PCD là gì? Ứng dụng của các dụng cụ cắt PCD trong cơ khí chính xác
PCD là gì?
PCD là cụm từ viết tắt của Polycrystalline Diamond (Kim cương đa tinh thể), về mặt kỹ thuật là hạt kim cương, được tạo ra từ việc nung kết các hạt kim cương trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao, với sự có mặt của kim loại xúc tác. PCD có độ cứng gần như tương đương với kim cương tự nhiên, và có thể sản xuất hàng loạt trong công nghiệp với giá thành thấp hơn kim cương tự nhiên.
PCD có độ cứng cực cao, khả năng chống mài mòn và độ dẫn nhiệt của kim cương khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho việc sản xuất dụng cụ cắt. Chúng được sử dụng gia công trong đa dạng lĩnh vực khác nhau như hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô, thiết bị điện, chế biến gỗ, chế biến đá…
Lịch sử ra đời của PCD
Năm 1797, người ta phát hiện ra rằng kim cương có cấu tạo là cacbon nguyên chất. Kết quả là nhiều nhà khoa học đã cố gắng biến đổi một số dạng cacbon rẻ tiền thành kim cương. Một số nhà khoa học đã thành công trong việc thực hiện điều đó là James Hannay và Ferdinand Moissan vào năm 1879 và 1893. Quá trình chuyển hóa cacbon thành kim cương liên quan đến việc đốt nóng than củi đến mức tối đa 3500o C. Một cốc nấu kim loại bằng cacbon bên trong chứa sắt được đặt trong lò để nung nóng tới nhiệt độ tối đa.
Trong trường hợp của Hannay, ông đã sử dụng một ống nung nóng bằng lửa, trong khi Moissan đã sử dụng lò điện hồ quang. Sắt nóng chảy sau đó được làm nguội nhanh chóng bằng cách nhúng vào nước. Việc làm nguội sắt giúp tạo ra sự co lại của sắt, tạo ra áp suất cần thiết để biến than chì thành kim cương. Đây là lý do tại sao nó được gọi là kim cương tổng hợp.
Phương pháp trên cũng là cách đơn giản nhất và ít tốn kém nhất để sản xuất kim cương, mặc dù chưa thực sự hoàn thiện. Nhưng nó đã đặt nền móng cho sự phát triển của công nghệ sản xuất kim cương tổng hợp sau này. PCD chỉ thực sự được ứng dụng cao trong chế tạo dụng cụ cắt gọt từ sau năm 1954, khi General Electric chế tạo thành công kim cương tổng hợp có độ tinh khiết cao.
Trong quá trình phát triển của dụng cụ cắt gọt, thép gió là vật liệu chính để chế tạo dụng cụ cắt ở thời kỳ đầu. Năm 1927, dụng cụ cắt từ tungsten carbide lần đầu tiên được phát minh ở Đức và sau đó được sử dụng rộng rãi. Việc tổng hợp thành công kim cương vào những năm 1950 đã làm tăng ứng dụng của vật liệu chế tạo dụng cụ cắt siêu cứng. (Xem thêm bài viết Dụng cụ cắt gọt kim loại và các vật liệu chế tạo chúng). Sau những năm 1970, PCD được tổng hợp bằng quy trình HPHT (nhiệt độ cao – áp suất cao) và hiện nay các mảnh cắt PCD là rất phổ biển.
Trong chế tạo PCD nói chung, kim cương đa tinh thể được sản xuất ít tốn kém hơn so với kim cương đơn tinh thể. Hiện nay, có nhiều kỹ thuật hơn được sử dụng để chế tạo vật liệu PCD trong sản xuất quy mô lớn.
Thuộc tính của PCD
PCD có giá trị độ cứng là 5000 kgf/mm2. Với mức độ cứng này, nó có khả năng chịu mài mòn, chịu áp lực lớn hơn nhiều so với tungsten carbide.
Tuy nhiên, PCD không phù hợp cho việc gia công thép và các vật liệu chứa sắt khác, do kim cương là carbon tinh khiết và sắt có ái lực với carbon cao, cho nên ở tốc độ cắt cao, lượng nhiệt lớn phát sinh từ 700o C trở lên, ái lực của sắt với carbon tăng mạnh, các phân tử carbon bị hút vào sắt, làm cho lưỡi cắt của dụng cụ cắt PCD nhanh chóng bị mòn, vỡ, gãy.
Ứng dụng của PCD trong gia công cơ khí chính xác
Như đã nói ở trên PCD được sử dụng chủ yếu để chế tạo các dụng cụ cắt gọt như mũi khoan, dao phay và đặc biệt là các mảnh cắt cho dao tiện, doa và dao phay gắn mảnh.
