La herramienta de PCD está fabricada con una punta de diamante policristalino y una matriz de carburo mediante sinterización a alta temperatura y alta presión. No solo aprovecha al máximo las ventajas de alta dureza, alta conductividad térmica, bajo coeficiente de fricción, bajo coeficiente de expansión térmica, baja afinidad con metales y no metales, alto módulo elástico, ausencia de superficie de clivaje e isotropía, sino que también tiene en cuenta la alta resistencia de la aleación dura.
La estabilidad térmica, la tenacidad al impacto y la resistencia al desgaste son los principales indicadores de rendimiento del PCD. Debido a su uso frecuente en entornos de alta temperatura y alta tensión, la estabilidad térmica es fundamental. El estudio demuestra que la estabilidad térmica del PCD influye significativamente en su resistencia al desgaste y tenacidad al impacto. Los datos muestran que, a temperaturas superiores a 750 °C, la resistencia al desgaste y la tenacidad al impacto del PCD generalmente disminuyen entre un 5 % y un 10 %.
El estado cristalino del PCD determina sus propiedades. En la microestructura, los átomos de carbono forman enlaces covalentes con cuatro átomos adyacentes, obteniendo 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 del PCD son los siguientes: ① la dureza puede alcanzar 8000 HV, 8-12 veces la del carburo; ② la conductividad térmica es de 700 W/mK, 1,5-9 veces, incluso más alta que el PCBN y el cobre; ③ el coeficiente de fricción es generalmente solo 0,1-0,3, mucho menor que 0,4-1 del carburo, lo que reduce significativamente la fuerza de corte; ④ el coeficiente de expansión térmica es solo 0,9x10-6-1,18x10-6,1/5 del carburo, lo que puede reducir la deformación térmica y mejorar la precisión del procesamiento; ⑤ y los materiales no metálicos tienen menos afinidad para formar nódulos.
El nitruro de boro cúbico tiene una fuerte resistencia a la oxidación y puede procesar materiales que contienen hierro, pero su dureza es menor que la del diamante monocristalino, la velocidad de procesamiento es lenta y la eficiencia es baja. El diamante monocristalino tiene una alta dureza, pero su tenacidad es insuficiente. La anisotropía facilita la disociación a lo largo de la superficie (111) bajo el impacto de una fuerza externa, y la eficiencia de procesamiento es limitada. El PCD es un polímero sintetizado a partir de partículas de diamante de tamaño micrométrico mediante ciertos métodos. La naturaleza caótica de la acumulación desordenada de partículas conduce a su naturaleza macroscópicamente isotrópica, y no hay superficie direccional ni de clivaje en la resistencia a la tracción. En comparación con el diamante monocristalino, el límite de grano del PCD reduce eficazmente la anisotropía y optimiza las propiedades mecánicas.
1. Principios de diseño de las herramientas de corte de PCD
(1) Selección razonable del tamaño de partícula de PCD
Teóricamente, el PCD debería intentar refinar los granos, y la distribución de aditivos entre los productos debería ser lo más uniforme posible para superar la anisotropía. La elección del tamaño de partícula del PCD también está relacionada con las condiciones de procesamiento. En general, el PCD con alta resistencia, buena tenacidad, buena resistencia al impacto y grano fino se puede utilizar para acabado o superacabado, y el PCD de grano grueso se puede utilizar para mecanizado basto general. El tamaño de partícula del PCD puede afectar significativamente el rendimiento de desgaste de la herramienta. La literatura pertinente señala que cuando el grano de la materia prima es grande, la resistencia al desgaste aumenta gradualmente a medida que disminuye el tamaño del grano, pero cuando el tamaño del grano es muy pequeño, esta regla no es aplicable.
En experimentos relacionados se seleccionaron cuatro polvos de diamante con tamaños de partícula promedio de 10 µm, 5 µm, 2 µm y 1 µm, y se concluyó que: ① Con la disminución del tamaño de partícula de la materia prima, el Co se difunde de manera más uniforme; con la disminución de ②, la resistencia al desgaste y la resistencia al calor del PCD disminuyeron gradualmente.
(2) Elección razonable de la forma de la boca de la hoja y del espesor de la hoja.
