Характеристика основных свойств и область применения поликристаллов синтетического алмаза (ПКА)

Монокристаллы природного алмаза при достижении критических нагрузок разрушаются на мелкие фрагменты. ПКА из-за своей поликристаллической структуры значительно лучше сопротивляются ударным нагрузкам, чем монокристаллы алмаза, и, несмотря на меньшую твердость по сравнению с природным алмазом, имеют более высокие значения пределов прочности на растяжение и на поперечный сдвиг. При этом ударная прочность поликристаллов алмаза зависит от размеров алмазных зерен и с их увеличением снижается.

Преимущества инструментальных ПКА в сравнении с монокристаллическими алмазами связаны с произвольной ориентацией кристаллов в рабочем слое режущих пластин, что обеспечивает высокую однородность по твердости и стойкости к истиранию во всех направлениях.

Во многих случаях наблюдаемая на практике большая износостойкость резцов из синтетических алмазов, по сравнению с резцами из природных алмазов, объясняется различием их структур. У природного алмаза появившиеся трещины на режущей кромке, развиваются и могут достигать значительных размеров. У синтетического алмаза, представляющего собой поликристалл, возникающие трещины тормозятся и останавливаются границами кристаллов, что и определяет их более высокую в среднем в 1,5-2,5 раза износостойкость.

Поликристаллы алмаза отличаются от монокристаллов более высокой термостойкостью. такие материалы как АКТМ и СВ не теряют своих режущих и прочностных свойств при нагреве до 1473К и выше, что позволяет производить их напайку на твердосплавные пластины.

Коэффициент трения ПКА с металлом несколько выше, чем у природных алмазов. Это объясняется наличием пор на поверхности поликристалла, вызванных выпадением частиц кристаллов, а также наличием частиц металлической фазы (после синтеза) или связующего. Однако величина коэффициента трения ПКА со многими металлами не превышает 0,2, что свидетельствует о превалировании в контакте внешнего трения. Это является особенностью контактных процессов алмаза с большинством металлов. Однако, с никель и железосодержащими материалами алмаз имеет химическое сродство. Поэтому при резании сталей на основе железа, на контактных поверхностях алмазного инструмента происходит интенсивное налипание обрабатываемого материала.

Углерод, из которого состоит алмаз, активно реагирует с этими материалами при нагреве. Это приводит к интенсивному изнашиванию алмазного инструмента и ограничивает области его применения. Накопленный опыт свидетельствует о том, что наиболее эффективное применение алмазного инструмента получают на чистовых и отделочных операциях при обработке деталей из цветных металлов и их сплавов, а так же из различных полимерных композиционных материалов. Инструмент может быть использован при точении прерывистых поверхностей и при фрезеровании, однако его стойкость будет ниже, чем при обработке без удара.

В табл. 2.16 приведены рекомендации по режимам резания инструментами из алмаза различных обрабатываемых материалов.

Таблица 2.15 Рекомендуемые режимы резания резцами из алмаза

Обрабатываемый материал	V, м/с	S, мм/об	t, мм
Алюминиевые литые сплавы	10,0-11,5	0,010-0,04	0,01-0,20
Алюминиево-магниевые сплавы	6,6-8,3	0,010-0,05	То же
Алюминиевые жаропрочные сплавы	4,1-6,6	0,020-0,04	0,05-0,10
Дуралюмин	8,3-11,5	0,021-0,04	0,03-0,15
Медь	6,0-8,3	0,010-0,04	0,01-0,40
Бронза оловянистая	4,1-6,6	0,040-0,07	0,08-0,20
Бронза алюминиево-железистая	11,5	0,020-0,04	0,03-0,06
Бронза свинцовистая	10,0-11,5	0,025-0,05	0,02-0,05
Латунь	8,3	0,020-0,06	0,03-0,06
Баббит	6,6-8,3	0,010-0,05	0,05-0,20
Монель	2,5-5,0	0,010-0,02	0,03-0,05
Титановые сплавы	1,6-5,0	0,020-0,05	0,03-0,06
Пластмассы	1,6-3,3	То же	0,05-0,15
Стеклотекстолит	10,0-11,5	“	0,03-0,05
Резина	5,0-6,6	0,010-0,04	0,02-0,06

Успешно применяются режущие пластины из ПКА при обработке полимерных композитных материалов. Использование режущих пластин с механическим креплением позволяет повысить стойкость в 15-20 раз по сравнению с инструментом из твердого сплава.

Еще одной из перспективных областей применения ПКА является обработка трудно поддающихся резанию и вызывающих быстрый износ инструмента таких материалов, как древесностружечные плиты, плиты средней плотности с высоким содержанием клея, с покрытиями на основе меламиновой смолы, декоративный бумажно-слоистый пластик, а также другие материалы, обладающие абразивным действием. Обработка таких материалов обычным инструментом неэкономична.

В настоящее время режущий инструмент, применяемый в деревообрабатывающей промышленности и промышленности по переработке пластмасс, оснащают поликристаллами алмаза. Такой инструмент имеет стойкость в 200-300 раз выше стойкости твердосплавных инструментов.

Геометрические параметры алмазного инструмента во многом определяются свойствами кристаллов природного алмаза. Кристаллы алмаза обладают высокой хрупкостью, поэтому режущие кромки инструментов должны обладать повышенной прочностью. С целью упрочнения режущей кромки угол заострения b, алмазного инструмента должен быть максимально допустимым.

Передний угол g от 0 до 15°, задний угол a от 2 до 6°, радиус вершины r_b от 0,2 до 1,0 мм для алмазных резцов выбирают от вида обрабатываемого материала.

Для обеспечения шероховатости обработанной поверхности до R_a 0,1, режущая кромка не должна иметь сколов, а передняя и задняя поверхность инструмента обработаны до шероховатости R_a 0,01-0,015. Радиус округления режущей кромки r, должен достигать размеров менее 0,1 мкм.

В связи с повышенной чувствительностью инструментов из ПСТМ к вибрациям и ударным нагрузкам, к станкам, используемым для обработки режущих элементов из ПСТМ предъявляются повышенные требования в отношении точности, виброустойчивости и жесткости.