PVD phù hợp để gia công với các loại kim loại màu như nhôm, hợp kim nhôm, đồng, đồng thau, hợp kim đồng, vàng, bạc, magie, kẽm, tungsten carbide, titan, graphite; các vật liệu phi kim như nhựa cứng, cao su, gốm sứ, gỗ, than chì và nhiều vật liệu khó cắt khác.
Tuy nhiên, dụng cụ cắt PCD không phù hợp để gia công các vật liệu có thành phần chứa sắt như thép, inox…
PCD sử dụng tốt nhất trong gia công tinh vì nó giúp đảm bảo độ chính xác, bề mặt sáng bóng với độ nhám từ 1,30 µm trở xuống. Nhưng nó cũng phù hợp với cả gia công thô bởi năng suất gia công cao của nó.
Những sản phẩm phổ biến được gia công bằng PCD như pittong, xy lanh, moay ơ bánh xe, vỏ hộp số, thân bơm, ống xả, linh kiện ô tô và xe máy; thân, vỏ và linh kiện máy nén cho máy bay; các linh kiện có độ chính xác cao của máy ảnh, máy photo; linh kiện cho thân máy bơm và máy ép dầu; trục, lót ổ bi, ổ bi, van, thân bơm cho động cơ đốt trong; các linh kiện điện tử và nhiều sản phẩm cần độ chính xác cao khác.
Kiểu và kích cỡ dụng cụ cắt PCD
PCD liên kết xúc tác là loại được sử dụng rộng rãi, với ba loại cấu trúc tế vi dùng cho các ứng dụng gia công khác nhau. Khác biệt chính giữa ba loại này là kích thước hạt kim cương dùng để chế tạo các khối đa tinh thể, với các cỡ hạt kim cương thô, trung bình và mịn, tạo thành các khối PCD hạt thô, PCD hạt trung bình và PCD hạt mịn.
Dụng cụ cắt chế tạo từ khối PCD hạt thô thường sử dụng cho quá trình gia công thô trên đa dạng các vật liệu phi kim và kim loại không chứa sắt, nó được đề nghị dùng gia công các hợp kim nhôm đúc, đặc biệt là loại hợp kim nhôm có hơn 16% Si. Dụng cụ PCD hạt thô nói chung cứng hơn các loại dụng cụ kim cương khác.
Dụng cụ cắt chế tạo từ khối PCD hạt trung bình được dùng để gia công thô và bán tinh các vật liệu phi kim và kim loại không chứa sắt có tính mài mòn cao, trong đó các lưỡi cắt ngắn được chấp nhận.
Dụng cụ cắt chế tạo từ khối PCD mịn có lưỡi cắt rất sắc và độ bóng cao nên được đề nghị để gia công tinh hoặc cắt gọt những bề mặt đòi hỏi độ bóng rất cao và lưỡi cắt lâu bị mòn.
Các dụng cụ cắt PCD nói chung khả dụng ở ba dạng mảnh ghép đỉnh, mảnh ghép các mặt toàn phần và dụng cụ hàn thau vào cán.
Các tính chất của dụng cụ cắt PCD
Các dụng cụ cắt kim cương đa tinh thể thông thường được chế tạo với một lớp kim cương thấm vào nền tungsten carbide liên kết, có các tính chất khiến chúng là những dụng cụ cắt có tính chống mài mòn rất cao. Các vật liệu thành phần có trong nền tungsten carbide liên kết đảm bảo các tính chất cơ học cao, chủ yếu là hệ số dẫn nhiệt cao và hệ số dãn nở nhiệt thấp. Nền carbide còn cung cấp độ bền cơ học cao cho lớp kim cương đa tinh thể và độ dai va đập cho các dụng cụ cắt PCD.
Các tính chất chính của lớp kim cương trong dụng cụ cắt PCD bao gồm độ cứng, độ bền nén và tính dẫn nhiệt. Độ cứng và tính chống mài mòn của lớp kim cương đa tinh thể là do cấu trúc bên trong của kim cương. Khác cấu trúc kim cương tự nhiên đơn tinh thể, sự sắp xếp tinh thể PCD là đồng nhất theo mọi hướng. Không có các mặt phẳng “cứng” hoặc “mềm” hoặc các mặt phẳng “liên kết yếu” có thể tạo ra vết nứt. Do đó mà không cần sự định hướng đặc biệt để tối ưu hóa sự cắt gọt trong quá trình gia công.
