Hvordan bruger man diamant-skæreredskaber til bearbejdning af hårde materialer

Forståelse af diamant-skæreværktøjer og deres funktionsprincipper

Diamant-skæreredskaber anvender det hårdeste tilgængelige materiale til præcisionsarbejde, når der arbejdes med hårde materialer såsom keramik, kompositmaterialer og forskellige ikke-jernholdige metaller. Designet omfatter syntetiske diamanter arrangeret i polykrystalline formationer, hvilket hjælper med at reducere risikoen for revner, samtidig med at det yder fremragende modstand mod slid. Det, der gør disse værktøjer effektive, er deres afhængighed af diamants ekstraordinære hårdhed på ca. 10.000 HV på Vickers-skalaen. Dette gør det muligt for dem at skære igennem materialer på mikroskopisk niveau uden at generere meget varme – noget der er særlig vigtigt, når der arbejdes med følsomme eller varmefølsomme materialer, som nemt kan revne eller deformeres ved høje temperaturer.

Hvad er diamant-skæreredskaber og hvordan fungerer de?

Diamantskæreværktøjer findes i dag primært i to former: fuldt sinterede diamantmatrixer eller sådanne, hvor diamanter er bundet til substrater. Når der arbejdes med materialer, bryder diamantkanterne faktisk bindingerne i emnet ad ved mekanisk skæring i stedet for at smelte dem væk. Dette resulterer i ekstremt glatte overflader, nogle gange ned til Ra 0,02 mikrometer i finishkvalitet. I forhold til almindelige carbidskæreværktøjer forbliver diamantværktøjer skarpe i op til 10–15 gange længere tid, når de bearbejder slidstærke materialer. Hvorfor? Fordi diamant har en fantastisk hårdhed på omkring 90 GPa og kan lede varme med ca. 2.000 W per meter Kelvin. Det betyder, at den effektivt afleder varme under drift, hvilket hjælper med at bevare både ydelse og værktøjslivslængde.

Typer af diamantskæreværktøjer: PCD, CVD og diamantbelagte varianter

Tre primære typer af diamantværktøjer dominerer inden for industrielle anvendelser:

1. Polykrystallinsk diamant (PCD) — Sinterede diamantpartikler bundet til wolframkarbid, ideel til afbrudte snit i kompositter
2. CVD Diamantværktøjer — Enkeltkrystaldiamantlag vækst via kemisk dampaflejring, anvendt i ultra-præcisionsbearbejdning af optik
3. Diamantbelagte værktøjer — Mikrometer-tynde diamantfilmer påført carbidsubstrater via HFCVD (Hot Filament CVD), som giver en omkostningseffektiv løsning til keramikfræsning

PCD-værktøjer tåler skærekrafter op til 700 N i metalmatrixkompositter, mens CVD-varianter opnår ±0,5 μm nøjagtighed i flyvevåbenselementer.

Materialefjernelsesmekanismer i diamantbearbejdning

Ved bearbejdning af hårde materialer fjerner diamantværktøjer materiale gennem:

• Duktil-tilstandssnit (for keramik under en kritisk dybde på 0,2 μm)
• Udbredelse af mikrorevner i sprøde materialer som siliciumcarbid
• Termokemisk slid reduktion via diamants høje termiske ledningsevne

Denne dobbelte mekaniske og termiske virkning reducerer skader under overfladen med 60–80 % i forhold til konventionel slibning, som vist i forsøg med zirkoniumoxid (Yuan et al., 2023).

