Fabricación y aplicación de la herramienta de diamante policristalino

La herramienta PCD está hecha de punta de cuchillo de diamante policristalino y matriz de carburo a través de la sinterización de alta temperatura y alta presión. No solo puede dar juego completo a las ventajas de la alta dureza, la alta conductividad térmica, el coeficiente de baja fricción, el coeficiente de expansión térmica baja, la pequeña afinidad con el metal y el módulo elástico no metálico, sin superficie de escisión, isotrópico, pero también tienen en cuenta la alta resistencia de la aleación dura.
La estabilidad térmica, la resistencia al impacto y la resistencia al desgaste son los principales indicadores de rendimiento de PCD. Debido a que se usa principalmente en un entorno de alta temperatura y alto estrés, la estabilidad térmica es lo más importante. El estudio muestra que la estabilidad térmica de PCD tiene un gran impacto en su resistencia al desgaste y resistencia al impacto. Los datos muestran que cuando la temperatura es superior a 750 ℃, la resistencia al desgaste y la dureza de impacto de PCD generalmente disminuyen en un 5% -10%.
El estado de cristal de la PCD determina sus propiedades. En la microestructura, los átomos de carbono forman enlaces covalentes con cuatro átomos adyacentes, obtienen la estructura tetraédrica y luego forman el cristal atómico, que tiene una fuerte orientación y fuerza de unión, y alta dureza. Los principales índices de rendimiento de PCD son los siguientes: ① La dureza puede alcanzar 8000 HV, 8-12 veces de carburo; ② La conductividad térmica es de 700W / MK, 1.5-9 veces, incluso más alta que PCBN y cobre; ③ El coeficiente de fricción generalmente es solo 0.1-0.3, mucho menos que 0.4-1 de carburo, reduciendo significativamente la fuerza de corte; ④ El coeficiente de expansión térmica es solo 0.9x10-6-1.18x10-6,1 / 5 de carburo, lo que puede reducir la deformación térmica y mejorar la precisión del procesamiento; ⑤ y los materiales no metálicos son menos afinidad por formar nódulos.
El nitruro de boro cúbico tiene una fuerte resistencia a la oxidación y puede procesar materiales que contienen hierro, pero la dureza es menor que el diamante de cristal único, la velocidad de procesamiento es lenta y la eficiencia es baja. El diamante de cristal único tiene alta dureza, pero la resistencia es insuficiente. La anisotropía facilita la disociación a lo largo de la superficie (111) bajo el impacto de la fuerza externa, y la eficiencia del procesamiento es limitada. PCD es un polímero sintetizado por partículas de diamantes del tamaño de un micrón por ciertos medios. La naturaleza caótica de la acumulación desordenada de partículas conduce a su naturaleza isotrópica macroscópica, y no hay superficie direccional y de escisión en la resistencia a la tracción. En comparación con el diamante de cristal único, el límite de grano de PCD reduce efectivamente la anisotropía y optimiza las propiedades mecánicas.
1. Principios de diseño de herramientas de corte PCD
(1) Selección razonable de tamaño de partícula PCD
Teóricamente, PCD debe tratar de refinar los granos, y la distribución de aditivos entre los productos debe ser lo más uniforme posible para superar la anisotropía. La elección del tamaño de partícula de PCD también está relacionada con las condiciones de procesamiento. En términos generales, la PCD con alta resistencia, buena resistencia, buena resistencia al impacto y grano fino se puede usar para terminar o súper acabado, y el PCD de grano grueso se puede usar para el mecanizado en bruto general. El tamaño de partícula de PCD puede afectar significativamente el rendimiento de desgaste de la herramienta. La literatura relevante señala que cuando el grano de la materia prima es grande, la resistencia al desgaste aumenta gradualmente con la disminución del tamaño del grano, pero cuando el tamaño del grano es muy pequeño, esta regla no es aplicable.
Experimentos relacionados seleccionaron cuatro polvo de diamantes con tamaños de partícula promedio de 10um, 5um, 2um y 1um, y se concluyó que: ① Con la disminución del tamaño de partícula de la materia prima, CO se difunde de manera más uniforme; Con la disminución de ②, la resistencia al desgaste y la resistencia al calor de PCD disminuyeron gradualmente.
