L'utensile in PCD è realizzato con una punta di diamante policristallino e una matrice di carburo tramite sinterizzazione ad alta temperatura e alta pressione. Ciò consente di sfruttare appieno i vantaggi di elevata durezza, alta 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 clivaggio e isotropia, tenendo conto anche dell'elevata resistenza delle leghe dure.
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 ad alto stress, la stabilità termica è di fondamentale importanza. 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, quando la temperatura supera i 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 formano il cristallo atomico, che ha una forte forza di orientamento e di legame e un'elevata durezza. I principali indici prestazionali del PCD sono i seguenti: ① la durezza può raggiungere 8000 HV, 8-12 volte quella del carburo; ② la conduttività termica è di 700 W/mK, 1,5-9 volte, 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 a formare noduli.
Il nitruro di boro cubico ha una forte resistenza all'ossidazione e può lavorare materiali contenenti ferro, ma la sua 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 una tenacità insufficiente. L'anisotropia lo rende facilmente soggetto a dissociazione lungo la superficie (111) sotto l'impatto di una forza esterna, e l'efficienza di lavorazione è limitata. Il PCD è un polimero sintetizzato da particelle di diamante di dimensioni micrometriche mediante un determinato metodo. La natura caotica dell'accumulo disordinato di particelle determina la sua natura macroscopicamente isotropica e non presenta superfici di clivaggio direzionali nella resistenza alla trazione. Rispetto al diamante monocristallino, i bordi dei grani del PCD riducono efficacemente l'anisotropia e ottimizzano le proprietà meccaniche.
1. Principi di progettazione degli utensili da taglio in PCD
(1) Selezione ragionevole della dimensione delle particelle di PCD
In teoria, il PCD dovrebbe mirare ad affinare la grana 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 all'impatto e grana fine può essere utilizzato per la finitura o la superfinitura, mentre il PCD a grana grossa può essere utilizzato per la sgrossatura generale. La granulometria del PCD può influenzare significativamente le prestazioni di usura dell'utensile. La letteratura pertinente evidenzia 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 della dimensione 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, combinazione di bordo invertito e cerchio smussato e angolo acuto. La struttura ad angolo acuto 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 contenuto di silicio e altri metalli non ferrosi a bassa durezza e con finitura uniforme. La struttura arrotondata ottusa può passivare la bocca della lama, formando un angolo a R, prevenendo efficacemente la rottura della lama, adatta alla lavorazione di leghe di alluminio a medio/alto contenuto di silicio. In alcuni casi particolari, come profondità di taglio ridotte e avanzamento ridotto della lama, è preferibile la struttura arrotondata smussata. La struttura a bordo invertito può aumentare i bordi e gli angoli, stabilizzando la lama, ma allo stesso tempo aumenta la pressione e la resistenza al taglio, più adatta al taglio di carichi pesanti di leghe di alluminio ad alto contenuto di silicio.
Per facilitare l'elettroerosione, si sceglie solitamente uno strato sottile di 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 sollecitazione tra le superfici di incollaggio.
2. Processo di fabbricazione degli utensili in PCD
Il processo di fabbricazione degli utensili in PCD determina direttamente le prestazioni di taglio e la durata dell'utensile stesso, elementi chiave per la sua applicazione e il suo sviluppo. Il processo di fabbricazione degli utensili in PCD è illustrato nella Figura 5.
(1) Fabbricazione di compresse composite di PCD (PDC)
① Processo di produzione del PDC
Il PDC è generalmente composto da polvere di diamante naturale o sintetica e agente legante ad alta temperatura (1000-2000℃) e alta pressione (5-10 atm). L'agente legante forma il ponte legante con TiC, Sic, Fe, Co, Ni, ecc. come componenti principali, e il cristallo di diamante è incorporato nello scheletro del ponte legante sotto forma di legame covalente. Il PDC è generalmente realizzato in dischi con diametro e spessore fissi, e sottoposto a molatura, lucidatura e altri trattamenti fisico-chimici corrispondenti. In sostanza, la forma ideale del PDC dovrebbe conservare il più possibile le eccellenti caratteristiche fisiche del diamante monocristallino, pertanto, gli additivi nel corpo di sinterizzazione dovrebbero essere ridotti al minimo, allo stesso tempo, la combinazione del legame particella-DD dovrebbe essere il più completa 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 influenza direttamente la sua durezza, resistenza all'usura e stabilità termica. I metodi di legame comuni per il PCD sono: ferro, cobalto, nichel e altri metalli di transizione. Polvere mista di Co e W è stata utilizzata come agente legante e le prestazioni complessive del PCD sinterizzato sono state migliori quando la pressione di sintesi era di 5,5 GPa, la temperatura di sinterizzazione era di 1450℃ e l'isolamento per 4 min. 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'appropriata riduzione delle dimensioni della materia prima può migliorare la durezza e la tenacità del PCD. Senza adesivo, con grafite o altre fonti di carbonio ad altissima temperatura e alta pressione bruciate in un diamante polimerico su scala nanometrica (NPD). L'utilizzo della grafite come precursore per preparare l'NPD rappresenta le condizioni più impegnative, ma l'NPD sintetizzato ha la massima durezza e le migliori proprietà meccaniche.
