pemotongan, lebih sesuai untuk memotong beban berat aloi aluminium silikon tinggi.
Untuk memudahkan EDM, biasanya pilih lapisan kepingan PDC nipis (0.3-1.0mm), ditambah lapisan karbida, ketebalan keseluruhan alat adalah kira-kira 28mm. Lapisan karbida tidak boleh terlalu tebal untuk mengelakkan stratifikasi yang disebabkan oleh perbezaan tekanan antara permukaan ikatan.
2, proses pembuatan alat PCD
Proses pembuatan alat PCD secara langsung menentukan prestasi pemotongan dan jangka hayat alat tersebut, yang merupakan kunci kepada aplikasi dan pembangunannya. Proses pembuatan alat PCD ditunjukkan dalam Rajah 5.
(1) Pembuatan tablet komposit PCD (PDC)
① Proses pembuatan PDC
PDC secara amnya terdiri daripada serbuk berlian semula jadi atau sintetik dan agen pengikat pada suhu tinggi (1000-2000℃) dan tekanan tinggi (5-10 atm). Agen pengikat membentuk jambatan pengikat dengan TiC, Sic, Fe, Co, Ni, dan sebagainya sebagai komponen utama, dan kristal berlian terbenam dalam rangka jambatan pengikat dalam bentuk ikatan kovalen. PDC secara amnya dibuat menjadi cakera dengan diameter dan ketebalan tetap, dan digilap dan digilap serta rawatan fizikal dan kimia lain yang sepadan. Pada dasarnya, bentuk PDC yang ideal harus mengekalkan ciri fizikal berlian kristal tunggal yang sangat baik sebanyak mungkin, oleh itu, bahan tambahan dalam badan pensinteran haruslah sesedikit mungkin, pada masa yang sama, gabungan ikatan DD zarah sebanyak mungkin.
② Pengelasan dan pemilihan pengikat
Pengikat merupakan faktor terpenting yang mempengaruhi kestabilan terma alat PCD, yang secara langsung mempengaruhi kekerasan, rintangan haus dan kestabilan terma. Kaedah pengikatan PCD yang biasa ialah: besi, kobalt, nikel dan logam peralihan lain. Serbuk campuran Co dan W digunakan sebagai agen pengikat, dan prestasi komprehensif PCD sintering adalah terbaik apabila tekanan sintesis ialah 5.5 GPa, suhu sintering ialah 1450℃ dan penebat selama 4 minit. SiC, TiC, WC, TiB2, dan bahan seramik lain. SiC Kestabilan terma SiC adalah lebih baik daripada Co, tetapi kekerasan dan ketahanan patah agak rendah. Pengurangan saiz bahan mentah yang sesuai boleh meningkatkan kekerasan dan ketahanan PCD. Tiada pelekat, dengan grafit atau sumber karbon lain dalam suhu ultra tinggi dan tekanan tinggi dibakar menjadi berlian polimer nano (NPD). Menggunakan grafit sebagai prekursor untuk menyediakan NPD adalah keadaan yang paling mencabar, tetapi NPD sintetik mempunyai kekerasan tertinggi dan sifat mekanikal terbaik.
Pemilihan dan kawalan bijirin ③
Serbuk berlian bahan mentah merupakan faktor utama yang mempengaruhi prestasi PCD. Rawatan awal serbuk mikro berlian, penambahan sedikit bahan yang menghalang pertumbuhan zarah berlian yang tidak normal dan pemilihan bahan tambahan pensinteran yang munasabah boleh menghalang pertumbuhan zarah berlian yang tidak normal.
NPD tulen yang tinggi dengan struktur seragam dapat menghapuskan anisotropi secara berkesan dan meningkatkan lagi sifat mekanikal. Serbuk prekursor nanografit yang disediakan melalui kaedah pengisaran bebola bertenaga tinggi telah digunakan untuk mengawal kandungan oksigen pada pra-sintering suhu tinggi, mengubah grafit menjadi berlian di bawah 18 GPa dan 2100-2300℃, menghasilkan NPD lamela dan berbutir, dan kekerasan meningkat dengan penurunan ketebalan lamela.
④ Rawatan kimia lewat
Pada suhu yang sama (200 °℃) dan masa (20 jam), kesan penyingkiran kobalt asid Lewis-FeCl3 adalah jauh lebih baik daripada air, dan nisbah optimum HCl ialah 10-15g / 100ml. Kestabilan haba PCD bertambah baik apabila kedalaman penyingkiran kobalt meningkat. Untuk PCD pertumbuhan berbutir kasar, rawatan asid kuat boleh menyingkirkan Co sepenuhnya, tetapi mempunyai pengaruh yang besar terhadap prestasi polimer; menambah TiC dan WC untuk mengubah struktur polikristal sintetik dan menggabungkannya dengan rawatan asid kuat untuk meningkatkan kestabilan PCD. Pada masa ini, proses penyediaan bahan PCD semakin baik, ketahanan produk adalah baik, anisotropi telah bertambah baik, telah merealisasikan pengeluaran komersial, industri berkaitan sedang berkembang pesat.
