金刚石与磨料磨具工程

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陈蕾莹, 陈雷明, 刘雪婷, 王旭磊, 程绍坤, 朱子怡, 陈博宇, 鞠恒冬, 潘晓宇, 姚梦媛

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0098

摘要(79)

摘要:
为了提高金刚石的利用率，对金刚石表面进行金属化处理，并实现其镀层厚度可控。利用高温熔盐法在金刚石表面成功镀覆1~5μm的钛镍、钛钼、钛钨、钛钴双金属镀层，利用XRD、EDS、XPS对镀层的成分进行表征分析，使用SEM对镀层形貌进行表征分析，借助Nano Measurer、AFM对四种不同的金刚石镀层进行厚度测量及表面粗糙度统计。其结果表明，镀覆温度1000℃、保温时间60min时，四种金刚石双镀层内均可形成碳化钛镀层、钛镀层，且镍、钼、钨钴均可与钛形成相应的化合物，且金刚石颗粒表面金属钛镍、钛钼、钛钨、钛钴双金属镀层均匀致密，其镀层厚度均在1~5μm范围内。四种金刚石双金属镀层中，金刚石（100）晶面粗糙度均大于其（111）晶面，且金刚石钛钴双金属镀层表面粗糙度最大，镀层最薄。盐浴镀过程中，由于金属粉和金刚石的亲和度不同，与金刚石亲和度较高的钛粉优先与金刚石进行反应生成TiC，生成的碳化物提高了金属镍、钼、钨、钴与金刚石的浸润性以及金刚石与金属基体间结合力，使得金刚石表面双金属镀层均匀致密。金刚石表面金属化可对金刚石进行保护，提高金刚石氧化温度，金刚石镀层厚度可控可提高金刚石工具应用范围。

基于优化Halbach阵列的磁粒研磨管内表面试验研究

刘帅航, 郭龙文, 应骏, 肖春芳, 韩冰

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0092

摘要(47)

摘要:
针对磁粒研磨管件的磁感应强度低、磁性磨粒更新不足，导致内表面加工效率低的问题。应用NSGA-Ⅱ算法提出了一种在有限空间内提高磁感应强度与梯度双面Halbach阵列磁极结构，通过理论模型与仿真模型确定磁极高度与厚度为磁感应强度与梯度的敏感参数并以其为优化参数利用神经网络进行预测模型的拟合，应用非支配排序算法NSGA-Ⅱ对预测模型寻求Pareto最优解集，从而获得最优的排列组合，结合磁极的径向往复进给，以实现在提升研磨压力的同时，提高磨粒的翻滚更新，并进行磁性磨粒动力学仿真与试验的验证。通过试验验证，优化后的双面Halbach阵列磁极最大磁感应强度提高60％，磁场梯度提高-30mT/mm，磁粒研磨加工效率提高90％。双面Halbach阵列磁极加工时管件内磁粒刷团聚强度高、研磨压力大，磁性磨粒翻转更新频繁、使用寿命长，可以实现管件内表面高效率、高质量的抛光。

基于改进Mask R-CNN的金刚石磨盘表面形态分割与评价

索文隆, 林燕芬, 方从富

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0080

摘要(120)

摘要:
【目的】金刚石磨盘广泛应用于各类硬脆材料的磨削加工中，磨盘表面形态对加工工件质量与磨盘磨削性能有着直接的影响。为了对磨盘表面形态进行检测，【方法】提出了一种改进的Mask R-CNN模型分割方法对磨盘表面图像中的磨粒、气孔进行识别与分割，并对模型进行训练与验证，结果表明使用该方法能够实现磨盘表面图像中磨粒、气孔的识别与分割，其平均准确率为78.2%；为了验证该方法分割的磨粒、气孔与实际结果的差异，提出了目标数量识别准确率、目标分割面积准确率、目标位置误差三个参数来评价分割效果。【结果】结果表明：磨粒、气孔的数量识别准确率分别为82.1%与93.4%，分割面积准确率分别为89.9%与95.3%，位置误差分别为3.8%与2.8%，【结论】证明了该方法分割的有效性。

薄壁CFRP管端面磨削稳定性实验

王树龙, 田俊超, 康仁科, 董志刚, 鲍岩

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0054

摘要(149)