Selezione e controllo dei cereali
La materia prima, la polvere di diamante, è un fattore chiave che influenza le prestazioni del PCD. Il pretrattamento della micropolvera di diamante, l'aggiunta di una piccola quantità di sostanze che ostacolano la crescita anomala delle particelle di diamante e una selezione oculata degli additivi di sinterizzazione possono inibire la crescita di tali particelle.
L'NPD ad elevata purezza con struttura uniforme può 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 nella pre-sinterizzazione ad alta temperatura, trasformando la grafite in diamante a 18 GPa e 2100-2300℃, generando NPD lamellare e granulare, e la durezza è aumentata con la diminuzione dello spessore delle lamelle.
④ Trattamento chimico tardivo
Alla stessa temperatura (200 °℃) e tempo (20 ore), l'effetto di rimozione del cobalto dell'acido di Lewis-FeCl3 è risultato significativamente migliore rispetto a quello dell'acqua, e il rapporto ottimale di HCl è stato di 10-15 g/100 ml. La stabilità termica del PCD migliora all'aumentare della profondità di rimozione del cobalto. Per il PCD a grana grossa, 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 migliorano 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 in PCD
① processo di taglio
Il PCD presenta elevata durezza, buona resistenza all'usura e un processo di taglio estremamente difficile.
② procedura di saldatura
Il PDC e il corpo della lama vengono fissati tramite serraggio meccanico, incollaggio e brasatura. La brasatura consiste nel premere il PDC sulla matrice di carburo, e può essere effettuata tramite brasatura sottovuoto, saldatura a diffusione sottovuoto, brasatura a induzione ad alta frequenza, saldatura laser, ecc. La brasatura a induzione ad alta frequenza ha un basso costo e un elevato ritorno sull'investimento, 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 l'impatto maggiore: una temperatura troppo elevata può facilmente causare la grafitizzazione del PCD, o addirittura una "sovra-combustione", che influisce direttamente sull'effetto della saldatura, mentre una temperatura troppo bassa porterà a una resistenza di saldatura insufficiente. La temperatura di saldatura può essere controllata dal tempo di isolamento e dalla profondità di ossidazione del PCD.
③ processo di affilatura della lama
Il processo di rettifica degli utensili in PCD è fondamentale per il processo produttivo. Generalmente, il valore di picco della lama e della lama è entro 5 µm e il raggio dell'arco è entro 4 µm; la superficie di taglio anteriore e posteriore garantiscono una certa finitura superficiale e si può persino ridurre la Ra della superficie di taglio anteriore a 0,01 µm per soddisfare i requisiti di specchiatura, in modo che i trucioli scorrano lungo la superficie della lama anteriore e impediscano l'inceppamento della lama.
Il processo di affilatura delle lame comprende l'affilatura meccanica con mola diamantata, l'affilatura con elettroerosione (EDG), l'affilatura elettrolitica in linea con mola abrasiva superdura a legante metallico (ELID) e l'affilatura di lame composite. Tra questi, l'affilatura meccanica con mola diamantata è la più matura e la più diffusa.
Esperimenti correlati: ① la mola a grana grossa provoca un grave collasso della lama, e la granulometria della mola diminuisce, migliorando la qualità della lama; ② la granulometria della mola è strettamente correlata alla qualità della lama degli utensili in PCD a grana fine o ultrafine, ma ha un effetto limitato sugli utensili in PCD a grana grossa.