La forma de la boca de la hoja incluye principalmente cuatro estructuras: filo invertido, círculo romo, compuesto de filo invertido y círculo romo, y ángulo agudo. La estructura de ángulo agudo hace que el filo sea afilado, la velocidad de corte es rápida, puede reducir significativamente la fuerza de corte y la rebaba, mejora la calidad de la superficie del producto, es más adecuada para aleaciones de aluminio con bajo contenido de silicio y otros metales no ferrosos de baja dureza, acabado uniforme. La estructura redonda obtusa puede pasivar la boca de la hoja, formando un ángulo R, previniendo eficazmente la rotura de la hoja, adecuada para procesar aleaciones de aluminio con contenido medio/alto de silicio. En algunos casos especiales, como poca profundidad de corte y pequeño avance de la cuchilla, se prefiere la estructura redonda roma. La estructura de filo invertido puede aumentar los bordes y esquinas, estabilizando la hoja, pero al mismo tiempo aumentará la presión y la resistencia al corte, más adecuada para cortar cargas pesadas aleaciones de aluminio con alto contenido de silicio.
Para facilitar el mecanizado por electroerosión (EDM), normalmente se elige una capa delgada de lámina de PDC (0,3-1,0 mm), más la capa de carburo, con un espesor total de la herramienta 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 de PCD determina directamente su rendimiento de corte y su vida útil, lo cual es fundamental para su aplicación y desarrollo. El proceso de fabricación de la herramienta de PCD se muestra en la Figura 5.
(1) Fabricación de comprimidos compuestos de PCD (PDC)
① Proceso de fabricación del PDC
El PDC generalmente se compone de polvo de diamante natural o sintético y un agente aglutinante a alta temperatura (1000-2000 ℃) y alta presión (5-10 atm). El agente aglutinante forma un puente de unión con TiC, SiC, Fe, Co, Ni, etc. como componentes principales, y el cristal de diamante se incrusta en el esqueleto del puente de unión en forma de enlace covalente. El PDC generalmente se fabrica en discos con diámetro y espesor fijos, y se somete a rectificado, pulido y otros tratamientos físicos y químicos correspondientes. En esencia, la forma ideal del PDC debe conservar las excelentes características físicas del diamante monocristalino tanto como sea posible; por lo tanto, los aditivos en el cuerpo de sinterización deben ser lo menos posible, al mismo tiempo, la combinación de enlaces DD de partículas debe ser lo más posible.
② Clasificación y selección de carpetas
El aglutinante es el factor más importante que afecta la estabilidad térmica de la herramienta de PCD, lo que afecta directamente su dureza, resistencia al desgaste y estabilidad térmica. Los métodos comunes de unión de PCD son: hierro, cobalto, níquel y otros metales de transición. Se utilizó polvo mixto de Co y W como agente de unión, y el rendimiento integral del PCD sinterizado fue mejor cuando la presión de síntesis fue de 5,5 GPa, la temperatura de sinterización fue de 1450 ℃ y el aislamiento durante 4 min. SiC, TiC, WC, TiB2 y otros materiales cerámicos. SiC La estabilidad térmica del SiC es mejor que la del Co, pero la dureza y la tenacidad a la fractura son relativamente bajas. La reducción apropiada del tamaño de la materia prima puede mejorar la dureza y la tenacidad del PCD. Sin adhesivo, con grafito u otras fuentes de carbono en la temperatura ultra alta y alta presión quemada en un diamante polimérico a nanoescala (NPD). Usar grafito como precursor para preparar NPD son 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, materia prima fundamental, es un factor clave que afecta al rendimiento del PCD. El pretratamiento del micropulvo de diamante, la adición de una pequeña cantidad de sustancias que inhiben el crecimiento de partículas de diamante anómalas y la selección adecuada de aditivos de sinterización pueden inhibir dicho crecimiento.
El NPD de alta pureza con una estructura uniforme puede eliminar eficazmente la anisotropía y mejorar aún más las propiedades mecánicas. El polvo precursor de nanografito, preparado mediante molienda de bolas de alta energía, se utilizó para regular el contenido de oxígeno durante la presinterización a alta temperatura, transformando el grafito en diamante a 18 GPa y 2100-2300 ℃, generando NPD laminar y granular. La dureza aumentó al disminuir el espesor de la lámina.