(2) Elección razonable de la forma de la boca y el grosor de la cuchilla
La forma de la boca de la cuchilla incluye principalmente cuatro estructuras: borde invertido, círculo roma, compuesto de círculo rubio de borde invertido y ángulo afilado. La estructura angular afilada hace que el borde sea agudo, la velocidad de corte es rápida, puede reducir significativamente la fuerza de corte y las rebabas, mejorar la calidad de la superficie del producto, es más adecuada para la aleación de aluminio de silicio bajo y otra baja dureza, un acabado de metal no ferroso uniforme. La estructura redonda obtusa puede pasivar la boca de la cuchilla, formando el ángulo R, evitando efectivamente la ruptura de la cuchilla, adecuada para procesamiento de mediano / aleación de aluminio de silicio alto. En algunos casos especiales, como la profundidad de corte poco profunda y la alimentación de cuchillos pequeños, se prefiere la estructura redonda contundente. La estructura del borde invertido puede aumentar los bordes y las esquinas, estabilizar la cuchilla, pero al mismo tiempo aumentará la presión y la resistencia de corte, más adecuada para la carga de aluminio de aluminio de alto silicio de carga pesada.
Para facilitar el EDM, generalmente elija una capa de hoja PDC delgada (0.3-1.0 mm), más la capa de carburo, el grosor total de la herramienta es de aproximadamente 28 mm. La capa de carburo no debe ser demasiado gruesa para evitar la estratificación causada por la diferencia de tensión entre las superficies de unión
2, proceso de fabricación de herramientas de PCD
El proceso de fabricación de la herramienta PCD determina directamente el rendimiento de corte y la vida útil de la herramienta, que es la clave para su aplicación y desarrollo. El proceso de fabricación de la herramienta PCD se muestra en la Figura 5.
(1) Fabricación de tabletas compuestas PCD (PDC)
① Proceso de fabricación del PDC
PDC generalmente está compuesto por polvo de diamante natural o sintético y agente de unión a alta temperatura (1000-2000 ℃) y alta presión (5-10 atm). El agente de unión forma el puente de unión con TIC, SIC, FE, CO, Ni, etc. como componentes principales, y el cristal de diamante está incrustado en el esqueleto del puente de unión en forma de enlace covalente. PDC generalmente se convierte en discos con diámetro fijo y grosor, y molienda y pulido y otros tratamientos físicos y químicos correspondientes. En esencia, la forma ideal de PDC debe retener las excelentes características físicas del diamante de cristal único tanto como sea posible, por lo tanto, los aditivos en el cuerpo de sinterización deberían ser lo menos poco posible, al mismo tiempo, la combinación de enlace DD de partícula tanto como sea posible,
② Clasificación y selección de aglutinantes
La carpeta es el factor más importante que afecta la estabilidad térmica de la herramienta PCD, que afecta directamente su dureza, resistencia al desgaste y estabilidad térmica. Los métodos comunes de unión PCD son: hierro, cobalto, níquel y otros metales de transición. El polvo mixto CO y W se usó como agente de unión, y el rendimiento integral de la PCD de sinterización fue mejor cuando la presión de síntesis fue de 5,5 GPa, la temperatura de sinterización fue de 1450 ℃ y el aislamiento para 4 minutos. SIC, TIC, WC, TIB2 y otros materiales cerámicos. SIC La estabilidad térmica de SIC es mejor que la de CO, pero la dureza y la tenacidad de la fractura son relativamente bajas. La reducción adecuada del tamaño de la materia prima puede mejorar la dureza y la tenacidad de la PCD. No hay adhesivo, con grafito u otras fuentes de carbono en la temperatura ultra alta y alta presión quemada en un diamante de polímero a nanoescala (NPD). El uso del grafito como precursor para preparar NPD es las condiciones más exigentes, pero el NPD sintético tiene la mayor dureza y las mejores propiedades mecánicas.
Selección y control de ③ granos
El polvo de diamante de materia prima es un factor clave que afecta el rendimiento de PCD. Pretrating Diamond Microperder, agregando una pequeña cantidad de sustancias que obstaculizan el crecimiento anormal de las partículas de diamantes y la selección razonable de aditivos sinterizantes pueden inhibir el crecimiento de partículas anormales de diamantes.
NPD puro alto con una estructura uniforme puede eliminar efectivamente la anisotropía y mejorar aún más las propiedades mecánicas. El polvo precursor de nanografías preparado por el método de molienda de bolas de alta energía se utilizó para regular el contenido de oxígeno a alta temperatura preinterrumpida, transformando el grafito en diamantes bajo 18 GPA y 2100-2300 ℃, generando NPD de lámina y granular, y la dureza aumentó con la disminución del espesor de la lámina.
