L'utensile PCD è realizzato con una punta di diamante policristallino e una matrice in carburo mediante sinterizzazione ad alta temperatura e alta pressione. Oltre a sfruttare appieno i vantaggi di elevata durezza, elevata conduttività termica, basso coefficiente di attrito, basso coefficiente di dilatazione termica, bassa affinità con metalli e non metalli, elevato modulo elastico, assenza di superfici di scissione e isotropia, offre anche l'elevata resistenza della lega dura.
Stabilità termica, tenacità all'impatto e resistenza all'usura sono i principali indicatori di prestazione del PCD. Poiché viene utilizzato principalmente in ambienti ad alta temperatura e con elevati livelli di stress, la stabilità termica è il fattore più importante. Lo studio dimostra che la stabilità termica del PCD ha un impatto significativo sulla sua resistenza all'usura e tenacità all'impatto. I dati mostrano che a temperature superiori a 750 °C, la resistenza all'usura e la tenacità all'impatto del PCD diminuiscono generalmente del 5%-10%.
Lo stato cristallino del PCD ne determina le proprietà. Nella microstruttura, gli atomi di carbonio formano legami covalenti con quattro atomi adiacenti, ottenendo la struttura tetraedrica e quindi formando il cristallo atomico, che presenta un forte orientamento e forza di legame, oltre a un'elevata durezza. I principali indici di prestazione del PCD sono i seguenti: ① la durezza può raggiungere 8000 HV, 8-12 volte superiore a quella del carburo; ② la conduttività termica è di 700 W/mK, 1,5-9 volte superiore, persino superiore a quella del PCBN e del rame; ③ il coefficiente di attrito è generalmente solo 0,1-0,3, molto inferiore a 0,4-1 del carburo, riducendo significativamente la forza di taglio; ④ il coefficiente di dilatazione termica è solo 0,9x10-6-1,18x10-6,1/5 del carburo, il che può ridurre la deformazione termica e migliorare la precisione di lavorazione; ⑤ e i materiali non metallici hanno una minore affinità alla formazione di noduli.
Il nitruro di boro cubico ha un'elevata resistenza all'ossidazione e può processare materiali contenenti ferro, ma la durezza è inferiore a quella del diamante monocristallino, la velocità di lavorazione è lenta e l'efficienza è bassa. Il diamante monocristallino ha un'elevata durezza, ma la tenacità è insufficiente. L'anisotropia ne facilita la dissociazione lungo la superficie (111) sotto l'impatto di forze esterne e l'efficienza di lavorazione è limitata. Il PCD è un polimero sintetizzato da particelle di diamante di dimensioni micrometriche con metodi specifici. La natura caotica dell'accumulo disordinato di particelle porta alla sua natura isotropa macroscopica e non presenta superfici direzionali o di clivaggio nella resistenza alla trazione. Rispetto al diamante monocristallino, il bordo di grano del PCD riduce efficacemente l'anisotropia e ottimizza le proprietà meccaniche.
1. Principi di progettazione degli utensili da taglio PCD
(1) Selezione ragionevole della dimensione delle particelle PCD
In teoria, il PCD dovrebbe cercare di raffinare i grani e la distribuzione degli additivi tra i prodotti dovrebbe essere il più uniforme possibile per superare l'anisotropia. La scelta della granulometria del PCD è anche correlata alle condizioni di lavorazione. In generale, il PCD con elevata resistenza, buona tenacità, buona resistenza agli urti e grana fine può essere utilizzato per finitura o superfinitura, mentre il PCD a grana grossa può essere utilizzato per la sgrossatura generale. La granulometria del PCD può influenzare significativamente la resistenza all'usura dell'utensile. La letteratura pertinente sottolinea che quando la grana della materia prima è grande, la resistenza all'usura aumenta gradualmente con la diminuzione della granulometria, ma quando la granulometria è molto piccola, questa regola non è applicabile.
Esperimenti correlati hanno selezionato quattro polveri di diamante con dimensioni medie delle particelle di 10 µm, 5 µm, 2 µm e 1 µm e si è concluso che: ① Con la diminuzione delle dimensioni delle particelle della materia prima, il Co si diffonde in modo più uniforme; con la diminuzione di ②, la resistenza all'usura e la resistenza al calore del PCD diminuiscono gradualmente.
