Dụng cụ cắt phủ kim cương

Kim cương có nhiều đặc tính vật lý độc đáo, và một số đặc tính làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng công cụ cắt. Tất nhiên, nó là vật liệu cứng nhất được biết đến và có khả năng chống mài mòn cực kỳ tốt. Ngoài ra, tính dẫn nhiệt cực cao của kim cương loại bỏ nhiệt gây hại từ lưỡi cắt. Hệ số ma sát thấp của kim cương (như Teflon) hỗ trợ vật liệu chảy lên các ống sáo của các dụng cụ phủ. Các đặc tính nhiệt và mòn này có nghĩa là các công cụ kim cương có thể chạy với tốc độ có thể phá hủy tất cả các công cụ hoặc vật liệu phủ khác. Khi được sử dụng ở tốc độ bình thường, dụng cụ kim cương hoạt động ở nhiệt độ mát hơn so với các vật liệu công cụ khác, giảm hư hỏng cho các vật liệu phôi nhạy cảm với nhiệt.

Vậy máy kim cương CVD (lắng đọng hơi hóa học) tốt bằng những vật liệu gì? Vật liệu tổng hợp sợi carbon, vật liệu ma trận kim loại, gốm xanh, nhựa gia cố bằng sợi và vật liệu tổng hợp than chì / than chì là tất cả các vật liệu nhanh chóng làm hao mòn dụng cụ tiêu chuẩn và chúng cũng là những vật liệu mà kim cương CVD đã chứng minh được hiệu suất của nó. Graphit cho khuôn và điện cực EDM là một trong những ứng dụng tốt nhất của dụng cụ cắt kim cương CVD.

Kim cương không dành cho mọi thứ: Nó sẽ không tạo ra bất kỳ vật liệu đen nào, do phản ứng hóa học giữa sắt trong các kim loại này và các nguyên tử cacbon tạo nên màng kim cương. Và không – nó không phải là câu trả lời cho tất cả các vấn đề về titan – mặc dù các công cụ kim cương có thể chế tạo nó, nhưng nó chưa bao giờ tỏ ra hiệu quả về mặt chi phí.

Các ứng dụng gia công kim cương CVD lý tưởng là những ứng dụng gia công vật liệu ở dạng bột hoặc sạn nhỏ. Đây là những tình huống mà hoạt động chính ở lưỡi cắt về cơ bản là mài mòn, chứ không phải là hình thành phoi. Một vật liệu như than chì là một ví dụ hoàn hảo.

Có một số cách mà kim cương CVD được sản xuất: dây tóc nóng (HF), lò vi sóng và đèn khò. Dây tóc nóng và đèn khò được sử dụng để phát triển các khu vực lớn, phẳng của kim cương CVD. Lò vi sóng sẽ phát triển kim cương chất lượng cao hơn với ít khuyết tật hơn, có thể được sử dụng trong quang học, điện tử và đá quý. Bài viết này chủ yếu liên quan đến dây tóc nóng, vì đây là quy trình được sử dụng để sản xuất lớp phủ kim cương CVD được sử dụng trên các công cụ cắt. Phương pháp này bao gồm việc đưa các công cụ vào một buồng chân không cao sau đó nuôi cấy các tinh thể kim cương trên bề mặt.

Vật liệu dụng cụ

Lựa chọn vật liệu dụng cụ thích hợp là yếu tố quyết định sự thành công của quá trình phủ kim cương. Nhiệt độ cao kéo dài cần thiết trong quá trình sơn phủ sẽ làm hỏng tất cả trừ vật liệu làm dụng cụ cắt bằng gốm và vonfram đã kết dính. Và, để có độ bám dính lớp phủ tối ưu, phải sử dụng loại C-2 của vonfram-cacbua (chất kết dính coban sáu phần trăm, kích thước hạt cacbua vonfram trên một micron).

Khi đã có được vật liệu chính xác, việc mài dụng cụ phải được thực hiện cẩn thận. Bất kỳ sự quá nhiệt nào của vonfram-cacbua trong quá trình mài (đốt) sẽ làm hỏng bề mặt cacbua và làm cho màng kim cương bong ra khỏi các khu vực bị đốt cháy.

Quy trình mạ

Chuẩn bị cẩn thận các dụng cụ vonfram-cacbua trước khi phủ kim cương là một chìa khóa khác để đạt được hiệu suất nhất quán. Các bộ phận được phủ sẽ được làm sạch cẩn thận và sau đó thường trải qua quá trình chuẩn bị hóa chất hai bước. Bước đầu tiên làm thô bề mặt cacbua để cải thiện độ bám dính cơ học, và bước thứ hai loại bỏ coban khỏi bề mặt, vì nó là chất độc đối với sự phát triển của kim cương.

Tiếp theo, các bộ phận được nạp vào khoang chứa khí hydro và khí metan. Một loạt các dây vonfram, được nung nóng đến hơn 2.300 ° C (4.172 ° F), được sử dụng để cung cấp năng lượng cần thiết để phá vỡ các phân tử khí và làm nóng dụng cụ trên 750 ° C (1.382 ° F). Khi đạt được các điều kiện thích hợp, các nguyên tử than hoạt tính có thể tái kết hợp thành cacbon tinh thể và phát triển với nhau để tạo thành một màng kim cương tinh khiết trên toàn bộ bề mặt dụng cụ.

