L'outil PCD est fabriqué à partir d'une pointe de couteau en diamant polycristallin et d'une matrice en carbure par frittage haute température et haute pression. Il exploite pleinement les avantages suivants : dureté élevée, conductivité thermique élevée, faibles coefficients de frottement et de dilatation thermique, faible affinité avec les métaux et les non-métaux, module d'élasticité élevé, surface sans clivage et isotropie, tout en tenant compte de la résistance élevée des alliages durs.
La stabilité thermique, la ténacité aux chocs et la résistance à l'usure sont les principaux indicateurs de performance du PCD. Principalement utilisé dans des environnements à haute température et à fortes contraintes, la stabilité thermique est primordiale. L'étude montre que la stabilité thermique du PCD a un impact important sur sa résistance à l'usure et sa ténacité aux chocs. Les données montrent qu'à des températures supérieures à 750 °C, la résistance à l'usure et la ténacité aux chocs du PCD diminuent généralement de 5 à 10 %.
L'état cristallin du PCD détermine ses propriétés. Dans sa microstructure, les atomes de carbone forment des liaisons covalentes avec quatre atomes adjacents, formant ainsi une structure tétraédrique, puis formant un cristal atomique doté d'une forte orientation et d'une force de liaison élevée, ainsi que d'une dureté élevée. Les principaux indices de performance du PCD sont les suivants : 1. Sa dureté peut atteindre 8 000 HV, soit 8 à 12 fois celle du carbure ; 2. Sa conductivité thermique est de 700 W/mK, soit 1,5 à 9 fois supérieure à celle du PCBN et du cuivre ; 3. Son coefficient de frottement est généralement de seulement 0,1 à 0,3, bien inférieur à celui du carbure (0,4 à 1), ce qui réduit considérablement l'effort de coupe ; 4. Son coefficient de dilatation thermique est de seulement 0,9 x 10-6 à 1,18 x 10-6,1/5, ce qui permet de réduire la déformation thermique et d'améliorer la précision d'usinage ; 5. Les matériaux non métalliques ont moins tendance à former des nodules.
Le nitrure de bore cubique présente une forte résistance à l'oxydation et permet de traiter les matériaux contenant du fer. Cependant, sa dureté est inférieure à celle du diamant monocristallin, sa vitesse de traitement est lente et son rendement est faible. Le diamant monocristallin présente une dureté élevée, mais une ténacité insuffisante. Son anisotropie facilite sa dissociation le long de la surface (111) sous l'effet d'une force externe, ce qui limite son rendement. Le PCD est un polymère synthétisé par des procédés spécifiques à partir de particules de diamant de la taille d'un micron. L'accumulation désordonnée de particules lui confère une nature macroscopiquement isotrope, et sa résistance à la traction est dépourvue de surface directionnelle et de clivage. Comparé au diamant monocristallin, le joint de grain du PCD réduit efficacement l'anisotropie et optimise les propriétés mécaniques.
1. Principes de conception des outils de coupe PCD
(1) Sélection raisonnable de la taille des particules de PCD
Théoriquement, le PCD doit viser à affiner les grains, et la répartition des additifs entre les produits doit être aussi uniforme que possible afin de surmonter l'anisotropie. Le choix de la granulométrie du PCD est également lié aux conditions de traitement. En règle générale, un PCD présentant une résistance élevée, une bonne ténacité, une bonne résistance aux chocs et un grain fin peut être utilisé pour la finition ou la superfinition, tandis qu'un PCD à gros grains peut être utilisé pour l'ébauche générale. La granulométrie du PCD peut avoir un impact significatif sur la résistance à l'usure de l'outil. La littérature pertinente souligne que lorsque le grain de la matière première est gros, la résistance à l'usure augmente progressivement avec la diminution de la granulométrie, mais que cette règle n'est pas applicable lorsque la granulométrie est très petite.
Des expériences connexes ont sélectionné quatre poudres de diamant avec des tailles de particules moyennes de 10 µm, 5 µm, 2 µm et 1 µm, et il a été conclu que : 1 Avec la diminution de la taille des particules de la matière première, le Co se diffuse plus uniformément ; avec la diminution de 2, la résistance à l'usure et la résistance à la chaleur du PCD ont progressivement diminué.