(2) Scelta ragionevole della forma della bocca della lama e dello spessore della lama
La forma della bocca della lama comprende principalmente quattro strutture: bordo invertito, cerchio smussato, bordo invertito cerchio smussato composito e angolo acuto. La struttura angolare acuta rende il bordo affilato, la velocità di taglio è elevata, può ridurre significativamente la forza di taglio e la formazione di bave, migliorando la qualità superficiale del prodotto, ed è più adatta per leghe di alluminio a basso tenore di silicio e altri metalli non ferrosi a bassa durezza e finitura uniforme. La struttura rotonda ottusa può passivare la bocca della lama, formando un angolo R, prevenendo efficacemente la rottura della lama, adatta alla lavorazione di leghe di alluminio a medio/alto tenore di silicio. In alcuni casi speciali, come profondità di taglio ridotta e avanzamento lama ridotto, è preferibile la struttura rotonda smussata. La struttura del bordo invertito può aumentare i bordi e gli angoli, stabilizzare la lama, ma allo stesso tempo aumenta la pressione e la resistenza al taglio, più adatta per il taglio di carichi pesanti di leghe di alluminio ad alto tenore di silicio.
Per facilitare l'elettroerosione, si sceglie solitamente uno strato sottile di lamiera PDC (0,3-1,0 mm), più lo strato di carburo, per uno spessore totale dell'utensile di circa 28 mm. Lo strato di carburo non deve essere troppo spesso per evitare la stratificazione causata dalla differenza di stress tra le superfici di saldatura.
2, processo di fabbricazione degli utensili PCD
Il processo di produzione di un utensile in PCD determina direttamente le prestazioni di taglio e la durata dell'utensile, che rappresentano la chiave per la sua applicazione e il suo sviluppo. Il processo di produzione di un utensile in PCD è illustrato nella Figura 5.
(1) Produzione di compresse composite PCD (PDC)
① Processo di fabbricazione del PDC
Il PDC è generalmente composto da polvere di diamante naturale o sintetica e da un legante ad alta temperatura (1000-2000 °C) e alta pressione (5-10 atm). Il legante forma il ponte di legame con TiC, SiC, Fe, Co, Ni, ecc. come componenti principali, e il cristallo di diamante è incorporato nello scheletro del ponte di legame sotto forma di legame covalente. Il PDC viene generalmente prodotto in dischi con diametro e spessore fissi, sottoposti a rettifica, lucidatura e altri trattamenti fisici e chimici corrispondenti. In sostanza, la forma ideale del PDC dovrebbe mantenere il più possibile le eccellenti caratteristiche fisiche del diamante monocristallino, pertanto, gli additivi nel corpo di sinterizzazione dovrebbero essere il più possibile ridotti, mantenendo al contempo la combinazione di legami DD delle particelle il più possibile.
② Classificazione e selezione dei leganti
Il legante è il fattore più importante che influenza la stabilità termica dell'utensile in PCD, che a sua volta ne influenza direttamente durezza, resistenza all'usura e stabilità termica. I metodi di legatura PCD più comuni sono: ferro, cobalto, nichel e altri metalli di transizione. Come legante è stata utilizzata una polvere mista di Co e W e le prestazioni complessive del PCD di sinterizzazione sono state migliori quando la pressione di sintesi era di 5,5 GPa, la temperatura di sinterizzazione era di 1450 °C e l'isolamento per 4 minuti. SiC, TiC, WC, TiB2 e altri materiali ceramici. SiC La stabilità termica del SiC è migliore di quella del Co, ma la durezza e la tenacità alla frattura sono relativamente basse. Un'adeguata riduzione delle dimensioni della materia prima può migliorare la durezza e la tenacità del PCD. Nessun adesivo, con grafite o altre fonti di carbonio ad altissima temperatura e alta pressione bruciate in un diamante polimerico su scala nanometrica (NPD). L'uso della grafite come precursore per preparare l'NPD è nelle condizioni più impegnative, ma l'NPD sintetico ha la massima durezza e le migliori proprietà meccaniche.
Selezione e controllo dei grani ③
La polvere di diamante, materia prima, è un fattore chiave che influenza le prestazioni del PCD. Il pretrattamento della micropolvere di diamante, l'aggiunta di una piccola quantità di sostanze che ostacolano la crescita anomala di particelle di diamante e una selezione oculata di additivi per la sinterizzazione possono inibire la crescita di particelle di diamante anomale.
L'NPD ad alta purezza e una struttura uniforme possono eliminare efficacemente l'anisotropia e migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche. La polvere precursore di nanografite, preparata con il metodo di macinazione a sfere ad alta energia, è stata utilizzata per regolare il contenuto di ossigeno durante la pre-sinterizzazione ad alta temperatura, trasformando la grafite in diamante a meno di 18 GPa e 2100-2300 °C, generando NPD lamellare e granulare, e la durezza è aumentata con la riduzione dello spessore delle lamelle.
