Қатты материалдарды өңдеу үшін алмаз кесу құралдарын қалай пайдалану керек

Алмаз кесу құралдары мен олардың жұмыс істеу принциптерін түсіну

Алмаз кесу құралдары керамика, композиттік материалдар және әртүрлі түсті металлдар сияқты қиын материалдармен жұмыс істеген кезде дәлдікті жұмыс үшін қолданылатын ең берік затты пайдаланады. Конструкцияға сынапталмау қаупін азайта отырып, тозуға қарсы ерекше төзімділік қамтамасыз ететін поликристалдық құрылымдарға біріктірілген жасанды алмаздар енгізілген. Бұл құралдардың тиімділігі Виккерс шкаласы бойынша шамамен 10 000 HV-ге жететін алмаздың ерекше қаттылығына сүйенуінде. Бұл оларға материалдарды микроскопиялық деңгейде кесуге мүмкіндік береді және көп жылу шығармайды, бұл жоғары температурада оңай жарылып немесе деформацияланатын сезімтал немесе жылуға сезімтал материалдармен жұмыс істеген кезде өте маңызды.

Алмаз кесу құралдары деген не және олар қалай жұмыс істейді?

Қазіргі кезде алмазбен жасалған кесу құралдары екі негізгі түрде келеді: толығымен спекленген алмаз матрицалар немесе алмаздар субстраттарға байланыстырылған түрлер. Материалдармен жұмыс істегенде алмаз жиектері өңделетін бөлшектің байланыстарын оларды балқытпай, механикалық үйкеліс арқылы ыдыратады. Бұл кейде бетінің сапасы Ra 0,02 микрометрге дейін жететін өте жылтыр беттерді қамтамасыз етеді. Қатты қорытпалы құралдармен салыстырғанда, алмаз құралдар абразивті материалдармен жұмыс істегенде шамамен 10-15 есе ұзақ уақыт бойы өткірлігін сақтайды. Неге? Себебі алмаздың қаттылығы шамамен 90 ГПа-ға жетеді және жылу өткізгіштігі шамамен 2000 Вт/метр Кельвин құрайды. Бұл жұмыс істеу кезінде жылуды өте тиімді шығаруға мүмкіндік береді, соның арқасында құралдың өнімділігі мен қызмет ету мерзімі сақталады.

Алмаз кесу құралдарының түрлері: PCD, CVD және алмазбен қапталған түрлері

Өнеркәсіптік қолданыста үш негізгі алмаз құралдар басымдыққа ие:

1. Поликристалды алмаз (PCD) композиттердегі үзілген кесудің идеалды нұсқасы болып табылатын вольфрам карбидіне бекітілген синтерленген алмаз бөлшектері
2. CVD Алмаз құралдары химиялық булы шөкірудің (CVD) көмегімен өсірілген жалғыз кристалды алмаз қабаттары, ультра дәл оптикалық өңдеуде қолданылады
3. Алмазбен қапталған құралдар hFCVD (Қызған сым арқылы химиялық булы шөкіру) әдісімен карбидті негізге түсірілген микрондық қалыңдықтағы алмаз пленкалар, керамикалық фрезерлеу үшін ыңғайлы шешім ұсынады

PCD құралдары метал матрицалы композиттерде 700 Н-ға дейінгі кесу күшіне шыдайды, ал CVD түрлері әуежаңдық компоненттерде ±0,5 мкм дәлдікті қамтамасыз етеді.

Алмазды өңдеудегі материалды алу механизмдері

Қатты материалдарды өңдеу кезінде алмаз құралдар материалды мына тәсіл арқылы алып тастайды:

• Пластиктік режимде кесу (критикалық тереңдіктен төменгі 0,2 мкм деңгейіндегі керамика үшін)
• Микросынықтардың таралуы кремний карбиді сияқты қатты материалдарда
• Жылу-химиялық тозу алмаздың жоғары жылуөткізгіштігі арқасында тозудің азаюы

Бұл екідайлы механикалық және жылу әсері цирконийді фрезерлеу бойынша жүргізілген сынақтарда көрсетілгендей, дәстүрлі ұнтақтаумен салыстырғанда ішкі қабат зақымдануын 60—80% азайтады (Yuan және т.б., 2023).