摘要:
针对阵列复材管加工中的磨削稳定性问题，以单个薄壁CFRP管为研究对象，考虑到其结构特征定义切出角度和磨削作用角，开展端面磨削加工实验，分析了切出角度对磨削稳定性的影响规律，并基于磨削作用角和切出角度间的关系，进一步分析磨削速度、实际进给率、磨削深度对磨削稳定性的影响规律。结果表明：切出角度是影响磨削稳定性的主要因素，当切出角度在60°~90°时，磨削作用角较小，磨削稳定性较差；随着磨削速度的增加，磨削作用角逐渐增大，磨削稳定性呈增加的趋势；随着实际进给率的增加，磨削作用角无明显变化，磨削稳定性呈减弱后几乎不变的趋势；随着磨削深度的增加，磨削作用角逐渐减小，磨削稳定性呈减弱的趋势。

SiC衬底精密抛光分子动力学模拟研究进展

张佳誉, 孟二超, 孙建林, 季建忠

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0070

摘要(198)

摘要:
摘要【背景】化学机械抛光（CMP）是SiC衬底平坦化的关键技术，目前对CMP抛光工艺已有大量研究，但磨粒与SiC表面相互作用机理并不明朗。分子动力学（MD）模拟是基于牛顿运动定律和量子力学原理，用于揭示物质微观结构和性质之间相互作用的模拟方法，目前被广泛应用于SiC表面去除机理研究。【内容】文章首先分析了SiC精密抛光中的MD模拟常用的势函数，将其对应的应用领域进行总结，然后将现有的SiC化学机械抛光MD模拟研究进行整合分析。【现状】结果表明，Tersoff势在机械行为方面的研究中应用较多，而研究SiC表面化学反应和吸附行为使用ReaxFF反应力场较多。SiC衬底精密抛光的MD模拟主要分为三大类：SiC材料性能、磨粒磨削、SiC表面化学反应。目前大部分研究集中于磨粒与SiC表面的机械行为作用，对于化学反应机理的研究相对较少。【前景】未来研究的重点在于利用ReaxFF反应力场通过分子动力学模拟研究SiC在各种条件下的反应机理，构建更多势函数以适配不同抛光条件，建立综合模型考虑多种因素对表面相互作用的影响。

钨过渡层热处理对微米晶金刚石涂层的影响

王海龙, 丁晟, 马莉, 魏秋平

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0063

摘要(92)

摘要:
【目的】微米晶金刚石涂层具有极高的硬度和优异的耐磨性能，但结合性能和摩擦性能不佳，导致其应用领域受限。本文选择金属钨作为过渡层材料，并通过热处理构建显微结构，用于改善硬质合金基微米晶金刚石涂层的摩擦学性能。【方法】采用蒸发法在硬质合金表面沉积钨过渡层，并在氩气、氢气混合的还原性气氛下对钨过渡层进行热处理。经不同温度（700/800/900/1000 ℃）热处理30 min后，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）研究不同热处理温度对钨过渡层成分、形貌结构的影响。采用热丝化学气相沉积法在无过渡层基体和热处理后的钨过渡层上方沉积微米晶金刚石涂层，基体温度控制在800±50 ℃，生长周期为6小时。使用SEM、X射线衍射仪和激光拉曼光谱仪分析金刚石涂层形貌、质量。在往复式摩擦磨损测试仪下，使用Si₃N₄陶瓷球与金刚石涂层进行往复摩擦120 min，以评估各涂层样品摩擦性能的影响。【结果】结果表明：蒸镀的钨过渡层呈现非晶结构，钨过渡层热处理后的结晶度大幅增加，过渡层表面产生裂纹，形成不同尺寸的“孤岛-沟壑”结构。700~800 ℃热处理后的钨过渡层结晶度不高，表面的“孤岛”较大而“沟壑”较窄，900 ℃热处理的钨过渡层结构尺寸适中。1000 ℃热处理后的钨过渡层结晶度最高，“孤岛”的尺寸最小。SEM表面形貌、X射线衍射图谱和拉曼光谱显示，无钨过渡层的基体表面生长的金刚石平均晶粒尺寸最大且晶粒大小分布不均。热处理钨过渡层上生长的金刚石涂层的结晶度和含量更高。金刚石的晶粒尺寸随热处理温度的提高，呈现先减小后增加的趋势，但均小于无过渡层样品。摩擦磨损结果表明，700℃热处理的钨过渡层上生长的金刚石涂层发生脱落。800~1000 ℃热处理钨过渡层上的金刚石涂层在保证良好结合性能的同时，摩擦性能有不同程度的提高。其中900℃热处理后钨过渡层上生长的金刚石涂层磨痕最光滑，平均摩擦系数低至0.062，对应的摩擦副的磨痕直径和磨损率最小。【结论】热处理后的钨过渡层及其“孤岛沟壑结构”会明显改善金刚石的生长和结晶状态，导致晶粒细化并提升摩擦性能。900 ℃热处理30 min的钨过渡层表面“孤岛-沟壑”结构尺寸适中，均匀性最好。其上生长的金刚石涂层平均晶粒尺寸约为1.97 μm，平均摩擦系数最低，对应的摩擦副磨损率仅为无过渡层样品的19.2%。