④ Tratamiento químico tardío
A la misma temperatura (200 °℃) y tiempo (20 h), el efecto de eliminación de cobalto del ácido de Lewis-FeCl3 fue significativamente mejor que el del agua, y la proporción óptima de HCl fue de 10-15 g / 100 ml. La estabilidad térmica del PCD mejora a medida que aumenta la profundidad de eliminación de cobalto. Para el PCD de crecimiento de grano grueso, el tratamiento con ácido fuerte puede eliminar completamente el Co, pero tiene una gran influencia en el rendimiento del polímero; la adición de TiC y WC para cambiar la estructura policristalina sintética y combinar con el tratamiento con ácido fuerte para mejorar la estabilidad del PCD. Actualmente, el proceso de preparación de materiales PCD está mejorando, la tenacidad del producto es buena, la anisotropía ha mejorado mucho, se ha logrado la producción comercial, las industrias relacionadas están desarrollándose rápidamente.
(2) Procesamiento de la cuchilla PCD
① proceso de corte
El PCD tiene una alta dureza, buena resistencia al desgaste y un proceso de corte muy difícil.
② procedimiento de soldadura
El PDC y el cuerpo de la cuchilla se unen mediante sujeción mecánica, unión y soldadura fuerte. La soldadura fuerte consiste en presionar el PDC sobre la matriz de carburo, incluyendo soldadura fuerte al vacío, soldadura por difusión al vacío, soldadura fuerte por calentamiento por inducción de alta frecuencia, soldadura láser, etc. La soldadura fuerte por calentamiento por inducción de alta frecuencia tiene un bajo costo y un alto retorno, y se ha utilizado ampliamente. La calidad de la soldadura está relacionada con el fundente, la aleación de soldadura y la temperatura de soldadura. La temperatura de soldadura (generalmente inferior a 700 °C) tiene el mayor impacto; una temperatura demasiado alta puede causar fácilmente la grafitización del PCD, o incluso el "sobrecalentamiento", lo que afecta directamente el efecto de la soldadura, y una temperatura demasiado baja dará lugar a una resistencia de soldadura insuficiente. La temperatura de soldadura se puede controlar mediante el tiempo de aislamiento y la profundidad del enrojecimiento del PCD.
③ Proceso de afilado de la cuchilla
El proceso de rectificado de herramientas de PCD es clave para el proceso de fabricación. Generalmente, el valor máximo de la cuchilla y el radio del arco se encuentran dentro de 5 µm, y el radio del arco dentro de 4 µm; las superficies de corte frontal y posterior garantizan un acabado superficial determinado, e incluso se reduce la rugosidad superficial (Ra) de la superficie de corte frontal a 0,01 µm para cumplir con los requisitos de espejo, lo que permite que las virutas fluyan a lo largo de la superficie de la cuchilla frontal y evita que la cuchilla se adhiera.
El proceso de rectificado de cuchillas incluye el rectificado mecánico con muelas de diamante, el rectificado por electroerosión (EDG), el rectificado electrolítico en línea con muelas abrasivas superduras con aglutinante metálico (ELID) y el rectificado de cuchillas compuestas. Entre ellos, el rectificado mecánico con muelas de diamante es el más consolidado y el más utilizado.
Experimentos relacionados: ① la muela abrasiva de partículas gruesas provocará un colapso grave de la hoja, y el tamaño de partícula de la muela abrasiva disminuye, y la calidad de la hoja mejora; ② el tamaño de partícula de la muela abrasiva está estrechamente relacionado con la calidad de la hoja de las herramientas de PCD de partículas finas o ultrafinas, pero tiene un efecto limitado en las herramientas de PCD de partículas gruesas.
La investigación relacionada, tanto a nivel nacional como internacional, se centra principalmente en el mecanismo y el proceso de rectificado de cuchillas. En el mecanismo de rectificado de cuchillas, predominan la remoción termoquímica y mecánica, mientras que la remoción por fragilidad y fatiga es relativamente pequeña. Al rectificar, según la resistencia y la resistencia al calor de las muelas abrasivas de diamante con diferentes aglutinantes, se debe mejorar la velocidad y la frecuencia de oscilación de la muela en la medida de lo posible, evitar la fragilidad y la fatiga, mejorar la proporción de remoción termoquímica y reducir la rugosidad superficial. La rugosidad superficial del rectificado en seco es baja, pero debido a la alta temperatura de procesamiento, la superficie de la herramienta puede quemarse fácilmente.