La ricerca correlata in patria e all'estero si concentra principalmente sul meccanismo e sul processo di rettifica delle lame. Nel meccanismo di rettifica delle lame, la rimozione termochimica e la rimozione meccanica sono dominanti, mentre la rimozione fragile e la rimozione da fatica sono relativamente piccole. Durante la rettifica, in base alla resistenza e alla resistenza al calore delle mole diamantate con legante diverso, si migliora la velocità e la frequenza di oscillazione della mola il più possibile, si evita la rimozione fragile e da fatica, si migliora la proporzione di rimozione termochimica e si riduce la rugosità superficiale. La rugosità superficiale della rettifica a secco è bassa, ma facilmente a causa dell'alta temperatura di lavorazione, si brucia la superficie dell'utensile,
Nel processo di affilatura delle lame è necessario prestare attenzione a: ① scegliere parametri di affilatura adeguati, che possono migliorare la qualità del bordo tagliente e la finitura superficiale della lama, sia sul lato anteriore che su quello posteriore. Tuttavia, è importante considerare anche l'elevata forza di affilatura, le grandi perdite, la bassa efficienza e gli alti costi; ② selezionare una mola di qualità adeguata, inclusi il tipo di legante, la granulometria, la concentrazione, la qualità del legante e la ravvivatura della mola. Con condizioni di affilatura a secco e a umido ottimali, è possibile ottimizzare l'angolo anteriore e posteriore dell'utensile, il valore di passivazione della punta e altri parametri, migliorando al contempo la qualità superficiale dell'utensile.
Le mole diamantate con legante di diverso tipo presentano caratteristiche, meccanismi ed effetti di rettifica differenti. Le mole diamantate con legante in resina sono morbide, le particelle abrasive tendono a staccarsi prematuramente, non hanno resistenza al calore, la superficie si deforma facilmente a causa del calore, la superficie della lama è soggetta a segni di usura e presentano un'elevata rugosità. Le mole diamantate con legante metallico mantengono l'affilatura tramite frantumazione, hanno una buona formabilità e capacità di spianatura, una bassa rugosità superficiale della lama e una maggiore efficienza. Tuttavia, la scarsa capacità legante delle particelle abrasive compromette l'autoaffilatura e il tagliente tende a lasciare spazi vuoti, causando gravi danni ai margini. Le mole diamantate con legante ceramico hanno una resistenza moderata, buone prestazioni di auto-eccitazione, più pori interni, favoriscono la rimozione della polvere e la dissipazione del calore, si adattano a diversi fluidi di raffreddamento, la bassa temperatura di rettifica, la mola si usura meno, mantiene bene la forma e offre la massima precisione. Tuttavia, la combinazione del corpo della mola diamantata con il 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 superficiale del pezzo.
La ricerca sull'efficienza della rettifica si concentra principalmente sul miglioramento della produttività e sul controllo dei costi. Generalmente, come criteri di valutazione vengono utilizzati il tasso di rettifica Q (asportazione di PCD per unità di tempo) e il rapporto di usura G (rapporto tra l'asportazione di PCD e la perdita della mola).
Lo studioso tedesco KENTER ha testato la rettifica di utensili in PCD con pressione costante: ① aumentando la velocità della mola, la dimensione delle particelle di PDC e la concentrazione del refrigerante, la velocità di rettifica e il rapporto di usura si riducono; ② aumentando la dimensione delle particelle di rettifica, aumentando la pressione costante, aumentando la concentrazione di diamante nella mola, la velocità di rettifica e il rapporto di usura aumentano; ③ con diversi tipi di legante, la velocità di rettifica e il rapporto di usura sono diversi. KENTER ha studiato sistematicamente il processo di rettifica della lama degli utensili in PCD, ma non ha analizzato sistematicamente l'influenza del processo di rettifica della lama.
3. Utilizzo e guasti degli utensili da taglio in PCD
(1) Selezione dei parametri di taglio dell'utensile
Durante la fase iniziale di utilizzo dell'utensile in PCD, la punta del tagliente si passiva gradualmente, migliorando la qualità della superficie lavorata. La passivazione rimuove efficacemente le micro-fessure e le piccole bave causate dall'affilatura della lama, migliorando la qualità superficiale del tagliente e, allo stesso tempo, formando un raggio di raccordo circolare che compatta e ripara la superficie lavorata, migliorando così la qualità superficiale del pezzo.
