Алмазный инструмент

Алмазный инструмент — это режущий инструмент , в котором алмазные зерна закреплены на функциональных частях инструмента с помощью связующего материала или другим способом. Поскольку алмаз является сверхтвердым материалом , алмазные инструменты имеют много преимуществ по сравнению с инструментами, изготовленными из обычных абразивов, таких как корунд и карбид кремния .

История

В «Естественной истории » Плиний писал: «Когда адамант успешно разбивается, он распадается на осколки, настолько мелкие, что их едва видно. Они пользуются большим спросом у резчиков драгоценных камней и вставляются ими в железные инструменты, поскольку они без труда делают углубления в самых твердых материалах». ^[1]

Преимущества

Алмаз — один из самых твердых природных материалов на земле; гораздо тверже корунда и карбида кремния. Алмаз также обладает высокой прочностью, хорошей износостойкостью и низким коэффициентом трения. Поэтому при использовании в качестве абразива он имеет множество очевидных преимуществ перед многими другими распространенными абразивами.

Преимущества алмазного шлифовального инструмента

Алмаз можно использовать для изготовления шлифовальных инструментов, которые обладают следующими преимуществами:

Высокая эффективность шлифования, Низкое усилие шлифования : Меньше тепла будет выделяться отверстием в процессе шлифования. Это может уменьшить или избежать ожогов и трещин на поверхности заготовки, а также уменьшить износ оборудования и потребление энергии.
Высокая износостойкость : алмазные шлифовальные инструменты изменяют размеры незначительно. Это может привести к хорошему качеству шлифования и высокой точности шлифования.
Длительный срок службы, длительный период замены : это может значительно повысить эффективность работы, улучшить условия труда рабочих и снизить трудоемкость изделия.
Низкая комплексная стоимость : себестоимость обработки каждой заготовки ниже.

Категории

Существуют тысячи видов алмазных инструментов. Их можно классифицировать по методам изготовления и применению.

Категории по способу изготовления

По способу изготовления и типу связки алмазные инструменты можно классифицировать следующим образом:

Металлообвязанные алмазные инструменты : связующим материалом инструмента является спеченный металл, содержащий алмазную крошку. Функциональными частями инструмента обычно являются алмазные сегменты . К таким инструментам относятся алмазные пильные диски с металлической связкой , алмазные шлифовальные чашки , алмазные коронки и т. д. Для алмазных инструментов с металлической связкой связка является одним из главных факторов при выборе инструмента для резки или шлифовки определенного материала в зависимости от того, насколько твердым или абразивным является материал. Используемая связка определяет скорость, с которой металлические порошки изнашиваются и обнажают новые алмазные кристаллы на поверхности, тем самым поддерживая абразивную режущую поверхность. Различная прочность связи достигается за счет выбранной смеси сплавов металлических порошков и того, сколько тепла и давления прикладывается к спеченному сегменту. Исходным материалом исторически был кобальт, благодаря высокому удержанию алмазов, простоте обработки горячим прессованием и регулируемой скорости износа за счет примесей бронзы ^[2] или порошков карбида вольфрама. Из-за высокой и нестабильной цены, а также из-за проблем с экологией были разработаны альтернативные системы на основе сплавов или смесей железа и меди с дополнительными металлическими и неметаллическими добавками. ^[3]
Алмазные инструменты на смоляной связке : связующим материалом инструментов в основном является смоляной порошок. Примером такого рода инструментов являются алмазные полировальные круги на смоляной связке, используемые в строительной отрасли.
Покрытые алмазные инструменты : эти инструменты изготавливаются путем фиксации алмазов на основании инструмента методом гальванопокрытия или методом CVD (химическое осаждение из паровой фазы). Обычно их можно изготовить с хорошей точностью обработки.
Керамические алмазные инструменты : связующим материалом инструментов обычно является стекло и керамический порошок. Такой инструмент обычно обладает такими характеристиками, как хорошая химическая стабильность, небольшая упругая деформация, но высокая хрупкость и т. д.
Поликристаллический алмаз (PCD) : обычно изготавливается путем спекания множества микроразмерных отдельных кристаллов алмаза при высокой температуре и высоком давлении. PCD имеет хорошую вязкость разрушения и хорошую термическую стабильность и используется при изготовлении геологических буровых коронок.
Поликристаллический алмазный композит или компакты (PDC) : они изготавливаются путем объединения нескольких слоев поликристаллических алмазов (PCD) со слоем цементированного карбида в условиях высокой температуры и высокого давления. PDC обладает преимуществами высокой износостойкости алмаза и хорошей прочности карбида.
Высокотемпературные паяные алмазные инструменты : этот инструмент изготавливается путем напайки одного слоя алмазов на инструмент с помощью припоя при температуре более 900 °C. с использованием вакуумной пайки или пайки в защищенной атмосфере. Этот инструмент имеет несколько преимуществ: припой может очень прочно удерживать алмазы, один слой обнаженной высоты алмазов может составлять 70%–80% от их размера, и алмазы могут быть равномерно расположены на инструменте.

