Как использовать алмазные режущие инструменты для обработки твердых материалов

Принцип работы алмазных режущих инструментов и их особенности

Алмазные режущие инструменты используют самый твердый доступный материал для точной обработки прочных веществ, таких как керамика, композитные материалы и различные цветные металлы. Конструкция включает синтетические алмазы, организованные в поликристаллические структуры, что помогает снизить риск растрескивания и обеспечивает высокую устойчивость к износу. Эффективность этих инструментов обусловлена чрезвычайной твердостью алмаза — около 10 000 единиц по шкале Виккерса. Это позволяет им резать материалы на микроскопическом уровне, выделяя минимальное количество тепла, что особенно важно при работе с хрупкими или чувствительными к нагреву материалами, склонными к растрескиванию или деформации при высоких температурах.

Что такое алмазные режущие инструменты и как они работают?

Сегодня алмазные режущие инструменты представлены в двух основных формах: полностью спеченные алмазные матрицы или инструменты, в которых алмазы нанесены на подложки. При обработке материалов алмазные кромки фактически разрывают связи в заготовке за счёт механического сдвига, а не расплавляют их. Это позволяет получать чрезвычайно гладкие поверхности, иногда с шероховатостью до Ra 0,02 микрометра. По сравнению с обычными твердосплавными инструментами алмазные инструменты сохраняют остроту примерно в 10–15 раз дольше при работе с абразивными материалами. Почему? Потому что алмаз обладает удивительной твёрдостью около 90 ГПа и теплопроводностью порядка 2000 Вт/(м·К). Это означает, что он очень эффективно отводит тепло во время работы, что способствует сохранению как производительности, так и срока службы инструмента.

Типы алмазных режущих инструментов: PCD, CVD и покрытые алмазом варианты

Три основных типа алмазных инструментов доминируют в промышленных применениях:

1. Поликристаллический алмаз (PCD) — Спечённые алмазные частицы, соединённые с карбидом вольфрама, идеальны для прерывистого резания композитов
2. CVD Diamond Tools — Однокристаллические алмазные слои, выращенные методом химического осаждения из газовой фазы, используются при сверхточной обработке оптических деталей
3. Diamond-Coated Tools — Микронные алмазные плёнки, нанесённые на карбидные основы методом HFCVD (химическое осаждение из газовой фазы с нагретой нитью), обеспечивают экономически эффективное решение для фрезерования керамики

PCD-инструменты выдерживают силы резания до 700 Н при обработке металлических композитов, тогда как варианты CVD обеспечивают точность ±0,5 мкм при изготовлении аэрокосмических компонентов.

Механизмы удаления материала при алмазной обработке

При обработке твёрдых материалов алмазные инструменты удаляют материал путём:

• Резания в пластичном режиме (для керамики при глубине резания ниже критической — 0,2 мкм)
• Распространение микротрещин в хрупких материалах, таких как карбид кремния
• Термохимическое изнашивание снижение за счёт высокой теплопроводности алмаза

Это двойное механическое и термическое воздействие снижает повреждение подповерхностного слоя на 60—80 % по сравнению с традиционным шлифованием, как показали испытания при фрезеровании циркония (Yuan et al., 2023).

Обработка керамики, композитов и металлокерамических композитов алмазными покрытыми инструментами

Алмазные инструменты стали необходимыми при работе с твердыми материалами, такими как карбид кремния и керамика на основе глинозема, поскольку стандартные режущие инструменты просто не могут справиться с их высокой твердостью — около 8–9,5 по шкале Мооса. Эти специализированные инструменты способны обеспечивать чрезвычайно точные допуски порядка ±0,005 миллиметра при резке композитов на основе углеродного волокна, применяемых в автомобильных тормозах, что снижает проблемы расслоения материала примерно на две трети по сравнению с обычными твердосплавными инструментами, согласно исследованию Общества прецизионной инженерии 2023 года. Что касается металлических матричных композитов, например алюминия с добавлением карбида кремния, алмазная резка сохраняет стабильность размеров деталей даже при сильном нагреве оборудования, иногда превышающем 400 градусов Цельсия. Согласно отраслевым отчетам, производители, перешедшие на алмазные фрезы, как правило, сокращают расходы на замену инструмента примерно на треть при массовом производстве композитных деталей.

Сверхточное фрезерование с использованием алмазного инструмента в аэрокосмической и медицинской промышленности

Аэрокосмическая промышленность использует однокристаллические алмазные инструменты при обработке лопаток турбин из сплава Инконель, достигая шероховатости поверхности менее Ra 0,2 мкм, что помогает уменьшить аэродинамическое сопротивление в полете. В производстве медицинских устройств применяют поликристаллический алмазный инструмент (PCD) для формовки титановых имплантов позвоночника. Такие инструменты обеспечивают точность позиционирования около 3 мкм, что с запасом соответствует требованию FDA в 5 мкм для поверхностей, контактирующих с телом. Согласно недавнему отраслевому отчету 2024 года, компании, перешедшие на алмазные инструменты, повысили эффективность своих процессов обработки оптических линз примерно на 28%. Это улучшение позволяет достичь чрезвычайно высоких показателей плоскостности, необходимых для прецизионных лазерных применений.

