Alat PCD terbuat dari ujung pisau berlian polikristalin dan matriks karbida melalui sintering suhu dan tekanan tinggi. Keunggulannya tidak hanya kekerasan tinggi, konduktivitas termal tinggi, koefisien gesek rendah, koefisien ekspansi termal rendah, afinitas rendah terhadap logam dan non-logam, modulus elastisitas tinggi, tanpa permukaan pembelahan, dan isotropik, tetapi juga kekuatan tinggi paduan keras.
Stabilitas termal, ketangguhan impak, dan ketahanan aus merupakan indikator kinerja utama PCD. Karena PCD sering digunakan pada lingkungan bersuhu dan bertekanan tinggi, stabilitas termal merupakan faktor terpenting. Studi menunjukkan bahwa stabilitas termal PCD memiliki pengaruh yang signifikan terhadap ketahanan aus dan ketangguhan impaknya. Data menunjukkan bahwa pada suhu di atas 750℃, ketahanan aus dan ketangguhan impak PCD umumnya menurun sebesar 5%-10%.
Keadaan kristal PCD menentukan sifat-sifatnya. Dalam struktur mikro, atom karbon membentuk ikatan kovalen dengan empat atom yang berdekatan, memperoleh struktur tetrahedral, dan kemudian membentuk kristal atom, yang memiliki orientasi dan gaya ikat yang kuat, dan kekerasan yang tinggi. Indeks kinerja utama PCD adalah sebagai berikut: ① kekerasan dapat mencapai 8000 HV, 8-12 kali karbida; ② konduktivitas termal adalah 700W / mK, 1,5-9 kali, bahkan lebih tinggi dari PCBN dan tembaga; ③ koefisien gesekan umumnya hanya 0,1-0,3, jauh lebih kecil dari 0,4-1 karbida, secara signifikan mengurangi gaya pemotongan; ④ koefisien ekspansi termal hanya 0,9x10-6-1,18x10-6,1 / 5 karbida, yang dapat mengurangi deformasi termal dan meningkatkan akurasi pemrosesan; ⑤ dan bahan non-logam kurang afinitas untuk membentuk nodul.
Boron nitrida kubik memiliki ketahanan oksidasi yang kuat dan dapat memproses material yang mengandung besi, tetapi kekerasannya lebih rendah daripada berlian kristal tunggal, kecepatan pemrosesannya lambat dan efisiensinya rendah. Berlian kristal tunggal memiliki kekerasan yang tinggi, tetapi ketangguhannya tidak mencukupi. Anisotropi membuatnya mudah terdisosiasi sepanjang permukaan (111) di bawah pengaruh gaya eksternal, dan efisiensi pemrosesannya terbatas. PCD adalah polimer yang disintesis oleh partikel berlian berukuran mikron dengan cara tertentu. Sifat kacau dari akumulasi partikel yang tidak teratur menyebabkan sifat isotropik makroskopisnya, dan tidak ada permukaan arah dan belahan dalam kekuatan tarik. Dibandingkan dengan berlian kristal tunggal, batas butir PCD secara efektif mengurangi anisotropi dan mengoptimalkan sifat mekanik.
1. Prinsip desain alat potong PCD
(1) Pemilihan ukuran partikel PCD yang wajar
Secara teoritis, PCD harus berusaha untuk menghaluskan butiran, dan distribusi aditif antar produk harus seseragam mungkin untuk mengatasi anisotropi. Pemilihan ukuran partikel PCD juga berkaitan dengan kondisi pemrosesan. Secara umum, PCD dengan kekuatan tinggi, ketangguhan yang baik, ketahanan benturan yang baik, dan butiran halus dapat digunakan untuk finishing atau super finishing, sementara PCD dengan butiran kasar dapat digunakan untuk pemesinan kasar umum. Ukuran partikel PCD dapat memengaruhi kinerja keausan pahat secara signifikan. Literatur terkait menunjukkan bahwa ketika butiran bahan baku besar, ketahanan aus secara bertahap meningkat seiring dengan penurunan ukuran butiran, tetapi ketika ukuran butiran sangat kecil, aturan ini tidak berlaku.
