Как да използвате диамантени режещи инструменти за обработка на твърди материали

Разбиране на алмазните режещи инструменти и техните принципи на работа

Алмазните режещи инструменти използват най-твърдия материал, наличен за прецизни работи при обработка на трудни материали като керамика, композитни материали и различни цветни метали. Конструкцията включва синтетични диаманти, организирани в поликристални формации, което помага за намаляване на риска от пукнатини, като едновременно осигурява изключителна устойчивост към износване. Това, което прави тези инструменти ефективни, е тяхната зависимост от невероятната твърдост на диаманта — около 10 000 HV по скалата на Викерс. Това им позволява да режат материали на микроскопично ниво, без да генерират много топлина, което е особено важно при работа с деликатни или чувствителни към топлина материали, които лесно могат да се напуцат или деформират при високи температури.

Какво са алмазните режещи инструменти и как работят?

Днешните режещи инструменти, изработени с диаманти, се предлагат в два основни вида: напълно спечени диамантени матрици или такива, при които диамантите са нанесени върху подложки. При обработка на материали диамантените ръбове всъщност разрушават връзките в заготовката чрез механично изрязване, вместо да ги стопяват. Това създава изключително гладки повърхности, понякога с качество на отделка до Ra 0,02 микрометра. В сравнение с обикновените карбидни инструменти, диамантените инструменти остават остри около 10 до 15 пъти по-дълго при работа с абразивни материали. Защо? Защото диамантът има изключителна твърдост от около 90 GPa и може да провежда топлина приблизително при 2000 W на метър Келвин. Това означава, че ефективно отвежда топлината по време на работа, което помага за запазване както на производителността, така и на живота на инструмента.

Видове диамантени режещи инструменти: PCD, CVD и диамантено покрити варианти

Три основни вида диамантени инструменти доминират в промишлените приложения:

1. Поликристален диамант (PCD) — Спечени диамантени частици, свързани с волфрамов карбид, идеални за прекъснати резания в композити
2. CVD Диамантени инструменти — Едно-кристални диамантени слоеве, нараствани чрез химическо отлагане от парна фаза (CVD), използвани при улtrappeцизното обработване на оптични елементи
3. Диамантено покрити инструменти — Микронни диамантени филми, нанесени върху карбидни подложки чрез HFCVD (Hot Filament CVD), предлагат икономически ефективно решение за фрезоване на керамика

PCD инструментите издържат на рязащи сили до 700 N при обработване на метални матрични композити, докато CVD вариантите постигат точност ±0,5 μm при аерокосмически компоненти.

Механизми за премахване на материал при диамантено обработване

При обработката на твърди материали диамантените инструменти премахват материала чрез:

• Режим на пластично рязане (за керамика при критична дълбочина под 0,2 μm)
• Разпространение на микропукалки в крехки материали като карбид на силиций
• Термохимическо износване намаляване чрез високата топлопроводност на диаманта

Това двойно механично и термично въздействие намалява увредите под повърхността с 60–80% в сравнение с конвенционално шлифоване, както е показано в изпитвания при фрезоване на цирконий (Yuan et al., 2023).

Обработване на керамика, композити и метални матрични композити с инструменти с диамантено покритие

Алмазно покритите инструменти са станали задължителни при работа с твърди материали като карбид на силиция и керамика от алумина, тъй като стандартните режещи инструменти просто не могат да издържат на тяхната изключителна твърдост – около 8 до 9,5 по скалата на Моос. Тези специализирани инструменти успяват да запазят изключително малки допуски от около плюс или минус 0,005 милиметра при рязане на въглеродни композити, използвани в автомобилни спирачни системи, което намалява проблемите с разделянето на материала с приблизително две трети в сравнение с обикновените карбидни инструменти, според проучване на Обществото за прецизна инженерия от 2023 г. Когато става въпрос за метални матрични композити, като алуминий, смесен с карбид на силиция, алмазното рязане осигурява размерна стабилност на детайлите дори когато машините се нагреят силно, понякога над 400 градуса по Целзий. Отраслови доклади сочат, че производителите, преминали към алмазно покрити фрези, обикновено намаляват разходите си за смяна на инструменти с около една трета при производството на големи количества композитни компоненти.

Ултра прецизна обработка с диамантени инструменти в аерокосмическата и медицинската индустрия

Аерокосмическата индустрия разчита на инструменти от монокристален диамант при работата с турбинни лопатки от Inconel, постигайки повърхностна гладкост под Ra 0,2 микрона, което помага за намаляване на въздушното съпротивление по време на полет. За медицински устройства производителите използват поликристални диамантени или PCD инструменти за оформяне на титанови импланти за гръбначния стълб. Тези инструменти осигуряват точност на позициониране около 3 микрона, лесно отговаряйки на изискването на FDA от 5 микрона за повърхности, които влизат в контакт с тялото. Според последен доклад на индустрията от 2024 г., компании, преминали към диамантени инструменти, постигнали около 28% по-висока ефективност в процеса на обработка на оптични лещи. Това подобрение им позволява да достигнат невероятно високи нива на равнинност, необходими за високопрецизни лазерни приложения.