Độ bền nén của lớp kim cương trên dụng cụ PCD là cao nhất so với mọi dụng cụ cắt gọt hiện tại khác. Điều này có được là do cấu trúc sít chặt cho phép dụng cụ cắt PCD chịu được các lực phát sinh do tỷ suất cắt gọt kim loại cao và sự va đập của các cắt gọt gián đoạn.
Tính dẫn nhiệt của lớp PCD cao nhất trong các dụng cụ cắt, cao hơn khoảng 60% so với Boron nitride lập phương đa tinh thể. Tính dẫn nhiệt cao giúp cho sự tỏa nhiệt hoặc truyền nhiệt nhanh ở bề mặt tiếp xúc giữa phoi và dụng cụ cắt, đặc biệt khi cắt các vật liệu cứng và dai với tỷ suất cao cao, điều này hạn chế sự bám dính vật liệu trên lưỡi cắt, là một yếu tố giúp tuổi thọ dụng cụ cắt cao và bề mặt gia công đẹp.
Ưu điểm của dụng cụ cắt PCD
Tuổi thọ dụng cụ dài hơn: Dụng cụ cắt carbide có tuổi thọ ngắn hơn, đôi khi chỉ kéo dài vài ngày hoặc vài tuần, tùy thuộc vào mức độ sản xuất. Còn dụng cụ cắt PCD do những tính chất ưu việt của mình có tuổi thọ cao hơn, khiến cho nó có thể sử dụng trong nhiều tháng. Điều này giúp cho PCD trở thành lựa chọn tuyệt vời cho các hoạt động gia công năng suất cao, chúng giúp ít phải thay đổi dụng cụ cắt hơn và giảm thời gian chu kỳ.
Hiệu suất gia công cao: Các công cụ cắt PCD có thể gia công với tốc độ nhanh hơn gấp 10 lần so với các dụng cụ carbide ở mức hiệu quả và hiệu suất cao nhất của chúng. Điều này có nghĩa là công việc được hoàn thành nhanh hơn, giảm thời gian thực hiện và tăng khối lượng công việc có thể hoàn thành trong cùng một khoảng thời gian.
Dung sai chặt chẽ hơn: Độ chính xác của sản phẩm được gia công là yếu tố quan trọng nhất để mang về lợi nhuận. Đặc biệt trong gia công cơ khí chính xác thì điều này lại càng đúng hơn nữa. Dụng cụ cắt PCD chính xác hơn và độ sắc nét, độ bền của chúng cũng cao hơn nhiều so với dụng cụ carbide và thép gió (HSS), có nghĩa là PCD có thể hoàn thành nhiều sản phẩm hơn trong thời gian ngắn hơn, đồng thời cải thiện độ chính xác và chất lượng sản phẩm.
Tính linh hoạt của vật liệu: Các công cụ PCD trước đây chỉ có thể được sử dụng cho một số lượng nhỏ vật liệu. Nhưng nhờ vào những tiến bộ trong quy trình sản xuất và chế tạo vật liệu đã cho phép dụng cụ cắt PCD được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng gia công khác nhau, phù hợp với đa dạng những vật liệu phôi khác nhau từ kim loại đến phi kim và cả những vật liệu mới.
Hoàn thiện bề mặt tốt hơn: Các dụng cụ cắt PCD có thể mang lại bề mặt hoàn thiện với chất lượng cao hơn và không cần phải xử lý sau gia công. Điều này có nghĩa là các nhà sản xuất có thể tiết kiệm thời gian và tiền bạc trong khi vẫn duy trì cùng một tiêu chuẩn chất lượng.
Tinh Hà – đại lý dụng cụ cắt PCD hãng Sumitomo Nhật Bản
Công ty chúng tôi là đại lý ủy quyền của hãng dụng cụ cắt gọt Sumitomo Nhật Bản, chúng tôi cung cấp các dụng cụ PCD nói riêng và đa dạng các dụng cụ cắt gọt kim loại khác của Sumitomo, phục vụ cho ngành gia công cơ khí chính xác.
Các dụng cụ cắt gọt của Sumitomo Nhật Bản nổi bật với tuổi thọ cao, độ ổn định cao, đáp ứng cho nhiều loại vật liệu khác nhau, mang đến năng suất gia công cao và chất lượng gia công đáng mong đợi.
Ngay bây giờ các bạn có thể liên hệ ngay với chúng tôi qua thông tin phía dưới hoặc bấm tại đây để xem tất cả các dụng cụ cắt Sumitomo Nhật Bản.
Công ty TNHH Thương Mại Dịch Vụ Tinh Hà – Đại lý ủy quyền Sumitomo tại Việt Nam
Hotline: 024 6668 9888 – 0945 275 870
Email: tinhha@tinhha.vn
