L'utensile PCD è realizzato con una punta di diamante policristallino e una matrice di carburo mediante sinterizzazione ad alta temperatura e alta pressione. Non solo sfrutta 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 superficie di scissione, isotropia, ma tiene anche conto dell'elevata resistenza della lega dura.
Stabilità termica, resilienza e resistenza all'usura sono i principali indicatori prestazionali del PCD. Poiché viene utilizzato principalmente in ambienti ad alta temperatura e con elevati 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 resilienza. I dati mostrano che a temperature superiori a 750 °C, la resistenza all'usura e la resilienza 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, nonché un'elevata durezza. I principali indici di prestazione 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 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 determinati metodi. La natura caotica dell'accumulo disordinato di particelle porta alla sua natura isotropa macroscopica e non vi è alcuna superficie direzionale e 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 la finitura o la superfinitura, mentre il PCD a grana grossa può essere utilizzato per la sgrossatura generale. La granulometria del PCD può influire significativamente sulle prestazioni di usura dell'utensile. La letteratura scientifica 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 bava, migliorare la qualità superficiale del prodotto, è più adatta per leghe di alluminio a basso contenuto di silicio e altri metalli non ferrosi a bassa durezza, finitura uniforme. La struttura rotonda ottusa può passivare la bocca della lama, formando un angolo R, prevenendo efficacemente la rottura della lama, adatta per la lavorazione di leghe di alluminio a medio/alto contenuto 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 contenuto di silicio.
Per facilitare l'elettroerosione, di solito si sceglie 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 dovrebbe 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 sono 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 la durezza, la resistenza all'usura e la stabilità termica. I metodi di legatura più comuni per il PCD 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 era di 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 nanometrico (NPD). L'uso della grafite come precursore per preparare l'NPD è nelle condizioni più impegnative, ma l'NPD sintetico presenta 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 piccole 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.
Un NPD ad alta purezza con una 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 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 diminuzione 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 del coltello mediante serraggio meccanico, incollaggio e brasatura. La brasatura consiste nel premere 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 ha costi contenuti e rendimenti elevati 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 in 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 specifica e riducono persino la superficie di taglio anteriore Ra a 0,01 µm per soddisfare i requisiti di specularità, far scorrere i trucioli lungo la superficie anteriore della lama ed evitare che la lama si attacchi.
Il processo di rettifica delle lame comprende la rettifica meccanica delle lame con mola diamantata, la rettifica elettrica delle lame (EDG), la rettifica elettrolitica delle lame con mola abrasiva super dura (ELID) e la rettifica delle lame composite. Tra queste, la rettifica meccanica delle lame con mola diamantata è la più matura e ampiamente utilizzata.
Esperimenti correlati: ① la mola abrasiva a particelle grossolane causerà un grave collasso della lama, e 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, 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 meccanica sono dominanti, 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 con legante, è necessario migliorare il più possibile la velocità e la frequenza di oscillazione della mola, evitare la rimozione di fragilità e fatica, migliorare la percentuale di rimozione termochimica e ridurre 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 rettifica della lama deve prestare attenzione a: 1. Scegliere parametri di rettifica ragionevoli, può migliorare la qualità della bocca del tagliente e la finitura superficiale anteriore e posteriore della lama. Tuttavia, considerare anche l'elevata forza di rettifica, le grandi perdite, la bassa efficienza di rettifica e i costi elevati; 2. Selezionare una mola di qualità ragionevole, inclusi tipo di legante, granulometria, concentrazione, legante, ravvivatura della mola, con ragionevoli condizioni di rettifica della lama 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 hanno caratteristiche diverse, nonché diversi meccanismi ed effetti di rettifica. La mola diamantata con legante in resina è morbida, le particelle di rettifica tendono a staccarsi prematuramente, non ha resistenza 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, superficie, 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 lascia facilmente uno spazio di impatto, 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 ritenzione della forma, la precisione della massima efficienza, tuttavia, il corpo della rettifica diamantata e il legante portano 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, come criteri di valutazione vengono utilizzati 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).
Lo studioso tedesco KENTER rettifica un utensile PCD a pressione costante, test: ① aumenta la velocità della mola, la dimensione delle particelle PDC e la concentrazione del refrigerante, la velocità di rettifica e il rapporto di usura si riducono; ② aumenta la dimensione delle particelle di rettifica, aumenta la pressione costante, aumenta la concentrazione di diamante nella mola, la velocità di rettifica e il rapporto di usura aumentano; ③ il tipo di legante è diverso, la velocità di rettifica e il rapporto di usura sono diversi. KENTER Il processo di rettifica della lama dell'utensile PCD è stato studiato sistematicamente, ma l'influenza del processo di rettifica della lama 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 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 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 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 necessita di una nuova affilatura. Le forme di usura degli utensili da taglio includono l'usura adesiva (usura da saldatura a freddo), l'usura da diffusione, l'usura abrasiva, l'usura da ossidazione, ecc.
A differenza degli utensili tradizionali, le forme di usura degli utensili in PCD sono l'usura adesiva, l'usura da diffusione e il danneggiamento dello strato policristallino. Tra queste, il danneggiamento dello strato policristallino è la causa principale, che si manifesta con il leggero collasso della lama causato da un impatto esterno o dalla perdita di adesivo nel PDC, formando uno spazio vuoto. Questo rientra nei danni fisico-meccanici, che possono portare alla riduzione della precisione di lavorazione e allo scarto dei pezzi. La dimensione delle particelle di PCD, la forma della lama, l'angolo 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 dimensione 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, l'ottimizzazione della qualità della raffinazione dei grani, l'uniformità delle prestazioni, la velocità di rettifica e il rapporto di usura sono sempre più elevati, e la diversificazione di forme e strutture. Le direzioni di ricerca degli 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 lavorati.
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 il materiale ideale per la produzione di coltelli da taglio, ma comporta anche difficoltà nella produzione di utensili da taglio. Durante la 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 Knife, 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 PCD per superare i suoi intrinseci svantaggi
Questo articolo è tratto da "rete di materiali superduri"
Data di pubblicazione: 25-03-2025
