Як використовувати алмазні інструменти для обробки твердих матеріалів

Розуміння принципів роботи алмазних різальних інструментів

Алмазні різальні інструменти використовують найміцніший матеріал, придатний для прецизійної роботи з важкими матеріалами, такими як кераміка, композитні матеріали та різні кольорові метали. Конструкція передбачає синтетичні алмази, організовані у полікристалічні утворення, що допомагає зменшити ризик тріщин, забезпечуючи при цьому виняткову стійкість до зносу. Ефективність цих інструментів пояснюється тим, що алмаз має надзвичайну твердість — близько 10 000 одиниць за шкалою Віккерса. Це дозволяє їм різати матеріали на мікроскопічному рівні, не виробляючи значної кількості тепла, що особливо важливо під час роботи з делікатними або чутливими до тепла матеріалами, які можуть легко потріскатися або деформуватися під високими температурами.

Що таке алмазні різальні інструменти та як вони працюють?

Сьогодні алмазні різальні інструменти виготовляють у двох основних формах: повністю спечених алмазних матрицях або таких, де алмази нанесені на підкладки. Працюючи з матеріалами, алмазні кромки фактично руйнують зв'язки в заготовці за рахунок механічного зсуву, а не шляхом їх розплавлення. Це забезпечує надзвичайно гладку поверхню, іноді до якості обробки Ra 0,02 мікрометра. У порівнянні зі звичайними карбідними інструментами, алмазні інструменти залишаються гострими приблизно в 10–15 разів довше під час роботи з абразивними матеріалами. Чому? Тому що алмаз має вражаючу твердість близько 90 ГПа і може проводити тепло приблизно на рівні 2000 Вт на метр-кельвін. Це означає, що він дуже ефективно відводить тепло під час роботи, що допомагає зберегти як продуктивність, так і термін служби інструменту.

Типи алмазних різальних інструментів: PCD, CVD та покриті алмазом варіанти

Три основні типи алмазних інструментів домінують у промислових застосуваннях:

1. Полікристалічний алмаз (PCD) — Спечений алмазний порошок, зв'язаний з карбідом вольфраму, ідеальний для переривчастого різання композитів
2. CVD Diamond Tools — Шари монокристалічного алмазу, вирощені методом хімічного осадження з парової фази, що використовуються при обробці ультраточних оптичних деталей
3. Diamond-Coated Tools — Мікронні шари алмазних плівок, нанесені на карбідну основу методом HFCVD (хімічне осадження з парової фази гарячою ниткою), що забезпечує економічно вигідне рішення для фрезерування кераміки

Інструменти PCD витримують зусилля різання до 700 Н у металевих композитах, тоді як варіанти CVD досягають точності ±0,5 мкм у авіаційних компонентах.

Механізми видалення матеріалу при алмазному обробленні

При обробці твердих матеріалів алмазним інструментом видалення матеріалу відбувається за рахунок:

• Пластичного режиму різання (для кераміки при глибині нижче критичної — 0,2 мкм)
• Поширення мікротріщин у крихких матеріалах, таких як карбід кремнію
• Термохімічний знос зниження за рахунок високої теплопровідності діаманта

Цей подвійний механічний і термічний вплив зменшує пошкодження підповерхневих шарів на 60—80% порівняно з традиційним шліфуванням, що було продемонстровано під час випробувань фрезерування цирконію (Yuan et al., 2023).

Обробка кераміки, композитів та металоматричних композитів діамантовими інструментами з покриттям

Алмазні інструменти стали обов'язковими під час роботи з міцними матеріалами, такими як карбід кремнію та кераміка на основі глинозему, оскільки звичайні різальні інструменти просто не витримують їх надзвичайної твердості — приблизно 8–9,5 за шкалою Мооса. Ці спеціалізовані інструменти здатні забезпечувати дуже вузькі допуски близько ±0,005 міліметра під час різання композитів із вуглецевого волокна, що використовуються у гальмах автомобілів, що зменшує проблеми розділення матеріалу приблизно на дві третини порівняно зі звичайними інструментами з твердого сплаву, згідно з дослідженням Товариства з точного машинобудування 2023 року. Щодо металоматричних композитів, таких як алюміній із домішками карбіду кремнію, алмазне різання забезпечує стабільність розмірів деталей навіть за високих температур устаткування, іноді понад 400 градусів Цельсія. Згідно з галузевими звітами, виробники, які переходять на фрези з алмазним покриттям, зазвичай знижують витрати на заміну інструментів приблизно на одну третину під час масового виробництва композитних компонентів.

Ультраточне оброблення алмазними інструментами в авіаційній та медичній галузях

Авіаційна промисловість використовує однокристалічні алмазні інструменти під час роботи з лопатками турбін з матеріалу Інконель, досягаючи чистоти поверхні менше Ra 0,2 мкм, що допомагає зменшити опір повітря під час польоту. Для виготовлення медичних приладів виробники використовують полікристалічний алмазний (PCD) інструмент для формування титанових імплантатів хребта. Ці інструменти забезпечують точність позиціонування близько 3 мкм, що цілком відповідає вимогам FDA щодо 5 мкм для поверхонь, які контактують з тілом людини. Згідно з останнім галузевим звітом 2024 року, компанії, які перейшли на алмазні інструменти, збільшили ефективність процесів обробки приблизно на 28% під час виготовлення оптичних лінз. Це покращення дозволяє досягати надзвичайно високих показників плоскості, необхідних для прецизійних лазерних застосувань.