TiH₂的加入对Cu₃Sn金属间化合物金刚石砂轮磨削性能的影响

何珂桥, 陈帅鹏, 康希越, 贺跃辉

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0261

摘要(142)

摘要:
为了进一步提升Cu₃Sn金属间化合物金刚石砂轮的锋利度和保形性，本文制备了不同TiH₂加入量的Cu₃Sn金属间化合物球磨粉末、金刚石磨块及砂轮。通过对微观形貌、氧含量、物相组成、热效应、力学性能等进行测试和分析，探究了TiH₂的加入对Cu₃Sn金属间化合物金刚石砂轮磨削性能的影响。研究结果表明：TiH₂的加入对Cu₃Sn球磨粉末有抑制增氧的作用，促进了粉末烧结。当TiH₂加入量为2.0wt%时，氧含量从0.67%降低到最小值0.51%。TiH₂的加入提高了胎体对金刚石的把持力，可提高抗弯强度和硬度。当TiH₂加入量为1.5wt%时，抗弯强度达到最大值80.74 MPa。当TiH₂加入量为2.0wt%时，洛氏硬度达到最大值109.88 HRB；当加入量继续增大时，抗弯强度和硬度反而下降。TiH₂的加入可提升砂轮的磨削性能，磨削YG8硬质合金时，加入2.0wt% TiH₂的金刚石砂轮最快进给速率从0.02 mm/次提升到0.035 mm/次，磨削比从51.09提升到最大值172.03。

SI₃N₄陶瓷基底交替多层金刚石薄膜摩擦学性能研究

王贺, 赵海根, 闫广宇

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0269

摘要(109)

摘要:
　　为避免氮化硅材料因摩擦磨损造成的失效，利用热丝化学气相沉积技术在氮化硅基底表面沉积单层和交替多层金刚石薄膜，采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪对制备的金刚石薄膜的形核、薄膜质量、表面和截面形貌、表面粗糙度等进行表征；利用“球-盘”往复式摩擦磨损实验机，测试金刚石薄膜的摩擦系数并计算其磨损率，分析不同结构薄膜的摩擦磨损性能。结果表明：相比于单层金刚石薄膜，交替多层膜结构表现出更好的摩擦学性能，当交替次数为4，多层结构层数为8时，摩擦系数和磨损率最低，分别为0.016和1.042×10^-7 mm³·N^-1·m^-1；但随着多层结构层数的增加，层间厚度减小，摩擦过程中薄膜发生破裂和剥落现象，薄膜与基底的结合强度降低，薄膜的质量下降，摩擦系数增大为0.042，磨损率增大为4.661×10^-7 mm³·N^-1·m^-1，薄膜的耐磨性下降。

基于神经网络-遗传算法机器人加工磨削力预测和优化

吴福森

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0045

摘要(120)

摘要:
以KUKA KR60L30HA型工业机器人加工砂岩为例，基于BP神经网络和遗传算法进行了机器人加工磨削力预测和磨削工艺参数优化研究。首先，采用正交试验法，分析了加工工艺参数对磨削力信号的影响规律进行了分析；其次，采用BP神经网络进行了机器人加工磨削力预测模型训练，并进行了预测；最后，采用遗传算法进行了磨削加工工艺参数优化研究。结论如下：（1）磨削工艺参数对磨削分量和磨削合力的影响主次顺序不同，磨削力随着径向切深a_e、轴向切深a_p、进给速度v_w的增加磨削力呈增长趋势；随着主轴转速n的增加，磨削力呈下降的趋势。（2）基于BP神经网络建立的神经网络模型具有较好的预测精度和稳定性，符合预测要求。（3）采用遗传算法得到的优化磨削工艺参数为径向切深a_e=2.01mm，轴向切深a_p=2.59mm，主轴转速n=9910.37r/min，进给速度v_w=3116.06mm/min，此时材料去除率R_MMR=16221.90 mm³/min。

