Pro vývoj vysoce kvalitních PKD vrtáků je zapotřebí mít hluboké znalosti a vhodný komplexní přístup. Takovýto technologický vývoj nejenže rozhoduje o výkonu nástroje, ale také ovlivňuje efektivitu nástroje při výrobě i náklady na jeho výrobu. Pro výrobu vrtáků na bázi syntetického diamantu pro kompozitní materiály se využívají čtyři hlavní technologie:
Vrták s CVD diamantovým povlakem
Hotový celokarbidový vrták je opatřen CVD diamantovým povlakem. Je to ekonomické řešení, avšak ostrost řezné hrany je limitována tloušťkou povlaku. Rovněž kvůli velkému rozdílu mezi tvrdostí karbidového substrátu a diamantového povlaku má toto řešení malou kapacitu pro absorpci energie nárazu. Odolnost proti vylamování je rovněž omezena.
„Capped“ PKD vrták
PKD je slinován s malým množstvím karbidového substrátu do určité geometrie špičky. Vytvořená součást je pak pájena na celokarbidové těleso vrtáku. Toto PKD řešení je limitováno v optimalizaci PKD jakosti kvůli nutnosti zvládání vysokých pnutí v rozhraní karbid/PKD. Následné zpracování po slinování může být také drahé s ohledem na náročnost odstranění diamantu z nefunkčních oblastí a doplnění otvorů pro vnitřní chlazení.
„Vein“ PKD vrták
Karbidová tyčka s předem obrobenou drážkou je naplněna PKD práškem a následně vystavena extrémně vysokému tlaku a teplotě (HPHT) pro vytvoření PKD struktury. Po HPHT procesu se tyčka ořízne, připájí na těleso vrtáku a nakonec brousí podle navržené geometrie nástroje. Touto „vein“ PKD technologií může být vytvořena komplexní geometrie s vysoce pozitivními úhly čela, přičemž vyžaduje méně broušení než „capped“ PKD. Je omezena co do velikosti kvůli aplikaci vysokého tlaku a teploty na komplexní 3D geometrii. Navíc je k tomu potřebný vysoký obsah kobaltu, což snižuje tvrdost PKD a jeho odolnost proti opotřebení.
Pájený PKD vrták
2D je nejrozšířenější technologií pro PKD vrtáky (např. ploché PKD vrtáky). Pro menší velikosti je používán speciální karbid s vrstvou PKD, zatímco pro větší velikosti mohou být použity individuální PKD špičky. Toto řešení má značná geometrická omezení, a tak je obtížné přidat pozitivní úhly čela potřebné pro obrábění kompozitů.
3D pájení vyžaduje objemný PKD blok z požadované jakosti a mikrostruktury, aby mohl být rozřezán do navrženého tvaru šroubovice. Odpovídající slot pro PKD břit ve tvaru šroubovice je vybroušen v karbidovém vrtáku. Ve srovnání s „capped“ PKD řešením toto 3D pájení aplikuje PKD pouze ve funkčních oblastech, což podstatně zvyšuje obrobitelnost tohoto nástroje. Tato technologie 3D pájení byla vybrána pro vývoj zkušebních PKD vrtáků v tomto výzkumu.
Dalším důležitým faktorem pro volbu vhodné PKD jakosti je obrobitelnost diamantového materiálu. Obrobitelnost byla vyhodnocována měřením výrobních časů pro identické nástroje zhotovené z různých polotovarů PKD materiálů. Pozornost byla zaměřena na všechny výrobní kroky zahrnující erozi PKD kotouče a broušení PKD.
Pájení PKD
V tomto článku představený nástroj vyžaduje pájení spoje šroubovitého plátku vyřezaného z PKD polotovaru s tělesem z karbidu wolframu, přičemž vybraná technologie pájení musí zabránit grafitizaci metastabilního polykrystalického diamantu, ale také spojit PKD s karbidem wolframu. To vyžaduje aktivní technologii pájení. Aktivní materiál pro pájení obvykle obsahuje složky s vyšší teplotou tavení, jako je titan. Teploty pájení jsou proto vyšší, což negativně ovlivňuje stabilitu diamantové fáze. Aby bylo zabráněno grafitizaci, musí být během pájení vyloučena oxidační atmosféra. Nejmodernější technologie zahrnují použití argonové atmosféry a vakuové pájení.