Percobaan terkait memilih empat bubuk berlian dengan ukuran partikel rata-rata 10um, 5um, 2um dan 1um, dan disimpulkan bahwa: ① Dengan berkurangnya ukuran partikel bahan baku, Co berdifusi lebih merata; dengan berkurangnya ②, ketahanan aus dan ketahanan panas PCD secara bertahap menurun.
(2) Pilihan bentuk mulut bilah dan ketebalan bilah yang wajar
Bentuk mulut bilah terutama mencakup empat struktur: tepi terbalik, lingkaran tumpul, komposit lingkaran tumpul tepi terbalik dan sudut tajam. Struktur sudut tajam membuat tepi tajam, kecepatan pemotongan cepat, dapat secara signifikan mengurangi gaya pemotongan dan gerinda, meningkatkan kualitas permukaan produk, lebih cocok untuk paduan aluminium silikon rendah dan kekerasan rendah lainnya, finishing logam non-ferrous yang seragam. Struktur bulat tumpul dapat mempasifkan mulut bilah, membentuk Sudut R, secara efektif mencegah bilah patah, cocok untuk memproses paduan aluminium silikon sedang / tinggi. Dalam beberapa kasus khusus, seperti kedalaman pemotongan dangkal dan pengumpanan pisau kecil, struktur bulat tumpul lebih disukai. Struktur tepi terbalik dapat meningkatkan tepi dan sudut, menstabilkan bilah, tetapi pada saat yang sama akan meningkatkan tekanan dan ketahanan pemotongan, lebih cocok untuk pemotongan beban berat paduan aluminium silikon tinggi.
Untuk memudahkan EDM, biasanya dipilih lapisan lembaran PDC tipis (0,3-1,0 mm), ditambah lapisan karbida. Ketebalan total alat sekitar 28 mm. Lapisan karbida tidak boleh terlalu tebal untuk menghindari stratifikasi akibat perbedaan tegangan antar permukaan ikatan.
2, proses pembuatan alat PCD
Proses manufaktur alat PCD secara langsung menentukan kinerja pemotongan dan masa pakai alat, yang merupakan kunci penerapan dan pengembangannya. Proses manufaktur alat PCD ditunjukkan pada Gambar 5.
(1) Pembuatan tablet komposit PCD (PDC)
① Proses pembuatan PDC
PDC umumnya terdiri dari bubuk intan alami atau sintetis dan agen pengikat pada suhu tinggi (1000-2000℃) dan tekanan tinggi (5-10 atm). Agen pengikat membentuk jembatan pengikat dengan TiC, Sic, Fe, Co, Ni, dll. sebagai komponen utama, dan kristal intan tertanam dalam kerangka jembatan pengikat dalam bentuk ikatan kovalen. PDC umumnya dibuat menjadi cakram dengan diameter dan ketebalan tetap, dan digiling serta dipoles serta perlakuan fisik dan kimia terkait lainnya. Intinya, bentuk ideal PDC harus mempertahankan karakteristik fisik intan kristal tunggal semaksimal mungkin. Oleh karena itu, aditif dalam badan sintering harus seminimal mungkin, sementara kombinasi ikatan DD partikel semaksimal mungkin.