Per la fresatura di superfici in lega di alluminio con utensili in PCD, la velocità di taglio è generalmente di 4000 m/min, mentre per la lavorazione di fori è di 800 m/min. Per la lavorazione di metalli non ferrosi ad alta elasticità e plasticità è consigliabile una velocità di tornitura più elevata (300-1000 m/min). Il volume di avanzamento è generalmente raccomandato tra 0,08 e 0,15 mm/giro. Un volume di avanzamento eccessivo aumenta la forza di taglio e l'area geometrica residua della superficie del pezzo; un volume di avanzamento insufficiente aumenta il calore generato dal taglio e l'usura. All'aumentare della profondità di taglio, aumentano la forza di taglio, il calore generato dal taglio e la durata dell'utensile diminuisce. Una profondità di taglio eccessiva può facilmente causare il cedimento della lama; una profondità di taglio insufficiente può portare a indurimento, usura e persino al cedimento della lama.
(2) Forma di usura
Durante la lavorazione dei pezzi, a causa dell'attrito, delle alte temperature e di altri fattori, l'usura è inevitabile. L'usura degli utensili diamantati si articola in 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 necessita di essere riaffilato. Le forme di usura degli utensili da taglio includono l'usura adesiva (usura da saldatura a freddo), l'usura per diffusione, l'usura abrasiva, l'usura per ossidazione, ecc.
A differenza degli utensili tradizionali, l'usura degli utensili in PCD si manifesta con usura adesiva, usura per diffusione e danneggiamento dello strato policristallino. Tra questi, il danneggiamento dello strato policristallino è la causa principale, che si manifesta con un lieve collasso della lama dovuto a un impatto esterno o alla perdita di adesivo nel PCD, con conseguente formazione di un'intercapedine. Questo tipo di danno rientra nella categoria dei danni fisico-meccanici, che possono portare a una riduzione della precisione di lavorazione e allo scarto dei pezzi. La granulometria del PCD, la forma della lama, l'angolo della lama, il materiale del pezzo e i parametri di lavorazione influenzano la resistenza della lama e la forza di taglio, causando a loro volta il danneggiamento dello strato policristallino. In ambito ingegneristico, è fondamentale selezionare la granulometria della materia prima, i parametri dell'utensile e i parametri di lavorazione appropriati in base alle condizioni di lavorazione.
4. Andamento dello sviluppo degli utensili da taglio in PCD
Attualmente, il campo di applicazione degli utensili in PCD si è esteso 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 solo ha 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 intensificato e promosso la ricerca e lo sviluppo di tali utensili. Con l'approfondimento della ricerca, le specifiche del PCD diventano sempre più piccole, la qualità dell'affinamento della grana viene ottimizzata, l'uniformità delle prestazioni, la velocità di rettifica e il rapporto di usura aumentano, e si assiste a una diversificazione di forme e strutture. Le direzioni di ricerca sugli 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 utilizzare gli utensili in base alle condizioni locali; ⑥ ricerca per selezionare razionalmente i parametri di taglio in base ai materiali lavorati.
breve riassunto
(1) Le prestazioni di taglio degli utensili in PCD compensano le carenze di molti utensili in carburo; allo stesso tempo, il prezzo è di gran lunga inferiore a quello degli utensili in diamante monocristallino, e nel taglio moderno rappresentano uno strumento promettente;
(2) In base al tipo e alle prestazioni dei materiali lavorati, una selezione ragionevole della dimensione delle particelle e dei parametri degli utensili in PCD, che è il presupposto della fabbricazione e dell'uso degli utensili,
(3) Il materiale PCD ha un'elevata durezza, che lo rende il materiale ideale per la produzione di lame da taglio, ma comporta anche difficoltà nella fabbricazione degli utensili da taglio. Durante la fabbricazione, è necessario considerare in modo completo la difficoltà del processo e le esigenze di lavorazione, al fine di ottenere il miglior rapporto costo-prestazioni;
(4) Nei materiali di lavorazione PCD nella contea dei coltelli, dovremmo selezionare ragionevolmente i parametri di taglio, sulla base del soddisfacimento delle prestazioni del prodotto, per quanto possibile per estendere la durata di servizio 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 in PCD per superare i suoi svantaggi intrinseci
Questo articolo proviene da "rete di materiale superduro"
Data di pubblicazione: 25 marzo 2025