(2) Choix raisonnable de la forme de l'embouchure de la lame et de l'épaisseur de la lame
La forme de l'embouchure de la lame comprend principalement quatre structures : bord inversé, cercle émoussé, composite bord inversé et cercle émoussé, et angle vif. La structure angulaire vive rend l'arête tranchante, la vitesse de coupe est rapide, réduit considérablement l'effort de coupe et les bavures, améliore la qualité de surface du produit et est particulièrement adaptée à la finition uniforme des alliages d'aluminium à faible teneur en silicium et autres métaux non ferreux de faible dureté. La structure ronde obtuse permet de passiver l'embouchure de la lame, formant un angle R, empêchant efficacement la rupture de la lame et convenant à l'usinage des alliages d'aluminium à teneur moyenne à élevée en silicium. Dans certains cas particuliers, comme les faibles profondeurs de coupe et les faibles avances de couteau, la structure ronde émoussée est préférable. La structure à bord inversé permet d'augmenter les arêtes et les angles, stabilise la lame, tout en augmentant la pression et la résistance à la coupe, ce qui la rend particulièrement adaptée à la coupe sous fortes charges des alliages d'aluminium à teneur élevée en silicium.
Pour faciliter l'usinage par électroérosion, on choisit généralement une fine couche de tôle PDC (0,3 à 1,0 mm) et une couche de carbure. L'épaisseur totale de l'outil est d'environ 28 mm. La couche de carbure ne doit pas être trop épaisse afin d'éviter la stratification due aux différences de contrainte entre les surfaces de liaison.
2, processus de fabrication d'outils PCD
Le procédé de fabrication d'un outil PCD détermine directement ses performances de coupe et sa durée de vie, ce qui est essentiel à son application et à son développement. Le procédé de fabrication de l'outil PCD est illustré à la figure 5.
(1) Fabrication de comprimés composites PCD (PDC)
1. Processus de fabrication du PDC
Le PDC est généralement composé de poudre de diamant naturel ou synthétique et d'un liant, soumis à une température élevée (1 000 à 2 000 °C) et une pression élevée (5 à 10 atm). Le liant forme le pont de liaison avec TiC, Sic, Fe, Co, Ni, etc. comme principaux composants, et le cristal de diamant est intégré au squelette du pont de liaison sous forme de liaison covalente. Le PDC est généralement fabriqué en disques de diamètre et d'épaisseur fixes, puis soumis à un meulage, un polissage et d'autres traitements physiques et chimiques correspondants. En substance, la forme idéale du PDC doit conserver autant que possible les excellentes caractéristiques physiques du diamant monocristallin. Par conséquent, les additifs dans le corps de frittage doivent être aussi faibles que possible, tout en optimisant la combinaison de liaisons DD des particules.
2 Classification et sélection des liants
Le liant est le facteur le plus important affectant la stabilité thermique de l'outil PCD, ce qui affecte directement sa dureté, sa résistance à l'usure et sa stabilité thermique. Les méthodes courantes de liaison du PCD sont : le fer, le cobalt, le nickel et d'autres métaux de transition. Une poudre mixte de Co et W a été utilisée comme agent de liaison, et les performances globales du frittage du PCD étaient optimales lorsque la pression de synthèse était de 5,5 GPa, la température de frittage de 1 450 °C et l'isolation pendant 4 minutes. SiC, TiC, WC, TiB2 et autres matériaux céramiques. SiC. La stabilité thermique du SiC est meilleure que celle du Co, mais sa dureté et sa ténacité à la rupture sont relativement faibles. Une réduction appropriée de la taille de la matière première peut améliorer la dureté et la ténacité du PCD. Sans adhésif, avec du graphite ou d'autres sources de carbone, cuit à ultra-haute température et haute pression pour obtenir un diamant polymère nanométrique (NPD). L'utilisation du graphite comme précurseur pour la préparation du NPD est la plus exigeante, mais le NPD synthétique présente la dureté la plus élevée et les meilleures propriétés mécaniques.
Sélection et contrôle des grains 3
La poudre de diamant, matière première, est un facteur clé des performances du PCD. Le prétraitement de la micropoudre de diamant, l'ajout d'une petite quantité de substances empêchant la croissance de particules de diamant anormales et une sélection judicieuse d'additifs de frittage peuvent inhiber la croissance de ces particules.