Категории по использованию

Если классифицировать по использованию, то существуют алмазные шлифовальные инструменты, алмазные режущие инструменты (например, спиральные сверла с алмазным покрытием), алмазные сверлильные инструменты, алмазные пильные инструменты (например, алмазные пильные диски ), алмазные волочильные штампы и т. д.

Приложения

Применимые материалы

Алмазный инструмент подходит для обработки следующих материалов:

Карбидный сплав
Твердые или абразивные неметаллические материалы, например, камень, бетон, асфальт, стекло, керамика, драгоценные камни и полупроводниковые материалы.
Цветные металлы, такие как алюминий, медь и их сплавы, а также некоторые мягкие, но прочные материалы, такие как резина и смола.

Поскольку алмазы могут реагировать с Fe, Co, Ni, Cr, V при высоких температурах, возникающих в процессе шлифования, обычно алмазные инструменты не подходят для обработки сталей, включая обычные стали и различные прочные легированные стали, в то время как другой сверхтвердый инструмент, инструмент из кубического нитрида бора (CBN), подходит для обработки сталей. Инструменты, изготовленные из обычных абразивов (например, корунда и карбида кремния), также могут выполнять эту задачу.

Прикладные домены

Алмазный инструмент применяется в следующих областях:

Геологическая или проектная разведка : часто используются алмазные геологические буровые коронки, алмазные нефтяные буровые коронки и алмазные тонкостенные буровые коронки. Основное применение буровых коронок PCD — в нефтяной и газовой промышленности, а также в горнодобывающей промышленности.
Обработка камня : Алмазные дисковые пилы, алмазные многопильные станки, алмазные ленточные пилы используются для распиловки мрамора, гранита и других каменных блоков. Алмазные канатные пилы используются в каменоломнях для добычи необработанных каменных блоков. Фасонные алмазные инструменты используются для обработки камня до определенной формы. Алмазные полировальные диски на смоляной связке используются для полировки камня.
Строительство : Алмазные пильные диски среднего и малого размера, алмазные коронки и некоторые алмазные шлифовальные или полировальные инструменты часто используются при ремонте дорог, реконструкции зданий и обработке строительных материалов.
Деревообработка : Композитный ламинат широко используется. Он износоустойчив как камень. При его обработке используются дисковые пилы PCD, профилирующие фрезы, спиральные сверла и другие алмазные инструменты.
Обработка автозапчастей : режущие инструменты из ПКА и ПКБН используются для удовлетворения требований к высокой эффективности и низкому отклонению обработки в этой области.
Обработка ИТ-продукции и бытовой техники : Высокоточные сверхтонкие алмазные отрезные круги используются для резки кремниевых пластин. Алмазные шлифовальные круги на смоляной связке используются для обработки керамики в оптоволоконной промышленности.
Обработка инженерной керамики : Инженерная керамика широко используется во многих отраслях промышленности. Она обладает свойствами высокой прочности, высокой твердости, высокой термостойкости. Для ее обработки разработаны высокопрочные и долговечные алмазные шлифовальные круги.
Обработка твердосплавными инструментами и другими механическими инструментами : Алмазные инструменты используются для достижения высокой точности и эффективности обработки.

Помимо перечисленных выше, существуют и другие области применения алмазных инструментов, например, в медицине: венесуэльский ученый Умберто Фернандес Моран в 1955 году изобрел алмазный нож для использования в сложных хирургических операциях.

Помимо использования в качестве абразива из-за его высокой твердости, алмаз также используется для изготовления других продуктов из-за его многих других хороших свойств, таких как высокая теплопроводность, низкий коэффициент трения, высокая химическая стабильность, высокое сопротивление и высокие оптические характеристики. Эти применения включают покрытия на подшипниках и компакт-дисках, работу в качестве линз и термисторов, изготовление высоковольтных переключателей и датчиков и т. д.