④ Tratamiento químico tardío
A la misma temperatura (200 ° ℃) y el tiempo (20 h), el efecto de eliminación de cobalto del ácido de Lewis-FECL3 fue significativamente mejor que la del agua, y la relación óptima de HCl fue de 10-15 g / 100 ml. La estabilidad térmica de PCD mejora a medida que aumenta la profundidad de eliminación de cobalto. Para el crecimiento de grano grueso PCD, el tratamiento con ácido fuerte puede eliminar por completo la CO, pero tiene una gran influencia en el rendimiento del polímero; Agregar Tic y WC para cambiar la estructura policristal sintética y combinar con un tratamiento ácido fuerte para mejorar la estabilidad de PCD. En la actualidad, el proceso de preparación de los materiales PCD está mejorando, la dureza del producto es buena, la anisotropía ha mejorado considerablemente, ha realizado la producción comercial, las industrias relacionadas se están desarrollando rápidamente.
(2) Procesamiento de la cuchilla PCD
① Proceso de corte
PCD tiene alta dureza, buena resistencia al desgaste y un proceso de corte alto y difícil.
② Procedimiento de soldadura
PDC y el cuerpo del cuchillo por abrazadera mecánica, unión y soldadura. La soldadura es presionar PDC en la matriz de carburo, incluida la soldadura por vacío, la soldadura por difusión del vacío, la soldadura de calentamiento por inducción de alta frecuencia, soldadura por láser, etc. La soldadura de calentamiento por inducción de alta frecuencia tiene bajo costo y alto rendimiento, y se ha utilizado ampliamente. La calidad de soldadura está relacionada con el flujo, la aleación de soldadura y la temperatura de soldadura. La temperatura de soldadura (generalmente inferior a 700 ° ℃) tiene el mayor impacto, la temperatura es demasiado alta, es fácil de causar la grafitización de PCD, o incluso la "quema demasiado", lo que afecta directamente el efecto de soldadura, y la temperatura demasiado baja conducirá a una resistencia a la soldadura insuficiente. La temperatura de soldadura puede controlarse por el tiempo de aislamiento y la profundidad del enrojecimiento de PCD.
③ Proceso de molienda de cuchillas
El proceso de molienda de herramientas PCD es la clave para el proceso de fabricación. En general, el valor máximo de la cuchilla y la cuchilla está dentro de 5um, y el radio del arco está dentro de 4um; La superficie de corte delantera y trasera asegura un acabado superficial cierto, e incluso reduce la superficie de corte delantero RA a 0.01 μ m para cumplir con los requisitos del espejo, haga que las patatas fritas fluyan a lo largo de la superficie del cuchillo delantero y eviten el cuchillo pegajoso.
El proceso de molienda de cuchillas incluye molienda mecánica de la rueda mecánica de diamantes, molienda de cuchillas eléctrica (EDG), aglutinante de metal súper dura Rueda de molienda abrasiva en línea Molilla de cuchilla de acabado electrolítico (ELID), mecanizado de molienda de cuchillas compuestas. Entre ellos, la molienda mecánica de la rueda de molienda de diamantes es la más madura, la más utilizada.
Experimentos relacionados: ① La rueda de molienda de partículas gruesas conducirá a un colapso de cuchilla grave, y el tamaño de partícula de la rueda de molienda disminuye, y la calidad de la cuchilla mejorará; El tamaño de partícula de la rueda de molienda ② está estrechamente relacionado con la calidad de la cuchilla de las herramientas PCD de partículas finas o partículas ultrafinas, pero tiene un efecto limitado en las herramientas de PCD de partículas gruesas.
La investigación relacionada en el hogar y en el extranjero se centra principalmente en el mecanismo y el proceso de molienda de cuchillas. En el mecanismo de molienda de la cuchilla, la extracción termocémica y la eliminación mecánica son los dominantes, y la eliminación frágil y la eliminación de fatiga son relativamente pequeñas. Al moler, de acuerdo con la resistencia y la resistencia al calor de las diferentes ruedas de molienda de diamantes de un agente de unión, mejore la velocidad y la frecuencia de oscilación de la rueda de molienda en la medida de lo posible, evite la fragilidad y la eliminación de la fatiga, mejoren la proporción de la eliminación termoquímica y reduzca la rugosidad de la superficie. La rugosidad de la superficie de la molienda seca es baja, pero fácilmente debido a la alta temperatura de procesamiento, la superficie de la herramienta de quemaduras,
El proceso de molienda de cuchillas debe prestar atención a: ① Elija los parámetros razonables del proceso de molienda de cuchillas, puede hacer que la calidad de la boca del borde sea más excelente, la superficie de la cuchilla delantera y trasera más alta. Sin embargo, también considere una alta fuerza de molienda, gran pérdida, baja eficiencia de rectificado, alto costo; ② Seleccione la calidad razonable de la rueda de molienda, que incluye tipo de aglutinante, tamaño de partícula, concentración, aglutinante, aderezo para la rueda de molienda, con condiciones razonables de molienda de cuchillas secas y húmedas, puede optimizar la esquina delantera y trasera de la herramienta, el valor de pasivación de la punta del cuchillo y otros parámetros, mientras mejoran la calidad de la superficie de la herramienta.