Un NPD de haute pureté et de structure uniforme permet d'éliminer efficacement l'anisotropie et d'améliorer les propriétés mécaniques. La poudre précurseur de nanographite préparée par broyage à billes à haute énergie a été utilisée pour réguler la teneur en oxygène lors du préfrittage à haute température, transformant le graphite en diamant sous 18 GPa et 2 100-2 300 °C, générant ainsi un NPD lamellaire et granulaire, dont la dureté augmente avec la diminution de l'épaisseur des lamelles.
④ Traitement chimique tardif
À la même température (200 °C) et pendant la même durée (20 h), l'effet d'élimination du cobalt de l'acide de Lewis-FeCl3 était nettement supérieur à celui de l'eau, et le rapport optimal de HCl était de 10-15 g/100 ml. La stabilité thermique du PCD s'améliore à mesure que la profondeur d'élimination du cobalt augmente. Pour le PCD à croissance grossière, un traitement à l'acide fort peut éliminer complètement le cobalt, mais a une grande influence sur les performances du polymère ; l'ajout de TiC et de WC modifie la structure polycristalline synthétique et, combiné à un traitement à l'acide fort, améliore la stabilité du PCD. À l'heure actuelle, le procédé de préparation des matériaux PCD s'améliore, la ténacité du produit est bonne, l'anisotropie a été considérablement améliorée, la production commerciale a été réalisée et les industries concernées se développent rapidement.
(2) Traitement de la lame PCD
1 processus de coupe
Le PCD présente une dureté élevée, une bonne résistance à l'usure et un processus de coupe très difficile.
2. Procédure de soudage
Le PDC et le corps du couteau sont fixés mécaniquement par serrage, collage et brasage. Le brasage consiste à presser le PDC sur la matrice carbure, notamment par brasage sous vide, soudage-diffusion sous vide, brasage par induction haute fréquence, soudage laser, etc. Le brasage par induction haute fréquence est économique et rentable, et est largement utilisé. La qualité du soudage dépend du flux, de l'alliage de soudage et de la température de soudage. Une température de soudage (généralement inférieure à 700 °C) a un impact majeur : une température trop élevée peut provoquer une graphitisation du PCD, voire une surchauffe, ce qui affecte directement l'efficacité du soudage. Une température trop basse peut entraîner une résistance insuffisante du soudage. La température de soudage peut être contrôlée par le temps d'isolation et la profondeur de la rougeur du PCD.
3 processus de meulage de la lame
Le procédé de rectification d'outils PCD est essentiel à la fabrication. En général, la valeur de crête de la lame et de la lame est inférieure à 5 µm et le rayon de l'arc est inférieur à 4 µm. Les surfaces de coupe avant et arrière garantissent un bon état de surface et réduisent même le Ra de la surface de coupe avant à 0,01 µm pour répondre aux exigences de miroir, permettre aux copeaux de s'écouler le long de la surface de la lame avant et éviter le grippage de la lame.
Le procédé d'affûtage des lames comprend l'affûtage mécanique des lames à la meule diamantée, l'affûtage électrique des lames (EDG), l'affûtage électrolytique en ligne des lames à la meule abrasive ultra-dure à liant métallique (ELID) et l'usinage des lames composites. Parmi ces procédés, l'affûtage mécanique des lames à la meule diamantée est le plus abouti et le plus répandu.
Expériences connexes : 1. La meule à grosses particules entraînera un effondrement grave de la lame, la taille des particules de la meule diminuera et la qualité de la lame s'améliorera ; la taille des particules de la meule 2. est étroitement liée à la qualité de la lame des outils PCD à particules fines ou ultrafines, mais a un effet limité sur les outils PCD à grosses particules.
Les recherches nationales et internationales portent principalement sur le mécanisme et le procédé d'affûtage des lames. Dans ce mécanisme, l'enlèvement thermochimique et l'enlèvement mécanique prédominent, l'enlèvement de fragilité et l'élimination par fatigue étant relativement faibles. Lors de l'affûtage, en fonction de la résistance mécanique et thermique des différentes meules diamantées à liant, il convient d'optimiser la vitesse et la fréquence de rotation de la meule, d'éviter l'enlèvement de fragilité et l'élimination par fatigue, d'optimiser l'enlèvement thermochimique et de réduire la rugosité de surface. La rugosité de surface de l'affûtage à sec est faible, mais elle peut facilement être brûlée par la température de traitement élevée.
