Kuinka käyttää timanttileikkuutyökaluja kovien materiaalien käsittelyssä

Timanttityökalujen ymmärtäminen ja niiden toimintaperiaatteet

Timanttityökalut hyödyntävät kovinta saatavilla olevaa ainetta tarkkuustyöhön, kun käsitellään vaikeasti työstettäviä materiaaleja, kuten keraamia, komposiittimateriaaleja ja erilaisia epäjaloja metalleja. Suunnittelussa käytetään synteettisiä timantteja, jotka on järjestetty monikiteisiksi muodoiksi, mikä auttaa vähentämään murtumariskiä samalla kun tarjotaan erinomainen kulumis- ja kulutuskestävyys. Näiden työkalujen tehokkuuden taustalla on timantin erinomaisen korkea kovuusarvo noin 10 000 HV Vickersin asteikolla. Tämä mahdollistaa materiaalien leikkaamisen mikroskooppisella tasolla tuottamatta paljoa lämpöä, mikä on erityisen tärkeää herkkien tai lämpöherkkien materiaalien kanssa työskenneltäessä, sillä ne voivat helposti haljeta tai muodonmuutoksia korkeissa lämpötiloissa.

Mitä ovat timanttityökalut ja kuinka ne toimivat?

Nykyään timanttiteräimet tulevat kahteen päämuotoon: täysin sintrattuihin timanttimatriiseihin tai niihin, joissa timantit on kiinnitetty alustoihin. Kun työstetään materiaaleja, timanttireunat hajottavat itse asiassa työkappaleen sidokset mekaanisella leikkauksella eivätkä sulata niitä pois. Tämä luo erittäin sileitä pintoja, joskus jopa Ra 0,02 mikrometrin tasoon viimeistelylaadussa. Vertaa tavallisiin karbidityökaluihin, timanttityökalut säilyvät terävinä noin 10–15 kertaa pidempään, kun käsitellään kovia materiaaleja. Miksi? Koska timantilla on mahtava kovuusarvo noin 90 GPa ja se johtaa lämpöä noin 2 000 wattiin metri-kelvinia kohti. Tämä tarkoittaa, että se poistaa lämpöä erittäin tehokkaasti käytön aikana, mikä auttaa ylläpitämään sekä suorituskykyä että työkalun kestoa.

Timanttityökalujen tyypit: PCD, CVD ja pinnoitetut versiot

Kolmea ensisijaista timanttityökalutyyppejä käytetään laajalti teollisuudessa:

1. Monikiteinen timantti (PCD) — Sinkoitetut timanttihiukkaset sidottuna volframikarbidipohjaan, ihanteellinen katkonaisiin leikkauksiin komposiiteissa
2. CVD-timantityökalut — Yksikiteisiä timanttikerroksia kasvatetaan kemiallisen vuorovaikutuksen kautta (CVD), ja niitä käytetään erittäin tarkassa optisten komponenttien koneenpuristuksessa
3. Timanttipinnoitteiset työkalut — Mikrometrin paksuisia timanttikalvoja sovelletaan karbidialustoihin HFCVD-menetelmällä (kuumalankainen CVD), tarjoaa kustannustehokkaan ratkaisun keramiikan jyrsintään

PCD-työkalut kestävät leikkausvoimia jopa 700 N metallimatriisikomposiiteissa, kun taas CVD-tyypit saavuttavat ±0,5 μm tarkkuuden ilmailualan komponenteissa.

Aineen poistomekanismit timantikoneenpuristyksessä

Kovien materiaalien käsittelyssä timantityökalut poistavat materiaalia seuraavasti:

• Duktiilinen leikkaustila (keraamit alle kriittisen syvyyden 0,2 μm)
• Mikromurtumien eteneminen hauraiden materiaalien, kuten piikarbidin, osalta
• Termokemiallinen kulumi vähentyy timantin korkean lämmönjohtavuuden ansiosta

Tämä kaksoisvaikutus, mekaaninen ja lämpöinen, vähentää alapinnan vaurioitumista 60–80 % verrattuna perinteiseen hiontaan, kuten zirkoniaa jyrsittäessä tehdyt kokeet ovat osoittaneet (Yuan et al., 2023).