Trong giai đoạn tăng trưởng ban đầu, các nguyên tử cacbon sẽ hình thành các tinh thể kim cương trong khe giữa các hạt cacbua vonfram. Các tinh thể này sẽ phát triển để tạo thành một màng liên tục được liên kết với nhau về mặt cơ học với cấu trúc cacbua vonfram được khắc và liên kết hóa học với các hạt cacbua.

Quá trình phủ này diễn ra rất chậm, với tốc độ tăng trưởng màng điển hình chỉ từ 0,5 đến 1,5 micron mỗi giờ. Vì độ dày lớp phủ chức năng nằm trong khoảng từ 2 đến 40 micron, điều này có nghĩa là chu kỳ phát triển rất dài từ hai ngày trở lên. Trong khi thời gian chạy lớp phủ thông thường đối với dụng cụ được phủ PVD là vài giờ, hầu hết các dụng cụ được phủ kim cương đều ở trong buồng từ một đến hai ngày. Đây là một lý do khiến giá thành của các dụng cụ cắt phủ kim cương cao hơn.

Một ưu điểm độc đáo khác của quy trình phủ kim cương CVD là khả năng phát triển một loạt các cấu trúc bề mặt và tối ưu hóa màng cho một ứng dụng nhất định. Khi độ sắc nét của cạnh dụng cụ là vấn đề chính, thì màng kim cương có thể trở nên mỏng và rất mịn. Nếu mài mòn là mài mòn chính, cơ chế và màng dày hơn là cần thiết. Việc phát triển bề mặt nhiều khía đã được chứng minh là làm giảm lực cắt và tăng tuổi thọ.

Các loại dụng cụ tráng kim cương

Hầu hết bất kỳ dụng cụ nào có thể được mài theo đúng loại cacbua đều có thể được phủ kim cương. Nếu đường kính của dụng cụ lớn hơn 0,008 ″ (0,20mm) và không lớn hơn 0,500 ″ (12,70mm), thì việc phủ kim cương thường là hợp lý. Các đường kính lớn hơn có thể được phủ, nhưng thường tiết kiệm chi phí hơn khi sử dụng dụng cụ chèn cho các đường kính lớn hơn này. Hầu hết các công ty công cụ đều cung cấp các dụng cụ cắt tráng kim cương hoặc có thể sản xuất các công cụ này cho khách hàng.

Điều kiện gia công được đề xuất

Nếu một nhà máy đã sử dụng dụng cụ vonfram-cacbua, nó sẽ biết cách sử dụng kim cương CVD một cách hiệu quả. Nó yêu cầu thiết lập tương tự như vonfram-cacbua để có hiệu suất tối ưu: giữ dụng cụ cứng, trục chính chất lượng cao và cố định phôi chắc chắn. Nhưng hãy nhớ rằng: Lưỡi cắt kim cương có thể tồn tại ở nhiệt độ cao hơn nhiều, do đó, công cụ có thể chạy ở tốc độ trục chính cao hơn. Lời khuyên cơ bản là chạy với cùng một tải phoi trên mỗi răng, do tốc độ trục chính cao hơn dựa trên biểu đồ tốc độ và nguồn cấp dữ liệu do nhà sản xuất cung cấp – sẽ đạt tốc độ tiến dao cao hơn nhiều tính bằng inch / phút. Toàn bộ các tốc độ cắt và nguồn cấp dữ liệu cho các vật liệu cụ thể có sẵn trên các trang web của tất cả các máy mài dao kim cương CVD chính.

Các ứng dụng

Một máy nghiền bi phủ kim cương đã được sử dụng để tạo ra một điện cực than chì POCO 200 ở 940sfm và 315ipm. Công cụ trước đây là một máy nghiền cuối bằng cacbua phủ TiN. Người thợ máy đã thấy tuổi thọ của dao được cải thiện gấp 15 lần. Do đầu máy được phủ kim cương mòn quá chậm, người thợ gia công nhận thấy việc duy trì độ sai lệch của điện cực dễ dàng hơn. Trong ứng dụng này, khách hàng được hưởng lợi từ tốc độ gia công chi tiết tăng lên và tiết kiệm chi phí ròng, vì dụng cụ tráng kim cương có giá gấp sáu lần chi phí của máy nghiền cuối phủ TiN cho tuổi thọ gấp 15 lần, xử lý nhanh hơn và ít thay đổi công cụ hơn.

Một người thợ đúc khuôn kim loại đang gia công một khuôn graphite ra POCO 3 với một máy nghiền cuối được tráng kim cương ở 940sfm và 200ipm. Điều này được chứng minh là mang lại sự cải thiện gấp 13 lần về tuổi thọ của dụng cụ so với máy nghiền cuối được phủ TiN. Việc sử dụng cối xay cuối phủ kim cương cũng cho phép vận hành qua đêm không người lái.

Một cửa hàng nhỏ có máy nghiền kiểu Bridgeport được trang bị thêm cũng tìm thấy lợi thế khi sử dụng các công cụ tráng kim cương trong gia công than chì. Chủ cửa hàng nhận thấy anh ta có thể đặt vài khối than chì trên bàn và cho máy chạy không cần giám sát qua đêm, do đó gần như tăng gấp ba lần sản lượng của máy. Vì dụng cụ tráng kim cương mòn rất chậm nên anh ta không gặp vấn đề gì khi giữ dung sai trên bộ phận này. Anh ấy không có sẵn tốc độ trục chính cao, nhưng anh ấy có một số lượng lớn các bộ phận để chế tạo – điều này khiến việc sử dụng một công cụ tráng kim cương trở thành một khoản đầu tư đúng đắn.