VDI 2841 Blatt 2-2015 CVD diamond tools - Applications.pdf

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1、ICS 25.100.01 VDI-RICHTLINIEN Mai 2015 May 2015 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE CVD-Diamantwerkzeuge Anwendungsfelder CVD diamond tools Applications VDI 2841 Blatt 2 / Part 2 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this st

2、andard shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) Fachbereich Produktionstechnik und Fertigungsverfahren VDI-Handbuch Produktionstechnik und Fertigungsverfahren, Band 3: Betriebsmittel VDI-Handbu

3、ch Kunststofftechnik VDI-Handbuch Produktionstechnik und Fertigungsverfahren, Band 2: Fertigungsverfahren VDI-Handbuch Werkstofftechnik Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgabe:01.13 Entwurf,deutschFormeredition:01/13Dra

4、ft,in German onlyZu beziehen durch / Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten / Allrightsreserved (a)Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2015Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 3 2 Formelzeichen und Abkrzungen . 3 3 Fertigungs

5、verfahren . 4 3.1 Trennen 4 3.2 Umformen 13 3.3 Weitere Anwendungsfelder 15 3.4 Stand der Forschung (Fertigungsverfahren). 16 4 Werkstoffe . 20 4.1 Grafit 20 4.2 Kunststoffe . 22 4.3 Keramiken und Hartmetalle . 24 4.4 Leichtmetalllegierungen (Nichteisenmetalle) 26 4.5 Metallverbundwerkstoffe (MMC) 2

6、8 4.6 Holzwerkstoffe . 29 4.7 Stand der Forschung (Werkstoffe) . 31 5 bersichtstabelle 32 Schrifttum 34 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Symbols and abbreviations . 3 3 Manufacturing processes 4 3.1 Cutting . 4 3.2 Forming . 13 3.3 Further fields of application . 15 3.4 State of res

7、earch (manufacturing processes). 16 4 Materials 20 4.1 Graphite . 20 4.2 Plastics . 22 4.3 Ceramics and carbides . 24 4.4 Light metal alloys (non-ferrous metals) . 26 4.5 Metal-matrix composites (MMC) 28 4.6 Wood-based materials . 29 4.7 State of research (materials) 31 5 Overview table 32 Bibliogra

8、phy 34 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8BD9NormCD - Stand 2015-05 2 VDI 2841 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1

9、000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbedingungen (www.vdi.de/richtl

10、inien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/2841. Preliminary note The content of this

11、standard has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of

12、 extracts. The use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. A catalogue of all available parts of this se

13、ries of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/3334. Einleitung Nach der ausfhrlichen Behandlung der Kohlen-stoffmodifikationen in der Richtlinie VDI 2840 sowie der tiefer gehenden Einteilung und Charak-terisierung von Diamantschichtmorphologien und Diamantwerkzeugen in VDI 2841 Bla

14、tt 1 wird in dieser weiterfhrenden Richtlinie (Blatt 2) auf die Anwendung und die Anwendungsbereiche von mit chemischer Gasphasenabscheidung (CVD, chemi-cal vapour deposition) hergestellten Diamantwerk-zeugen eingegangen. Zunchst erfolgen die Beschreibung der CVD-Diamantwerkzeuge sowie die grundlege

15、nde Darle-gung der gngigen Verfahren, die beim Trennen, Abrichten und Umformen eingesetzt werden. An-schlieend wird auf Spezialanwendungen von di-amantbeschichteten Werkzeugen eingegangen. Stellvertretend seien an dieser Stelle u. a. Umform-werkzeuge und Spannwerkzeuge im Mikroferti-gungsbereich, di

16、amantdotierte Elektroden bei der Funkenerosion und Gravurwerkzeuge genannt. Danach erfolgt eine Abgrenzung in der Anwen-dung bezglich der Werkstoffe, wobei das Stand-zeit- und Zerspanverhalten von CVD-Diamantdnn- und CVD-Diamantdickschichtwerkzeugen fr die verschiedenen Werkstoffe Bercksichtigung fi

17、ndet. Hierbei werden die dem heutigen Stand der Tech-nik entsprechend eingesetzten Schnittparameter bei der Anwendung beider Schichttypen beschrieben. Weiterhin erfolgt die Erluterung grundstzlicher Prozessnderungen wie die Trocken- oder Nassbe-arbeitung und die Bauteilqualitt als prozessbeein-fluss

18、ende Gren. Im Kontext werden die typi-schen Verschleiformen in der Bearbeitung dieser Werkstoffe errtert. Introduction Following the detailed treatment of carbon modifi-cations in standard VDI 2840 and also the more in-depth classification and characterization of dia-mond film morphologies and diamo

19、nd tools in VDI 2841 Part 1, the present standard (Part 2) looks at the application of and fields of application for diamond tools produced by chemical vapour deposition (CVD). First of all, a description is given of CVD diamond tools and the usual methods of cutting, dressing and reshaping them are