Keramiikan, komposiittien ja metallimatriisikomposiittien konepito timanttikalvoilla

Timanttipäällysteiset työkalut ovat tulleet välttämättömiksi, kun käsitellään kovia materiaaleja, kuten piikarbidia ja alumiinioksidia, koska tavalliset leikkuutyökalut eivät kestä niiden erittäin korkeaa kovuutta, joka on noin 8–9,5 Mohsin asteikolla. Näillä erikoistyökaluilla voidaan säilyttää erittäin tiukat toleranssit, noin ±0,005 millimetriä, kun leikataan hiilikuitukomposiitteja, joita käytetään autojen jarruissa; tämä vähentää materiaalin eriytymisongelmia noin kaksi kolmasosaa verrattuna tavallisiin karbidityökaluihin, kuten Precision Engineering Societyn vuoden 2023 tutkimus osoitti. Metallimatriisikomposiitteihin, kuten alumiiniin sekoitettuun piikarbidiin, leikatessa timanttityökalut pitävät osat muodoltaan stabiileina, vaikka koneet kuumentuisivat hyvin kuumiksi, joskus yli 400 astetta Celsius-asteikolla. Teollisuusraporttien mukaan valmistajat, jotka siirtyvät timanttipäällysteisiin kärkiteräihin, saavat työkalujen vaihtokustannusten tyypillisesti laskemaan noin kolmanneksen, kun tuotetaan suuria määriä komposiittiosia.

Erittäin tarkka koneistus timantityökaluilla ilmailussa ja lääketieteellisissä sovelluksissa

Ilmailuteollisuus käyttää yksikiteisiä timanttyökaluja Inconel-turbiinisovituksen kanssa saavuttaakseen pintakarheuden, joka on alle Ra 0,2 mikrometriä, mikä auttaa vähentämään ilmanvastusta lennon aikana. Lääkintälaitteiden osalta valmistajat käyttävät monikiteisiä timantteja eli PCD-työkaluja muotoillakseen titaanista valmistettuja selkäranganimplantteja. Nämä työkalut tarjoavat noin 3 mikrometrin asennustarkkuuden, täyttäen helposti FDA:n vaatimuksen 5 mikrometristä kehon kanssa kosketuksissa oleville pinnoille. Viime vuoden 2024 teollisuuskertomuksen mukaan yritykset, jotka siirtyivät timanttyökaluihin, saavuttivat noin 28 %:n tehokkuusparannuksen optisten linssien valmistuksessa. Tämä parannus mahdollistaa erittäin hienojen tasomaisuustasojen saavuttamisen korkean tarkkuuden lasersovelluksia varten.

Pintalaadun parantaminen kovan materiaalin koneistuksessa PCD-työkalujen avulla

Monikiteinen timantti (PCD) -työkalut vähentävät pinnankarheutta noin 40 prosenttia volframikarbidin jyrsinnässä verrattuna perinteisiin CVD-päällysteisiin vaihtoehtoihin. Näillä työkaluilla voidaan saavuttaa Ra-arvoja alle 0,08 mikrometriä, mikä on erittäin tärkeää muoteissa ja vaivoissa, joissa tarvitaan peilikaltaisia pintöjä. Monikerroksisissa PCD-työkaluissa, jotka sisältävät timanttijakoja 8–12 mikrometrin kokoisina, käyttöikä on merkittävästi pidempi. Testit osoittavat, että nämä työkalut säilyttävät tasaisen suorituskyvyn, ja pinnan karheuden vaihtelu on alle 2 % noin 1 200 leikkuukierroksen ajan työstettäessä lasikuituvahvisteisia muoveja. Laajennettu työkalujen käyttöikä tekee niistä erityisen arvokkaat valmistajille, jotka käsittelevät komposiittimateriaaleja, joissa johdonmukaisuus on tärkeintä.

Timanttikyllastettujen leikkuutyökalujen suorituskyvyn ja kulumiskestävyyden arviointi

Leikkuusuorituskyvyn arviointimenetelmät: Kylkilien kulumismittaus, kitkakokeet ja jyrsintäkokeilut

Arvioitaessa timanttihionneura-työkaluja teollisuuden ammattilaiset tarkastelevat yleensä kolmea keskeistä tekijää: sivukulumaa, kitkakertoimia ja suorituskykyä varsinaisissa jyrsintätoimenpiteissä. Esimerkiksi silikonikarbidikomposiitteja käsiteltäessä PCD-työkalut näyttävät noin 0,02 mm sivukulumaa noin kahden tunnin jatkuvan koneen käytön jälkeen, mikä on noin 63 % parempi kuin standardien karbidityökalujen kanssa havaittu Ponemonin viime vuoden tutkimuksen mukaan. Testit zirkonia-keraamien kohdalla paljastavat mielenkiintoisen seikan. Timanttikalvotetyt loppupäähionnit pitävät kitkakertoimet alle 0,15 kuivassa jyrsinnässä, mikä tarkoittaa, että ne tuottavat huomattavasti vähemmän lämpöä verrattuna kalvottomiin vastineihinsa. Tämä vaikuttaa merkittävästi työkalun kestoon ja työkappaleen laatuun.