④ Trattamento chimico tardivo
Alla stessa temperatura (200 °C) e tempo (20 ore), l'effetto di rimozione del cobalto dell'acido di Lewis-FeCl3 è stato significativamente migliore di quello dell'acqua, e il rapporto ottimale di HCl era 10-15 g / 100 ml. La stabilità termica del PCD migliora con l'aumentare della profondità di rimozione del cobalto. Per PCD a crescita grossolana, il trattamento con acido forte può rimuovere completamente il Co, ma ha una grande influenza sulle prestazioni del polimero; l'aggiunta di TiC e WC per modificare la struttura policristallina sintetica e la combinazione con il trattamento con acido forte per migliorare la stabilità del PCD. Attualmente, il processo di preparazione dei materiali PCD sta migliorando, la tenacità del prodotto è buona, l'anisotropia è stata notevolmente migliorata, è stata realizzata la produzione commerciale e le industrie correlate si stanno sviluppando rapidamente.
(2) Lavorazione della lama PCD
① processo di taglio
Il PCD ha un'elevata durezza, una buona resistenza all'usura e un processo di taglio molto difficile.
② procedura di saldatura
PDC e corpo coltello mediante serraggio meccanico, incollaggio e brasatura. La brasatura consiste nel pressare il PDC sulla matrice di carburo, e include la brasatura sotto vuoto, la saldatura a diffusione sotto vuoto, la brasatura a induzione ad alta frequenza, la saldatura laser, ecc. La brasatura a induzione ad alta frequenza offre costi contenuti e un elevato rendimento ed è ampiamente utilizzata. La qualità della saldatura è correlata al flusso, alla lega di saldatura e alla temperatura di saldatura. La temperatura di saldatura (generalmente inferiore a 700 °C) ha il maggiore impatto; una temperatura troppo elevata può facilmente causare la grafitizzazione del PCD o persino una "sovracombustione", che influisce direttamente sull'effetto di saldatura, mentre una temperatura troppo bassa può portare a una resistenza di saldatura insufficiente. La temperatura di saldatura può essere controllata in base al tempo di isolamento e alla profondità di arrossamento del PCD.
③ processo di molatura della lama
Il processo di rettifica degli utensili PCD è fondamentale per il processo produttivo. Generalmente, il valore di picco della lama e della lama stessa è entro 5 µm e il raggio dell'arco è entro 4 µm; le superfici di taglio anteriore e posteriore garantiscono una finitura superficiale ottimale e riducono persino la Ra della superficie di taglio anteriore a 0,01 µm per soddisfare i requisiti di specularità, favorire il flusso dei trucioli lungo la superficie anteriore della lama e prevenirne l'inceppamento.
Il processo di rettifica delle lame comprende la rettifica meccanica con mola diamantata, la rettifica elettrica (EDG), la rettifica elettrolitica online con mola abrasiva super dura (ELID) e la rettifica di lame composite. Tra queste, la rettifica meccanica con mola diamantata è la più matura e ampiamente utilizzata.
Esperimenti correlati: ① la mola abrasiva a particelle grossolane provocherà un grave collasso della lama, mentre la dimensione delle particelle della mola abrasiva diminuirà e la qualità della lama migliorerà; la dimensione delle particelle della mola abrasiva ② è strettamente correlata alla qualità della lama degli utensili PCD a particelle fini o ultrafini, ma ha un effetto limitato sugli utensili PCD a particelle grossolane.
La ricerca correlata, sia in patria che all'estero, si concentra principalmente sul meccanismo e sul processo di rettifica delle lame. Nel meccanismo di rettifica delle lame, la rimozione termochimica e meccanica è dominante, mentre la rimozione di fragilità e fatica è relativamente ridotta. Durante la rettifica, in base alla resistenza e alla resistenza al calore delle diverse mole diamantate, è necessario aumentare il più possibile la velocità e la frequenza di oscillazione della mola, evitando la rimozione di fragilità e fatica, migliorando la percentuale di rimozione termochimica e riducendo la rugosità superficiale. La rugosità superficiale della rettifica a secco è bassa, ma a causa delle elevate temperature di lavorazione, la superficie dell'utensile può facilmente bruciarsi.
