Các dụng cụ cắt kim cương sử dụng chất liệu cứng nhất hiện có để thực hiện công việc chính xác khi xử lý các vật liệu cứng như gốm sứ, vật liệu composite và nhiều loại kim loại màu khác nhau. Thiết kế của dụng cụ bao gồm các hạt kim cương nhân tạo được sắp xếp thành cấu trúc đa tinh thể, giúp giảm nguy cơ nứt vỡ trong khi vẫn đảm bảo khả năng chống mài mòn vượt trội. Điều làm nên hiệu quả của những dụng cụ này là nhờ vào độ cứng cực cao của kim cương, khoảng 10.000 HV theo thang đo Vickers. Điều này cho phép chúng cắt xuyên qua vật liệu ở cấp độ vi mô mà không sinh ra nhiều nhiệt, một yếu tố đặc biệt quan trọng khi làm việc với các vật liệu nhạy cảm hoặc dễ vỡ, biến dạng dưới nhiệt độ cao.
Các dụng cụ cắt làm bằng kim cương hiện nay có hai dạng chính: các ma trận kim cương được ép kết hoàn toàn hoặc những loại mà kim cương được liên kết lên các nền tảng. Khi gia công vật liệu, các cạnh kim cương thực tế phá vỡ các liên kết trong phôi thông qua cơ chế cắt cơ học thay vì làm nóng chảy chúng. Điều này tạo ra các bề mặt cực kỳ nhẵn mịn, đôi khi đạt độ nhám bề mặt xuống tới Ra 0,02 micromet. So với các dụng cụ carbide thông thường, dụng cụ kim cương duy trì độ sắc bén lâu hơn khoảng 10 đến 15 lần khi xử lý các vật liệu mài mòn. Tại sao? Bởi vì kim cương có độ cứng tuyệt vời vào khoảng 90 GPa và có khả năng dẫn nhiệt khoảng 2.000 W trên mét Kelvin. Điều này có nghĩa là nó tản nhiệt rất hiệu quả trong quá trình vận hành, giúp duy trì cả hiệu suất lẫn tuổi thọ dụng cụ.
Ba loại dụng cụ kim cương chính thống trị các ứng dụng công nghiệp:
Dụng cụ PCD chịu được lực cắt lên đến 700 N trong vật liệu composite nền kim loại, trong khi các biến thể CVD đạt độ chính xác ±0,5 μm trên các bộ phận hàng không vũ trụ.
Trong xử lý vật liệu cứng, dụng cụ kim cương loại bỏ vật liệu thông qua:
Tác động cơ và nhiệt kép này làm giảm hư hỏng dưới bề mặt từ 60—80% so với mài thông thường, như đã được chứng minh trong các thử nghiệm phay zirconia (Yuan et al., 2023).
Các dụng cụ phủ kim cương đã trở thành yếu tố thiết yếu khi làm việc với những vật liệu cứng như silicon carbide và gốm alumina, vì các dụng cụ cắt thông thường hoàn toàn không thể xử lý được độ cứng cực cao của chúng, dao động khoảng 8 đến 9,5 trên thang Mohs. Những dụng cụ chuyên dụng này có khả năng duy trì độ chính xác rất cao, khoảng cộng trừ 0,005 milimét khi cắt các vật liệu composite sợi carbon dùng trong phanh ô tô, từ đó giảm khoảng hai phần ba các vấn đề tách lớp vật liệu so với các dụng cụ carbide thông thường, theo nghiên cứu của Hiệp hội Kỹ thuật Chính xác năm 2023. Khi nói đến các vật liệu nền kim loại composite như nhôm trộn với silicon carbide, việc cắt bằng kim cương giúp các chi tiết giữ được độ ổn định về kích thước ngay cả khi máy hoạt động ở nhiệt độ rất cao, đôi khi trên 400 độ C. Các báo cáo ngành công nghiệp cho biết các nhà sản xuất chuyển sang sử dụng dao phay phủ kim cương thường thấy chi phí thay thế dụng cụ giảm khoảng một phần ba khi sản xuất số lượng lớn các bộ phận composite.
