Алмазные инструменты PCD и CVD: выбор правильного инструмента для твердых материалов

В современном производстве растущее использование материалов высокой твердости подняло планку производительности режущего инструмента. Будь то аэрокосмическая промышленность, электромобили или изготовление точных форм, такие материалы, как графит, карбид кремния, алюминиевые сплавы и керамика, представляют собой серьезные проблемы с точки зрения износостойкости, эффективности резки и качества поверхности.

Чтобы удовлетворить эти требования, алмазные инструменты стали незаменимыми решениями, в частности, инструменты с покрытием PCD и алмазным покрытием CVD, которые в настоящее время являются двумя основными вариантами для обработки твердых и абразивных материалов.

Итак, как выбрать между алмазными инструментами PCD и CVD для конкретного применения? Правильный выбор влияет не только на срок службы инструмента и качество поверхности, но и на эффективность обработки и общую стоимость. Например, концевые фрезы PCD отлично подходят для обработки алюминиевых сплавов и композитных материалов, в то время как алмазные инструменты CVD предлагают уникальные преимущества при высокоточной микрообработке графита и хрупких материалов.

Что такое алмазные инструменты PCD и CVD?

Алмазные инструменты незаменимы в современном производстве, особенно при обработке цветных металлов, композитов, углеродного волокна и других труднообрабатываемых материалов. Среди них наиболее часто используются инструменты с алмазным покрытием PCD и CVD из-за их исключительной твердости и износостойкости. Однако, несмотря на то, что они относятся к категории сверхтвердых инструментов, они существенно различаются по структуре, изготовлению, производительности и применению.

Инструменты PCD: структура, производство и эксплуатационные характеристики

Инструменты PCD изготавливаются путем спекания микронных алмазных частиц на подложке из карбида вольфрама под высоким давлением и высокой температурой. Это дает твердый, блочный инструментальный материал с чрезвычайной твердостью (HV > 8000), высокой теплопроводностью и превосходной износостойкостью.

К распространенным типам относятся концевые фрезы из ПКА, токарные пластины из ПКА и специальные фрезы из ПКА, широко используемые для высокопроизводительной обработки алюминиевых сплавов, графитовых электродов и алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния.

Основные преимущества:

• Срок службы инструмента в 5–10 раз больше, чем у твердосплавного.

• Идеально подходит для сухой или минимальной смазки (MQL).

• Превосходное качество обработки поверхности цветных и абразивных материалов.

• Подходит для высокоскоростной обработки.

Алмазные инструменты CVD: процесс нанесения покрытия и свойства материала

Алмазные инструменты CVD производятся путем осаждения сверхчистой микрокристаллической или нанокристаллической алмазной пленки на карбидную или керамическую подложку с использованием химического осаждения из паровой фазы. Полученное покрытие, обычно толщиной 8–25 микрон, обеспечивает чрезвычайную твердость и превосходную смазывающую способность.

В отличие от PCD, инструменты CVD не спекаются, а покрываются. Они идеально подходят для точной обработки твердых и хрупких неметаллических материалов, таких как графит, керамика, стекловолокно и карбид кремния.

Сильные стороны:

• Более высокая твердость поверхности (HV > 9000)

• Чрезвычайно низкий коэффициент трения

• Идеально подходит для сухой, высокоскоростной и точной резки.

• Доступны в сверхмалых размерах для микрообработки.

Ограничения:

• Более слабая связь покрытия с подложкой, чем у PCD

• Не подходит для интенсивной или прерывистой резки.

Фундаментальные различия между алмазными инструментами PCD и CVD

Сравнение производительности обработки твердых материалов

В реальном процессе обработки выбор подходящего типа алмазного инструмента зависит не только от требований допуска чертежа продукта. Он также требует комплексного суждения, основанного на физических свойствах конкретного обрабатываемого материала, метода резки и технологической среды. Особенно при обработке высокотвердых или высокоабразивных материалов, таких как карбид кремния, керамика, графит, электродные материалы и алюминиево-кремниевые сплавы, существуют значительные различия в производительности инструментов PCD и алмазных инструментов CVD.