Il processo di affilatura delle lame deve prestare attenzione a: 1. Scegliere parametri di affilatura ragionevoli può migliorare la qualità della bocca del tagliente e la finitura superficiale anteriore e posteriore della lama. Tuttavia, bisogna considerare anche l'elevata forza di affilatura, le grandi perdite, la bassa efficienza di affilatura e i costi elevati; 2. Selezionare una mola di qualità ragionevole, inclusi tipo di legante, granulometria, concentrazione, legante e ravvivatura della mola, con ragionevoli condizioni di affilatura a secco e a umido, può ottimizzare l'angolo anteriore e posteriore dell'utensile, il valore di passivazione della punta del coltello e altri parametri, migliorando al contempo la qualità superficiale dell'utensile.
Le diverse mole diamantate con legante presentano caratteristiche diverse, nonché meccanismi ed effetti di rettifica differenti. La mola diamantata con legante in resina è morbida, le particelle di rettifica tendono a staccarsi prematuramente, non essendo resistente al calore, la superficie si deforma facilmente a causa del calore, la superficie di rettifica della lama è soggetta a segni di usura, elevata rugosità; la mola diamantata con legante metallico viene mantenuta affilata dalla frantumazione, buona formabilità, buona finitura superficiale, bassa rugosità superficiale della rettifica della lama, maggiore efficienza, tuttavia, la capacità di legare le particelle di rettifica rende scarsa l'autoaffilatura e il tagliente tende a lasciare spazi vuoti, causando gravi danni marginali; la mola diamantata con legante ceramico ha una resistenza moderata, buone prestazioni di autoeccitazione, più pori interni, favorisce la rimozione della polvere e la dissipazione del calore, può adattarsi a una varietà di refrigeranti, la bassa temperatura di rettifica, la mola è meno usurata, buona conservazione della forma, precisione della massima efficienza, tuttavia, il corpo della rettifica diamantata e del legante porta alla formazione di cavità sulla superficie dell'utensile. Utilizzare in base ai materiali da lavorare, all'efficienza di rettifica complessiva, alla durata dell'abrasivo e alla qualità della superficie del pezzo.
La ricerca sull'efficienza di rettifica si concentra principalmente sul miglioramento della produttività e sul controllo dei costi. Generalmente, la velocità di rettifica Q (rimozione di PCD per unità di tempo) e il rapporto di usura G (rapporto tra rimozione di PCD e perdita di mola) vengono utilizzati come criteri di valutazione.
Lo studioso tedesco KENTER ha testato la rettifica di utensili in PCD a pressione costante: ① aumenta la velocità della mola, la dimensione delle particelle di diamante periferico (PDC) e la concentrazione del refrigerante, riducendo la velocità di rettifica e il rapporto di usura; ② aumenta la dimensione delle particelle di rettifica, aumenta la pressione costante, aumenta la concentrazione di diamante nella mola, aumentando la velocità di rettifica e il rapporto di usura; ③ il tipo di legante è diverso, la velocità di rettifica e il rapporto di usura sono diversi. Il processo di rettifica delle lame degli utensili in PCD è stato studiato sistematicamente, ma l'influenza del processo di rettifica delle lame non è stata analizzata sistematicamente.
3. Utilizzo e guasti degli utensili da taglio PCD
(1) Selezione dei parametri di taglio dell'utensile
Durante il periodo iniziale di lavorazione dell'utensile in PCD, la bocca del tagliente affilato si è gradualmente passivata, migliorando la qualità della superficie di lavorazione. La passivazione può rimuovere efficacemente le micro fessure e le piccole bave causate dalla rettifica della lama, migliorando la qualità superficiale del tagliente e, allo stesso tempo, creando un raggio di curvatura circolare per comprimere e riparare la superficie lavorata, migliorando così la qualità superficiale del pezzo.
Fresatura di superfici di utensili PCD in lega di alluminio, la velocità di taglio è generalmente di 4000 m/min, la lavorazione dei fori è generalmente di 800 m/min, la lavorazione di metalli non ferrosi altamente elastici-plastici dovrebbe richiedere una velocità di tornitura maggiore (300-1000 m/min). Il volume di avanzamento è generalmente raccomandato tra 0,08 e 0,15 mm/giro. Un volume di avanzamento troppo elevato aumenta la forza di taglio, aumenta l'area geometrica residua della superficie del pezzo; un volume di avanzamento troppo ridotto aumenta il calore di taglio e aumenta l'usura. La profondità di taglio aumenta, la forza di taglio aumenta, il calore di taglio aumenta, la durata diminuisce, una profondità di taglio eccessiva può facilmente causare il collasso della lama; una profondità di taglio ridotta causerà indurimento della lavorazione, usura e persino il collasso della lama.