不同Ti粉粒径对镀钛金刚石微粉的制备及性能影响研究

韩铭, 赵安冬, 李良

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0252

摘要(160)

摘要:
　　金刚石微粉表面镀钛能改善其对结合剂的润湿性，镀钛金属层的制备工艺对金刚石微粉的工业应用具有重要意义。通过对比不同钛粉粒径（60目粗粉和325目细粉）和原料配比等因素对金刚石微粉表面真空和保护气氛镀钛工艺的影响。利用XRD表征金刚石微粉表面镀钛的化学成分为金刚石、Ti和TiC过渡层，通过SEM分析镀钛金刚石微粉的形貌及表面元素分布，不同配比和Ti粉粒径均能实现金刚石颗粒表面Ti包覆。细Ti粉包覆金刚石的拉曼光谱含有金刚石和Ti的特征峰，而粗Ti包覆金刚石和真空气氛合成Ti包覆金刚石的拉曼光谱结果受原料配比影响。紫外可见吸收光谱表明Ti包覆金刚石在228-234nm波长区域和328-350nm波长区域分别存在明显的吸收峰。真空合成镀钛金刚石和细颗粒Ti包覆金刚石的失重率低于粗颗粒Ti包覆金刚石的失重率。结合拉曼光谱、紫外吸收光谱和热分析结果，细Ti氩气气氛保护下包覆金刚石性能要优于粗Ti粉包覆金刚石和真空气氛包覆金刚石。
　　关键词磨料镀覆技术；金刚石粉； Ti粉
　　中图分类号 TQ164; TG74

超声作用下碳化硅化学机械抛光流场特性分析

王泽晓, 叶林征, 祝锡晶, 刘瑶, 啜世达, 吕博洋

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0273

摘要(146)

摘要:
　　针对目前碳化硅抛光效率低、表面质量差等加工难题，采用超声辅助化学机械抛光加工工艺对碳化硅表面进行光滑无损化抛光加工。为探究超声辅助对化学机械抛光流场的影响，本文以超声振动下抛光流场中的流场特性为研究对象，基于流体动力学方程、能量守恒方程，对超声作用下抛光流场特性进行分析；采用有限元分析方法探究不同超声频率、振幅、液膜厚度作用下抛光流场内的速度、压力等主要影响抛光效率的因素。结果表明：超声振动对抛光流场具有明显的促进作用，引导流场产生明显横向剪切流提升整体抛光效率；不同膜厚下超声对流场的作用效果并不相同，分析仿真结果得出，随着液膜厚度从50μm减小到30μm，流场最大速度从84.28m/s增大到105.68m/s, 最大压力从199.2MPa增大到581.9MPa，可知液膜厚度越小越有利于抛光效率的提高。
　　关键词超声辅助；碳化硅；流体动力学仿真；化学机械抛光
　　中图分类号 TG580.692+2

干式轻质异形介质的离散元仿真模型参数标定

梁志强, 李秀红, 王兴富, 李文辉, 杨胜强, 梁振华

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0016

摘要(64)

摘要:
为实现干式轻质异形介质在滚磨光整加工过程中的离散元模拟仿真，本文以核桃壳介质为研究对象，采用多维法对不同形状的核桃壳介质进行划分，并构建不同类型的介质模型，通过物理试验与仿真模拟相结合的方法对其离散元仿真参数进行标定。首先，采用物理试验测得核桃壳介质的本征参数（外形尺寸、密度、弹性/剪切模量）,通过搭建自制接触参数测量装置测得核桃壳介质与亚克力间的静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数分别为0.422、0.175、0.246及核桃壳介质间的碰撞恢复系数为0.340。其次，基于EDEM内嵌GEMM数据库确定颗粒介质之间静摩擦和滚动摩擦系数的取值范围，并开展二因素五水平旋转正交组合仿真模拟试验，以实际堆积角44.64°为目标值，建立堆积角与摩擦系数的二阶回归方程，并寻优求解，得到最佳组合：核桃壳介质间的静摩擦系数为0.829、滚动摩擦系数为0.191。最后，通过设置不同挡板抬升速度进行堆积角验证性实验，结果表明，其综合相对误差不超过4%，该参数组合可作为使用核桃壳介质进行滚磨光整加工过程中的离散元仿真模型参数。

