Алмазный инструмент

Алмазный инструмент — режущий инструмент с алмазными зернами, закрепленными на функциональных частях инструмента посредством 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 адамас успешно сломан, он распадается на осколки, настолько маленькие, что их едва видно. Они очень востребованы граверами по драгоценным камням и вставляются ими в железные инструменты, потому что они делают полости в самых твердых материалах. без труда». ^[1]

Преимущества

Алмаз — один из самых твердых природных материалов на земле; намного тверже корунда и карбида кремния. Алмаз также обладает высокой прочностью, хорошей износостойкостью и низким коэффициентом трения. Таким образом, 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 имеют следующие преимущества:

Высокая эффективность шлифования. Низкая сила шлифования . В процессе шлифования отверстие выделяет меньше тепла. Это может уменьшить или избежать прожогов и трещин на поверхности заготовки, а также снизить износ оборудования и потребление энергии.
Высокая износостойкость : изменение размеров алмазных шлифовальных инструментов невелико. Это может привести к хорошему качеству шлифования и высокой точности шлифования.
Длительный срок службы, длительный период одевания : это может значительно повысить эффективность работы, улучшить условия труда работников и снизить трудоемкость продукта.
Низкая комплексная стоимость : стоимость обработки каждой заготовки ниже.

Категории

Существуют тысячи видов алмазных инструментов. Их можно классифицировать по способам производства и использованию.

Категории по способу изготовления

В зависимости от методов производства или типов связок алмазные инструменты можно разделить на следующие категории:

Алмазные инструменты на металлической связке : связующий материал инструмента представляет собой спеченный металл, содержащий алмазную крошку. Функциональными частями инструмента обычно являются алмазные сегменты . на металлической связке К этим инструментам относятся алмазные пилы , алмазные шлифовальные тарельчатые круги , алмазные коронки и т. д. Для алмазных инструментов на металлической связке связка является одним из основных факторов при выборе инструмента, который будет использоваться для резки или шлифования конкретного материала. , в зависимости от того, насколько твердый или абразивный материал. Используемая связка определяет скорость, с которой металлические порошки изнашиваются и обнажают новые кристаллы алмаза на поверхности, тем самым сохраняя абразивную режущую поверхность. Различная прочность связи достигается за счет выбранной смеси сплавов металлических порошков и количества тепла и давления, приложенного к спеченному сегменту. Эталонным материалом исторически был кобальт благодаря высокому удерживанию алмаза, простоте обработки горячим прессованием и регулируемой скорости износа за счет примеси бронзы. ^[2] или порошки карбида вольфрама. Из-за высокой и нестабильной цены, а также из соображений защиты окружающей среды были разработаны альтернативные системы на основе сплавов или смесей железа и меди с дополнительными металлическими и неметаллическими добавками. ^[3]
Алмазные инструменты на связке смолы : связующим материалом инструментов в основном является порошок смолы. Примером такого рода инструментов являются алмазные полировальные диски на связке из смолы, используемые в строительной отрасли.
Алмазные инструменты с покрытием : эти инструменты изготавливаются путем фиксации алмазов на основе инструмента методом гальваники или методом CVD (химического осаждения из паровой фазы). Обычно их можно изготовить с хорошей точностью обработки.
Алмазные инструменты на керамической связке . Связующим материалом инструментов обычно является стекло и керамический порошок. Этот инструмент обычно обладает хорошей химической стабильностью, небольшой упругой деформацией, но высокой хрупкостью и т. д.
Поликристаллический алмаз (PCD) : обычно они изготавливаются путем спекания множества монокристаллов алмаза микроразмера при высокой температуре и высоком давлении. PCD обладает хорошей вязкостью разрушения и хорошей термической стабильностью и используется при изготовлении долот для геологического бурения.
Поликристаллический алмазный композит или компакты (PDC) : они изготавливаются путем объединения нескольких слоев поликристаллических алмазов (PCD) со слоем цементированного карбида при высокой температуре и высоком давлении. PDC обладает преимуществами высокой износостойкости алмаза и хорошей твердости карбида.
Высокотемпературные паяные алмазные инструменты . Этот инструмент изготавливается путем припаивания к инструменту одного слоя алмазов припоем при температуре более 900 °C. с использованием вакуумной пайки или пайки в защищенной атмосфере. Этот инструмент имеет ряд преимуществ: припой очень прочно удерживает алмазы, высота открытого слоя алмазов может составлять 70–80% их размеров, а алмазы можно располагать на инструменте равномерно.