Некоторые примеры алмазных инструментов

Алмазные правящие инструменты

Алмазные правящие инструменты состоят из одноточечных или многоточечных инструментов, припаянных к стальному хвостовику, и используются для правки и правки шлифовальных кругов. Инструменты бывают нескольких типов, включая: пропитанные абразивом, лезвийного типа, корончатого типа и дискового типа. Преимущества многоточечных инструментов перед одноточечными:

Можно использовать весь алмаз; в одноточечном инструменте, если кончик затупился, алмаз необходимо перенастроить, и после нескольких перенастроек алмаз заменяют.
Многоточечные инструменты имеют более высокую точность, особенно при шлифовании формы , где используются типы лезвий. Лезвия состоят из удлиненных алмазов. Толщина контролируется, и лезвия доступны толщиной от 0,75 до 1,40 миллиметров (от 0,030 до 0,055 дюйма).
Инструменты абразивного типа относятся к прочным материалам и могут использоваться на настольных шлифовальных станках.
Поскольку используются небольшие наконечники, алмазы имеют режущую кромку с естественными кончиками, в отличие от инструментов с одним наконечником, кончики которых затуплены.
Стоимость многолезвийных инструментов ниже, поскольку используются более мелкие и менее дорогие алмазы.

Режущие инструменты из поликристаллического алмаза

Поликристаллический алмаз (PCD) формируется в большом прессе высокой температуры и высокого давления (HT-HP) либо в виде алмазной пластины на подложке из карбида, либо в виде «жилы» алмаза внутри карбидной пластины или стержня.

Большинство пластин полируются до зеркального блеска, затем разрезаются электроэрозионным инструментом (EDM) на более мелкие, пригодные для обработки сегменты, которые затем напаиваются на пильное полотно, развертку, сверло или другой инструмент. Часто их обрабатывают электроэрозионным инструментом и/или шлифуют дополнительно, чтобы обнажить алмазную жилу вдоль режущей кромки. Эти инструменты в основном используются для обработки неметаллических и цветных материалов.

Операция шлифования сочетается с электроэрозионной обработкой по нескольким причинам. Например, по данным Modern Machine Shop, ^{[ нужна цитата ]} эта комбинация обеспечивает более высокую скорость удаления материала и, следовательно, более рентабельна. Кроме того, процесс электроэрозионной обработки немного влияет на качество поверхности. Шлифование используется на затронутой области для получения более чистой конечной поверхности. Пекинский институт электромеханической обработки ^{[ нужна цитата ]} приписывает более тонкую форму и геометрию поверхности объединению двух процессов в один.

Сам процесс осуществляется путем объединения двух элементов из каждого отдельного процесса в один шлифовальный круг. Алмазно-графитовый круг выполняет задачу шлифования, в то время как графитовое кольцо вокруг существующего круга служит в качестве части EDM. Однако, поскольку алмаз не является проводящим материалом, связь в заготовке PCD должна быть достаточной, чтобы обеспечить проводимость, необходимую для работы процесса EDG.

Поликристаллические алмазные инструменты широко используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности. Они идеально подходят для скоростной обработки (9000 футов поверхности в минуту или выше) в жестких и абразивных алюминиевых сплавах, а также для высокоабразивных процессов, таких как сверление углеродного волокна и керамики. Алмазные режущие кромки позволяют им служить в течение длительного времени до необходимости замены. Высокообъемные процессы, жесткие допуски и высокоабразивные процессы идеально подходят для алмазных инструментов.

Поликристаллические алмазные прессовки

В конце 1970-х годов компания General Electric стала пионером в технологии поликристаллических алмазных вставок (PDC) в качестве замены природных алмазов в буровых коронках . ^[4] PDC использовались для резки кристаллических поверхностей горных пород в течение длительных периодов времени в лабораторных условиях, и теперь эти возможности реализованы в суровых условиях по всему миру.

По данным на август 2000 года, Министерство энергетики США заявило, что почти треть от общего объема бурения в мире осуществляется с использованием долот PDC, при этом заявленная экономия составляет около 100 000 долларов США на одно долото PDC по сравнению с шарошечными долотами. ^[5]

Алмазная паста ишлам

Алмазные пасты используются для полировки материалов, требующих зеркальной полировки. Они часто используются в металлургических образцах, твердосплавных штампах, твердосплавных уплотнениях, очковой стеклянной промышленности и для полировки алмазов. Алмазная паста в основном используется в промышленных целях для полировки и заточки металлических лезвий и других металлических поверхностей. Паста не только полирует металлическое лезвие, но и затачивает режущую кромку.

