Hvordan bruke diamantskjaareverktøy for bearbeiding av harde materialer

Forståelse av diamantskjæretøyer og deres virkemåte

Diamantskjaereredskaper benytter det hardeste tilgjengelige materialet for presisjonsarbeid når det gjelder harde materialer som keramikk, sammensatte materialer og ulike ikkemetalliske metaller. Designet inneholder syntetiske diamanter organisert i polykrystalline formasjoner, noe som bidrar til å redusere risikoen for sprekking samtidig som det gir fremragende motstand mot slitasje. Det som gjør disse verktøyene effektive, er deres avhengighet av diamants ekstremt høye hardhet på omtrent 10 000 HV på Vickers-skalaen. Dette gjør at de kan skjære gjennom materialer på mikroskopisk nivå uten å generere mye varme, noe som er svært viktig når man jobber med skjøre eller varmefølsomme materialer som lett kan sprekke eller deformeres ved høye temperaturer.

Hva er diamantskjaereredskaper og hvordan fungerer de?

Skerneverktøy laget med diamant forekommer i dag i to hovedtyper: fullstendig sinterede diamantmatriser eller de hvor diamant er bundet til bunnmaterialer. Når man arbeider med materialer, bryter diamantskærene faktisk opp bindingene i arbeidsstykket ved mekanisk skjæring i stedet for å smelte dem bort. Dette gir ekstremt glatte overflater, noen ganger ned til Ra 0,02 mikrometer i overflatekvalitet. Sammenlignet med vanlige karbidverktøy holder diamantverktøy seg skarpe i omtrent 10 til 15 ganger lenger tid når de brukes på abrasive materialer. Hvorfor? Fordi diamant har en imponerende hardhet på rundt 90 GPa og kan lede varme med omtrent 2 000 W per meter Kelvin. Dette betyr at den fjerner varme svært effektivt under drift, noe som bidrar til å bevare både ytelse og verktøylivslengde.

Typer diamantskerneverktøy: PCD, CVD og diamantbelagte varianter

Tre primære typer diamantverktøy dominerer industrielle anvendelser:

1. Polykrystallinsk diamant (PCD) — Sintrede diamantpartikler bundet til wolframkarbid, ideell for avbrutte snitt i kompositter
2. CVD-diamantverktøy — Enkeltkrystall-diamantskikt vokst via kjemisk dampavsetning, brukt i ultra-nøyaktig bearbeiding av optikk
3. Diamantbelagte verktøy — Mikrometer-tynne diamantfilmer påført karbidbaser via HFCVD (Hot Filament CVD), som gir en kostnadseffektiv løsning for sagsbearbeiding av keramikk

PCD-verktøy tåler skjærekrefter opp til 700 N i metalmatrisekompositter, mens CVD-varianter oppnår ±0,5 μm nøyaktighet i luftfartøyskomponenter.

Materialefjerningsmekanismer i diamantbearbeiding

Ved bearbeiding av harde materialer fjerner diamantverktøy materiale gjennom:

• Duktil-modus-skjæring (for keramikk under en kritisk dybde på 0,2 μm)
• Mikrofrakturpropagering i sprøe materialer som silisiumkarbid
• Termokjemisk slitasje reduksjon via diamants høye termiske ledningsevne

Denne doble mekaniske og termiske virkningen reduserer skader under overflaten med 60–80 % sammenlignet med konvensjonell sliping, som vist i forsøk med slipt zirkoniumdioxid (Yuan et al., 2023).

Bearbeiding av keramikk, kompositter og metallsammensatte materialer med diamantbelagte verktøy

Diamantbelagte verktøy har blitt et må når man jobber med harde materialer som silisiumkarbid og aluminiumoksid-keramikk, siden vanlige skjæreverktøy rett og slett ikke tåler deres ekstreme hardhet på omtrent 8 til 9,5 på Mohs skala. Disse spesialiserte verktøyene klarer å opprettholde ekstrem nøyaktighet på omtrent pluss eller minus 0,005 millimeter ved bearbeiding av karbonfiberkompositter brukt i bilbremsesystemer, noe som reduserer problemer med materiell delaminering med omtrent to tredjedeler sammenlignet med vanlige karbidverktøy, ifølge forskning fra Precision Engineering Society fra 2023. Når det gjelder metalmatrisekompositter, som aluminium blandet med silisiumkarbid, sikrer diamantskjæring at delene forblir dimensjonelt stabile selv når maskinene blir svært varme, ofte over 400 grader celsius. Industirapporter indikerer at produsenter som bytter til diamantbelagte endefreser typisk ser sine kostnader for verktøyutskifting synke med omtrent en tredjedel ved produksjon av store mengder komposittkomponenter.

Ultra presisjsonsskæring med diamantværktøjer i luftfarts- og medicinalindustrien

Luftfartsindustrien bruger 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. I forbindelse med medicinsk udstyr anvender producenter polycrystallinske diamantværktøjer (PCD) til formning af titanrygimplantater. Disse værktøjer sikrer 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, øget effektiviteten i deres bearbejdningsprocesser med ca. 28 % ved fremstilling af optiske linser. Denne forbedring gør det muligt at opnå de ekstremt fine niveauer af fladhed, som kræves for præcisionslasere.

