CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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2023年  第43卷  第4期

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超声加工制备表面微织构及使役性能研究进展
别文博, 赵波, 陈凡, 王晓博, 赵重阳, 牛赢
2023, 43(4): 401-416. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0095
摘要(895) HTML (299) PDF 8653KB(157)
摘要:
超声加工作为一种调控外部能量输入的有效途径,被广泛应用于表面成形改性制造中,通过对界面能量的精准调控,可以实现表面微织构的制备。为促进超声加工技术在表面微织构制备及提高零件使役性能方面的应用,首先,对目前表面织构制备的方法进行对比分析,重点对超声微织构制备的加工方法进行综合评述,分别从不同的振动形式及超声维数分析超声车削、铣削、磨削及超声强化制备表面微织构的特点,并就各工艺应用的局限性及亟须解决的关键问题进行总结。其次,根据各加工工艺制备的表面微织构,分别从摩擦性能、润湿性能及结构色调控等使役性能方面进行分析,主要对表面织构的摩擦磨损、摩擦系数、承载能力、接触性能和光学性能调控等内容进行阐述,结果表明超声加工制备的表面微织构在一定程度上能够提高零件耐磨性,改善表面的亲疏水状态,并能够获得相关的光学功能特性。最后,鉴于目前研究过程中有待深入的方面,对超声加工表面微织构的制备及使役性能进行展望。
中国超硬材料行业2022年运行报告
李利娟, 张贝贝, 赵兴昊, 马宁, 李志宏, 孙兆达
2023, 43(4): 417-421. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.1004
摘要(687) HTML (247) PDF 1620KB(126)
摘要:
为反映中国超硬材料产业发展情况,围绕行业主要经济指标开展调研,结合国家宏观经济发展情况和超硬材料进出口贸易数据,绘制产业发展图谱。研究发现:超硬材料行业整体发展良好,营业收入增长23.8%,营业利润增长52.8%,增幅为近10年最高;销售利润率达到23.7%,显著高于全国规模以上企业营业利润率的平均值。进出口贸易方面,超硬材料商品的进出口额增长率均低于全国平均值,更多表现为内循环发展。
cBN-Fe磁性磨粒的制备工艺及性能
马雨寒, 张宝瑞, 周长乐, 陈保池, 王大庆, 田鑫, 丁云龙
2023, 43(4): 422-431. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0130
摘要(444) HTML (193) PDF 3901KB(39)
摘要:

针对现有烧结法制备的磁性磨粒中研磨相材料硬度较低,对硬度高、导磁性差的钛合金等工件的研磨效果差,且硬度最高的金刚石材料无法作为研磨相用烧结法来制备磁性磨粒的问题,以Fe粉为基体,cBN粉末为研磨相,烧结制备cBN-Fe磁性磨粒;以Ti-6A1-4V(TC4)板为研磨对象,用控制变量法探究烧结法制备的cBN-Fe磁性磨粒中烧结时间、升温速度、原料配比对其研磨性能的影响,确定其最佳的制备工艺参数;并以45#钢和202不锈钢为研磨工件,比较cBN-Fe与烧结法制备的Al2O3-Fe、SiC-Fe 3种磁性磨粒研磨前后工件的表面粗糙度、表面形貌,探究不同磁性磨粒的研磨性能和使用寿命。结果表明:当Fe粉与cBN粉的质量比为3∶1,烧结温度为1150 ℃,烧结时间为6 h,保温时间为2 h,升温速度为3.19 ℃/min时,制备的cBN-Fe磁性磨粒研磨性能最佳,优于烧结法制备的Al2O3-Fe、SiC-Fe磁性磨粒的,且其使用寿命分别是Al2O3-Fe磁性磨粒和SiC-Fe磁性磨粒的1.6倍和1.3倍。

基于Bi2O3-B2O3体系的陶瓷结合剂金刚石砂轮制备及其对单晶硅的磨削性能
白福厚, 廖燕玲, 轩闯, 张凤林
2023, 43(4): 432-439. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0137
摘要(509) HTML (198) PDF 3553KB(61)
摘要:
针对陶瓷结合剂烧结温度高的问题,提出一种基于Bi2O3-B2O3的新型低温陶瓷结合剂。分析添加纳米SiC和纳米ZrO2对结合剂物相组成、流动性和力学性能的影响,并探索添加核桃壳粉造孔剂对金刚石砂轮微观形貌的影响;制备基于Bi2O3-B2O3体系的陶瓷结合剂金刚石杯形砂轮,测试其对单晶硅晶圆片的磨削性能。结果表明:添加纳米SiC会导致陶瓷结合剂中出现一定量的Bi单质,破坏结合剂的[BiO4]玻璃网络;添加纳米SiC及纳米ZrO2后,结合剂的流动性降低;随烧结温度上升,结合剂的流动性、抗弯强度和硬度有增大的趋势,在560 ℃烧结时结合剂的抗弯强度和硬度达到最大。随着造孔剂含量的增大,砂轮中大气孔的数量显著增多、尺寸显著增大。在砂轮线速度为12.56 m/s,工件转速为5.23 m/s,进给速度为0.1 μm/s条件下,使用以M10/20金刚石(粒度号为800目)制备的砂轮磨削加工单晶硅晶圆片,其磨削比为790,表面粗糙度为0.16 μm。
合成聚晶金刚石过程的颗粒冷压破碎
崔喜伟, 秦越, 毛荣琪, 郝敬林, 赵思壮, 林正得, 邓丽芬, 江南, 崔平
2023, 43(4): 440-446. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0178
摘要(528) HTML (204) PDF 2904KB(60)
摘要:

为提升聚晶金刚石的致密度,研究在初装、冷等静压后以及六面顶压机内等不同压力条件下,不同金刚石粉体粒径和配比在加压前后的粉体密度、粒径分布及重排微观结构变化,发现金刚石粉体的变化规律。合成过程包括初装料的无序排列到220 MPa等静压后的细颗粒填充孔隙与重排,再到超高压力下大颗粒被挤压破碎,孔隙被逐步填充。由于细颗粒的缓冲效应,大颗粒G20~30在双粒径配方G2~4和G20~30中比在单一粒径G20~30配方中破碎更少,更有利于提升金刚石粉体堆积密度。

主轴外圆超光滑研磨工艺
李彬, 宋晓宇, 吴媛媛, 张晓朋, 任东旭, 赵则祥
2023, 43(4): 447-454. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0224
摘要(392) HTML (162) PDF 3012KB(33)
摘要:
为改善精密磨削后主轴外圆柱面的表面粗糙度和圆度,提出新型立式精密研磨方法并研制立式研磨装置。文章选取立式研磨方式下气缸压力、油石粒度、主轴转速3个关键工艺参数对轴类零件加工精度的影响进行分析。基于 L9( 34 ) 正交试验设计,采用S/N响应法和 ANOVA 方差法对试验数据进行分析,得到优化的工艺参数组合,并用其对5根尺寸为ϕ50 mm × 160 mm的40Cr材质主轴外圆柱面进行研磨。结果表明:使用立式研磨法对工件外圆柱面加工3 h后,工件的平均材料去除率为7 μm/h,平均圆度误差由4.12 μm降为1.47 μm,表面粗糙度由326 nm降为41 nm。
陶瓷CBN砂轮的研究进展
吴恒恒, 许桥, 周宏根, 管小燕, 史肖娜, 李国超
2023, 43(4): 455-473. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0151
摘要(633) HTML (232) PDF 3574KB(82)
摘要:

陶瓷CBN砂轮在成形加工和精密加工等领域广泛应用,对其进行研究在提高工件加工质量和加工效率方面具有重要意义。分别从CBN磨粒、改性剂的添加、陶瓷CBN砂轮的制备和磨削性能方面,综述近些年陶瓷CBN砂轮的研究进展,并对其未来发展前景进行展望。在CBN磨粒方面,论述了CBN单晶的合成,介绍了CBN磨粒表面处理和加入强磁场时的处理方式;对于改性剂,分别论述了成孔剂、氧化物、金属物质、纳米材料的添加对陶瓷CBN砂轮性能的改善;在陶瓷CBN砂轮制备方面,介绍了其成形和烧结的方法。此外,还介绍了陶瓷CBN砂轮在钢类材料、镍基合金、钛合金等难加工材料上的磨削加工应用,并提出影响其磨削性能的因素。

硫酸钙晶须增强的树脂磨片磨削性能
林江程
2023, 43(4): 474-481. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0223
摘要(403) HTML (173) PDF 5941KB(50)
摘要:

为探究硫酸钙晶须增强填料对树脂结合剂磨片的增强效果,采用热压成形方法制备实验样条及树脂磨片,探究不同晶须长度和质量分数对样条硬度、抗弯强度及微观结构的影响,并研究磨片对人造花岗石的磨削性能。结果表明:晶须质量分数不变,随着晶须长度增加,样条的抗弯强度降低,硬度基本保持不变;晶须长度不变,随着晶须质量分数增加,样条的抗弯强度呈先增加后基本不变的趋势;使用磨片对人造花岗石进行磨削,当硫酸钙晶须的长度为10~60 μm,质量分数为10%时,树脂磨片具有最优的耐磨度1.973 min/%,同时具有良好的锋利度76.8 cm3/min。

钻探用聚晶金刚石复合片的显微组织及性能
朱培, 卢灿华, 张涛, 陈明, 赵文龙, 韩新伟
2023, 43(4): 482-488. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0110
摘要(371) HTML (122) PDF 2557KB(55)
摘要:

采用上层为细粒度金刚石、下层与硬质合金接触的为粗细度金刚石的分层设计理念,制备钻探用多金刚石层的聚晶金刚石复合片(PDC),对比不同粒度的单层金刚石PDC与多层金刚石PDC的显微组织与性能的差异。利用超声波扫描、扫描电子显微镜(SEM)表征每种PDC的内部缺陷和表面形貌等,并分别对PDC的耐热性、抗冲击性和耐磨性进行测试。结果表明:多层金刚石PDC的综合性能良好,其表层耐磨,下层更耐冲击,且其具有更加均衡的耐热性、抗冲击性和耐磨性。细粒度金刚石层PDC的耐磨性更高,但耐热性和抗冲击性较低,而粗粒度金刚石层PDC的耐热性和抗冲击性能更好,但耐磨性较差。