Bearbejdning af keramik, kompositter og metalmatrixkompositter med diamantbelagte værktøjer

Diamantbelagte værktøjer er blevet et must, når der arbejdes med hårde materialer som siliciumcarbid og aluminiumoxid-keramik, da almindelige skæreværktøjer simpelthen ikke kan klare deres ekstreme hårdhed på omkring 8 til 9,5 på Mohs skala. Disse specialiserede værktøjer opretholder ekstremt stramme tolerancer på cirka plus/minus 0,005 millimeter, når de skærer kulstof fiberkompositter, som bruges i bilbremser, hvilket reducerer materialeafskærmningsproblemer med omkring to tredjedele i forhold til almindelige carbidskæreværktøjer, ifølge forskning fra Precision Engineering Society fra 2023. Når det gælder metalmatrix-kompositter såsom aluminium blandet med siliciumcarbid, sikrer diamantskæring, at komponenterne forbliver dimensionsmæssigt stabile, selv når maskinerne bliver meget varme, nogle gange over 400 grader Celsius. Brancherapporter viser, at producenter, der skifter til diamantbelagte endemaskinfræser, typisk ser deres udskiftning af værktøjer falde med cirka en tredjedel, når de producerer store mængder komposite komponenter.

Ultra præcisionsbearbejdning med diamantværktøjer inden for luftfarts- og medicindustrien

Luftfartsindustrien anvender enkeltkrystaldiamantværktøjer ved bearbejdning af Inconel-turbiner, hvilket giver overflader med en ruhed under Ra 0,2 mikrometer. Dette hjælper med at reducere luftmodstanden under flyvning. Inden for medicinsk udstyr bruger producenter polycrystallinske diamantværktøjer (PCD) til formning af titanrygsøjleimplantater. Disse værktøjer opnår en positionsnøjagtighed på ca. 3 mikrometer, hvilket klart opfylder FDA's krav på 5 mikrometer for overflader, der kommer i kontakt med kroppen. Ifølge en ny brancherapport fra 2024 har virksomheder, der skiftede til diamantværktøjer, oplevet en effektivitetsforbedring i bearbejdningsprocesserne på ca. 28 % ved fremstilling af optiske linser. Denne forbedring gør det muligt at opnå de ekstremt fine niveauer af fladhed, som kræves for højpræcise laserapplikationer.

Forbedring af overfladeafskæring ved bearbejdning af hårde materialer ved anvendelse af PCD-værktøjer

Værktøjer med polykrystallinsk diamant (PCD) reducerer overfladeruheden med cirka 40 procent under bearbejdning af wolframkarbid i forhold til konventionelle CVD-belagte løsninger. Disse værktøjer kan opnå Ra-værdier under 0,08 mikrometer, hvilket er særlig vigtigt for former og stanser, der kræver spejlklatte overflader. Når det gælder flerslags PCD med diamantpartikler mellem 8 og 12 mikrometer, har de også en markant længere levetid. Tests viser, at disse værktøjer bevarer en stabil ydelse med mindre end 2 % variation i overfladetekstur over omkring 1.200 skærecykler, når der arbejdes med glasfiberforstærkede kunststoffer. Den forlængede værktøjslevetid gør dem særligt værdifulde for producenter, der arbejder med kompositmaterialer, hvor konsistens er afgørende.

Vurdering af ydelse og slidstyrke for diamantbelagte skæreværktøjer

Metoder til vurdering af skæreydelse: Bagside-slidas, friktionstests og fresningsforsøg

Når diamantskæreværktøjer vurderes, kigger branchens fagfolk typisk på tre hovedfaktorer: flankeslid, friktionskoefficienter og ydeevne under faktiske fresningsoperationer. For eksempel viser PCD-værktøjer typisk flankeslid på omkring 0,02 mm efter cirka to timers kontinuerlig bearbejdning af siliciumcarbidkompositter, hvilket ifølge Ponemons undersøgelse fra sidste år er cirka 63 % bedre end ved almindelige carbidskæreværktøjer. Tests udført på zirkoniumoxid-keramik afslører også noget interessant. Diamantbelagte freseværktøjer opretholder friktionskoefficienter under 0,15 under tørring, hvilket betyder, at de genererer meget mindre varme end deres ubelagte modstykker. Dette gør en stor forskel for værktøjets levetid og emnets kvalitet.