El proceso de afilado de cuchillas requiere atención a lo siguiente: ① Elegir parámetros de afilado adecuados para obtener una calidad de borde superior y un mejor acabado superficial en la parte frontal y posterior de la cuchilla. Sin embargo, también hay que considerar la alta fuerza de afilado, las grandes pérdidas, la baja eficiencia de afilado y el alto costo. ② Seleccionar una calidad de muela abrasiva adecuada, incluyendo el tipo de aglutinante, el tamaño de partícula, la concentración, el aglutinante y el acondicionamiento de la muela, con condiciones de afilado en seco y húmedo adecuadas, para optimizar la pasivación de las esquinas frontal y posterior de la herramienta, el valor de la punta de la cuchilla y otros parámetros, mejorando así la calidad superficial de la herramienta.
Las distintas muelas abrasivas de diamante con aglutinante tienen características diferentes, así como distintos mecanismos y efectos de rectificado. La muela abrasiva de diamante con aglutinante de resina es blanda, las partículas de rectificado se desprenden fácilmente de forma prematura, no tiene resistencia al calor, la superficie se deforma fácilmente por el calor, la superficie de rectificado de la cuchilla es propensa a marcas de desgaste, gran rugosidad; la muela abrasiva de diamante con aglutinante metálico se mantiene afilada mediante trituración de rectificado, buena conformabilidad, acabado superficial, baja rugosidad superficial del rectificado de la cuchilla, mayor eficiencia, sin embargo, la capacidad de unión de las partículas de rectificado hace que el autoafilado sea deficiente, y el filo de corte es fácil que deje un hueco de impacto, causando graves daños marginales; la muela abrasiva de diamante con aglutinante cerámico tiene una resistencia moderada, buen rendimiento de autoexcitación, más poros internos, favoreciendo la eliminación de polvo y la disipación de calor, puede adaptarse a una variedad de refrigerantes, baja temperatura de rectificado, la muela abrasiva se desgasta menos, buena retención de forma, precisión de máxima eficiencia, sin embargo, el cuerpo de rectificado de diamante y el aglutinante conducen a la formación de picaduras en la superficie de la herramienta. Utilizar según los materiales a procesar, la eficiencia de rectificado general, la durabilidad del abrasivo y la calidad de la superficie de la pieza de trabajo.
La investigación sobre la eficiencia del rectificado se centra principalmente en mejorar la productividad y controlar los costes. Generalmente, la tasa de rectificado Q (eliminación de PCD por unidad de tiempo) y el índice de desgaste G (relación entre la eliminación de PCD y la pérdida de material de la muela) se utilizan como criterios de evaluación.
El investigador alemán KENTER realizó pruebas de rectificado de herramientas de PCD a presión constante: ① al aumentar la velocidad de la muela, el tamaño de partícula de PDC y la concentración de refrigerante, se reducen la tasa de rectificado y la tasa de desgaste; ② al aumentar el tamaño de partícula, aumentar la presión constante y aumentar la concentración de diamante en la muela, aumentan la tasa de rectificado y la tasa de desgaste; ③ al variar el tipo de aglutinante, varían la tasa de rectificado y la tasa de desgaste. KENTER estudió sistemáticamente el proceso de rectificado de cuchillas de herramientas de PCD, pero no analizó sistemáticamente la influencia del proceso de rectificado de cuchillas.
3. Uso y fallos de las herramientas de corte de PCD
(1) Selección de los parámetros de corte de la herramienta
Durante el período inicial de la herramienta de PCD, el borde afilado se pasivó gradualmente, mejorando la calidad de la superficie mecanizada. La pasivación elimina eficazmente las microfisuras y rebabas producidas durante el afilado de la cuchilla, mejorando la calidad de la superficie del filo de corte y, al mismo tiempo, formando un radio circular que comprime y repara la superficie procesada, mejorando así la calidad de la pieza.
Para el fresado de superficies de aleación de aluminio con herramientas PCD, la velocidad de corte suele ser de 4000 m/min, mientras que para el mecanizado de agujeros se suele utilizar una velocidad de torneado de 800 m/min. Para el mecanizado de metales no ferrosos de alta elasticidad y plasticidad se recomienda una velocidad de torneado mayor (300-1000 m/min). El avance recomendado generalmente oscila entre 0,08 y 0,15 mm/r. Un avance excesivo incrementa la fuerza de corte y el área geométrica residual de la superficie de la pieza; un avance insuficiente aumenta el calor de corte y el desgaste. A mayor profundidad de corte, mayor fuerza de corte, mayor calor de corte y menor vida útil. Una profundidad de corte excesiva puede provocar fácilmente el colapso de la cuchilla; una profundidad de corte pequeña conlleva endurecimiento por mecanizado, desgaste e incluso el colapso de la cuchilla.