钎焊微粉金刚石磨头的性能研究

李纬, 肖冰, 何旭, 张自立, 周露露, 肖皓中

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0025

摘要(136)

摘要:
　　为解决钎焊过程中微粉金刚石损伤严重、钎料与基体结合不牢的问题，采用合适的钎焊方式在钢基体上钎焊微粉金刚石（325/400#），分析结合界面并制备磨头对氧化铝陶瓷板进行加工。研究发现：微粉金刚石磨粒损伤较小，钢基体与钎料结合界面生成物为Fe、Cr形成的γ-相固溶体及Fe、Ni形成的Ni-Fe置换固溶体，固溶体的存在保证了钎料与基体之间的牢固结合，制备的钎焊微粉金刚石磨头在加工陶瓷板时拥有较高的使用寿命。
　　

面向多晶金刚石的等离子体高效抛光技术研究

肖玉玺, 李昕宇, 张永杰, 邓辉

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0281

摘要(283)

摘要:
作为一种典型的难加工材料，多晶金刚石的抛光存在着材料去除速率低、引入较多损伤、难以获得亚纳米级粗糙度等诸多问题。本文采用一种基于大气电感耦合等离子体的非接触式加工方法实现了多晶金刚石的高效抛光。在纯氩等离子体中引入氧气作为反应气，激发产生高活性氧自由基，并在多晶金刚石表面不同位点处发生差异化刻蚀，最终实现多晶金刚石的高效抛光。研究结果表明：随着含氧等离子体辐照的进行，多晶金刚石表面晶粒尖端位点被快速去除，晶粒间的高度差大幅下降，且金刚石表面粗糙度Sa在30 min内从10.1 μm降低至93.7 nm，材料去除速率可达34.4 μm/min，远高于传统的机械或化学机械抛光方法。拉曼光谱与X射线衍射谱分析表明，该抛光方法未引入非晶碳或新应力损伤，不改变多晶金刚石表面晶粒取向。该方法可作为一种多晶金刚石粗抛技术，与其它多晶金刚石精抛工艺相结合，显著提升多晶金刚石的综合抛光效率。

PDC磨损齿切削破岩数值模拟研究

蔡茂盛, 王红波, 张春江, 李赛, 程书婷

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0258

摘要(160)

摘要:
　　现有文献针对切削齿的数值模拟研究较少考虑磨损高度对切削齿温度、切削载荷的影响，然而PDC切削齿磨损后受力恶化、热磨损加剧导致快速失效。为了探讨这一问题，基于弹塑性力学和岩石力学，以Drucker-Prager准则作为岩石的本构模型建立磨损齿的三维动态旋切仿真模型，运用数值模拟的方法对切削齿在不同的磨损高度、切削深度、前倾角的条件下，分析磨损齿的受力状态以及温升幅度。结果表明，与未磨损齿相比，磨损齿的切削载荷随磨损高度增加而变大，且切削齿（直径13.4 mm，总高8 mm）磨损高度为1.5 mm时达到最大；切削齿磨损越严重，吃入到同一深度所需力越大；前倾角增加，导致切削载荷也会变大，因此磨损齿在切削钻进途中，磨损高度越高，前倾角越大，切削齿的失效风险越高；切削齿磨损高度增加，切削齿温升显著增加，在模拟条件下可提高54 %～103 %。
　　

百叶轮抛光TC4温度仿真与试验研究

王丽博, 鲜超, 辛红敏

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0019

摘要(107)

摘要:
抛光温度是影响零件表面性能的重要因素。通过试验测量了百叶轮抛光TC4试件的抛光温度，基于矩形移动热源模型给出了抛光温度的理论模型，并通过ANSYS仿真了抛光TC4的表面温度。结果表明，抛光温度随主轴转速的增大而增大，抛光温度随百叶轮压缩量的增大而增大，抛光温度随进给速度的增大而降低，抛光温度随磨粒目数的增大而降低。柔性抛光温度要显著低于刚性抛光温度，四个工艺参数之中压缩量主效应最大，对抛光温度的影响程度最大。抛光温度梯度以正在加工的接触区域向已加工过的区域逐渐递减，抛光热效应对未加工区域影响较小。对比了抛光温度测量结果、计算结果和仿真结果，结果发现，仿真值和测量值的偏差率均小于25%，计算值和测量值的偏差率均小于25%，说明仿真结果和计算结果准确率较高。