(2) Forma di usura
Durante la lavorazione degli utensili, l'usura è inevitabile a causa dell'attrito, delle alte temperature e di altri fattori. L'usura dell'utensile diamantato si compone di tre fasi: la fase iniziale di usura rapida (nota anche come fase di transizione), la fase di usura stabile con un tasso di usura costante e la successiva fase di usura rapida. La fase di usura rapida indica che l'utensile non è più in grado di lavorare e richiede una riaffilatura. Le forme di usura degli utensili da taglio includono usura adesiva (usura da saldatura a freddo), usura da diffusione, usura abrasiva, usura da ossidazione, ecc.
A differenza degli utensili tradizionali, gli utensili in PCD si usurano per usura adesiva, per diffusione e danneggiamento dello strato policristallino. Tra questi, il danneggiamento dello strato policristallino è la causa principale, che si manifesta con il leggero collasso della lama causato da impatto esterno o dalla perdita di adesivo nel PDC, formando una fessura. Questa è considerata un danno fisico-meccanico, che può portare alla riduzione della precisione di lavorazione e allo scarto dei pezzi. La granulometria delle particelle di PCD, la forma e l'angolazione della lama, il materiale del pezzo e i parametri di lavorazione influiscono sulla resistenza della lama e sulla forza di taglio, causando il danneggiamento dello strato policristallino. Nella pratica ingegneristica, la granulometria delle particelle di materia prima, i parametri dell'utensile e i parametri di lavorazione appropriati devono essere selezionati in base alle condizioni di lavorazione.
4. Tendenza di sviluppo degli utensili da taglio PCD
Attualmente, la gamma di applicazioni degli utensili in PCD si è ampliata dalla tornitura tradizionale alla foratura, alla fresatura e al taglio ad alta velocità, trovando ampio impiego sia in patria che all'estero. Il rapido sviluppo dei veicoli elettrici non ha solo avuto un impatto sull'industria automobilistica tradizionale, ma ha anche posto sfide senza precedenti all'industria degli utensili, spingendola ad accelerare l'ottimizzazione e l'innovazione.
L'ampia applicazione degli utensili da taglio in PCD ha approfondito e promosso la ricerca e lo sviluppo di utensili da taglio. Con l'approfondimento della ricerca, le specifiche PDC si stanno riducendo sempre di più, la qualità della raffinazione dei grani è ottimizzata, l'uniformità delle prestazioni è sempre maggiore, la velocità di rettifica e il rapporto di usura sono sempre più elevati, e la forma e la struttura sono diversificate. Le direzioni di ricerca per gli utensili in PCD includono: 1) ricerca e sviluppo di strati sottili di PCD; 2) ricerca e sviluppo di nuovi materiali per utensili in PCD; 3) ricerca per migliorare la saldatura degli utensili in PCD e ridurre ulteriormente i costi; 4) ricerca per migliorare il processo di rettifica delle lame degli utensili in PCD per aumentarne l'efficienza; 5) ricerca per ottimizzare i parametri degli utensili in PCD e utilizzarli in base alle condizioni locali; 6) ricerca per selezionare razionalmente i parametri di taglio in base ai materiali da lavorare.
breve riassunto
(1) Le prestazioni di taglio degli utensili PCD compensano la carenza di molti utensili in metallo duro; allo stesso tempo, il prezzo è molto più basso rispetto agli utensili in diamante monocristallino, nel taglio moderno, è uno strumento promettente;
(2) In base al tipo e alle prestazioni dei materiali lavorati, una selezione ragionevole delle dimensioni delle particelle e dei parametri degli utensili PCD, che è la premessa per la produzione e l'uso degli utensili,
(3) Il materiale PCD ha un'elevata durezza, che lo rende ideale per la produzione di coltelli da taglio, ma presenta anche difficoltà nella produzione di utensili da taglio. In fase di produzione, è necessario considerare attentamente la difficoltà del processo e le esigenze di lavorazione, al fine di ottenere il miglior rapporto costi-benefici;
(4) Materiali di lavorazione PCD nella contea di coltelli, dovremmo selezionare ragionevolmente parametri di taglio, sulla base della soddisfazione delle prestazioni del prodotto, per quanto possibile per estendere la durata utile dell'utensile al fine di raggiungere l'equilibrio tra durata dell'utensile, efficienza produttiva e qualità del prodotto;
(5) Ricercare e sviluppare nuovi materiali per utensili PCD per superare i suoi inconvenienti intrinseci
Questo articolo è tratto da "rete di materiali superduri"
Data di pubblicazione: 25-03-2025