20、 explained. Following this, special applications of diamond-coated tools are examined. Examples include forming tools and clamping tools in microfabrication, diamond-doped electrodes used in electrical discharge ma-chining, engraving tools, and other applications. Applications are then subdivided on

21、 the basis of the materials involved, with consideration given to the life expectancy and cutting performance of CVD-diamond thin-film and CVD-diamond thick-film tools as related to the various materials. Here descriptions are given of the state-of-the-art cutting parameters in use in application of

22、 the two types of coating. In addition, an explanation is given of fundamental process changes, such as dry or wet machining and component quality, as factors influ-encing the process. Typical manifestations of wear occurring in machining these materials are dealt with in context. B55EB1B3E14C22109E

23、918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8BD9NormCD - Stand 2015-05All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI 2841 Blatt 2 / Part 2 3 Neben den in der industriellen Praxis gngigen CVD-Diamantanwendungen wird in dieser Richt-linie auch der Stand der Forschung bei der Zer-spanung mittels

24、CVD-Diamantwerkzeugen aufge-zeigt. In addition to the applications for CVD diamond commonly found in industry, the present standard also covers the current state of research in the field of cutting using CVD diamond tools. 1 Anwendungsbereich In dieser Richtlinie wird auf die Bearbeitung fol-gender

25、Werkstoffe eingegangen: Grafit unverstrkte und verstrkte NE-Metalle und -Legierungen unverstrkte und faserverstrkte Kunststoffe; dazu zhlen glasfaserverstrkte (GFK) und koh-lefaserverstrkte (CFK) Kunststoffe Hartmetalle und Keramiken, im Grnlings- und Sinterzustand Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (M

26、MC) Holzwerkstoffe Stein Es existiert eine Vielzahl erfolgreicher Anwendun-gen von CVD-Diamantwerkzeugen 1. Die An-wendungsgebiete dieser Werkzeuge sind in die eingesetzten Bearbeitungsverfahren entsprechend Abschnitt 3 unterteilt. 1 Scope This standard is concerned with the machining of the followi

27、ng materials: graphite unstrengthened and strengthened non-ferrous metals and alloys unreinforced and fibre-reinforced plastics; these include glass-fibre-reinforced (GFRP) and car-bon-fibre-reinforced (CFRP) plastics carbides and ceramics, in the green compact and sintering states metal-matrix comp

28、osites (MMC) wood stone CVD diamond tools have a large number of suc-cessful applications 1. The areas of application of these tools are subdivided on the basis of the ma-chining methods as examined in Section 3. 2 Formelzeichen und Abkrzungen Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgen

29、d aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formelzeichen Bezeichnung Einheit D Durchmesser mm G Schleifverhltnis sDSchichtdicke mm 2 Symbols and abbreviations Symbols The following symbols are used through out this standard: Symbol Designation Unit D diameter mm G grinding ratio sDcoating thickness mm

30、Abkrzungen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Abkrzungen verwendet: AFK aramidfaserverstrkte Kunststoffe cBN kubisches Bornitrid CFK kohlefaserverstrkte Kunststoffe CVD chemische Gasphasenabscheidung GFK glasfaserverstrkte Kunststoffe MMC Metallmatrix-Verbundwerkstoffe ND Natur

31、diamant PcBN polykristallines kubisches Bornitrid PKD polykristalliner Diamant PMMA Polymethylmethacrylat UP Ultraprzisionsbearbeitung Abbreviations The following abbreviations are used in the present standard: AFRP aramid-fibre-reinforced plastics cBN cubic boron nitride CFRP carbon-fibre-reinforce

32、d plastics CVD chemical vapour deposition GFRP glass-fibre-reinforced plastics MMC metal-matrix composites ND natural diamond PcBN polycrystalline cubic boron nitride PCD polycrystalline diamond PMMA polymethyl methacrylate UP ultra-precision machining B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8BD9N

33、ormCD - Stand 2015-05 4 VDI 2841 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 3 Fertigungsverfahren Es existiert eine Vielzahl erfolgreicher Anwendun-gen von CVD-Diamantwerkzeugen 1. Die An-wendungsgebiete dieser Werkzeuge sind in diesem Kapitel entsprech

34、end den eingesetzten Bearbei-tungsverfahren unterteilt. 3 Manufacturing processes CVD diamond tools have a large number of suc-cessful applications 1. In this section the fields of application of these tools have been subdivided on the basis of the machining methods. 3.1 Trennen 3.1.1 Zerteilen Schn

35、eidklingen werden u. a. fr das Schneiden von Kunststoff- und Metallfolien, Papier, Textilien, Glas-fasern sowie faserverstrkten Kunststoffen eingesetzt. Als Schneidstoffe kommen in der Regel Stahl, Hartmetalle oder Keramiken zum Einsatz. Eine zustzliche Hartstoffbeschichtung kann die Stand-zeit erhh