Алмазбен қапталған құралдарды пайдаланып керамика, композиттер мен метал матрицалы композиттерді өңдеу

Алмаздық қаптамалы құралдар кремний карбиді және алюмина керамикасы сияқты 8-ден 9,5-ке дейінгі Моос бойынша қаттылық деңгейіне ие қиын материалдармен жұмыс істеген кезде міндетті болып табылады, өйткені стандартты кесу құралдары олардың қаттылығын шыдай алмайды. Зерттеулерге сәйкес, 2023 жылы Дәлме-дәл Машина жасау Қоғамының мәліметтері бойынша, автомобильдің тежеуіш жүйелерінде қолданылатын көміртегі талшықты композиттерді кесу кезінде осындай арнайы құралдар шамамен плюс немесе минус 0,005 миллиметрлік өте нақты допусстарды сақтап, құрамалардың бөліну проблемаларын қалыпты карбидті құралдармен салыстырғанда шамамен екі есе азайтады. Кремний карбидімен араластырылған алюминий сияқты метал матрицалы композиттерге келген кезде, алмазды кесу 400 градустан жоғары болуы мүмкін ыстық машиналарда болса да, бөлшектердің өлшемдік тұрақтылығын сақтайды. Саланың есептері бойынша, алмаз қапталған соңғы фрезаларға көшетін өндірушілер көп мөлшерде композит бөлшектер өндірген кезде құралдарды ауыстыру шығындарын үштен бір бөлікке дейін төмендетеді.

Аэроғарыш және медициналық өнеркәсіп салаларында алмаз құралдарын қолданып ультра дәл өңдеу

Аэроғарыш өнеркәсібі Inconel турбина жапырақшаларымен жұмыс істегенде бір кристалды алмаз құралдарына сүйенеді, ұшудың ауа кедергісін азайтуға мүмкіндік беретін Ra 0,2 микроннан төменгі беттік өңдеуге жетеді. Медициналық құрылғылар үшін өндірушілер титан омыртқа имплантаттарын өңдеу үшін поликристалды алмаз немесе PCD құралдарын қолданады. Бұл құралдар денемен тікелей жанасатын беттер үшін FDA талабының 5 микронға қарсы шамамен 3 микрон дәлдікті қамтамасыз етеді. 2024 жылғы соңғы өнеркәсіптік есепке сәйкес, алмаз құралдарға көшкен компаниялар оптикалық линзалар жасау процесін шамамен 28% тиімдірек етті. Бұл жаңарту лазерлік қолданбалардың жоғары дәлдіктегі жазықтығын қажет ететін өте жіңішке деңгейлерге жетуге мүмкіндік береді.

PCD құралдарын қолданып қатты материалдарды өңдеудегі беттік өңдеуді жақсарту

Поликристалдық алмаз (PCD) құралдары вольфрам карбидін фрезерлеу кезінде беттің тегістігін шамамен 40 пайызға дейін азайтады, бұл дәстүрлі CVD-мен қапталған нұсқалармен салыстырғанда. Мұндай құралдар Ra мәндерін 0,08 микрометрден төмен жеткізе алады, бұл айна сияқты беттерге ие болуы қажет қалыптар мен матрицалар үшін өте маңызды. 8-ден 12 микрометрге дейінгі алмаз бөлшектерін қамтитын көпқабатты PCD жағдайында олардың қызмет ету мерзімі де едәуір ұзақ болады. Зерттеулер көрсеткендей, шыны талшықпен күшейтілген пластмассалармен жұмыс істеген кезде осындай құралдар шамамен 1200 кесу циклы бойы беттің текстурасында 2 пайыздан аспайтын өзгеріспен тұрақты өнімділікті сақтайды. Қоспалармен жұмыс істегенде тұрақтылықтың маңызы зор болғандықтан, ұзақ қызмет ету мерзімі осындай материалдармен жұмыс істейтін өндірушілер үшін ерекше бағалы.

Алмаз қапталған кесу құралдарының өнімділігі мен тозуға төзімділігін бағалау

Кесу өнімділігін бағалау әдістері: Артқы қырдың тозуы, үйкеліс сынақтары және фрезерлеу сынамалары

Алмаз кесу құралдарын бағалай отырып, саланың мамандары әдетте үш негізгі факторды ескереді: жақ бетінің тозуы, үйкеліс коэффициенттері және фрезерлеу операциялары кезінде олардың жұмыс істеуі. Мысалы, кремний карбиді композиттерімен жұмыс істегенде Ponemonның өткен жылғы зерттеуіне сәйкес ПКД құралдары үздіксіз механикалық өңдеудің шамамен екі сағатынан кейін 0,02 мм шамасында жақ бетінің тозуын көрсетеді, бұл қалыпты карбидті құралдармен салыстырғанда шамамен 63% жақсырақ көрсеткіш. Цирконий керамикасына жүргізілген сынақтар да қызықты нәтиже берді. Алмаз беттік қабықшалы соңғы фрезалар құрғақ фрезерлеу кезінде 0,15-тен төмен үйкеліс коэффициентін сақтайды, яғни олардың беті қапталмаған түрлеріне қарағанда көптеген жылу шығарады. Бұл құралдың қызмет ету мерзімі мен өңделетін бөлшектің сапасы үшін үлкен айырмашылық жасайды.