Алмазные гальванические инструменты

Алмазный порошок, нанесенный методом гальванопокрытия, используется для изготовления напильников (в том числе пилочек для ногтей) и в мелких шлифовальных работах.

Алмазные токарные инструменты с одной точкой

Одноточечная алмазная токарная обработка (SPDT) использует сплошной, безупречный алмаз в качестве режущей кромки. Монокристаллический алмаз может быть натуральным или синтетическим и затачивается до желаемых размеров путем механической шлифовки и полировки . Режущая кромка большинства алмазных инструментов острая до десятков нанометров, что делает ее очень эффективной для резки цветных материалов с высоким разрешением. SPDT — это очень точный процесс обработки, используемый для создания готовых асферических и нерегулярных оптических деталей без необходимости дальнейшей полировки после завершения. Самый точный станок в мире, LODTM, ранее находившийся в Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе , имел точность профиля, оцениваемую в 28 нм, в то время как большинство станков стремятся к шероховатости в пределах этого отклонения. ^[6]

SPDT используется для оптики, плоских поверхностей, где требуются как качество поверхности, так и необычайно высокая точность размеров, а также когда притирка неэкономична или непрактична.

Алмазные пильные диски

Для высокоскоростных бензиновых отрезных пил, ручных пил, ручных шлифовальных машин, мостовых пил, настольных пил, плиткорезов и других типов пил.

Вогнутое лезвие: Для вырезания криволинейных поверхностей столешниц с целью установки моек или создания статуй.
Указатели Tuck: Толстые алмазные диски для реставрации, включающей шлифовку и замену раствора.
Охотники за крэком: Толстые V-образные алмазные диски для ремонта трещин в бетоне.

Шлифовальные чашки с алмазным наконечником

Обычно используется на ручных шлифовальных машинах для шлифования бетона или камня.

Алмазная коронка или кольцевая пила

Полая стальная труба с алмазными наконечниками для сверления отверстий в бетонных стенах в строительной отрасли, в керамограните или гранитных столешницах в бытовом секторе, а также для извлечения кернов в горнодобывающей промышленности.

Вставка инструмента PCD

Используется в станках для обработки керамики и быстрорежущего алюминия.

Вставка инструмента PD

Используется в токарных центрах для обработки оптики и прецизионных поверхностей.

Полировальные круги

Диски с алмазными кристаллами для полировки мрамора и других мелких камней.

Резка алмазной проволокой

Проволока с алмазными кристаллами для резки.

Некоторые особенности резки алмазным канатом:
Безударная, бесшумная и бездымная.
Гладкая режущая поверхность.
Неограниченная глубина резки.
Горизонтальная, вертикальная и угловая резка круглых отверстий диаметром до 2500 мм.
Возможность врезной резки, позволяющая формировать глухие и фальцованные отверстия.
Дистанционное управление для повышения безопасности.

Алмазная пильная цепь

Для резки камня, бетона и кирпича специальной бензопилой .

Смотрите также

Ссылки

^ Плиний Старший. «Естественная история». Перевод DE Eichholz. Архивировано из оригинала 2017-01-01 . Получено 2014-05-28 .{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
^ «Характеристики свободного спекания бронзовых порошков для алмазных инструментов».
^ Konstanty, Janusz (2013). «Спеченные алмазные инструменты: тенденции, проблемы и перспективы». Powder Metallurgy . 56 (3): 184–188. Bibcode : 2013PowM...56..184K. doi : 10.1179/1743290113Y.0000000058. S2CID 137707986.
^ Журнал нефтяных технологий. "Легенды бурения" (PDF) . стр. 50–55. Архивировано из оригинала (PDF) 2011-07-26 . Получено 2010-08-02 .
^ Национальная лаборатория возобновляемой энергии (август 2000 г.). Алмазные сверлильные долота (PDF) (PDF). Министерство энергетики США. стр. 2.(Министерство энергетики/государство 100098-482)
↑ Самый точный токарный станок в мире, Национальная лаборатория Лоуренса в Ливерморе, апрель 2001 г.