② Klasifikasi dan pemilihan binder
Pengikat adalah faktor terpenting yang mempengaruhi stabilitas termal alat PCD, yang secara langsung mempengaruhi kekerasan, ketahanan aus dan stabilitas termalnya. Metode ikatan PCD yang umum adalah: besi, kobalt, nikel dan logam transisi lainnya. Bubuk campuran Co dan W digunakan sebagai agen pengikat, dan kinerja komprehensif PCD sintering paling baik ketika tekanan sintesis adalah 5,5 GPa, suhu sintering adalah 1450℃ dan isolasi selama 4 menit. SiC, TiC, WC, TiB2, dan bahan keramik lainnya. SiC Stabilitas termal SiC lebih baik daripada Co, tetapi kekerasan dan ketangguhan patah relatif rendah. Pengurangan ukuran bahan baku yang tepat dapat meningkatkan kekerasan dan ketangguhan PCD. Tidak ada perekat, dengan grafit atau sumber karbon lainnya dalam suhu ultra-tinggi dan tekanan tinggi yang dibakar menjadi berlian polimer skala nano (NPD). Menggunakan grafit sebagai prekursor untuk menyiapkan NPD merupakan kondisi yang paling menantang, tetapi NPD sintetis memiliki kekerasan tertinggi dan sifat mekanis terbaik.
Pemilihan dan pengendalian biji-bijian ③
Bahan baku bubuk berlian merupakan faktor kunci yang memengaruhi kinerja PCD. Perlakuan awal bubuk berlian mikro, penambahan sejumlah kecil zat penghambat pertumbuhan partikel berlian abnormal, dan pemilihan aditif sintering yang tepat dapat menghambat pertumbuhan partikel berlian abnormal.
NPD dengan kemurnian tinggi dan struktur seragam dapat secara efektif menghilangkan anisotropi dan semakin meningkatkan sifat mekanik. Bubuk prekursor nanografit yang disiapkan dengan metode penggilingan bola berenergi tinggi digunakan untuk mengatur kadar oksigen pada pra-sintering suhu tinggi, mengubah grafit menjadi intan pada tekanan 18 GPa dan 2100-2300℃, menghasilkan lamela dan NPD granular, dan kekerasannya meningkat seiring dengan berkurangnya ketebalan lamela.
4. Perawatan kimia yang terlambat
Pada suhu yang sama (200 °℃) dan waktu (20 jam), efek penghilangan kobalt dari asam Lewis-FeCl3 secara signifikan lebih baik daripada air, dan rasio optimal HCl adalah 10-15g / 100ml. Stabilitas termal PCD meningkat seiring dengan meningkatnya kedalaman penghilangan kobalt. Untuk PCD pertumbuhan berbutir kasar, perlakuan asam kuat dapat sepenuhnya menghilangkan Co, tetapi memiliki pengaruh besar pada kinerja polimer; menambahkan TiC dan WC untuk mengubah struktur polikristal sintetis dan menggabungkan dengan perlakuan asam kuat untuk meningkatkan stabilitas PCD. Saat ini, proses persiapan bahan PCD membaik, ketangguhan produk baik, anisotropi telah sangat ditingkatkan, telah mewujudkan produksi komersial, industri terkait berkembang pesat.
(2) Pemrosesan bilah PCD
① proses pemotongan
PCD memiliki kekerasan tinggi, ketahanan aus yang baik, dan proses pemotongan yang sangat sulit.
② prosedur pengelasan
PDC dan badan pisau diproses dengan penjepit mekanis, pengikatan, dan penyolderan. Penyambungan dilakukan dengan menekan PDC pada matriks karbida, termasuk penyolderan vakum, pengelasan difusi vakum, penyolderan pemanasan induksi frekuensi tinggi, pengelasan laser, dll. Penyolderan pemanasan induksi frekuensi tinggi memiliki biaya rendah dan hasil yang tinggi, serta telah banyak digunakan. Kualitas pengelasan berkaitan dengan fluks, paduan las, dan suhu pengelasan. Suhu pengelasan (umumnya di bawah 700 °C) memiliki dampak terbesar. Suhu yang terlalu tinggi dapat menyebabkan grafitasi PCD, atau bahkan "pembakaran berlebih", yang secara langsung memengaruhi hasil pengelasan. Suhu yang terlalu rendah akan menyebabkan kekuatan las yang tidak memadai. Suhu pengelasan dapat dikontrol dengan waktu isolasi dan kedalaman kemerahan PCD.