(2) Pemprosesan bilah PCD
① proses pemotongan
PCD mempunyai kekerasan yang tinggi, rintangan haus yang baik dan proses pemotongan yang sukar.
② prosedur kimpalan
PDC dan badan pisau melalui pengapit mekanikal, ikatan dan pematerian. Pematerian adalah dengan menekan PDC pada matriks karbida, termasuk pematerian vakum, kimpalan resapan vakum, pematerian pemanasan induksi frekuensi tinggi, kimpalan laser, dan sebagainya. Pematerian pemanasan induksi frekuensi tinggi mempunyai kos yang rendah dan pulangan yang tinggi, dan telah digunakan secara meluas. Kualiti kimpalan berkaitan dengan fluks, aloi kimpalan dan suhu kimpalan. Suhu kimpalan (biasanya lebih rendah daripada 700 °℃) mempunyai kesan yang paling besar, suhu terlalu tinggi, mudah menyebabkan grafit PCD, atau "terlalu terbakar", yang secara langsung mempengaruhi kesan kimpalan, dan suhu yang terlalu rendah akan menyebabkan kekuatan kimpalan yang tidak mencukupi. Suhu kimpalan boleh dikawal oleh masa penebat dan kedalaman kemerahan PCD.
③ proses pengisaran bilah
Proses pengisaran alat PCD adalah kunci kepada proses pembuatan. Secara amnya, nilai puncak bilah dan bilah berada dalam lingkungan 5um, dan jejari arka berada dalam lingkungan 4um; permukaan pemotongan hadapan dan belakang memastikan kemasan permukaan yang tertentu, dan juga mengurangkan permukaan pemotongan hadapan Ra kepada 0.01 μm untuk memenuhi keperluan cermin, menjadikan serpihan mengalir di sepanjang permukaan pisau hadapan dan mengelakkan pisau melekat.
Proses pengisaran bilah termasuk pengisaran bilah mekanikal roda pengisaran berlian, pengisaran bilah percikan elektrik (EDG), pengisaran bilah kemasan elektrolitik dalam talian roda pengisaran kasar super pengikat logam (ELID), pemesinan pengisaran bilah komposit. Antaranya, pengisaran bilah mekanikal roda pengisaran berlian adalah yang paling matang dan paling banyak digunakan.
Eksperimen berkaitan: ① roda pengisaran zarah kasar akan menyebabkan keruntuhan bilah yang serius, dan saiz zarah roda pengisaran berkurangan, dan kualiti bilah menjadi lebih baik; saiz zarah ② roda pengisaran berkait rapat dengan kualiti bilah alat PCD zarah halus atau zarah ultrahalus, tetapi mempunyai kesan terhad pada alat PCD zarah kasar.
Kajian berkaitan di dalam dan luar negara terutamanya tertumpu pada mekanisme dan proses pengisaran bilah. Dalam mekanisme pengisaran bilah, penyingkiran termokimia dan penyingkiran mekanikal adalah yang dominan, dan penyingkiran rapuh dan penyingkiran lesu agak kecil. Semasa pengisaran, mengikut kekuatan dan rintangan haba roda pengisaran berlian agen pengikat yang berbeza, tingkatkan kelajuan dan frekuensi ayunan roda pengisaran sejauh mungkin, elakkan kerapuhan dan penyingkiran lesu, tingkatkan perkadaran penyingkiran termokimia, dan kurangkan kekasaran permukaan. Kekasaran permukaan pengisaran kering adalah rendah, tetapi mudah terbakar permukaan alat disebabkan oleh suhu pemprosesan yang tinggi.
Proses pengisaran bilah perlu memberi perhatian kepada: ① memilih parameter proses pengisaran bilah yang munasabah, boleh menjadikan kualiti mulut tepi lebih cemerlang, kemasan permukaan bilah hadapan dan belakang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, pertimbangkan juga daya pengisaran yang tinggi, kehilangan yang besar, kecekapan pengisaran yang rendah, kos yang tinggi; ② memilih kualiti roda pengisaran yang munasabah, termasuk jenis pengikat, saiz zarah, kepekatan, pengikat, pembalut roda pengisaran, dengan keadaan pengisaran bilah kering dan basah yang munasabah, boleh mengoptimumkan sudut hadapan dan belakang alat, nilai pempasifan hujung pisau dan parameter lain, sambil meningkatkan kualiti permukaan alat.