Совместимость материалов

На практике алмазные инструменты PCD и CVD имеют свои собственные типичные типы применяемых материалов:

Инструменты PCD:

• Идеально подходит для цветных металлов и мягкоабразивных материалов, таких как:

  • Алюминий и высококремнистый алюминий

  • Магний, медные сплавы

  • Углепластик, стеклопластик

  • Инженерные пластики

Алмазные инструменты CVD:

• Лучше всего подходит для твердых, хрупких, неметаллических материалов:

  • Графит, карбид кремния

  • Цирконий, сапфир, керамика

  • Стекловолоконные композиты

Срок службы инструмента и износостойкость

Алмазные материалы обладают чрезвычайно высокой твердостью, но их долговечность зависит от конструкции инструмента и приспособленности к условиям работы:

Инструменты PCD обладают превосходной устойчивостью к сколам и износу благодаря своей блочной структуре (спеченный корпус). Они особенно подходят для непрерывной обработки, интенсивной резки или прерывистых условий работы. Срок службы инструмента обычно может достигать 10~25 раз больше, чем у твердого сплава, что имеет очевидные преимущества в условиях массового производства.

Инструменты с алмазным покрытием CVD имеют более высокую твердость покрытия (до HV9000+). Однако, поскольку покрытие представляет собой пленку микронного уровня, его сопротивление разрушению относительно слабое, и оно подходит для высокоскоростных, низконагруженных и непрерывных сцен отделки. При использовании для обработки с сильным ударом, вероятно, произойдет отслоение или скол покрытия.

Рекомендации по параметрам резки

Разумная настройка параметров резки имеет решающее значение для максимизации производительности инструментов PCD и CVD. Ниже приведены общие рекомендации по параметрам и указания по выбору:

Рекомендации по параметрам резания инструмента PCD (например, PCD концевая фреза для алюминия):

• Скорость резания (Vc): 600~3000 м/мин.
• Скорость подачи (Fz): 0,05~0,3 мм/зуб.
• Метод резки: поддерживает сухую резку, MQL или струйное охлаждение, что помогает сохранить поверхность заготовки гладкой.

Рекомендации по параметрам резки алмазным инструментом CVD:

• Скорость резки (Vc): 250~1200 м/мин.
• Скорость подачи (Fz): 0,01~0,08 мм/зуб.
• Метод резки: Рекомендуется сухая резка или охлаждение сжатым воздухом без добавления масла, чтобы избежать термического удара по покрытию, вызванного водяным охлаждением.

Типичные области применения и преимущества инструментов PCD

Поскольку современное производство продолжает продвигаться в направлении высокоточной, высокоэффективной и экологичной обработки, инструменты PCD стали важным выбором инструмента для аэрокосмической, автомобильной промышленности, 3C-электроники и производства пресс-форм благодаря их превосходной износостойкости, стабильности обработки и возможностям контроля качества поверхности. Особенно при работе с высокоабразивными цветными материалами, такими как высококремнистый алюминий, углеродное волокно, стеклопластик и инженерные пластики, инструменты PCD могут обеспечить срок службы и качество обработки, значительно превосходящие традиционные инструменты.

Концевые фрезы PCD для алюминия и композитов

Концевая фреза PCD особенно хорошо работает при обработке авиационных алюминиевых сплавов и композитных материалов. Благодаря чрезвычайно низкому коэффициенту трения и острой геометрии кромки она может достигать зеркального качества поверхности (Ra＜0,2 мкм) в условиях высокоскоростного шпинделя, что значительно сокращает последующие процессы полировки или отделки.

При обработке разнородных материалов, таких как углепластик и алюминиево-композитные ламинаты (например, алюминий + стеклопластик), концевая фреза PCD для композитных материалов имеет хорошую стабильность кромки и противосколочные свойства.

Токарные инструменты PCD для цветных металлов

В области токарной обработки резцы с ПКА широко используются в получистовых и чистовых процессах обработки цветных металлов, таких как высококремнистый алюминий, латунь, медные сплавы, магниевые сплавы и т. д. Они особенно подходят для деталей со строгими требованиями к качеству поверхности, таких как поршни двигателей, детали коробок передач и корпуса двигателей.