Diferentes ruedas de molienda de diamantes de unión tiene diferentes características y diferentes mecanismos de molienda y efecto. La rueda de arena de diamante de la carpeta de resina es suave, las partículas de molienda son fáciles de caer prematuramente, sin tener resistencia al calor, la superficie se deforma fácilmente por el calor, la superficie de molienda de cuchillas es propensa a las marcas de desgaste, una gran rugosidad; La rueda de molienda de diamantes de la carpeta de metal se mantiene aguda mediante la trituración de la molienda, la buena formabilidad, la superficie, la baja rugosidad de la superficie de la molienda de la cuchilla, una mayor eficiencia, sin embargo, la capacidad de unión de las partículas de molienda hace que el auto-flotador sea pobre, y el borde de corte es fácil de dejar una brecha de impacto, causando un daño marginal grave; La rueda de molienda de diamantes de la carpeta de cerámica tiene una resistencia moderada, un buen rendimiento de la autoexcitación, más poros internos, favoritos para la eliminación del polvo y la disipación de calor, puede adaptarse a una variedad de refrigerantes, la baja temperatura de molienda, la rueda de molienda está menos desgastada, la retención de buena forma, la precisión de la eficiencia más alta, sin embargo, el cuerpo del diamante y el billete de backing a la formación de las pits en la superficie de la herramienta en la superficie de la herramienta. Use según los materiales de procesamiento, la eficiencia de molienda integral, la durabilidad abrasiva y la calidad de la superficie de la pieza de trabajo.
La investigación sobre la eficiencia de la molienda se centra principalmente en mejorar la productividad y el costo de control. En general, la velocidad de molienda Q (eliminación de PCD por unidad de tiempo) y la relación de desgaste G (relación de eliminación de PCD a la pérdida de la rueda de molienda) se utilizan como criterios de evaluación.
Herramienta PCD de molienda de académico alemán Kenter con presión constante, prueba: ① Aumenta la velocidad de la rueda de molienda, el tamaño de partícula de PDC y la concentración de refrigerante, la velocidad de molienda y la relación de desgaste se reducen; ② Aumenta el tamaño de partícula de molienda, aumenta la presión constante, aumenta la concentración de diamante en la rueda de molienda, la velocidad de molienda y la relación de desgaste aumentan; ③ El tipo de carpeta es diferente, la velocidad de molienda y la relación de desgaste son diferentes. Kenter El proceso de molienda de cuchillas de la herramienta PCD se estudió sistemáticamente, pero la influencia del proceso de molienda de cuchillas no se analizó sistemáticamente.

3. Uso y falla de las herramientas de corte PCD
(1) Selección de parámetros de corte de herramientas
Durante el período inicial de la herramienta PCD, la boca del borde afilado se pasó gradualmente y la calidad de la superficie de mecanizado mejoró. La pasivación puede eliminar efectivamente el micro espacio y las pequeñas rebabas traídas por la molienda de la cuchilla, mejorar la calidad de la superficie de la vanguardia y, al mismo tiempo, formar un radio de borde circular para exprimir y reparar la superficie procesada, mejorando así la calidad de la superficie de la pieza de trabajo.
La aleación de aluminio de la superficie de la herramienta PCD, la velocidad de corte generalmente está en 4000 m / min, el procesamiento de agujeros generalmente está en 800 m / min, el procesamiento de metal no ferroso de plástico elástico alto debe tomar una velocidad de giro más alta (300-1000m / min). El volumen de alimentación generalmente se recomienda entre 0.08-0.15 mm/r. Volumen de alimentación demasiado grande, mayor fuerza de corte, aumento del área geométrica residual de la superficie de la pieza de trabajo; Volumen de alimentación demasiado pequeño, mayor calor de corte y mayor desgaste. La profundidad de corte aumenta, aumenta la fuerza de corte, el calor de corte aumenta, la vida disminuye, la profundidad de corte excesiva puede causar fácilmente el colapso de la cuchilla; La pequeña profundidad de corte conducirá al endurecimiento del mecanizado, el desgaste e incluso el colapso de la cuchilla.