Подобряване на качеството на повърхността при обработката на твърди материали с използване на PCD инструменти

Инструментите с поликристален диамант (PCD) намаляват дълбочината на повърхностната грапавост с около 40 процента при фрезоване на волфрамов карбид в сравнение с конвенционални варианти с CVD покритие. Тези инструменти могат да постигнат стойности на Ra под 0,08 микрометра, което е от решаващо значение за форми и матрици, изискващи огледални повърхности. Когато става въпрос за многослойни PCD инструменти, съдържащи диамантени частици с размери между 8 и 12 микрона, те имат значително по-дълъг живот. Тестовете показват, че тези инструменти запазват постоянство в работните си характеристики с вариация под 2% в текстурата на повърхността при около 1200 цикъла на рязане при работа с пластмаси, армирани със стъклено влакно. Удълженият живот на инструментите ги прави особено ценни за производители, работещи с композитни материали, където най-важно е постоянното качество.

Оценка на ефективността и устойчивостта на диамантено покрити режещи инструменти

Методи за оценка на режещата ефективност: Износване по ходовата повърхност, тестове за триене и фрезови проби

При оценката на диамантени режещи инструменти, специалистите в индустрията обикновено разглеждат три основни фактора: износване по фланеца, коефициенти на триене и поведението им по време на реални фрезови операции. Например, при работа с композити от силициев карбид, PCD инструментите показват износване по фланеца около 0,02 мм след около два часа непрекъснато машинно обработване, което е с около 63% по-добро в сравнение със стандартните карбидни инструменти според проучване на Понеман от миналата година. Тестовете върху циркониеви керамики разкриват още нещо интересно. Диамантено покритите фрези поддържат коефициенти на триене под 0,15 по време на сухо фрезоване, което означава, че генерират значително по-малко топлина в сравнение с непокритите им аналогове. Това прави голяма разлика за дълготата на живот на инструмента и качеството на обработената детайл.

Поведение при износване и деламинация на покритията при диамантено покрити инструменти

Деламинацията е основният режим на повреда при диамантени покрития, особено при обработка на желязни сплави. Металургични изследвания показват, че оптимизираните процеси за отлагане от парна фаза (CVD) намаляват риска от деламинация с 38% чрез подобрена предварителна обработка на подложката. Анализът на разпространението на микротръщини разкрива, че многослойните диамантени покрития издържат на 27% по-високи тангенциални напрежения в сравнение с еднослойните, преди да настъпи разрушаване на интерфейса.

Якост на огъване на диамантени покрития при условия на високо напрежение при машинна обработка

При условия на високоскоростна обработка (≥ 800 m/мин), диамантените покрития запазват стойности на якостта на огъване, надвишаващи 8 MPa√m, като по този начин осигуряват цялостност на ръба по време на обработката на крехки материали. Тестовете за топлинна стабилност показват, че тези покрития запазват 91% от твърдостта им при стайна температура при 600°C, в сравнение с 62% за инструменти от волфрамов карбид.

Производителност на инструмента при условия на машинна обработка: Влияние на топлината и вибрациите

Мониторингът на високочестотни вибрации по време на обработка на стъклоармиран полимер показва, че свръхтвърдите напоени с диамант свредла намаляват амплитудите на вибрациите с 44% в сравнение с ненапоените инструменти. Всезастрашните гасителни свойства на диамантните напоения понижават шероховатостта на повърхността на детайлите (Ra) от 1,2 μm до 0,4 μm при фрезоване на алуминий от авиационен клас.

Диамантно напоени срещу ненапоени инструменти: Сравнение на живота и устойчивостта на износване

При непрекъснати тестове за обработка на въглеродни композити, диамантно напоените фрези издържат 3,8 пъти по-дълго в сравнение с ненапоени карбидни инструменти. Измерванията на радиуса на ръба показват 82% по-малко деформация при диамантно напоените пластинки след 8 часа обработка на титан, осигурявайки точност на рязане в допуски ±2 μm.

Оптимизиране на нанасянето на диамантни напоения с технология HFCVD

Как HFCVD подобрява адхезията и равномерността на диамантните напоения

Химическото отлагане на пара чрез горещ филамент, или накратко HFCVD, дава на производителите много по-добър контрол при отглеждането на диамантени покрития, тъй като им позволява точно да настройват както използваните газове, така и температурата на подложката. Тестове върху обработка на цирконий показаха, че покритията, направени по този начин, се закрепват към повърхностите около 34 процента по-здраво в сравнение с тези от обикновените CVD методи, според проучване, публикувано миналата година в Materials Today. Онова, което отличава HFCVD, е равномерното разпределение на покритието по инструменти със сложни форми, като вариациите остават под плюс-минус два микрометра в целия обект, без да се губят остри ръбове. Инженерите могат да регулират сместа от метан и водород, за да повишат плътността на покритието над 98 процента, което значително намалява образуването на микротръщини при интензивни условия на фрезоване, при които инструментите са постоянно под напрежение.

Производителност на многослойни, двуслойни и еднослойни диамантени покрития при фрезоване на керамика от цирконий

Нови изследвания разкриват ясни разлики в производителността между различните архитектури на диамантени покрития при обработка на цирконий 3Y-TZP:

Многослойните покрития предлагат 40% по-дълъг живот на инструмента в сравнение с еднослойните версии поради превъзходното разпределение на напрежението. Променящите се нанокристални и микрокристални слоеве по-ефективно абсорбират вибрационната енергия, като запазват повърхностни гладкости от ≤ 0,35 μm Ra през 85% от работния живот на инструмента, както е потвърдено при изпитвания с високоскоростно фрезоване.