Токарные инструменты PCD для цветных металлов обладают чрезвычайно высокой износостойкостью и стабильной структурой режущей кромки. Они могут сохранять размерную точность при длительной непрерывной резке и могут стабильно работать при высокоскоростной резке (Vc > 1000 м/мин). По сравнению с традиционными твердосплавными или CBN-инструментами, инструменты PCD показывают меньшую скорость износа и более длительный цикл смены инструмента при обработке мягких, но абразивных металлов, что значительно улучшает индекс OEE производственных линий.

Кроме того, токарные инструменты из поликристаллического алмаза обладают превосходными характеристиками, препятствующими образованию стружки, подходят для сухой токарной обработки или обработки с минимальной смазкой, эффективно предотвращая налипание стружки на кромку и улучшая однородность обработки и качество поверхности заготовки.

Варианты использования массового производства

В условиях массового производства, где требуется высокая эффективность, высокая повторяемость и малое время простоя, инструменты PCD постепенно заменяют традиционные твердосплавные инструменты. Если взять в качестве примера автомобильную промышленность, режущие инструменты PCD в массовом производстве автомобилей широко используются на автоматизированных производственных линиях и обрабатывающих центрах с ЧПУ при обработке основных деталей, таких как головки цилиндров двигателей, корпуса коробок передач, компоненты компрессоров и корпуса редукторов.

Индивидуально изготовленная торцевая фреза с индексируемыми пластинами PCD может использоваться для увеличения срока службы инструмента с 800 до более чем 5000 деталей при обработке плоскости оболочки из алюминиевого сплава, снижения частоты замены инструмента на 80% и снижения общей стоимости более чем на 30%. Кроме того, благодаря настройке инструмента и оптимизации технологии покрытия, предоставляемой передовым производителем фрезы PCD, срок службы инструмента может быть дополнительно увеличен в соответствии с конкретными условиями работы.

Этот тип высокопроизводительного инструмента PCD стал ключевым инструментальным ресурсом в современной системе бережливого производства благодаря своей сухой обработке, длительному сроку службы и короткому циклу смены инструмента. Он особенно подходит для непрерывно работающих автоматизированных линий серийного производства.

Сценарии применения и ограничения алмазных инструментов CVD

Инструменты из алмаза CVD широко используются в сценариях обработки неметаллических материалов с чрезвычайно высокими требованиями к качеству поверхности и точности размеров из-за их чрезвычайно высокой поверхностной твердости и превосходной износостойкости. В отличие от инструментов из блоков PCD, алмаз CVD представляет собой чистую алмазную пленку без металлического связующего, высокой чистоты и хорошей теплопроводности. Поэтому он очень подходит для микрообработки и сухой резки твердых и хрупких материалов.

Однако алмазные инструменты CVD также имеют определенные ограничения по использованию, такие как низкая прочность, ограниченная ударопрочность и высокие требования к жесткости станка и стабильности шпинделя. Ниже будут объединены типичные сценарии применения с реальными условиями обработки для подробного анализа преимуществ и ограничений алмазных инструментов CVD.

Микрообработка хрупких материалов

Алмазные инструменты CVD особенно подходят для микрообработки типичных высокотвердых и хрупких материалов, таких как циркониевая керамика, карбид кремния, сапфир и стеклопластик. Поскольку твердость покрытия может достигать более HV9000 и имеет чрезвычайно низкий коэффициент трения. Инструменты CVD могут достигать меньших усилий резания и меньшего повышения температуры при микрорезке, эффективно препятствуя распространению трещин на поверхности заготовки.

Например, при проточке канавок на керамических подложках, открытии светодиодных сапфировых подложек или контурной обработке армированных стекловолокном оболочек 3C-продуктов алмазные режущие инструменты cvd для хрупких материалов могут стабильно поддерживать точность контура обработки. И уменьшают растрескивание кромок и микротрещины, это предпочтительное решение для замены твердосплавных инструментов.

Однако в таких сценариях микрообработки рекомендуется использовать жесткий, высокоскоростной и высокоточный шпиндель (>40 000 об/мин) и систему креплений с превосходным динамическим балансом, чтобы раскрыть максимальный потенциал инструментов CVD.

Обработка графитовых электродов

Графит является распространенным материалом для электродов EDM из-за его высокой проводимости и хорошей термической стабильности, но он чрезвычайно абразивен и быстро изнашивает традиционные инструменты во время обработки. Поэтому инструменты с алмазным покрытием CVD стали идеальным решением для обработки графита.