36、en und die Schnittqualitt verbessern. Durch den Einsatz von Fasereinlagen, Verstr-kungspartikeln und Farbstoffen in den zu bearbei-tenden Werkstoffen sowie durch hohe Bearbei-tungsgeschwindigkeiten verschleien konventio-nelle Schneidstoffe und Beschichtungen jedoch schnell und werden stumpf. Nanokri

37、stalline Dia-mantschichten besitzen aufgrund ihrer extrem ho-hen Hrte und ihrer glatten Oberflche eine verrin-gerte Klebneigung und knnen damit die Standzei-ten von Schneidklingen erheblich verlngern sowie das Einsetzen hherer Bearbeitungsgeschwindig-keiten ermglichen. Da der Einsatz von CVD-diamant

38、beschichteten Schneidklingen (Bild 1) aufgrund des durch die Beschichtung vergrerten Schneidkantenradius ohne Nachschrfen proble-matisch ist, werden die Schneiden einem Plasma-schrfprozess unterzogen. Hiermit knnen die Schneidkantenradien von 10 m bis 15 m auf Werte unter 0,5 m reduziert werden. Wei

39、terhin glttet der Plasmaprozess die Oberflche der Schneidkante. Dies kann zu einer Reduzierung der Schneidkrfte fhren. Durch das Aufbringen einer nanokristallinen CVD-Diamantschicht, typischer-weise mit Kristallitgren von 30 nm bis 50 nm, lassen sich die Standzeit der Werkzeuge und die Qualitt des S

40、chnitts verbessern. Flter et al. un-tersuchten diamantbeschichtete Schneidklingen bei der Bearbeitung von Kunststofffolien mit Pigment-einlagerungen aus Titanoxid und erreichten ca. 20-fache bis 25-fache Standzeitverlngerungen im Vergleich zu Keramikklingen sowie ca. 20-fache bis 30-fache Verlngerun

41、gen im Vergleich zu Hartmetallklingen. Die Strke der Klingen betrgt typischerweise 0,2 mm bis 1,0 mm 2. 3.1 Cutting 3.1.1 Severing Cutting blades are used among other things for cutting plastic film, metal foil, paper, textiles, glass fibre and also fibre-reinforced plastics. The usual cutting mater

42、ials are steel, carbides or ceramics. An additional carbide coating can extend life ex-pectancy and improve cutting quality. The use of fibre inserts, reinforcing particles and dyestuffs in material being machined and also high machining speeds do however cause rapid wear in conventional cutting mat

43、erials and coatings, result-ing in loss of sharpness. Due to their extreme hard-ness and smooth surfaces, nanocrystalline diamond films have a reduced tendency to stick and can thus considerably extend the service lives of cutting blades and also make higher machining speeds possible. Since using CV

44、D-diamond-coated cutting blades (Figure 1) is problematic without resharp-ening on account of the increase in the cutting-edge radius due to the coating, the cutting edges are subjected to a plasma sharpening process. With this, cutting-edge radii can be reduced from 10 m to 15 m to values below 0,5

45、 m. In addition, the plasma process smoothes the surface of the cutting edge, which can lead to a reduction in the cutting forces required. Application of a nanocrystalline CVD diamond film, typically with crystallite sizes ranging from 30 nm to 50 nm, can extend the ser-vice life of the tools and i

46、mprove the quality of the cut. Flter et al. investigated diamond-coated cut-ting blades in the machining of plastic films with incorporated titanium oxide pigments and achieved service lives about twenty to twenty-five times longer than ceramic blades and twenty to thirty times longer than carbide b

47、lades. The thickness of the blades was typically in the range of 0,2 mm to 1,0 mm 2. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8BD9NormCD - Stand 2015-05All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI 2841 Blatt 2 / Part 2 5 Bild 1. a) CVD-diamantbeschichtete Schneidklinge f

48、r das Schneiden von Folien; b) Seitenansicht der geschrften Schneidklinge (Quelle: Fa. GFD Gesellschaft fr Diamantprodukte mbH, Ulm) Figure 1. a) CVD-diamond-coated cutting blade for cutting sheeting; b) side view of the sharpened cutting blade (Source: GFD Gesellschaft fr Diamantprodukte mbH, Ulm)

49、3.1.2 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Drehen Bei den in der Drehbearbeitung eingesetzten CVD-Diamantwerkzeugen handelt es sich mehrheitlich um ISO-Wendeschneidplatten (Bild 2) oder direkt in einen Werkzeugtrger eingeltete CVD-Diamant-schneideinstze (Bild 3). Eine detaillierte Eintei-lung dieser Werkzeuge ist VDI 2841 Blatt 1 zu entnehmen. Werkstoffseitig umfasst die Drehbear-beitung mittels CVD-Diamantwerkzeugen die