Slidadfærd og belægningsdelaminering i diamantbelagte værktøjer

Afløsning er den primære fejlmåde for diamantbelægninger, især ved bearbejdning af jernlegeringer. Metallurgiske undersøgelser viser, at optimerede kemiske dampaflejringsprocesser (CVD) reducerer risikoen for afløsning med 38 % gennem forbedret præbehandling af underlaget. Analyse af mikrorevners udbredelse viser, at flerlags diamantbelægninger tåler 27 % højere skærværdier end enkeltlags belægninger før grænsefladefejl opstår.

Brudsejhed for diamantbelægninger under højbelastningsbearbejdning

Under højhastighedsbearbejdning (≥ 800 m/min) bevarer diamantbelægninger brudsejghedsværdier over 8 MPa√m, hvilket sikrer kantintegritet under bearbejdning af sprøde materialer. Termisk stabilitetstest viser, at disse belægninger bevarer 91 % af deres styrke ved stuetemperatur ved 600 °C, i sammenligning med 62 % for værktøjsstål med wolframkarbid.

Værktøjsydelse under bearbejdelsesforhold: Indvirkning af varme og vibration

Overvågning af højfrekvent vibration under bearbejdning af glasfiberforstærket polymer viser, at diamantbelagte bor reducerer vibrationsamplituder med 44 % i forhold til ubelagte værktøjer. Diamantbelægningens iboende dæmpningsegenskaber sænker overfladeruheden (Ra) på emnet fra 1,2 μm til 0,4 μm ved fresning af luftfartøjsaluminium.

Diamantbelagt mod ubelagt værktøj: Sammenligning af værktøjslevetid og slidstyrke

I kontinuerlige bearbejdningstests på kulstofkompositter holder diamantbelagte freseværktøjer 3,8 gange længere end ubelagte carbide-værktøjer. Målinger af kantradius viser 82 % mindre deformation i diamantbelagte indsatsplader efter 8 timers bearbejdning af titanium, hvilket sikrer skærepræcision inden for tolerancer på ±2 μm.

Optimering af afsætning af diamantbelægning med HFCVD-teknologi

Hvordan HFCVD forbedrer adhæsion og ensartethed af diamantbelægning

Hot Filament Chemical Vapor Deposition, eller HFCVD for kort, giver producenter meget bedre kontrol ved aflejring af diamantbelægninger, fordi det giver mulighed for nøje justering af både de anvendte gasser og temperaturen på substratmaterialet. Tests på bearbejdning af zirkonia viste, at belægninger fremstillet på denne måde hæfter ca. 34 procent stærkere til overflader end dem, vi får fra almindelige CVD-metoder, ifølge forskning offentliggjort sidste år i Materials Today. Det, der gør HFCVD fremtrædende, er, hvor jævnt det fordeler belægningen på værktøjer med komplicerede former, idet variationer holdes under plus/minus to mikrometer gennem hele emnet, samtidig med at de skarpe kanter bevares. Ingeniører kan justere blandingen af metan og brint for at øge belægningsdensiteten over 98 procent, hvilket markant reducerer dannelsen af små revner under intensiv fræsning, hvor værktøjerne konstant er udsat for stress.

Ydelse af flerlags-, dobbeltlags- og enkeltlags diamantbelægninger ved fræsning af zirkonia-keramik

Nyere undersøgelser viser tydelige ydelsesforskelle mellem diamantbelægningsarkitekturer ved bearbejdning af 3Y-TZP zirkonia:

Flerslagsbelægninger giver 40 % længere værktøjslevetid end enkeltlagsversioner på grund af bedre spændingsfordeling. Alternerende nanokrystallinske og mikrokrystallinske lag absorberer vibrationsenergi mere effektivt og opretholder overflader med finish på ≤ 0,35 μm Ra gennem 85 % af værktøjets driftslevetid, som er valideret i forsøg med højhastighedsfræsning.