В практическом применении концевая фреза с алмазным покрытием для графитового электрода может обеспечить долгосрочную стабильную обработку в условиях сухой резки, сохраняя превосходную точность контура, четкость кромки и размерную повторяемость. Высокая твердость алмазных инструментов CVD позволяет эффективно избегать размерного дрейфа, вызванного износом инструмента при обработке небольших канавок электрода и микроэлектродных колонн, и является стандартным инструментом конфигурации в отрасли изготовления прецизионных форм.

Кроме того, по сравнению с инструментами PCD, алмазные фрезерные инструменты CVD для графитовых инструментов EDM более гибкие. Они могут реализовывать конструкцию интегральных концевых фрез с малым диаметром менее 0,3 мм, что подходит для сценариев высокоточной микрообработки.

Ограничения и меры предосторожности

Хотя алмазные инструменты CVD хорошо работают при обработке материалов высокой твердости, их самая большая слабость — низкая прочность и легкое скалывание. Поскольку структура их покрытия представляет собой хрупкие кристаллы, они склонны к микротрещинам кромок, отслаиванию или общему разрушению при воздействии чрезмерной боковой силы или удара.

Таким образом, риск поломки алмазного инструмента CVD обычно возникает в следующих случаях:

• Неровная поверхность заготовки приводит к прерывистому режущему воздействию.
• Параметры резания слишком высоки, особенно скорость подачи, превышающая допустимые пределы материала.
• Траектория обработки не оптимизирована, что приводит к чрезмерному боковому давлению инструмента.

Как выбрать алмазный инструмент PCD или CVD?

С постоянным совершенствованием технологий обработки твердых материалов алмазные инструменты PCD и CVD постепенно стали выбором номер один в области высококлассного производства благодаря своей превосходной износостойкости и эффективности обработки. Однако производительность этих двух инструментов различна. Если их выбирать вслепую, не только не будут реализованы преимущества инструмента, но и может увеличиться стоимость или сократиться срок службы.

Комплексная оценка обработки материалов, требований к точности и срока службы инструмента

Для выбора подходящего алмазного инструмента, прежде всего, необходимо выяснить твердость, структурные характеристики и требования к обработке материала заготовки:

Обрабатываемые материалы:

• Для цветных материалов, таких как алюминиевый сплав, медь, углеродное волокно, композитные материалы, рекомендуется использовать концевую фрезу pcd для алюминиевого сплава или интегральный инструмент PCD. Из-за его превосходной адгезионной стойкости и низкого коэффициента трения.
• Для высокотвердых и хрупких материалов, таких как графит, керамика, стекловолокно, сапфир, более целесообразно использовать алмазный инструмент CVD для резки графита или микрофрезу с покрытием CVD.

Требования к точности и качеству поверхности:

• Если процесс требует соблюдения субмикронного размерного контроля и зеркального качества поверхности (например, обработка компонентов МЭМС), более вероятно использование алмазных инструментов CVD с острыми режущими кромками и однородностью пленки.
• Для обработки деталей общей конструкции или сложных контуров приоритет может быть отдан комплексной стабильности инструментов из ПКА.

Срок службы инструмента и повторяемость:

• В крупномасштабном непрерывном производстве с высокой повторяемостью инструменты PCD часто обеспечивают более стабильный срок службы и однородность кромок.
• Алмазные инструменты CVD подходят для случаев с короткими циклами обработки, но с чрезвычайно высокими требованиями к точности.

Рекомендации по использованию инструментов PCD или CVD в различных сценариях применения

Следующие рекомендации, основанные на различных условиях обработки и типичных вариантах использования, могут помочь в выборе алмазных инструментов PCD и CVD:

Эти рекомендации подчеркивают сильные стороны каждого типа инструмента в реальных производственных задачах. Для композитов тщательно оцените стратегию резки — алмазные инструменты PCD и CVD имеют свои преимущества в зависимости от операции. А для цветных металлов инструменты PCD остаются лучшим выбором алмазного инструмента с точки зрения долговечности и производительности в массовом производстве.

Советы по закупкам: как выбрать надежного производителя фрез PCD?