Улучшение качества поверхности при обработке твердых материалов с использованием PCD-инструментов

Инструменты из поликристаллического алмаза (PCD) снижают шероховатость поверхности примерно на 40 процентов при фрезеровании карбида вольфрама по сравнению с традиционными вариантами с CVD-покрытием. Эти инструменты могут обеспечивать значения Ra менее 0,08 микрометра, что особенно важно для форм и матриц, требующих зеркальной отделки поверхности. Что касается многослойных PCD с алмазными частицами размером от 8 до 12 микрон, их срок службы также значительно увеличен. Испытания показывают, что такие инструменты сохраняют стабильность работы с вариацией текстуры поверхности менее чем на 2% в течение около 1200 циклов резания при обработке пластиков, армированных стекловолокном. Увеличенный срок службы делает их особенно ценными для производителей, работающих с композитными материалами, где важна стабильность.

Оценка эффективности и износостойкости алмазных режущих инструментов

Методы оценки режущих характеристик: износ по задней поверхности, испытания на трение и фрезерные испытания

При оценке алмазных режущих инструментов специалисты отрасли обычно обращают внимание на три основных фактора: износ по задней поверхности, коэффициенты трения и поведение инструментов в ходе реальных операций фрезерования. Например, при обработке композитов карбида кремния алмазные твердосплавные пластины (PCD) демонстрируют износ по задней поверхности около 0,02 мм после примерно двух часов непрерывной обработки, что примерно на 63% лучше показателей стандартных твердосплавных инструментов согласно исследованию Ponemon прошлого года. Испытания, проведённые на циркониевых керамиках, также выявили интересные результаты. Алмазные покрытия концевых фрез сохраняют коэффициенты трения ниже 0,15 при сухом фрезеровании, что означает значительно меньшее выделение тепла по сравнению с непокрытыми аналогами. Это существенно влияет на срок службы инструмента и качество обработанной поверхности.

Износ и отслоение покрытия в алмазных покрытых инструментах

Расслоение является основным видом отказа алмазных покрытий, особенно при обработке железосодержащих сплавов. Металлургические исследования показывают, что оптимизированные процессы химического осаждения из газовой фазы (CVD) снижают риск расслоения на 38% за счёт улучшенной предварительной обработки подложки. Анализ распространения микротрещин показывает, что многослойные алмазные покрытия выдерживают на 27% более высокие касательные напряжения по сравнению с однослойными аналогами до разрушения на границе раздела.

Вязкость разрушения алмазных покрытий при обработке в условиях высоких нагрузок

При условиях высокоскоростной обработки (≥ 800 м/мин) алмазные покрытия сохраняют значения вязкости разрушения выше 8 МПа√м, обеспечивая целостность режущей кромки при обработке хрупких материалов. Испытания на термическую стабильность показывают, что такие покрытия сохраняют 91% твёрдости при комнатной температуре при 600 °C по сравнению с 62% для инструментов из твёрдого сплава.

Производительность инструмента при обработке: влияние тепла и вибрации

Мониторинг высокочастотных вибраций при обработке полимеров, армированных стекловолокном, показывает, что алмазные сверла снижают амплитуду вибраций на 44 % по сравнению с необработанными инструментами. Свойственные алмазным покрытиям демпфирующие свойства уменьшают шероховатость поверхности заготовки (Ra) с 1,2 мкм до 0,4 мкм при фрезеровании алюминия авиационного класса.

Алмазные покрытия против инструментов без покрытия: сравнение срока службы и износостойкости

При непрерывных испытаниях обработки композитов на основе углеродного волокна торцевые фрезы с алмазным покрытием служат в 3,8 раза дольше, чем твердосплавные инструменты без покрытия. Измерения радиуса кромки показывают на 82 % меньшую деформацию у пластин с алмазным покрытием после 8 часов обработки титана, обеспечивая точность резания в пределах допусков ±2 мкм.

Оптимизация нанесения алмазных покрытий с использованием технологии ВЧХОД

Как ВЧХОД улучшает адгезию и равномерность алмазных покрытий

Химическое осаждение из газовой фазы с нагретой нитью, или HFCVD (сокращённо), даёт производителям гораздо больший контроль при выращивании алмазных покрытий, поскольку позволяет точно настраивать как используемые газы, так и температуру подложки. Испытания при обработке циркония показали, что покрытия, полученные таким способом, сцепляются с поверхностью примерно на 34 процента лучше по сравнению с обычными методами CVD, согласно исследованию, опубликованному в прошлом году в журнале Materials Today. Особенность HFCVD заключается в равномерном распределении покрытия по инструментам со сложной формой, при этом отклонения не превышают плюс-минус два микрометра по всей детали, сохраняя при этом острые кромки. Инженеры могут регулировать соотношение метана и водорода, чтобы повысить плотность покрытия выше 98 процентов, что значительно снижает образование мелких трещин в условиях интенсивного фрезерования, когда инструменты постоянно испытывают нагрузки.

Эффективность многослойных, двухслойных и однослойных алмазных покрытий при фрезеровании керамики из диоксида циркония

Недавние исследования выявили существенные различия в эксплуатационных характеристиках различных архитектур алмазных покрытий при обработке циркония 3Y-TZP:

Многослойные покрытия обеспечивают на 40% более длительный срок службы инструмента по сравнению с однослойными версиями благодаря улучшенной распределению напряжений. Чередующиеся нанокристаллические и микрокристаллические слои более эффективно поглощают энергию вибраций, сохраняя параметр шероховатости поверхности ≤ 0,35 мкм Ra в течение 85% срока службы инструмента, что подтверждено испытаниями при высокоскоростном фрезеровании.