Forbedring af overfladekvalitet ved bearbejdning af hårde materialer med PCD-værktøjer

Verktøy med polykrystallint diamant (PCD) reduserer overflateruhet med omtrent 40 prosent under sinterkarbid-saging sammenlignet med konvensjonelle CVD-belagede alternativer. Disse verktøyene kan oppnå Ra-verdier under 0,08 mikrometer, noe som er svært viktig for former og stanser som krever speilaktige overflater. Når det gjelder flerlagede PCD-verktøy med diamantpartikler mellom 8 og 12 mikrometer, har de også betydelig lengre levetid. Tester viser at disse verktøyene opprettholder stabil ytelse med mindre enn 2 % variasjon i overflatestruktur over omtrent 1 200 sagesykluser når de brukes på glassfiberforsterkede kunststoffer. Den forlenget levetiden gjør dem spesielt verdifulle for produsenter som arbeider med komposittmaterialer der konsistens er viktigst.

Vurdering av ytelse og slitasjemotstand hos diamantbelagede skjæreverktøy

Metoder for vurdering av skjæreytelse: Hjørneslitasje, friksjonstester og sagingstester

Når diamantskjæretøyer vurderes, ser bransjeprofessjonelle vanligvis på tre hovedfaktorer: kantslitasje, friksjonskoeffisienter og ytelse under faktiske fresoperasjoner. For eksempel viser PCD-verktøy tendens til kantslitasje på omtrent 0,02 mm etter omtrent to timer med kontinuerlig bearbeiding ved arbeid med silisiumkarbidkompositter, noe som er omtrent 63 % bedre enn det vi ser med standard karbideverktøy ifølge Ponemons forskning fra i fjor. Tester utført på zirkoniumoksid-keramikk avdekker også noe interessant. Diamantbelagede skaftfreser holder friksjonskoeffisienter under 0,15 under tørrfresing, noe som betyr at de genererer mye mindre varme enn sine ubelagede motstykker. Dette gjør en stor forskjell for verktøyets levetid og arbeidsstykkets kvalitet.

Slitasjeoppførsel og belägningsdelaminering i diamantbelagede verktøy

Delaminering er den primære sviktmåten for diamantbelegg, spesielt ved bearbeiding av jernholdige legeringer. Metallurgiske studier viser at optimaliserte CVD-prosesser (kjemisk dampavsetning) reduserer risikoen for delaminering med 38 % gjennom forbedret prebehandling av underlaget. Analyse av mikrorevneutvikling viser at flerlags diamantbelegg tåler 27 % høyere skjærspenninger enn enkeltlags belegg før svikt i grensesnittet.

Bruddtenighet for diamantbelegg under belasted sageringsforhold

Under høyhastighetssaging (≥ 800 m/min) opprettholder diamantbelegg bruddtenhetsverdier over 8 MPa√m, og bevarte kantintegritet under bearbeiding av sprøe materialer. Termisk stabilitetstesting viser at disse beleggene beholder 91 % av sin hardhet ved romtemperatur ved 600 °C, mot 62 % for verktøy i wolframkarbid.

Verktøy ytelse under sageringsforhold: Innvirkning av varme og vibrasjoner

Overvåking av høyfrekvent vibrasjon under bearbeiding av glassfiberforsterket polymer viser at diamantbelagede bor reduserer vibrasjonsamplituder med 44 % sammenlignet med ubelagede verktøy. Diamantbelagets innebygde dempingsegenskaper senker overflateryheten (Ra) på arbeidsstykket fra 1,2 μm til 0,4 μm ved fresing av luftfartøysaluminium.

Diamantbelagede versus ubelagede verktøy: Sammenligning av verktøyliv og slitasjemotstand

I kontinuerlige bearbeidingstester på karbonfiberkompositter varer diamantbelagede sirkelfreser 3,8 ganger lenger enn ubelagede karbidverktøy. Målinger av kantradius viser 82 % mindre deformasjon i diamantbelagede innsettsplater etter 8 timer med titaniumbearbeiding, noe som sikrer skjærepresisjon innenfor toleranser på ±2 μm.

Optimalisering av diamantbelagsavsetning med HFCVD-teknologi

Hvordan HFCVD forbedrer diamantbelagsadhesjon og jevnhet

Hot Filament Chemical Vapor Deposition, eller HFCVD for kort, gir produsenter mye bedre kontroll ved vekst av diamantbelegg fordi det lar dem finjustere både gassene som brukes og temperaturen på underlagsmaterialet. Tester på zirkonia-sprenging viste at belegg laget på denne måten holder seg til overflater omtrent 34 prosent bedre enn det vi får fra vanlige CVD-metoder, ifølge forskning publisert i fjor i Materials Today. Det som gjør HFCVD utmerket, er hvor jevnt det fordeler belegget på verktøy med kompliserte former, og holder variasjoner under pluss/minus to mikrometer gjennom hele delen, samtidig som de ekstremt skarpe kantene beholdes. Ingenører kan justere blandingen av metan og hydrogen for å øke tettheten til belegget utover 98 prosent, noe som virkelig reduserer dannelse av smårevner under intensive fresingssituasjoner der verktøyene er konstant belastet.

Ytelse for flerlags-, dobbeltlags- og enkeltlags diamantbelegg ved fresing av zirkonia-keramikk

Nylige studier viser tydelige ytelsesforskjeller mellom diamantbeleggarkitekturer ved bearbeiding av 3Y-TZP zirkonia:

Flerlagsbelegg gir 40 % lengre verktøylivslengde enn enkeltlagsversjoner på grunn av bedre spenningsfordeling. Alternerende nanokrystallinske og mikrokrystallinske lag absorberer vibrasjonsenergi mer effektivt, og opprettholder overflatekvalitet på ≤ 0,35 μm Ra gjennom 85 % av verktøyets levetid, som bekreftet i forsøk med høyhastighetsfræsing.