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 режущие инструменты (например, алмазные пилы ), алмазные 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, драгоценный камень 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 вступать в реакцию с Fe, Co, Ni, Cr, V под воздействием высоких температур, образующихся в процессах шлифования, обычно алмазные инструменты не подходят для обработки сталей, включая обычные стали и различные прочные легированные стали, в то время как другой сверхтвердый инструмент, кубический Инструмент из нитрида бора (CBN), подходит для обработки сталей. Инструменты, изготовленные из обычных абразивов (например, корунда и карбида кремния), также могут справиться с этой задачей.

Применяемые домены

Алмазный инструмент используется в следующих областях:

Геологическая или проектная разведка : часто используются алмазные геологические буровые коронки, алмазные буровые коронки и алмазные тонкостенные буровые коронки. Основное применение буровых долот PCD – в нефтегазовой и горнодобывающей промышленности.
Обработка камня : Алмазные циркулярные 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 связке смолы используются для полировки камня.
Строительство : Алмазные пильные полотна среднего или малого размера, алмазные коронки и некоторые инструменты для алмазной шлифовки или полировки часто используются при ремонте дорог, реконструкции зданий и обработке строительных материалов.
Деревообработка : Композитный ламинат широко используется. Его можно носить как камень. При его обработке используются дисковые пилы PCD, профилирующие фрезы, спиральные сверла и другие алмазные инструменты.
Обработка автозапчастей : режущие инструменты из PCD и PCBN используются для обеспечения высокой эффективности и требований к обработке с минимальными отклонениями в этой области.
Обработка изделий ИТ и бытовой техники : для резки ломтиков кремния используются высокоточные сверхтонкие алмазные отрезные круги. Алмазные шлифовальные круги на связке смолы используются для обработки керамики в производстве оптических волокон.
Обработка инженерной керамики : Инженерная керамика широко используется во многих отраслях промышленности. Они обладают свойствами высокой прочности, высокой твердости, жаростойкости. Для их обработки разработаны высокопрочные и долговечные алмазные шлифовальные круги.
Обработка твердосплавных инструментов и других механических инструментов . 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 деликатных 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 удельное сопротивление и высокие оптические характеристики. Эти области применения включают покрытия подшипников и компакт-дисков, работу в качестве линз и термисторов, изготовление высоковольтных переключателей и датчиков и т. д.

Некоторые примеры алмазного инструмента

Инструменты для алмазной правки

Алмазные правки состоят из одноточечных или многоточечных инструментов, припаянных к стальному хвостовику и используемых для правки и правки шлифовальных кругов. Инструменты бывают нескольких типов, в том числе: с пропиткой зерном, с лезвием, с коронкой и с диском. Преимущества многоточечных инструментов перед одноточечными:

Можно использовать весь алмаз; в одноточечном инструменте, когда острие затупилось, алмаз необходимо переустановить, и после нескольких переустановок алмаз заменяется.
Многоточечные инструменты имеют более высокую точность, особенно при фасонном шлифовании , где используются типы лезвий. Лезвия состоят из вытянутых ромбовидных форм. Толщина контролируется, и доступны лезвия толщиной от 0,75 до 1,40 мм (от 0,030 до 0,055 дюйма).
Инструменты с зернистым зерном относятся к прочному классу и могут использоваться для настольных шлифовальных машин.
Поскольку используются мелкие острия, режущая кромка алмазов имеет естественные острия, в отличие от одноточечных инструментов, у которых острие заточено.
Стоимость многоточечных инструментов ниже, поскольку используются более мелкие и менее дорогие алмазы.