钴粉形貌对聚晶金刚石复合片性能的影响
宋晨杰, 魏文亮, 汪锦杰, 李治海, 司治华, 刘风琴, 黄凯
2023, 43(4): 489-496. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0216
摘要(531) HTML (248) PDF 3194KB(68)
摘要:
选用类球形和晶须状的团聚钴粉(团聚粒度相近),外掺到金刚石微粉中,经过超高压高温(HPHT)合成聚晶金刚石复合片(PDC),研究钴粉形貌特征对PDC性能的影响。研究发现:2种形貌的钴粉在微观形状、孔隙度、磁性能、结晶性等物理特征方面具有显著差异;用其合成的PDC样品,在界面结合形态、界面WC异常长大情况、抗冲击强度、耐磨性等方面,差异明显,类球形钴粉合成的PDC明显比晶须状钴粉合成的PDC具有更好的综合性能。
三氯化铁-草酸体系不锈钢化学机械抛光液设计与优化
王泽宇, 彭亚男, 苏建修, 陈佳鹏
2023, 43(4): 497-503. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0159
摘要(443) HTML (132) PDF 3959KB(41)
摘要:
为提高柔性显示衬底不锈钢箔片化学机械抛光加工效率,研制一种三氯化铁-草酸型抛光液并用于304不锈钢衬底的化学机械抛光加工过程。设计正交优化试验,确定磨粒粒径、磨料含量、草酸含量和三氯化铁含量对材料去除率和表面粗糙度(Sa)的影响显著性顺序,并重点探究三氯化铁和草酸对材料去除率的影响规律。利用优化后的抛光液精抛304不锈钢,其材料去除率高于560 nm/min,抛光30 min后Sa低于8 nm。相比现有抛光液的材料去除效率(226.56 nm/min),新抛光液的加工效率提升超过1倍。
基于永磁体的磁流变抛光励磁装置设计与仿真
曹顺涛, 陈观慈, 李明春
2023, 43(4): 504-513. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0195
摘要(457) HTML (165) PDF 3091KB(46)
摘要:

励磁装置作为磁流变抛光设备的核心部件,其能否产生稳定均匀的高梯度磁场,是决定磁流变抛光成功的关键因素。采用扇形永磁体设计磁流变抛光轮励磁装置,并运用ANSYS Electronics Desktop等软件从永磁体数量、充磁方式、排布方式、气隙宽度等方面对励磁装置进行仿真分析,得到不同工况下的磁感应线及磁感应强度分布。结果表明:当气隙宽度为4 mm时,采用单一永磁体轴向充磁产生的磁感应强度最大,可达358.4 mT,理论上可在抛光轮表面形成宽为26 mm、高为6.0 mm的抛光缎带。

激光熔覆金刚石−金属耐磨涂层的组织和性能
庞爱红, 孙贵乾, 董俊言, 庞诚宇, 郭宇, 董书山
2023, 43(4): 514-522. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0127
摘要(402) HTML (215) PDF 3633KB(67)
摘要:

在10~30 μm的细颗粒金刚石表面进行镀Cr处理,并将其与Ni-Cr-B-Si粉末混合置于碳钢表面,采用激光热源将预置粉末熔覆于碳钢表面制备耐磨涂层。结果表明:金刚石表面的增厚镀Cr层在激光高温热场中可有效保护金刚石,避免金刚石在高温下发生氧化及石墨化,且可使金刚石与金属基体间实现冶金结合。对涂层的金相、物相及形貌进行分析,发现金刚石可显著提升涂层的冷却速率,同时细化冷凝组织,提高其硬度并增强其耐磨性。添加质量分数为20%镀Cr金刚石的熔覆涂层的耐磨性较未添加镀Cr金刚石时的提升了4.6倍,摩擦系数降低近50%。

基于响应面法的缸梁一体式六面顶压机铰链梁优化
何文斌, 姚港生, 汪曙光, 王良文, 明五一, 谢贵重, 李轲, 鲁海霞
2023, 43(4): 523-530. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0204
摘要(398) HTML (167) PDF 3419KB(42)
摘要:

六面顶压机是中国生产金刚石的主要设备,其关重件铰链梁在工作中承受连续的交变载荷,易出现失效破损。提出RSM和MOGA相结合的方法,对新型六面顶压机的铰链梁进行优化分析。首先建立铰链梁的参数化模型,以关键部分的尺寸为设计参数,以最大应力和最大位移为目标函数,并对其最大质量进行约束;然后使用DOE获得设计试验点;利用RSM获得代理模型;再通过MOGA法搜索全局最优解,最后对铰链梁的优化结果进行评估。结果表明:优化后的铰链梁在质量略微增加的情况下,刚度和强度有效提高,应力集中现象也明显改善。