Ngành hàng không phụ thuộc vào các dụng cụ kim cương đơn tinh thể khi gia công các cánh tuabin Inconel, đạt được độ nhẵn bề mặt dưới 0,2 micromet, giúp giảm lực cản không khí trong quá trình bay. Đối với thiết bị y tế, các nhà sản xuất sử dụng dụng cụ kim cương đa tinh thể hoặc dụng cụ PCD để tạo hình các implant cột sống làm bằng titan. Những dụng cụ này đảm bảo độ chính xác định vị khoảng 3 micromet, dễ dàng đáp ứng yêu cầu của FDA là 5 micromet đối với các bề mặt tiếp xúc với cơ thể. Theo một báo cáo ngành gần đây năm 2024, các công ty chuyển sang sử dụng dụng cụ kim cương đã thấy quy trình gia công của họ trở nên hiệu quả hơn khoảng 28% khi sản xuất các thấu kính quang học. Cải thiện này cho phép họ đạt được mức độ phẳng cực kỳ cao cần thiết cho các ứng dụng laser độ chính xác cao.
Các dụng cụ kim cương đa tinh thể (PCD) giúp giảm độ nhám bề mặt khoảng 40 phần trăm khi phay cacbua vonfram so với các lựa chọn phủ CVD thông thường. Những dụng cụ này có thể đạt được giá trị Ra dưới 0,08 micromet, điều này thực sự quan trọng đối với khuôn và die yêu cầu bề mặt hoàn thiện như gương. Khi nói đến PCD nhiều lớp chứa các hạt kim cương từ 8 đến 12 micromet, chúng cũng có tuổi thọ kéo dài đáng kể. Các thử nghiệm cho thấy những dụng cụ này duy trì hiệu suất ổn định với độ biến thiên dưới 2% về kết cấu bề mặt trong khoảng 1.200 chu kỳ cắt khi làm việc với nhựa gia cố sợi thủy tinh. Tuổi thọ dụng cụ kéo dài khiến chúng đặc biệt có giá trị đối với các nhà sản xuất xử lý vật liệu composite nơi tính nhất quán là yếu tố quan trọng nhất.
Khi đánh giá các dụng cụ cắt kim cương, các chuyên gia trong ngành thường xem xét ba yếu tố chính: mài mòn mặt bên, hệ số ma sát và hiệu suất trong các hoạt động phay thực tế. Ví dụ, khi làm việc với vật liệu composite carbide silic, dụng cụ PCD thường xuất hiện mài mòn mặt bên khoảng 0,02 mm sau khoảng hai giờ gia công liên tục, tốt hơn khoảng 63% so với dụng cụ carbide thông thường theo nghiên cứu của Ponemon năm ngoái. Các thử nghiệm thực hiện trên gốm zirconia cũng cho thấy điều thú vị. Các mũi phay phủ kim cương duy trì hệ số ma sát dưới 0,15 trong quá trình phay khô, nghĩa là chúng sinh ra ít nhiệt hơn nhiều so với loại không phủ. Điều này tạo nên sự khác biệt lớn về tuổi thọ dụng cụ và chất lượng chi tiết gia công.
Bong tróc là dạng hư hỏng chính của các lớp phủ kim cương, đặc biệt khi gia công các hợp kim sắt. Các nghiên cứu về luyện kim cho thấy quy trình lắng đọng hơi hóa học (CVD) được tối ưu hóa có thể giảm nguy cơ bong tróc tới 38% nhờ xử lý tiền bề mặt nền tốt hơn. Phân tích sự lan truyền vết nứt vi mô cho thấy các lớp phủ kim cương nhiều lớp chịu được ứng suất cắt cao hơn 27% so với loại một lớp trước khi xảy ra hư hỏng tại bề mặt tiếp giáp.