Roda pengisaran berlian pengikat yang berbeza mempunyai ciri-ciri yang berbeza, serta mekanisme dan kesan pengisaran yang berbeza. Roda pasir berlian pengikat resin adalah lembut, Zarah pengisaran mudah tertanggal lebih awal, Tidak mempunyai rintangan haba, Permukaan mudah berubah bentuk akibat haba, Permukaan pengisaran bilah mudah mengalami kesan haus, Kekasaran yang besar; Roda pengisaran berlian pengikat logam dikekalkan tajam oleh pengisaran penghancuran, Kebolehbentukan permukaan yang baik, Kekasaran permukaan pengisaran bilah yang rendah, Kecekapan yang lebih tinggi, Walau bagaimanapun, keupayaan pengikatan zarah pengisaran menjadikan pengasahan sendiri lemah, Dan mata pemotong mudah meninggalkan jurang hentaman, Menyebabkan kerosakan marginal yang serius; Roda pengisaran berlian pengikat seramik mempunyai kekuatan sederhana, Prestasi pengujaan sendiri yang baik, Lebih banyak liang dalaman, Favfor penyingkiran habuk dan pelesapan haba, Boleh menyesuaikan diri dengan pelbagai penyejuk, Suhu pengisaran yang rendah, Roda pengisaran kurang haus, Pengekalan bentuk yang baik, Ketepatan kecekapan tertinggi, Walau bagaimanapun, badan pengisaran berlian dan pengikat menyebabkan pembentukan lubang pada permukaan alat. Gunakan mengikut bahan pemprosesan, kecekapan pengisaran yang komprehensif, ketahanan kasar dan kualiti permukaan bahan kerja.
Kajian tentang kecekapan pengisaran tertumpu terutamanya pada peningkatan produktiviti dan kawalan kos. Secara amnya, kadar pengisaran Q (penyingkiran PCD per unit masa) dan nisbah haus G (nisbah penyingkiran PCD kepada kehilangan roda pengisaran) digunakan sebagai kriteria penilaian.
Cendekiawan Jerman KENTER mengisar alat PCD dengan tekanan malar, ujian: ① meningkatkan kelajuan roda pengisaran, saiz zarah PDC dan kepekatan penyejuk, kadar pengisaran dan nisbah haus dikurangkan; ② meningkatkan saiz zarah pengisaran, meningkatkan tekanan malar, meningkatkan kepekatan berlian dalam roda pengisaran, kadar pengisaran dan nisbah haus meningkat; ③ jenis pengikat berbeza, kadar pengisaran dan nisbah haus berbeza. KENTER Proses pengisaran bilah alat PCD dikaji secara sistematik, tetapi pengaruh proses pengisaran bilah tidak dianalisis secara sistematik.
3. Penggunaan dan kegagalan alat pemotong PCD
(1) Pemilihan parameter pemotongan alat
Semasa tempoh awal alat PCD, mulut tepi tajam secara beransur-ansur mengalami pasif, dan kualiti permukaan pemesinan menjadi lebih baik. Pasifasi dapat menghilangkan celah mikro dan gerinda kecil yang disebabkan oleh pengisaran bilah dengan berkesan, meningkatkan kualiti permukaan mata pemotong, dan pada masa yang sama, membentuk jejari tepi bulat untuk memerah dan membaiki permukaan yang diproses, sekali gus meningkatkan kualiti permukaan bahan kerja.
Permukaan alat PCD untuk pengilangan aloi aluminium, kelajuan pemotongan biasanya 4000m/min, pemprosesan lubang biasanya 800m/min, pemprosesan logam bukan ferus plastik elastik tinggi perlu mengambil kelajuan putaran yang lebih tinggi (300-1000m/min). Isipadu suapan biasanya disyorkan antara 0.08-0.15mm/r. Isipadu suapan yang terlalu besar, daya pemotongan yang meningkat, luas geometri baki permukaan bahan kerja yang meningkat; isipadu suapan yang terlalu kecil, haba pemotongan yang meningkat, dan haus yang meningkat. Kedalaman pemotongan meningkat, daya pemotongan meningkat, haba pemotongan meningkat, jangka hayat berkurangan, kedalaman pemotongan yang berlebihan boleh menyebabkan bilah runtuh dengan mudah; kedalaman pemotongan yang kecil akan menyebabkan pengerasan pemesinan, haus dan juga keruntuhan bilah.