(2) Usar formulario
Durante el procesamiento de la pieza de trabajo con herramientas, el desgaste es inevitable debido a la fricción, las altas temperaturas y otros factores. El desgaste de la herramienta de diamante consta de tres etapas: la fase inicial de desgaste rápido (también conocida como fase de transición), la fase de desgaste estable con una tasa de desgaste constante y la posterior fase de desgaste rápido. Esta última indica que la herramienta no está funcionando correctamente y requiere reafilado. Los tipos de desgaste de las herramientas de corte incluyen el desgaste adhesivo (desgaste por soldadura en frío), el desgaste por difusión, el desgaste abrasivo, el desgaste por oxidación, etc.
A diferencia de las herramientas tradicionales, el desgaste de las herramientas de PCD se manifiesta como desgaste adhesivo, desgaste por difusión y daño en la capa policristalina. El daño en la capa policristalina es la causa principal, manifestándose como un colapso sutil de la hoja debido a un impacto externo o a la pérdida de adhesión en el PDC, lo que genera una brecha. Este daño físico-mecánico puede reducir la precisión del mecanizado y provocar el desperdicio de piezas. El tamaño de partícula del PCD, la forma de la hoja, el ángulo de la hoja, el material de la pieza y los parámetros de procesamiento influyen en la resistencia y la fuerza de corte de la hoja, lo que a su vez causa el daño en la capa policristalina. En la práctica, se debe seleccionar el tamaño de partícula de la materia prima, los parámetros de la herramienta y los parámetros de procesamiento adecuados según las condiciones de mecanizado.
4. Tendencia de desarrollo de las herramientas de corte de PCD
Actualmente, el ámbito de aplicación de las herramientas de PCD se ha ampliado desde el torneado tradicional hasta el taladrado, el fresado y el corte de alta velocidad, y se utilizan ampliamente tanto a nivel nacional como internacional. El rápido desarrollo de los vehículos eléctricos no solo ha impactado en la industria automotriz tradicional, sino que también ha planteado desafíos sin precedentes a la industria de herramientas, impulsando a esta última a acelerar la optimización y la innovación.
La amplia aplicación de las herramientas de corte de PCD ha impulsado y profundizado la investigación y el desarrollo de dichas herramientas. Con la profundización de la investigación, las especificaciones de PCD se reducen cada vez más, se optimiza la calidad del refinamiento del grano, la uniformidad del rendimiento, la tasa de rectificado y la relación de desgaste aumentan, y se diversifican la forma y la estructura. Las líneas de investigación de las herramientas de PCD incluyen: ① investigación y desarrollo de capas delgadas de PCD; ② investigación y desarrollo de nuevos materiales para herramientas de PCD; ③ investigación para mejorar la soldadura de las herramientas de PCD y reducir aún más los costos; ④ investigación para mejorar el proceso de rectificado de las hojas de las herramientas de PCD y aumentar la eficiencia; ⑤ investigación para optimizar los parámetros de las herramientas de PCD y utilizarlas según las condiciones locales; ⑥ investigación para seleccionar racionalmente los parámetros de corte según los materiales procesados.
breve resumen
(1) El rendimiento de corte de las herramientas de PCD compensa la escasez de muchas herramientas de carburo; al mismo tiempo, el precio es mucho menor que el de las herramientas de diamante monocristalino, en el corte moderno, es una herramienta prometedora;
(2) Según el tipo y el rendimiento de los materiales procesados, una selección razonable del tamaño de partícula y los parámetros de las herramientas de PCD, que es la premisa de la fabricación y el uso de la herramienta,
(3) El material PCD tiene una alta dureza, lo que lo convierte en el material ideal para el corte de cuchillas, pero también conlleva dificultades para la fabricación de herramientas de corte. Al fabricar, es necesario considerar de manera integral la dificultad del proceso y las necesidades de procesamiento, con el fin de lograr el mejor rendimiento en términos de costo;
(4) Los materiales de procesamiento de PCD en el condado de cuchillos, debemos seleccionar razonablemente los parámetros de corte, sobre la base de cumplir con el rendimiento del producto, en la medida de lo posible extender la vida útil de la herramienta para lograr el equilibrio entre la vida útil de la herramienta, la eficiencia de producción y la calidad del producto;
(5) Investigar y desarrollar nuevos materiales para herramientas de PCD para superar sus inconvenientes inherentes.
Este artículo proviene de "red de materiales superduros"
Fecha de publicación: 25 de marzo de 2025