③ proses penggilingan bilah
Proses penggilingan alat PCD merupakan kunci proses manufaktur. Umumnya, nilai puncak bilah dan bilah berada dalam rentang 5 um, dan radius busur berada dalam rentang 4 um; permukaan pemotongan depan dan belakang memastikan penyelesaian permukaan tertentu, dan bahkan mengurangi permukaan pemotongan depan Ra menjadi 0,01 μm untuk memenuhi persyaratan cermin, membuat serpihan mengalir di sepanjang permukaan pisau depan dan mencegah pisau lengket.
Proses pengasahan bilah meliputi pengasahan bilah mekanis roda gerinda berlian, pengasahan bilah percikan listrik (EDG), pengasahan bilah abrasif super keras daring dengan pengikat logam, pengasahan bilah finishing elektrolitik (ELID), dan pemesinan pengasahan bilah komposit. Di antara semua proses tersebut, pengasahan bilah mekanis roda gerinda berlian adalah yang paling matang dan paling banyak digunakan.
Percobaan terkait: ① roda gerinda partikel kasar akan menyebabkan kerusakan bilah yang serius, dan ukuran partikel roda gerinda berkurang, dan kualitas bilah menjadi lebih baik; ukuran partikel ② roda gerinda terkait erat dengan kualitas bilah alat PCD partikel halus atau partikel sangat halus, tetapi memiliki efek terbatas pada alat PCD partikel kasar.
Penelitian terkait di dalam dan luar negeri terutama berfokus pada mekanisme dan proses pengasahan bilah. Dalam mekanisme pengasahan bilah, penghilangan termokimia dan penghilangan mekanis dominan, sementara penghilangan getas dan fatik relatif kecil. Saat pengasahan, sesuai dengan kekuatan dan ketahanan panas roda gerinda berlian dengan berbagai pengikat, tingkatkan kecepatan dan frekuensi ayunan roda gerinda semaksimal mungkin, hindari penghilangan getas dan fatik, tingkatkan proporsi penghilangan termokimia, dan kurangi kekasaran permukaan. Kekasaran permukaan pada pengasahan kering rendah, tetapi mudah terbakar akibat suhu pemrosesan yang tinggi pada permukaan pahat.
Proses pengasahan bilah perlu memperhatikan: ① Pilih parameter proses pengasahan bilah yang tepat, yang dapat meningkatkan kualitas mulut tepi, dan meningkatkan penyelesaian permukaan bilah depan dan belakang. Namun, pertimbangkan juga gaya pengasahan yang tinggi, kehilangan yang besar, efisiensi pengasahan yang rendah, dan biaya yang tinggi; ② Pilih kualitas roda gerinda yang tepat, termasuk jenis binder, ukuran partikel, konsentrasi, binder, dan pembalutan roda gerinda. Dengan kondisi pengasahan bilah kering dan basah yang wajar, dapat mengoptimalkan sudut depan dan belakang pahat, nilai pasivasi ujung pisau, dan parameter lainnya, sekaligus meningkatkan kualitas permukaan pahat.
Roda gerinda berlian pengikat yang berbeda memiliki karakteristik yang berbeda, dan mekanisme serta efek penggerindaan yang berbeda. Roda pasir berlian pengikat resin lunak, Partikel penggerindaan mudah rontok sebelum waktunya, Tidak memiliki ketahanan panas, Permukaan mudah berubah bentuk oleh panas, Permukaan penggerindaan bilah rentan terhadap tanda keausan, Kekasaran besar; Roda gerinda berlian pengikat logam dijaga tetap tajam dengan penggilingan penghancuran, Kemampuan bentuk yang baik, permukaan, Kekasaran permukaan bilah gerinda yang rendah, Efisiensi yang lebih tinggi, Namun, kemampuan pengikatan partikel penggerindaan membuat penajaman sendiri buruk, Dan ujung tombak mudah meninggalkan celah benturan, Menyebabkan kerusakan marjinal yang serius; Roda gerinda berlian pengikat keramik memiliki kekuatan sedang, Kinerja eksitasi sendiri yang baik, Lebih banyak pori-pori internal, Lebih disukai untuk penghilangan debu dan pembuangan panas, Dapat beradaptasi dengan berbagai pendingin, Suhu penggerindaan rendah, Roda gerinda lebih sedikit aus, Retensi bentuk yang baik, Akurasi efisiensi tertinggi, Namun, badan penggilingan berlian dan pengikat menyebabkan pembentukan lubang pada permukaan alat. Gunakan sesuai dengan bahan pengolahan, efisiensi penggilingan komprehensif, daya tahan abrasif dan kualitas permukaan benda kerja.
