Како користити алмазне режиће алате за обраду тврдих материјала

Разумевање дијамантних алата за резање и њихових радних принципа

Алати за резање дијамантом користе најчвршћу доступну супстанцу за прецизни рад када се обрађују отпорни материјали као што су керамика, композитни материјали и разни нелегурисани метали. Конструкција укључује синтетичке дијаманте организоване у поликристалне формације, што помаже у смањењу ризика од пуцања, а истовремено обезбеђује изузетну отпорност на хабање. Оно што ове алатачине чини ефикасним је њихова зависност од изузетне чврстоће дијаманта, која износи око 10.000 HV на Викерсовом скали. Ово им омогућава да сеће кроз материјале на микроскопском нивоу без генерисања велике количине топлоте, што је посебно важно при раду са деликатним или осетљивим материјалима на топлоту, који се лако могу напукати или деформисати под високим температурама.

Шта су алати за резање дијамантом и како функционишу?

Сечива од дијаманта данас постоје у два основна облика: потпуно спрежене дијамантне матрице или они код којих су дијаманти везани за подлоге. При раду са материјалима, ивице дијаманта заправо разлупавају везе у предмету механичким смичењем, а не топљењем. Ово ствара изузетно глатке површине, понекад чак и до Ra 0,02 микрометра квалитета обраде. У поређењу са обичним карбидним алатима, дијамантни алати остају оштри око 10 до 15 пута дуже када се обрађују абразивни материјали. Зашто? Зато што дијамант има изузетну тврдоћу од око 90 GPa и може проводити топлоту на нивоу око 2.000 W по метру Келвин. То значи да веома ефикасно отпушта топлоту током рада, што помаже у одржавању и перформанси и дужине трајања алата.

Врсте дијамантних сечива: PCD, CVD и дијамантно прекривене варијанте

Три примарне врсте дијамантних алата доминирају у индустријским применама:

1. Поликристални дијамант (PCD) — Sinterisane dijamantne čestice povezane sa karbidom volframa, idealne za prekinute rezove u kompozitima
2. CVD Dijamantni alati — Slojevi dijamanta jednostrukog kristala napravljeni hemijskom depozicijom iz parne faze, koji se koriste u ultra preciznom obradi optičkih površina
3. Alati sa dijamantnim prevlakama — Dijamantne folije debljine od mikrona nanete na karbidne podloge putem HFCVD (depozicija iz vrele niti), pružajući ekonomično rešenje za glodanje keramike

PCD alati izdržavaju sile rezanja do 700 N kod metalnih kompozita, dok CVD varijante postižu tačnost od ±0,5 μm kod vazduhoplovnih komponenti.

Mehanizmi uklanjanja materijala pri dijamantnoj obradi

Pri obradi tvrdih materijala, dijamantni alati uklanjaju materijal kroz:

• Rezanje u duktilnom režimu (za keramiku ispod kritične dubine od 0,2 μm)
• Širenje mikropukotina u krtim materijalima poput karbida silicijuma
• Termohemijsko habanje smanjenje uz pomoć visoke toplotne provodljivosti dijamanta

Ova dvostruka mehanička i termička akcija smanjuje oštećenje ispod površine za 60—80% u poređenju sa konvencionalnim brušenjem, kako je pokazano u ispitivanjima obrade cirkonijuma (Yuan et al., 2023).

Obrada keramike, kompozita i metalnih kompozita sa alatima prevučenim dijamantom

Алати са дијамантним преклапањем постали су неопходни при раду са чврстим материјалима као што су карбид силицијума и керамика од алуминијума, јер стандардни режући алати просто не могу да поднесу њихову изузетну тврдоћу која износи око 8 до 9,5 на Мосовој скали. Ови специјализовани алати успевају да одрже изузетно мале дозвољена одступања од око плус-минус 0,005 милиметара при резању композита од угљеничних влакана који се користе за аутомобилске кочнице, чиме се смањују проблеми раздвајања материјала за отприлике две трећине у поређењу са обичним карбидним алатима, према истраживању Здружења за прецизно инжењерство из 2023. године. Када је реч о металним матричним композитима као што је алуминијум помешан са карбидом силицијума, резање дијамантним алатима одржава делове димензионолно стабилним чак и када се машине врло нагреју, понекад преко 400 степени Целзијуса. Извештаји из индустрије указују да произвођачи који пређу на фрезе са дијамантним преклапањем углавном имају пад трошкова замене алатa за око трећину при производњи великих количина композитних делова.

Ултра прецизно обрада алмазним алатима у аерокосмичкој и медицинској индустрији

Аерокосмичка индустрија користи алмазне алате од монокристала приликом обраде лопатица турбина од инконела, постижући испуњеност површине испод Ra 0,2 микрона, што помаже у смањењу отпора ваздуха током лета. За медицинске уређаје, произвођачи користе поликристалне алмазне или PCD алате за обликовање титанских импланата за кичму. Ови алати остварују тачност позиционирања од око 3 микрона, лако испуњавајући FDA захтев од 5 микрона за површине које долазе у контакт са телом. Према недавном извештају из индустрије из 2024. године, компаније које су прешле на алмазне алате имале су око 28% ефикасније процесе обраде оптичких сочива. Ова побољшања омогућавају им да постигну изузетно висок степен равнине потребан за високо прецизне ласерске примене.