(2) Bentuk haus
Bahan kerja pemprosesan alat, disebabkan oleh geseran, suhu tinggi dan sebab-sebab lain, haus tidak dapat dielakkan. Haus alat berlian terdiri daripada tiga peringkat: fasa haus pantas awal (juga dikenali sebagai fasa peralihan), fasa haus stabil dengan kadar haus yang malar, dan fasa haus pantas berikutnya. Fasa haus pantas menunjukkan bahawa alat tidak berfungsi dan memerlukan pengisaran semula. Bentuk haus alat pemotong termasuk haus pelekat (haus kimpalan sejuk), haus resapan, haus kasar, haus pengoksidaan, dan sebagainya.
Berbeza dengan alat tradisional, bentuk haus alat PCD adalah haus pelekat, haus resapan dan kerosakan lapisan polikristal. Antaranya, kerosakan lapisan polikristal adalah sebab utama, yang ditunjukkan sebagai keruntuhan bilah halus yang disebabkan oleh hentaman luaran atau kehilangan pelekat dalam PDC, membentuk jurang, yang tergolong dalam kerosakan fizikal mekanikal, yang boleh menyebabkan pengurangan ketepatan pemprosesan dan cebisan bahan kerja. Saiz zarah PCD, bentuk bilah, sudut bilah, bahan bahan kerja dan parameter pemprosesan akan mempengaruhi kekuatan bilah bilah dan daya pemotongan, dan kemudian menyebabkan kerosakan lapisan polikristal. Dalam amalan kejuruteraan, saiz zarah bahan mentah yang sesuai, parameter alat dan parameter pemprosesan harus dipilih mengikut keadaan pemprosesan.
4. Trend pembangunan alat pemotong PCD
Pada masa ini, rangkaian aplikasi alat PCD telah diperluas daripada putaran tradisional kepada penggerudian, penggilingan, pemotongan berkelajuan tinggi, dan telah digunakan secara meluas di dalam dan luar negara. Perkembangan pesat kenderaan elektrik bukan sahaja membawa impak kepada industri automobil tradisional, tetapi juga membawa cabaran yang belum pernah terjadi sebelumnya kepada industri alat, mendesak industri alat untuk mempercepatkan pengoptimuman dan inovasi.
Penggunaan alat pemotong PCD yang meluas telah memperdalam dan mempromosikan penyelidikan dan pembangunan alat pemotong. Dengan peningkatan penyelidikan, spesifikasi PDC semakin kecil, pengoptimuman kualiti penghalusan butiran, keseragaman prestasi, kadar pengisaran dan nisbah haus semakin tinggi, serta kepelbagaian bentuk dan struktur. Arah penyelidikan alat PCD termasuk: ① menyelidik dan membangunkan lapisan PCD nipis; ② menyelidik dan membangunkan bahan alat PCD baharu; ③ penyelidikan untuk mengimpal alat PCD dengan lebih baik dan mengurangkan kos selanjutnya; ④ penyelidikan menambah baik proses pengisaran bilah alat PCD untuk meningkatkan kecekapan; ⑤ penyelidikan mengoptimumkan parameter alat PCD dan menggunakan alat mengikut keadaan tempatan; ⑥ penyelidikan memilih parameter pemotongan secara rasional mengikut bahan yang diproses.
ringkasan ringkas
(1) Prestasi pemotongan alat PCD, menampung kekurangan banyak alat karbida; pada masa yang sama, harganya jauh lebih rendah daripada alat berlian kristal tunggal, dalam pemotongan moden, adalah alat yang menjanjikan;
(2) Mengikut jenis dan prestasi bahan yang diproses, pemilihan saiz zarah dan parameter alat PCD yang munasabah, yang merupakan premis pembuatan dan penggunaan alat,
(3) Bahan PCD mempunyai kekerasan yang tinggi, yang merupakan bahan yang ideal untuk memotong pisau, tetapi ia juga membawa kesukaran untuk pembuatan alat pemotong. Semasa pembuatan, perlu mempertimbangkan secara komprehensif kesukaran proses dan keperluan pemprosesan, untuk mencapai prestasi kos terbaik;
(4) Bahan pemprosesan PCD di daerah pisau, kita harus memilih parameter pemotongan secara munasabah, berdasarkan prestasi produk yang memenuhi, sejauh mungkin untuk memanjangkan hayat perkhidmatan alat untuk mencapai keseimbangan hayat alat, kecekapan pengeluaran dan kualiti produk;
(5) Menyelidik dan membangunkan bahan alat PCD baharu untuk mengatasi kelemahan yang wujud
Artikel ini diambil daripada "rangkaian bahan super keras"
Masa siaran: 25 Mac 2025