Алмаз беті қапталған құралдардағы тозу мінез-құлық және беттік қабықшаның бөлінуі

Деламинация — бұл алмаз қаптамаларының негізгі бүліну түрі, әсіресе темір қорытпаларын өңдеген кезде. Металлографиялық зерттеулер химиялық булы шөкінді (CVD) үдерістерін оптимизациялау субстратты алдын ала дайындауды жақсарту арқылы деламинация қаупін 38% азайтатынын көрсетеді. Микро-сызаттардың таралуын талдау көп қабатты алмаз қаптамалары интерфейс бүлінгенге дейін бір қабатты қаптамаларға қарағанда 27% жоғары қию кернеуіне шыдайтынын көрсетеді.

Жоғары кернеулі өңдеу жағдайларындағы алмаз қаптамалардың сынғыштық беріктігі

Жоғары жылдамдықты өңдеу жағдайларында (≥ 800 м/мин), алмаз қаптамалар 8 МПа√м-ден астам сынғыштық беріктігін сақтайды және қатты материалдарды өңдеген кезде жиектің бүтіндігін сақтайды. Жылу тұрақтылығын сынау осы қаптамалардың 600°C температурада олардың қалыпты температурадағы қаттылығының 91%-ын сақтайтынын, вольфрам карбид құралдар үшін бұл көрсеткіш 62% құрайтынын көрсетеді.

Өңдеу жағдайларындағы құралдың өнімділігі: Жылу мен тербелістің әсері

Шыны талшықтарымен армурланған полимерді өңдеу кезінде жиілігі жоғары тербелісті бақылау алмазды қаптамалы бұрғылардың қаптамасыз құралдармен салыстырғанда тербеліс амплитудасын 44% азайтатынын көрсетеді. Алмаз қаптамалардың тән сөндіру қасиеттері аэроқозғалтқыш сапалы алюминийді фрезерлеу операцияларында өңделетін беттің кедір-бұдырылығын (Ra) 1,2 мкм-ден 0,4 мкм-ге дейін төмендетеді.

Алмаз қаптамалы және қаптамасыз құралдар: Құралдардың қызмет ету мерзімі мен тозуға төзімділігін салыстыру

Көміртегі талшықты композиттерді үздіксіз өңдеу сынақтарында алмаз қаптамалы соңғы фрезерлер қаптамасыз карбидті құралдардан 3,8 есе ұзақ қызмет етеді. Шеткі радиус өлшемдері титан өңдеудің 8 сағатынан кейін алмаз қаптамалы пластиналарда деформацияның 82% аз болатынын көрсетеді, бұл ±2 мкм дәлдік шектерінде кесу дәлдігін қамтамасыз етеді.

ЖЖКБҚ технологиясын қолданып алмаз қаптаманың булануын оптимизациялау

ЖЖКБҚ алмаз қаптаманың жабысуы мен біркелкілігін қалай жақсартады

Химиялық булы шөгінді, қысқаша HFCVD, алмаз қаптамаларды өсіру кезінде өндірушілерге газдардың құрамын және субстрат материалының температурасын дәл реттеуге мүмкіндік береді. Жыл бұрын Materials Today журналында жарияланған зерттеулерге сәйкес цирконийді өңдеу бойынша жүргізілген сынақтар HFCVD әдісімен алынған қаптамалардың беттерге дәстүрлі CVD әдістерімен алынған нұсқаларға қарағанда шамамен 34 пайызға мықтырақ жабысып тұратынын көрсетті. Күрделі пішінді құралдардың бетіне қаптаманы тең бөліп тарату қабілеті HFCVD-ны ерекшелейді, ол бүкіл бөлшек бойынша тербелістерді плюс-минус екі микрометрден аспайтындай сақтайды және сонымен қатар қиықтың өткірлігін сақтайды. Инженерлер метанның және сутектің қоспасын реттеу арқылы қаптаманың тығыздығын 98 пайыздан асатындай етуі мүмкін, бұл тұрақты жүктеме әсерінде болатын қатты фрезерлеу жағдайларында пайда болатын ұсақ трещиналарды шынымен азайтады.

Цирконий керамикасын фрезерлеудегі көп қабатты, екі қабатты және бір қабатты алмаз қаптамалардың өнімділігі

Зейінді 3Y-TZP цирконийді өңдеу кезінде алмаз бұйымдарының әртүрлі конструкциялары арасындағы өзгеше өнімділікті көрсететін соңғы зерттеулер:

Көпқабатты қаптамалар монолиттік нұсқаларға қарағанда құралдың қызмет ету мерзімін 40% арттырады, себебі кернеуді тарату жақсырақ болады. Нанокристалды және микрокристалды қабаттардың ауыспалы орналасуы тербеліс энергиясын тиімдірек сіңіреді және құралдың жұмыс істеу өмірінің 85% аясында бетінің өңдеу дәлдігі ≤ 0,35 μm Ra құрамақ. Бұл жоғары жылдамдықты фрезерлеу сынақтарымен расталған.