Побољшање испуњености површине при обради тврдих материјала коришћењем PCD алата

Алати од поликристалног дијаманта (PCD) смањују храпавост површине за око 40 процената током фрезовања волфрам карбида у поређењу са конвенционалним CVD прекривеним опцијама. Ови алати могу постићи Ra вредности испод 0,08 микрометара, што је изузетно важно за форме и матрице којима су потребне површине као огледало. Када је реч о вишеслојном PCD-у који садржи честице дијаманта између 8 и 12 микрометара, они имају знатно дужи век трајања. Тестови показују да ови алати одржавају сталне перформансе са варијацијом текстуре површине мањом од 2% кроз отприлике 1.200 циклуса резања при раду са стаклопластиком. Проширени век трајања алатa чини их посебно вредним за произвођаче који раде са композитним материјалима где је конзистентност најважнија.

Процена перформанси и отпорности на хабање алата са дијамантним прекривањем

Методе процене перформанси резања: Хабање ножног лица, тестови трења и пробе фрезовања

При процени алата за резање дијаманта, стручњаци из индустрије обично разматрају три главна фактора: хабање стране, коефицијенте трења и перформансе током стварних операција фрезовања. На пример, при раду са композитима карбида силицијума, алати од поли-кристалног дијаманта (PCD) обично показују хабање стране око 0,02 mm након отприлике два часа непрекидног обраде, што је око 63% боље у односу на стандардне карбидне алата, према истраживању Понмонове групе из прошле године. Тестови спроведени на церамикама од цирконијума откривају нешто интересантно. Фрезе прекривене дијамантом одржавају коефицијенте трења испод 0,15 током сувог фрезовања, што значи да генеришу много мање топлоте у односу на алате без преклопа. Ово има велики утицај на дужину трајања алата и квалитет обрађене површине.

Поношање и одвајање преклопа код алата прекривених дијамантом

Delaminacija je primarni oblik oštećenja kod dijamantnih prevlaka, naročito pri obradi gvožđa legura. Metalurška istraživanja pokazuju da optimizovani procesi hemijske depozicije iz parne faze (CVD) smanjuju rizik od delaminacije za 38% kroz poboljšanu prethodnu obradu podloge. Analiza širenja mikropukotina otkriva da višeslojne dijamantne prevlake podnose 27% veće smičuće napone u odnosu na jednoslojne ekvivalente pre nego što dođe do oštećenja na međupovršini.

Žilavost dijamantnih prevlaka u uslovima visokonaponske obrade

U uslovima visokobrzinske obrade (≥ 800 m/min), dijamantne prevlake održavaju vrednosti žilavosti prema lomu koje premašuju 8 MPa√m, čuvajući time celovitost oštrice tokom obrade krtih materijala. Ispitivanje termičke stabilnosti pokazuje da ove prevlake zadržavaju 91% tvrdoće na sobnoj temperaturi na temperaturi od 600°C, u poređenju sa 62% za alate od tvrdog metala.

Performanse alata u uslovima obrade: Uticaj toplote i vibracija

Мониторинг вибрација високе фреквенције током обраде полимера ојачаног стакленим влакнима показује да сврдла са дијамантним преклапањем смањују амплитуде вибрација за 44% у односу на непокривена алата. Унутрашња демпфирајућа својства дијамантних преклапања смањују храпавост површине делова (Ra) са 1,2 μm на 0,4 μm у операцијама фрезовања алуминијума ваздухопловног квалитета.

Дијамантска преклапања у поређењу са непокривеним алатима: поређење трајања алата и отпорности на хабање

У континуираним тестовима обраде композита од угљеничних влакана, фрезе са дијамантским преклапањем трају 3,8 пута дуже од непокривених карбидних алата. Мерења полупречника ивице показују 82% мање деформације код дијамантски прекривених уметака након 8 сати обраде титана, чиме се осигурава прецизност резања у оквиру толеранција ±2 μm.

Оптимизација депозиције дијамантског преклапања коришћењем HFCVD технологије

Како HFCVD побољшава прилијегање и једноличност дијамантског преклапања

Hemijska depozicija para sa vrelom žicom, ili HFCVD u skraćenom obliku, omogućava proizvođačima znatno bolju kontrolu prilikom rasta dijamantnih prevlaka jer im omogućava precizno podešavanje i gasova koji se koriste i temperature podložnog materijala. Ispitivanja na zirkoniju pri obradi pokazala su da prevlake izrađene na ovaj način naležu na površine oko 34 posto jače u odnosu na one dobijene standardnim CVD metodama, prema istraživanju objavljenom prošle godine u časopisu Materials Today. Ono što izdvaja HFCVD je ravnomernost raspodele prevlake po alatkama složenih oblika, održavajući varijacije ispod plus-minus dva mikrometra tokom celokupnog dela, uz očuvanje oštrih ivica. Inženjeri mogu da podešavaju mešavinu metana i vodonika kako bi povećali gustinu prevlake preko 98 procenata, što znatno smanjuje stvaranje sitnih pukotina u uslovima intenzivnog brušenja kada su alati stalno opterećeni.

Performanse višeslojnih, dvoslojnih i jednoslojnih dijamantnih prevlaka pri obradi keramike od cirkonijuma

Недавна истраживања показују изразите разлике у перформансама архитектура дијамантних преклопних слојева при обради цирконијум-диоксида 3Y-TZP:

Višeslojne prevlake nude 40% duži vek trajanja alata u odnosu na jednoslojne verzije zbog superiornog raspodele napona. Naizmenični nanokristalni i mikrokristalni slojevi efikasnije apsorbuju energiju vibracija, održavajući kvalitet površine ≤ 0,35 μm Ra kroz 85% radnog veka alata, što je potvrđeno u ispitivanjima visokobrzinskog frizovanja.