(2) Usar forma
La pieza de trabajo de procesamiento de herramientas, debido a la fricción, la alta temperatura y otras razones, el desgaste es inevitable. El desgaste de la herramienta de diamante consta de tres etapas: la fase de desgaste rápida inicial (también conocida como fase de transición), la fase de desgaste estable con una velocidad de desgaste constante y la fase de desgaste rápida posterior. La fase de desgaste rápida indica que la herramienta no funciona y requiere regreso. Las formas de desgaste de las herramientas de corte incluyen desgaste adhesivo (desgaste de soldadura en frío), desgaste de difusión, desgaste abrasivo, desgaste de oxidación, etc.
A diferencia de las herramientas tradicionales, la forma de desgaste de las herramientas PCD es el desgaste adhesivo, el desgaste de difusión y el daño de la capa policristalina. Entre ellos, el daño de la capa policristal es la razón principal, que se manifiesta como el colapso sutil de la cuchilla causado por el impacto externo o la pérdida de adhesivo en PDC, formando una brecha, que pertenece al daño mecánico físico, lo que puede conducir a la reducción de la precisión de procesamiento y el chaquetería de las obras de trabajo. El tamaño de partícula de PCD, la forma de la cuchilla, el ángulo de la cuchilla, el material de la pieza de trabajo y los parámetros de procesamiento afectarán la resistencia de la cuchilla y la fuerza de corte, y luego causarán el daño de la capa policristal. En la práctica de ingeniería, el tamaño apropiado de partículas de materia prima, los parámetros de la herramienta y los parámetros de procesamiento deben seleccionarse de acuerdo con las condiciones de procesamiento.

4. Tendencia de desarrollo de herramientas de corte PCD
En la actualidad, el rango de aplicaciones de la herramienta PCD se ha ampliado desde el giro tradicional hasta la perforación, la fresación, el corte de alta velocidad, y se ha utilizado ampliamente en el hogar y en el extranjero. El rápido desarrollo de vehículos eléctricos no solo ha aportado un impacto en la industria del automóvil tradicional, sino que también trajo desafíos sin precedentes a la industria de herramientas, instando a la industria de las herramientas a acelerar la optimización y la innovación.
La amplia aplicación de herramientas de corte PCD ha profundizado y promovido la investigación y el desarrollo de herramientas de corte. Con la profundización de la investigación, las especificaciones de PDC se están volviendo cada vez más pequeñas, la optimización de calidad de refinamiento de granos, la uniformidad de rendimiento, la tasa de molienda y la relación de desgaste son cada vez más altas, la diversificación de forma y estructura. Las instrucciones de investigación de las herramientas PCD incluyen: ① Investigar y desarrollar una capa PCD delgada; ② Investigue y desarrolla nuevos materiales de herramientas PCD; ③ Investigación para soldar mejor las herramientas de PCD y reducir aún más los costos; ④ La investigación mejora el proceso de rectificado de la cuchilla de la herramienta PCD para mejorar la eficiencia; ⑤ La investigación optimiza los parámetros de la herramienta PCD y utiliza herramientas de acuerdo con las condiciones locales; ⑥ La investigación selecciona racionalmente los parámetros de corte según los materiales procesados.
resumen breve
(1) rendimiento de corte de herramientas PCD, compensan la escasez de muchas herramientas de carburo; Al mismo tiempo, el precio es mucho más bajo que la herramienta de diamante de cristal único, en el corte moderno, es una herramienta prometedora;
(2) Según el tipo y rendimiento de los materiales procesados, una selección razonable del tamaño de partícula y los parámetros de las herramientas PCD, que es la premisa de fabricación y uso de herramientas,
(3) El material PCD tiene una dureza alta, que es el material ideal para cortar el condado de cuchillo, pero también trae la dificultad para la fabricación de herramientas de corte. Al fabricar, para considerar exhaustivamente la dificultad del proceso y las necesidades de procesamiento, para lograr el mejor rendimiento de costos;
(4) Materiales de procesamiento de PCD en el condado de Knife, debemos seleccionar razonablemente parámetros de corte, sobre la base de cumplir con el rendimiento del producto, en la medida de lo posible para extender la vida útil de la herramienta para lograr el equilibrio de la vida de la herramienta, la eficiencia de producción y la calidad del producto;
(5) Investigar y desarrollar nuevos materiales de herramientas PCD para superar sus inconvenientes inherentes
Este artículo se obtiene del "Red de material sobrealimentada"