Lors de l'affûtage des lames, il est important de prendre en compte les points suivants : 1. Choisir des paramètres d'affûtage adaptés permet d'améliorer la qualité de l'arête et la finition des surfaces avant et arrière. 2. Cependant, il faut également tenir compte de la force d'affûtage élevée, des pertes importantes, de la faible efficacité et du coût élevé. 3. Choisir une qualité de meule adaptée, notamment le type de liant, la granulométrie, la concentration, le liant et le dressage. Des conditions d'affûtage à sec et humide adaptées permettent d'optimiser les angles avant et arrière de l'outil, la passivation de la pointe du couteau et d'autres paramètres, tout en améliorant la qualité de surface de l'outil.
Les meules diamantées à liant métallique présentent des caractéristiques, des mécanismes et des effets de meulage différents. La meule diamantée à liant résine est tendre, les particules abrasives se détachent facilement prématurément, ne résiste pas à la chaleur et se déforme facilement sous l'effet de la chaleur. La surface de la lame est sujette aux marques d'usure. La meule diamantée à liant métallique conserve son affûtage par broyage. Elle offre une bonne formabilité et un bon surfaçage. La surface de la lame présente une faible rugosité et un rendement élevé. Cependant, la capacité de liaison des particules abrasives rend l'auto-affûtage médiocre et le tranchant peut facilement laisser un espace d'impact, ce qui peut entraîner de graves dommages marginaux. La meule diamantée à liant céramique présente une résistance modérée, une bonne auto-excitation, une porosité interne plus importante, un meilleur dépoussiérage et une meilleure dissipation de la chaleur. Elle s'adapte à divers liquides de refroidissement. Grâce à sa faible température de meulage, la meule est moins usée, conserve sa forme et offre une précision optimale. Cependant, la surface de la meule diamantée et du liant peut entraîner la formation de piqûres. Utiliser en fonction des matériaux de traitement, de l'efficacité de meulage complète, de la durabilité abrasive et de la qualité de surface de la pièce.
La recherche sur l'efficacité de la rectification se concentre principalement sur l'amélioration de la productivité et la maîtrise des coûts. En général, le taux de rectification Q (enlèvement de PCD par unité de temps) et le taux d'usure G (rapport enlèvement de PCD/perte de meule) sont utilisés comme critères d'évaluation.
Français L'érudit allemand KENTER rectifie l'outil PCD avec une pression constante, test : 1 augmente la vitesse de la meule, la taille des particules PDC et la concentration du liquide de refroidissement, le taux de meulage et le taux d'usure sont réduits ; 2 augmente la taille des particules de meulage, augmente la pression constante, augmente la concentration de diamant dans la meule, le taux de meulage et le taux d'usure augmentent ; 3 le type de liant est différent, le taux de meulage et le taux d'usure sont différents. KENTER Le processus de meulage de la lame de l'outil PCD a été étudié systématiquement, mais l'influence du processus de meulage de la lame n'a pas été analysée systématiquement.
3. Utilisation et défaillance des outils de coupe PCD
(1) Sélection des paramètres de coupe de l'outil
Durant la phase initiale de l'outil PCD, la passivation de l'arête vive a progressivement amélioré la qualité de surface usinée. La passivation permet d'éliminer efficacement les micro-espaces et les petites bavures dues à l'affûtage de la lame, d'améliorer la qualité de surface de l'arête de coupe et, simultanément, de former un rayon d'arête circulaire pour comprimer et réparer la surface usinée, améliorant ainsi la qualité de surface de la pièce.
Fraisage surfacique d'alliages d'aluminium avec outil PCD. La vitesse de coupe est généralement de 4 000 m/min et l'usinage de trous de 800 m/min. L'usinage de métaux non ferreux hautement élastiques et plastiques nécessite une vitesse de tournage plus élevée (300 à 1 000 m/min). Le volume d'avance recommandé est généralement compris entre 0,08 et 0,15 mm/tr. Un volume d'avance trop important entraîne une augmentation de la force de coupe et de la surface géométrique résiduelle de la pièce. Un volume d'avance trop faible entraîne une augmentation de la chaleur de coupe et de l'usure. L'augmentation de la profondeur de coupe, de la force de coupe et de la chaleur de coupe réduit la durée de vie. Une profondeur de coupe excessive peut facilement entraîner l'affaissement de la lame. Une faible profondeur de coupe peut entraîner un durcissement par usinage, de l'usure, voire un affaissement de la lame.