Режущие инструменты из ПКД

Поликристаллический алмаз (PCD) формируется в большом прессе при высокой температуре и высоком давлении (HT-HP) либо в виде алмазной пластины на твердосплавной основе, либо в виде «прожилки» алмаза внутри твердосплавной пластины или стержня.

Большинство пластин полируются до зеркального блеска, а затем разрезаются электроэрозионным инструментом на более мелкие, пригодные для обработки сегменты, которые затем припаиваются к пильному полотну, развертке, сверлу или другому инструменту. Часто их подвергают электроэрозионной обработке и/или дополнительно шлифуют, чтобы обнажить алмазные прожилки вдоль режущей кромки. Эти инструменты в основном используются для обработки неметаллических и цветных металлов.

Операцию шлифования совмещают с электроэрозионной по нескольким причинам. Например, по данным Modern Machine Shop, ^{[ нужна ссылка ]} эта комбинация обеспечивает более высокую скорость съема материала и, следовательно, более эффективна с точки зрения затрат. Кроме того, процесс электроэрозионной обработки незначительно влияет на качество поверхности. Шлифование используется на пораженном участке, чтобы обеспечить более тонкую конечную поверхность. Пекинский институт электромеханической обработки ^{[ нужна ссылка ]} приписывает более точную форму и геометрию поверхности объединению двух процессов в один.

Сам процесс осуществляется путем объединения двух элементов каждого отдельного процесса в один шлифовальный круг. Алмазно-графитовый круг выполняет задачу шлифования, а графитовое кольцо вокруг существующего круга служит электроэрозионной частью. 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) твердых и абразивных алюминиевых сплавов, а также процессов с высокой абразивностью, таких как сверление углеродного волокна и керамики. Алмазные режущие кромки позволяют им прослужить длительное время, прежде чем потребуется замена. Массовые процессы, жесткие допуски и высокоабразивные процессы идеально подходят для алмазного инструмента.

Поликристаллические алмазные компакты

В конце 1970-х годов компания General Electric впервые применила технологию поликристаллических алмазных компактов (PDC) в качестве замены природных алмазов в буровых долотах . ^[4] PDC использовались для прорезания поверхностей кристаллических пород в течение продолжительных периодов времени в лабораторных условиях, и теперь эти возможности реализованы в суровых условиях по всему миру.

По состоянию на август 2000 года Министерство энергетики США заявило, что почти одна треть общего объема бурения во всем мире приходится на долота PDC, при этом заявленная экономия составляет почти 100 000 долларов на долото PDC по сравнению с шарошечными долотами. ^[5]

Алмазная паста и суспензия

Алмазные пасты используются для полировки материалов, требующих зеркального блеска. Их часто используют в металлургических образцах, твердосплавных штампах, твердосплавных уплотнениях, в производстве очкового стекла и для полировки алмазов. Алмазная паста в основном используется в промышленности для полировки и заточки металлических лезвий и других металлических поверхностей. Паста предназначена не только для полировки металлического лезвия, но и для заточки режущей кромки.

Алмазные гальванические инструменты

Алмазный порошок, нанесенный гальванопокрытием, используется для изготовления пилочек (в том числе пилочек для ногтей) и для мелкой шлифовки.

Одноточечные алмазные токарные инструменты

При одноточечной алмазной токарной обработке (SPDT) в качестве режущей кромки используется твердый безупречный алмаз. Монокристаллический алмаз может быть природным или синтетическим и затачивается до желаемых размеров путем механического шлифования и полировки . Режущая кромка большинства алмазных инструментов имеет остроту до десятков нанометров, что делает их очень эффективными для резки цветных металлов с высоким разрешением. SPDT — это очень точный процесс обработки, используемый для создания готовой асферической и неправильной оптики без необходимости дальнейшей полировки после завершения. Самый точный станок в мире, LODTM, ранее работавший в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса , имел точность профиля, оцениваемую в 28 нм, в то время как большинство станков стремятся получить шероховатость в пределах этого отклонения. ^[6]

SPDT используется в оптике, для плоских поверхностей, где требуется как чистота поверхности, так и необычайно высокая точность размеров, а также когда притирка неэкономична или непрактична.