Penelitian tentang efisiensi penggilingan terutama berfokus pada peningkatan produktivitas dan pengendalian biaya. Umumnya, kriteria evaluasi yang digunakan adalah laju penggilingan Q (pengikisan PCD per satuan waktu) dan rasio keausan G (rasio pengikisan PCD terhadap kehilangan roda gerinda).
Peneliti Jerman KENTER mengasah alat PCD dengan tekanan konstan. Pengujian: ① meningkatkan kecepatan roda gerinda, ukuran partikel PDC, dan konsentrasi cairan pendingin, sehingga laju gerinda dan rasio keausan berkurang; ② meningkatkan ukuran partikel gerinda, meningkatkan tekanan konstan, sehingga meningkatkan konsentrasi berlian di roda gerinda, sehingga laju gerinda dan rasio keausan meningkat; ③ jenis pengikat berbeda, sehingga laju gerinda dan rasio keausan berbeda. KENTER mempelajari proses pengasahan bilah alat PCD secara sistematis, tetapi pengaruh proses pengasahan bilah tidak dianalisis secara sistematis.
3. Penggunaan dan kegagalan alat pemotong PCD
(1) Pemilihan parameter pemotongan alat
Selama periode awal penggunaan alat PCD, mulut mata pisau yang tajam secara bertahap mengalami pasivasi, dan kualitas permukaan pemesinan menjadi lebih baik. Pasivasi dapat secara efektif menghilangkan celah mikro dan gerinda kecil akibat pengasahan mata pisau, meningkatkan kualitas permukaan mata pisau, dan sekaligus membentuk radius tepi melingkar untuk menekan dan memperbaiki permukaan yang telah diproses, sehingga meningkatkan kualitas permukaan benda kerja.
Penggilingan permukaan alat PCD untuk paduan aluminium, kecepatan potong umumnya 4000m/menit, dan pemrosesan lubang umumnya 800m/menit. Pemrosesan logam non-ferrous dengan elastisitas tinggi dan plastik harus menggunakan kecepatan putar yang lebih tinggi (300-1000m/menit). Volume umpan umumnya direkomendasikan antara 0,08-0,15 mm/r. Volume umpan yang terlalu besar akan meningkatkan gaya potong dan meningkatkan luas permukaan sisa geometri benda kerja; volume umpan yang terlalu kecil akan meningkatkan panas pemotongan dan meningkatkan keausan. Kedalaman pemotongan yang berlebihan akan menyebabkan gaya potong meningkat dan panas pemotongan meningkat, sehingga umur pakai berkurang. Kedalaman pemotongan yang berlebihan dapat dengan mudah menyebabkan bilah pisau patah; kedalaman pemotongan yang terlalu kecil akan menyebabkan pengerasan, keausan, dan bahkan bilah pisau patah.
(2) Bentuk keausan
Benda kerja yang diproses dengan pahat, akibat gesekan, suhu tinggi, dan faktor lainnya, keausan tidak dapat dihindari. Keausan pahat intan terdiri dari tiga tahap: fase keausan cepat awal (juga dikenal sebagai fase transisi), fase keausan stabil dengan laju keausan konstan, dan fase keausan cepat berikutnya. Fase keausan cepat menandakan bahwa pahat tidak berfungsi dan perlu digerinda ulang. Bentuk-bentuk keausan pahat potong meliputi keausan adhesif (keausan las dingin), keausan difusi, keausan abrasif, keausan oksidasi, dll.