Покращення чистоти поверхні при обробці твердих матеріалів за допомогою PCD-інструментів

Інструменти з полікристалічного алмазу (PCD) зменшують шорсткість поверхні приблизно на 40 відсотків під час фрезерування карбіду вольфраму порівняно з традиційними варіантами з CVD-покриттям. Ці інструменти можуть досягати значень Ra менше 0,08 мікрометрів, що має велике значення для форм і матриць, яким потрібні дзеркальні поверхні. У разі багатошарових PCD з алмазними частинками розміром від 8 до 12 мікронів термін їхнього служіння також значно збільшується. Випробування показали, що ці інструменти забезпечують стабільну продуктивність із зміною текстури поверхні менше ніж на 2% протягом приблизно 1200 циклів різання при роботі зі скловолокном армованими пластиками. Збільшений термін служби робить їх особливо цінними для виробників, які працюють із композитними матеріалами, де найважливішою є стабільність.

Оцінка ефективності та зносостійкості алмазних різальних інструментів

Методи оцінки різальної ефективності: знос задньої поверхні, випробування на тертя та фрезерні випробування

При оцінці алмазного різального інструменту фахівці галузі зазвичай враховують три основні фактори: знос задньої поверхні, коефіцієнти тертя та поведінку під час фактичних операцій фрезерування. Наприклад, при обробці композитів карбіду кремнію алмазні пластини демонструють знос задньої поверхні близько 0,02 мм після приблизно двох годин безперервної обробки, що на 63% краще, ніж у стандартних твердосплавних інструментів, згідно з дослідженням Понемона минулого року. Випробування, проведені на цирконієвій кераміці, також виявили цікаві результати. Алмазні напиляні фрези підтримують коефіцієнти тертя нижче 0,15 під час сухого фрезерування, що означає значно менше виділення тепла порівняно з не покритими аналогами. Це суттєво впливає на довговічність інструменту та якість оброблюваної деталі.

Характер зносу та відшарування покриття в інструментах з алмазним покриттям

Розшарування є основним видом відмови для діамантових покриттів, особливо під час обробки залізовмісних сплавів. Металографічні дослідження показують, що оптимізовані процеси хімічного осадження з парової фази (CVD) зменшують ризик розшарування на 38% завдяки поліпшеній попередній обробці підкладки. Аналіз поширення мікротріщин показує, що багатошарові діамантові покриття витримують на 27% вищі дотичні напруження, ніж одношарові аналоги, до виникнення відмови на межі поділу.

Міцність на тріщиностійкість діамантових покриттів у умовах високонавантаженого оброблення

У умовах швидкісного оброблення (≥ 800 м/хв) діамантові покриття зберігають значення міцності на тріщиностійкість понад 8 МПа√м, забезпечуючи цілісність різальної кромки під час обробки крихких матеріалів. Випробування на термостійкість показали, що такі покриття зберігають 91% твердості при кімнатній температурі при 600 °C порівняно з 62% для інструментів з вольфрамокарбідом.

Продуктивність інструменту в умовах оброблення: вплив тепла та вібрації

Моніторинг високочастотних вібрацій під час обробки скловолокно-армованого полімеру показує, що свердла з діамантовим покриттям зменшують амплітуди вібрацій на 44% порівняно з непокритими інструментами. Внутрішні демпфуючі властивості діамантових покриттів знижують шорсткість поверхні заготовки (Ra) з 1,2 мкм до 0,4 мкм під час операцій фрезерування алюмінію аерокосмічного класу.

Діамантове покриття порівняно з непокритими інструментами: порівняння терміну служби та стійкості до зносу

У тестах безперервної обробки композитів із вуглецевого волокна діамантові фрези служать у 3,8 рази довше, ніж непокриті карбідні інструменти. Вимірювання радіуса різальної кромки показали на 82% меншу деформацію вставок з діамантовим покриттям після 8 годин обробки титану, що забезпечує точність різання в межах допусків ±2 мкм.

Оптимізація нанесення діамантового покриття за допомогою технології HFCVD

Як HFCVD покращує адгезію та рівномірність діамантового покриття

Хімічне осадження пари з використанням гарячої нитки (HFCVD) дає виробникам значно кращий контроль під час вирощування діамантових покриттів, оскільки дозволяє точно налаштовувати як газову суміш, так і температуру підкладки. Випробування при обробці цирконію показали, що покриття, отримані цим методом, мають адгезію до поверхні приблизно на 34 відсотки вищу, ніж ті, що отримані за допомогою звичайних методів CVD, згідно з дослідженням, опублікованим минулого року в журналі Materials Today. Особливістю HFCVD є рівномірність нанесення покриття на інструменти складної форми, забезпечуючи варіації менше ніж плюс-мінус два мікрометри по всій деталі, при збереженні чітких гострих країв. Інженери можуть регулювати співвідношення метану та водню, щоб підвищити щільність покриття понад 98 відсотків, що значно зменшує утворення мікротріщин у жорстких умовах фрезерування, коли інструменти постійно піддаються навантаженню.

Ефективність багатошарових, двошарових та одношарових діамантових покриттів при фрезеруванні кераміки на основі цирконію

Останні дослідження виявили суттєві відмінності в продуктивності різних архітектур алмазних покриттів під час обробки цирконію 3Y-TZP:

Багатошарові покриття забезпечують термін служби інструменту на 40% довший, ніж одношарові версії, завдяки кращому розподілу напружень. Змінні нанокристалічні та мікрокристалічні шари ефективніше поглинають енергію вібрації, зберігаючи чистоту поверхні ≤ 0,35 мкм Ra протягом 85% терміну експлуатації інструменту, що підтверджено випробуваннями при швидкісному фрезеруванні.