(2) Forme d'usure
Lors de l'usinage d'une pièce, l'usure est inévitable, notamment en raison du frottement et des températures élevées. L'usure d'un outil diamanté se déroule en trois phases : une phase initiale d'usure rapide (également appelée phase de transition), une phase d'usure stable à vitesse constante et une phase d'usure rapide. Cette dernière indique que l'outil ne fonctionne plus et nécessite un réaffûtage. Les formes d'usure des outils de coupe comprennent l'usure par adhérence (soudage à froid), par diffusion, par abrasion et par oxydation, etc.
Contrairement aux outils traditionnels, les outils PCD s'usent principalement par adhérence, par diffusion et par endommagement de la couche polycristalline. L'endommagement de la couche polycristalline est la principale cause d'usure. Il se manifeste par un léger affaissement de la lame dû à un impact externe ou à la perte d'adhérence du PDC, formant un espace. Ce type de dommage physico-mécanique peut entraîner une réduction de la précision d'usinage et la mise au rebut des pièces. La granulométrie, la forme et l'angle de la lame, le matériau de la pièce et les paramètres d'usinage influencent la résistance de la lame et la force de coupe, entraînant ainsi l'endommagement de la couche polycristalline. En ingénierie, il est essentiel de choisir la granulométrie de la matière première, les paramètres de l'outil et les paramètres d'usinage appropriés en fonction des conditions d'usinage.
4. Tendance de développement des outils de coupe PCD
Aujourd'hui, le champ d'application des outils PCD s'est élargi, passant du tournage traditionnel au perçage, au fraisage et à l'usinage à grande vitesse, et leur utilisation est largement répandue en Chine et à l'étranger. Le développement rapide des véhicules électriques a non seulement impacté l'industrie automobile traditionnelle, mais a également posé des défis sans précédent à l'industrie de l'outillage, l'obligeant à accélérer l'optimisation et l'innovation.
La large application des outils de coupe PCD a approfondi et favorisé la recherche et le développement d'outils de coupe. Avec l'approfondissement de la recherche, les spécifications PDC sont de plus en plus petites, la qualité de raffinement du grain est optimisée, les performances sont uniformes, le taux de meulage et le taux d'usure sont de plus en plus élevés, et les formes et structures sont diversifiées. Les axes de recherche sur les outils PCD comprennent : 1. la recherche et le développement de couches minces de PCD ; 2. la recherche et le développement de nouveaux matériaux pour outils PCD ; 3. la recherche pour améliorer le soudage des outils PCD et réduire davantage les coûts ; 4. la recherche pour améliorer le processus de meulage des lames d'outils PCD afin d'améliorer l'efficacité ; 5. la recherche pour optimiser les paramètres des outils PCD et les utiliser en fonction des conditions locales ; 6. la recherche pour sélectionner rationnellement les paramètres de coupe en fonction des matériaux traités.
bref résumé
(1) Les performances de coupe des outils PCD compensent la pénurie de nombreux outils en carbure ; en même temps, le prix est bien inférieur à celui des outils en diamant monocristallin, dans la coupe moderne, c'est un outil prometteur ;
(2) Selon le type et les performances des matériaux traités, une sélection raisonnable de la taille des particules et des paramètres des outils PCD, qui constitue le principe de fabrication et d'utilisation des outils,
(3) Le PCD présente une dureté élevée, ce qui en fait un matériau idéal pour la fabrication de couteaux, mais il présente également des difficultés pour la fabrication d'outils coupants. Lors de la fabrication, il est important de prendre en compte la complexité du processus et les exigences de traitement afin d'optimiser le rapport qualité-prix.
(4) Matériaux de traitement PCD dans le comté de Knife, nous devons sélectionner raisonnablement les paramètres de coupe, sur la base de la satisfaction des performances du produit, dans la mesure du possible pour prolonger la durée de vie de l'outil afin d'atteindre l'équilibre entre la durée de vie de l'outil, l'efficacité de la production et la qualité du produit ;
(5) Rechercher et développer de nouveaux matériaux d'outils PCD pour surmonter ses inconvénients inhérents
Cet article provient du «réseau de matériaux extra-durs"
Date de publication : 25 mars 2025