Optimální geometrie nástroje
Vybrat optimální geometrii nástroje pro vrtání vrstveného kompozitního a titanového materiálu je obtížné, jelikož tyto dva obráběné materiály vyžadují různé vlastnosti vrtáku. Vrtání CFRP obvykle používá vysoké úhly stoupání šroubovice a dlouhé řezné hrany, aby uhlíková vlákna mohla být ustřižena podél řezné hrany. Dlouhé řezné hrany jsou realizované malými úhly špice. K tomu by vrtáky pro CFRP měly vyvíjet nízké osové síly pro zamezení vyštípávání na výstupu. Toto vše předpokládá spíše ostré řezné geometrie s malými úhly břitu. Úhly hřbetu dosahují 20 stupňů při úhlech stoupání šroubovice kolem 30 stupňů.
Řezání titanu může v principu také využít ostrou řeznou hranu, avšak ve srovnání s vrtáním CFRP je třeba stabilnější úhel břitu. Typické úhly hřbetu pro aplikace v titanu jsou v rozsahu od 8 do 14 stupňů. Ve srovnání s obráběním oceli jsou obvykle tyto úhly vyšší (v daném případě kolem 12 stupňů), aby bylo generování tepla na čele hřbetu minimalizováno za účelem snížení opotřebení hřbetu. Jelikož vysoké úhly hřbetu v kombinaci s typickými úhly stoupání šroubovice kolem 30 stupňů by příliš oslabily řeznou hranu, byl úhel stoupání šroubovice snížen na 15 až 20 stupňů pro vyvážení použití vysokých úhlů hřbetu. Představená výrobní technologie počítá s proměnnými úhly stoupání šroubovic v závislosti na potřebné geometrii nástroje. Toto je jednou z hlavních výhod představené technologie, jelikož typické nástroje s PKD břitem počítají s úhly šroubovice do 8 stupňů.
Pro dosažení úzkých tolerancí průměru díry je naprosto nezbytné, aby hrot vrtáku měl vynikající samostředicí schopnost. Z jiné perspektivy má úhel špice velký vliv také na tvorbu otřepů. Je známo, že úhly špice pod 90 nebo nad 150 stupňů pomáhají minimalizovat výšku otřepů na výstupu z díry. Vrták s úhlem špice 155 stupňů se proto hodí pro výstup z titanu, ale nemá dobrou samostředicí schopnost. Proto je navržen design s dvojitým úhlem špice, s vnitřním úhlem špice 130 stupňů a vnějším úhlem špice 155 stupňů. Celková výška špice takového vrtáku je spíše menší ve srovnání s obvykle používanými vrtáky s dlouhými řeznými hranami. To přivádí třetí a čtvrtou fazetu velmi rychle do kontaktu s materiálem, což napomáhá udržení úzkých tolerancí díry.
Další výhodou navržené konstrukce vrtáku je možnost vnitřního přívodu chladiva. Pro vrtání samotných CFRP desek pomáhá vnitřní přívod chladiva rychlému odvodu CFRP prachu ven z drážek vrtáku prostřednictvím stlačeného vzduchu. Pro řezání vrstvených materiálů z CFRP a titanu může být aplikováno minimální mazání (MQL, resp. MMS), které využívá tyto vnitřní kanálky pro přívod chladiva pro zajištění mazání a redukci obrovského množství tepla generovaného při obrábění titanu z důvodu jeho nízké tepelné vodivosti. To činí MQL absolutně nezbytným pro vrtání s PKD nástroji, jelikož jinak by značné teplo na řezné hraně vedlo ke grafitizaci nebo k následnému vytváření TiC. Takováto reakce vede k chemickému opotřebení v oblasti břitů a nakonec k vylamování PKD na břitech.