Kulumiskäyttäytyminen ja pinnoitteen irtoaminen timanttikalvotetyissä työkaluissa

Kerrostuman irtoaminen on tärkein vauriomuoto timanttipinnoille, erityisesti rauta-pohjaisten seosten käsittelyn yhteydessä. Metallurgiset tutkimukset osoittavat, että optimoidut kemiallisen haihtumis-pinnoitusmenetelmät (CVD) vähentävät kerrostuman irtoamisen riskiä 38 % parannetun alustan esikäsittelyn avulla. Mikrohalkeamien etenemisanalyysi osoittaa, että monikerroksiset timanttipinnoitteet kestävät 27 % korkeampia leikkausjännityksiä kuin yksikerroksiset vastineensa ennen rajapintavauriota.

Timanttipinnoitteen murtoväsymys korkean rasituksen porausolosuhteissa

Korkean nopeuden porausolosuhteissa (≥ 800 m/min) timanttipinnoitteet säilyttävät murtoväsymysarvot yli 8 MPa√m, mikä säilyttää terän eheyden hauraan materiaalin käsittelyn aikana. Lämpötilan vakautustestit osoittavat, että nämä pinnoitteet säilyttävät 91 % huoneenlämpötilassa olevasta kovuudestaan 600 °C:ssa verrattuna 62 %:iin volframikarbidi työkaluihin.

Työkalun suorituskyky porausolosuhteissa: Lämmön ja värähtelyn vaikutus

Kuituvahvisteisten polymeerien käsittelyssä korkeataajuinen värähtelyn seuranta osoittaa, että timanttipinnoitteiset poranterät vähentävät värähtelyamplitudeja 44 % verrattuna pinnoitteettomiin työkaluihin. Timanttipinnoitteen luontaiset vaimennusominaisuudet alentavat koneistetun pinnan karheutta (Ra) 1,2 μm:sta 0,4 μm:iin ilmailualan alumiinin jyrsintäoperaatioissa.

Timanttipinnoitteiset ja pinnoitteettomat työkalut: Työkalujen keston ja kulumisvastuksen vertailu

Hiilikuitukomposiittien jatkuvissa koneistustesteissä timanttipinnoitteiset kärkijyrsimet kestävät 3,8-kertaa pidempään kuin pinnoitteettomat karbidityökalut. Reunan säteen mittaukset osoittavat 82 %:n vähäisemmän muodonmuutoksen timanttipinnoitetuissa kärjissä 8 tunnin titaanin koneistuksen jälkeen, mikä takaa leikkuutarkkuuden ±2 μm:n toleranssien sisällä.

Timanttipinnoitteen depositoinnin optimointi HFCVD-tekniikalla

Kuinka HFCVD parantaa timanttipinnoitteen adheesiota ja yhdenmukaisuutta

Kuumalankakemiallinen haihtuminen, lyhyesti HFCVD, antaa valmistajille huomattavasti paremman hallinnan timanttikomposiittien kasvatuksessa, koska se mahdollistaa käytettävien kaasujen ja substraatin lämpötilan tarkan säädön. Viime vuonna Materials Today -julkaisussa julkaistujen tutkimusten mukaan zirkoniaa työstettäessä tällä tavoin valmistetut pinnoitteet tarttuvat pintaan noin 34 prosenttia vahvemmin verrattuna perinteisiin CVD-menetelmiin. HFCVD:n erottava tekijä on sen kyky levittää pinnoite tasaisesti monimutkaisia muotoja oleville työkaluille, pitäen vaihtelut alle plus- tai miinus kahden mikrometrin sisällä koko kappaleen alueella samalla säilyttäen terävät leikkureunat. Insinöörit voivat säätää metaanin ja vetykaasun sekoitusta saavuttaakseen yli 98 prosentin tiheyden, mikä todella vähentää pienien halkeamien syntymistä voimakkaiden jyrsintäolosuhteiden alla, joissa työkaluja rasitetaan jatkuvasti.

Monikerroksisten, kaksikerroksisten ja yksikerroksisten timanttikomposiittien suorituskyky zirkonia-keramiikan jyrsinnässä

Uusimmat tutkimukset paljastavat selvät suorituskykyerot timanttikomposiittien arkkitehtuurissa 3Y-TZP: n käsittelyn yhteydessä:

Monikerroksisten pinnoitteiden käyttöikä on 40 % pidempi kuin yksikerroksisten versioiden, koska jännityksen jakautuminen on parempaa. Vaihtelevat nanokiteiset ja mikrokiteiset kerrokset absorboivat värähtelyenergian tehokkaammin, ja ne säilyttävät pinnankarheuden arvossa ≤ 0,35 µm Ra työkalun käyttöiän 85 %:n osalta, kuten nopeassa jyrsinnässä tehdyt kokeet ovat osoittaneet.