小直径金刚石砂轮磨削碳化硅实验研究

叶卉, 谢家富, 倪安杰

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0030

摘要(153)

摘要:
【目的】为实现碳化硅陶瓷高质量低损伤磨削加工。【方法】现使用小直径金刚石对碳化硅陶瓷开展磨削实验，依据实际砂轮形貌特征以及现在磨削理论建立磨粒未变形最大切屑厚度模型和亚表面损伤深度模型，并分析磨削切厚对磨削质量、磨削力以及亚表面损伤影响趋势，验证模型的准确性。最后结合有限元仿真，进一步揭示磨粒未变形最大切屑厚度对磨削碳化硅陶瓷表面成型机制的影响。【结果】考虑砂轮与材料表面充分接触，当砂轮线速度5.23m/s、进给速度10mm/min以及磨削深度为20μm时，此时工件表面粗糙度达到最低，为0.3865μm，并且此时磨削力工件亚表面损伤深度也达到最低，仅为4.959μm；当砂轮线速度3.41m/s、进给速度40mm/min以及磨削深度为30μm时，此时磨削力最大，为9.35N，表面沟槽残余高度达到最小，仅为4.85μm，工件表面粗糙度以及亚表面损伤达到最大，分别为Ra=0.7641μm和7.453μm。将LI模型计算亚表面损伤深度与实验值对比，其中最大误差为16.04%，其他结果的误差低于15%。【结论】表面沟槽残余最大高度不仅与磨削力有关，同时也与磨削时参与加工磨粒数目有关，随着砂轮进给速度、线速度以及磨削深度的增加不断减小；表面粗糙度、亚表面损伤主要与磨削切厚以及磨削力有关，二者变化趋势相同，随着砂轮进给速度和磨削深度的增加而增大，随着砂轮线速度的提高而减小，为得到加工后良好表面质量，需提高砂轮线速度，降低进给速度以及磨削深度。磨削切厚模型以及LI亚表面损伤模型基本正确，与实验数据变化趋势相同。在实验所选磨削工艺参数下，磨粒实际磨削切厚在碳化硅陶瓷临界切屑厚度的[-31.86％,13.95％]领域内，即材料去除方式介于塑性去除以及脆性去除之间，证明通过控制磨粒未变形最大切屑厚度可以实验材料的塑性域去除从而减小磨削产生的亚表面损伤。

有序排布对金刚石滚轮修整过程磨削力的影响研究

张瑞, 周帅康, 赵华东, 朱振伟, 何鸿辉, 刘畅

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0004

摘要(191)

摘要:
金刚石滚轮在砂轮的成型修整中发挥重要作用，其磨粒磨损是影响滚轮寿命与修整质量的一个主要因素，磨粒的有效排布可以减少磨粒磨损，但目前研究多集中于磨粒排布对单层砂轮的磨削影响，并不适用于磨料堆积砂轮，具有局限性。本文研究滚轮表面磨粒排布对修整砂轮的过程影响，通过进行错位、阵列和叶序三种排布滚轮对砂轮成型修整过程的有限元仿真与实验验证，以磨削力为主要指标，得出结论：在金刚石滚轮对砂轮的修整过程中，颗粒的规则排布会对磨削力产生影响，其中阵列排布磨削力最大，错位排布次之，叶序排布磨削力最小。叶序排布相较于错位与阵列排布，可以有效减少滚轮表面磨粒磨损，提高滚轮的修整性能与寿命。

加工表面形貌特征化聚类的单点金刚石磨削稳定性研究

徐鑫宇, 贺先送, 陈钊杰, 张竞颖, 杨林丰, 谢晋

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0013

摘要(181)