Алмазные пилы

Для высокоскоростных бензопил, мотопил, ручных шлифовальных машин, мостовых пил, настольных пил, плиткорезов и других типов пил.

Вогнутое лезвие: Для вырезания кривых столешниц для установки раковин или лепки статуй.
Указатели подкладки: Толстые алмазные диски для реставрации, включающие шлифовку и замену раствора.
Охотники за крэком: Толстые V-образные алмазные диски для ремонта трещин в бетоне.

Мельничные чашки с алмазными насадками

Обычно используется в ручных шлифовальных машинах для шлифовки бетона или камня.

Коронка с алмазным напылением или кольцевая пила

Полая стальная труба с сегментами с алмазными наконечниками для сверления отверстий в бетонных стенах в строительной отрасли, керамограните или гранитных столешницах в бытовой промышленности, а также для отбора керна в горнодобывающей промышленности.

Инструментальная вставка PCD

Используется в станках для обработки керамики и быстрорежущего алюминия.

Инструментальная вставка PD

Используется в токарных центрах для обработки оптики и прецизионных поверхностей.

Полировальные подушечки

Подушечки с алмазными кристаллами для полировки мрамора и других драгоценных камней.

Резка алмазной проволокой

Проволока с алмазными кристаллами для резки.

Некоторые особенности резки алмазной проволокой:
Неударный, бездымный и тихий
Гладкая режущая поверхность
Неограниченная глубина резания
Горизонтальная, вертикальная и угловая резка круглых проемов диаметром до 2500 мм.
Устройство врезной резки, позволяющее формировать глухие проемы и проемы с фальцем.
Дистанционное управление для повышения безопасности

Алмазная пильная цепь

Для резки камня, бетона и кирпича специальной бензопилой .

См. также

Ссылки

^ Плиний Старший. «Естественная история» . Перевод Д.Э. Эйхгольца. Архивировано из оригинала 1 января 2017 г. Проверено 28 мая 2014 г. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
^ «Поведение бронзовых порошков для алмазных инструментов при свободном спекании» .
^ Константин, Януш (2013). «Спеченный алмазный инструмент: тенденции, проблемы и перспективы». Порошковая металлургия . 56 (3): 184–188. Бибкод : 2013PowM...56..184K . дои : 10.1179/1743290113Y.0000000058 . S2CID 137707986 .
^ Журнал нефтяных технологий. «Легенды бурения» (PDF) . стр. 50–55. Архивировано из оригинала (PDF) 26 июля 2011 г. Проверено 2 августа 2010 г.
^ Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (август 2000 г.). Алмазные сверла (PDF) (PDF). Министерство энергетики США. п. 2. (DOE/GO 100098-482)
↑ Самый точный токарный станок в мире , Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, апрель 2001 г.

[1] Плиний Старший. «Естественная история» . Перевод Д.Э. Эйхгольца. Архивировано из оригинала 1 января 2017 г. Проверено 28 мая 2014 г. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )

[2] «Поведение бронзовых порошков для алмазных инструментов при свободном спекании» .

[3] Константин, Януш (2013). «Спеченный алмазный инструмент: тенденции, проблемы и перспективы». Порошковая металлургия . 56 (3): 184–188. Бибкод : 2013PowM...56..184K . дои : 10.1179/1743290113Y.0000000058 . S2CID 137707986 .

[early_years-4] Журнал нефтяных технологий. «Легенды бурения» (PDF) . стр. 50–55. Архивировано из оригинала (PDF) 26 июля 2011 г. Проверено 2 августа 2010 г.

[today-5] Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (август 2000 г.). Алмазные сверла (PDF) (PDF). Министерство энергетики США. п. 2. (DOE/GO 100098-482)

[6] Самый точный токарный станок в мире , Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, апрель 2001 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]