Berbeda dengan perkakas tradisional, bentuk keausan perkakas PCD adalah keausan adhesif, keausan difusi, dan kerusakan lapisan polikristalin. Di antara semuanya, kerusakan lapisan polikristalin adalah alasan utamanya, yang terwujud sebagai keruntuhan bilah halus yang disebabkan oleh benturan eksternal atau hilangnya perekat di PDC, membentuk celah, yang termasuk kerusakan mekanis fisik, yang dapat menyebabkan penurunan presisi pemrosesan dan skrap benda kerja. Ukuran partikel PCD, bentuk bilah, sudut bilah, material benda kerja, dan parameter pemrosesan akan memengaruhi kekuatan bilah bilah dan gaya potong, dan kemudian menyebabkan kerusakan lapisan polikristalin. Dalam praktik rekayasa, ukuran partikel bahan baku yang tepat, parameter perkakas, dan parameter pemrosesan harus dipilih sesuai dengan kondisi pemrosesan.
4. Tren perkembangan alat pemotong PCD
Saat ini, cakupan aplikasi perkakas PCD telah meluas dari pembubutan tradisional hingga pengeboran, penggilingan, dan pemotongan kecepatan tinggi, serta telah digunakan secara luas di dalam dan luar negeri. Pesatnya perkembangan kendaraan listrik tidak hanya berdampak pada industri otomotif tradisional, tetapi juga membawa tantangan yang belum pernah terjadi sebelumnya bagi industri perkakas, mendorong industri perkakas untuk mempercepat optimalisasi dan inovasi.
Penerapan alat potong PCD yang luas telah memperdalam dan mempromosikan penelitian dan pengembangan alat potong. Dengan pendalaman penelitian, spesifikasi PDC semakin kecil dan lebih kecil, pengoptimalan kualitas penyempurnaan butiran, keseragaman kinerja, laju penggilingan dan rasio keausan semakin tinggi dan tinggi, diversifikasi bentuk dan struktur. Arah penelitian alat PCD meliputi: ① penelitian dan pengembangan lapisan PCD tipis; ② penelitian dan pengembangan bahan alat PCD baru; ③ penelitian untuk pengelasan alat PCD yang lebih baik dan lebih lanjut mengurangi biaya; ④ penelitian meningkatkan proses penggilingan bilah alat PCD untuk meningkatkan efisiensi; ⑤ penelitian mengoptimalkan parameter alat PCD dan menggunakan alat sesuai dengan kondisi setempat; ⑥ penelitian secara rasional memilih parameter pemotongan sesuai dengan bahan yang diproses.
ringkasan singkat
(1) Kinerja pemotongan alat PCD, menebus kekurangan banyak alat karbida; pada saat yang sama, harganya jauh lebih rendah daripada alat berlian kristal tunggal, dalam pemotongan modern, merupakan alat yang menjanjikan;
(2) Berdasarkan jenis dan kinerja bahan yang diproses, pemilihan ukuran partikel dan parameter alat PCD yang wajar, yang merupakan premis pembuatan dan penggunaan alat,
(3) Material PCD memiliki kekerasan tinggi, ideal untuk daerah pisau potong, tetapi juga menimbulkan kesulitan dalam pembuatan alat potong. Saat manufaktur, pertimbangkan secara komprehensif kesulitan proses dan kebutuhan pemrosesan untuk mencapai kinerja biaya terbaik.
(4) Bahan pemrosesan PCD di daerah pisau, kita harus memilih parameter pemotongan secara wajar, berdasarkan pemenuhan kinerja produk, sejauh mungkin untuk memperpanjang masa pakai alat guna mencapai keseimbangan masa pakai alat, efisiensi produksi, dan kualitas produk;
(5) Meneliti dan mengembangkan material alat PCD baru untuk mengatasi kekurangan yang ada pada alat tersebut
Artikel ini bersumber dari "jaringan material superkeras"
Waktu posting: 25-Mar-2025