Помимо того, что при покупке высококачественного алмазного инструмента следует обращать внимание на параметры инструмента и характеристики покрытия, также важно выбрать производителя со стабильными производственными мощностями и техническим обслуживанием.

• Возможности процесса:
  Производитель высококачественных фрез из поликристаллического алмаза должен иметь основное технологическое оборудование, такое как прецизионная электроэрозионная резка с ЧПУ, лазерная шлифовка и CVD-напыление, чтобы гарантировать стабильность и долговечность инструмента.
• Опыт работы в отрасли и возможности настройки:
  Опытные заводы по производству резцов для токарной обработки на основе поликристаллического алмаза обычно могут предложить индивидуальные решения по инструментам на основе чертежей или особенностей обработки заказчика, особенно в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, производство автомобильных форм и электронных структурных деталей.
• Гарантия стабильности и доставки продукции:
  Сотрудничество с поставщиками режущих инструментов из поликристаллического алмаза, имеющими систему управления качеством ISO, может снизить риск возникновения различий в партиях и обеспечить бесперебойные поставки для долгосрочных проектов.
• Предпродажное/послепродажное обслуживание:
  У хороших производителей часто есть команда технических инженеров, которые могут предоставить профессиональные рекомендации по выбору инструмента, настройке параметров и мерам предосторожности при использовании, что значительно повышает эффективность обработки заказов клиентов.

Инструменты PCD и CVD: какой из них больше подходит для ваших нужд обработки?

С ростом спроса на высокотвердые материалы и прецизионную обработку деталей инструменты PCD и алмазные инструменты CVD стали важным выбором инструментов в области высокопроизводительного производства. Они имеют свои преимущества в сроке службы инструмента, эффективности обработки и диапазоне применяемых материалов. В реальном производстве выбор более подходящего алмазного инструмента влияет не только на качество обработки, но и напрямую на общую стоимость и эффективность производства.

В большинстве сценариев пакетной обработки цветных металлов инструменты PCD, такие как токарные резцы PCD и концевые фрезы PCD, могут обеспечить хорошую стабильность обработки и длительный срок службы и являются предпочтительным выбором большинства компаний. В таких процессах, как обработка контуров на микронном уровне и прецизионная гравировка и фрезерование графита, алмазные инструменты CVD работают лучше благодаря своей чрезвычайно высокой твердости и точности режущей кромки.

Делайте мудрый выбор, исходя из собственных производственных потребностей

При разработке стратегий выбора инструментов компаниям рекомендуется всесторонне оценить следующие аспекты:

Свойства материала и характеристики обработки

• Если заготовка в основном изготовлена из алюминиевого сплава, медного сплава или композитного материала, рекомендуется отдать приоритет режущим инструментам из поликристаллического алмаза для обработки на станках с ЧПУ, чтобы добиться лучшего удаления стружки и точности поверхности.
• Если основное внимание уделяется графитовым формам, электродам или микроструктурной обработке высокотвердых и хрупких материалов, рекомендуется использовать алмазные инструменты CVD, такие как лучший алмазный инструмент для фрезерования графита.

Возможности оборудования и технологий обработки

• Алмазные инструменты CVD предъявляют высокие требования к жесткости шпинделя и контролю вибрации. Если условия оборудования неидеальны, рекомендуется сначала использовать инструменты PCD с более высокой ударопрочностью, чтобы избежать риска поломки инструмента.

Гарантия экономической эффективности и поставки инструмента

• Установление отношений сотрудничества со стабильным и надежным производителем фрез из поликристаллического алмаза может не только гарантировать постоянство качества инструмента, но и получить более полную техническую поддержку и гарантии поставок.

Требования к выходу обработки и стабильности партии

• В условиях крупномасштабного стандартизированного производства инструменты из ПКА имеют более очевидные преимущества с точки зрения срока службы и себестоимости единицы продукции.
• Для мелкосерийных высокоточных изделий более подходящими для обеспечения выхода годных являются инструменты CVD.

Независимо от того, преследуете ли вы эффективную пакетную резку или сосредоточены на высокоточной микрообработке, PCD и Алмазные инструменты CVD каждый из них имеет незаменимую ценность. Только разумное сочетание их собственных характеристик продукта, условий оборудования и бюджета затрат может максимизировать преимущества алмазных инструментов в современном производстве.