Trong điều kiện gia công tốc độ cao (≥ 800 m/min), lớp phủ kim cương duy trì giá trị độ dai va đập vượt quá 8 MPa√m, giúp bảo toàn độ nguyên vẹn cạnh cắt trong quá trình gia công vật liệu giòn. Kiểm tra tính ổn định nhiệt cho thấy các lớp phủ này vẫn giữ được 91% độ cứng ở nhiệt độ phòng khi ở 600°C, so với 62% đối với dụng cụ cacbua vonfram.
Giám sát rung động tần số cao trong quá trình gia công polymer gia cố sợi thủy tinh cho thấy mũi khoan phủ kim cương giảm biên độ rung động 44% so với dụng cụ không phủ. Tính chất giảm chấn vốn có của lớp phủ kim cương làm giảm độ nhám bề mặt vật liệu (Ra) từ 1,2 μm xuống còn 0,4 μm trong các thao tác phay nhôm cấp hàng không.
Trong các thử nghiệm gia công liên tục trên vật liệu composite sợi carbon, dao phay ngón phủ kim cương có tuổi thọ dài hơn 3,8 lần so với dụng cụ carbide không phủ. Các phép đo bán kính cạnh cho thấy mức độ biến dạng ít hơn 82% ở các mảnh chèn phủ kim cương sau 8 giờ gia công titanium, đảm bảo độ chính xác cắt trong phạm vi dung sai ±2 μm.
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học bằng dây tóc nóng, hay còn gọi tắt là HFCVD, giúp các nhà sản xuất kiểm soát tốt hơn nhiều khi phát triển lớp phủ kim cương vì phương pháp này cho phép điều chỉnh chính xác cả loại khí sử dụng lẫn nhiệt độ của vật liệu nền. Các thử nghiệm trên gia công zirconia đã cho thấy, theo nghiên cứu được công bố năm ngoái trên tạp chí Materials Today, lớp phủ chế tạo bằng cách này bám dính vào bề mặt mạnh hơn khoảng 34 phần trăm so với phương pháp CVD thông thường. Điều làm nên điểm nổi bật của HFCVD là khả năng phân bố lớp phủ một cách đồng đều trên các dụng cụ có hình dạng phức tạp, giữ sự biến thiên dưới mức cộng trừ hai micromet trên toàn bộ chi tiết mà vẫn duy trì được các cạnh sắc như dao cạo. Các kỹ sư có thể điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp metan và hydro để nâng mật độ lớp phủ vượt ngưỡng 98 phần trăm, từ đó giảm đáng kể việc hình thành các vết nứt nhỏ trong điều kiện phay cường độ cao khi dụng cụ liên tục chịu ứng suất.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy sự khác biệt rõ rệt về hiệu suất giữa các kiến trúc lớp phủ kim cương khi gia công zirconia 3Y-TZP:
| Loại lớp phủ | Tuổi thọ dao (phút) | Độ Nhám Bề mặt (Ra) | Nguy cơ bong tróc |
|---|---|---|---|
| Đa lớp (5μm) | 142 ±8 | 0,32 μm | Thấp |
| Hai lớp (3μm) | 89 ±12 | 0,51 μm | Trung bình |
| Một lớp (2μm) | 47 ±9 | 0,78 μm | Cao |
Lớp phủ đa lớp mang lại tuổi thọ dụng cụ dài hơn 40% so với phiên bản một lớp nhờ khả năng phân bố ứng suất vượt trội. Các lớp xen kẽ nanotinh thể và vi tinh thể hấp thụ năng lượng rung động hiệu quả hơn, duy trì độ nhám bề mặt ≤ 0,35 μm Ra trong suốt 85% tuổi thọ hoạt động của dụng cụ, như đã được xác nhận trong các thử nghiệm phay tốc độ cao.
Tin Tức Nổi Bật2025-09-30
2025-08-31
2025-08-30
2025-07-28
2025-06-25
2025-04-22
Dongtai cam kết đứng vững ở phương Đông và thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp giấy nhám phủ toàn cầu.
EN