摘要:
　　硬质模具钢的磨削过程因加工深度变化会引起磨削力变化，导致加工状态不稳定。因此，采用大颗粒金刚石的单点磨削，基于加工表面的形貌特征分析磨削过程的动态特性及稳定性，探究工艺参数与加工效率和表面质量的作用机制，旨在实现高效率高质量的磨削加工。首先，对单点金刚石磨削系统进行动力学建模，再采用加速度传感器测量磨削振动信号并进行工作模态分析，求解加工系统的固有频率和阻尼比。然后，基于加工表面波纹度和粗糙度的特征化数据，关联进给深度和砂轮转速对加工稳定状态进行数字化聚类分析，与磨削稳定性的叶瓣图区域匹配，拟合出加工系统刚度和磨削力系数，构建进给深度和砂轮转速实时可控的磨削过程稳定性。最后，通过模具钢的磨削实验进行验证，分析加工效率和质量。结果表明：磨削过程的模态分析与加工表面形貌特征的聚类匹配能够映射磨削过程稳定域的加工工艺参数。在磨削稳定域内，采用更大材料去除率可以将平均表面波纹度从1.203 μm下降到0.635 μm，平均表面粗糙度从0.267 μm下降到0.143 μm。而且，在相同材料的去除量下，稳定域加工的表面粗糙度平均能够下降74%。因此，在加工过程中依据加工表面特征化的磨削稳定域实时调整进给深度和砂轮转速，可以同时提高加工质量和效率。

固结金刚石工具抛光钛合金叶片叶缘工艺研究

张万一, 徐成宇, 季冬锋, 张天鸿, 朱永伟

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0272

摘要(208)

摘要:
叶缘作为航空发动机叶片的关键部位，其加工精度直接影响叶片的气动性能，降低叶缘表面粗糙度和轮廓度对提高发动机服役寿命至关重要。为此本文设计并开发了固结金刚石抛光轮，基于机器人平台研究叶片叶缘的抛光工艺。采用正交试验法探索4个主要工艺参数（主轴转速、进给速度、加工压力、磨料粒径）对叶缘表面粗糙度以及轮廓度的影响规律。试验确定最佳的工艺参数组合：主轴转速为800 r/min、进给速度为6 mm/min、加工压力为4 N、磨料粒径为10~14 μm。以此参数组合抛光后工件光整效果较好，表面形貌得到改善，面型精度提高，叶缘的表面粗糙度由初始的1.165 μm降为0.243 μm ，轮廓度由初始的0.048 mm降为0.016 mm，满足使用要求。

碳化硅晶片减薄用金属间化合物粘结剂金刚石砂轮制备及性能研究

陈帅鹏, 何珂桥, 康希越, 贺跃辉, 陈豫章

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0250

摘要(382)

摘要:
与硅基材料相比，碳化硅因其导热性好、击穿电场强度高和禁带宽度大等特性成为了芯片制造的理想基底材料。但碳化硅晶片莫氏硬度高达9.5，磨削困难。实现碳化硅单晶片的磨削减薄加工，降低磨削成本，提高碳化硅晶片的加工质量，成为了半导体行业亟待解决的问题。本文探究采用Cu₃Sn和Cu₆Sn₅金属间化合物作为粘结剂，制备了面向碳化硅晶片粗磨和精磨的金刚石砂轮。实验研究结果表明：此种超硬材料砂轮能够适用于SiC单晶片的磨削加工，所制备的2000#金刚石粗磨砂轮磨削6英寸碳化硅晶片的磨耗比达1：5，碳化硅晶片表面光洁度为11 nm；12000#金刚石精磨砂轮磨耗比1：0.6，表面光洁度达2.076 nm，TTV小于3 µm，磨削效果良好，可满足工业生产需要。

切削参数对ZrO₂陶瓷切削加工影响的数值模拟研究

吕世聪, 刘寅, 孙兴伟, 董祉序, 杨赫然, 张维锋

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0188

摘要(249)

摘要:
本文采用有限元仿真模拟方法对ZrO₂陶瓷的三维切削过程进行了数值模拟研究。通过对工件材料的切屑去除机理、应力的动态变化与分布规律、切削力的变化规律等进行研究，发现随着加工深度的增加，工件上的应力会逐渐增大，刀具表面的应力层也会逐渐向前刀面和后刀面扩展，并且增大。此外，切削力也会逐渐增大。切削速度的增大会导致应力和切削力上下波动，但整体上没有明显变化。刃圆半径会影响切入初期裂纹的形成，随着刃圆半径的增大，刀具前端的裂纹长度会逐渐变短，但切削力的影响不明显。负的刀具前角切削时，其不会使陶瓷内部产生裂纹，获得较好的加工质量。且最大切削力在刀具前角0°时，出现迅速增大。而随着刀具前角的增大，切削力变化不是很明显。

细径金刚石线锯锯缝内切削液流场仿真研究

陈佳虎, 葛培琪

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0235

摘要(495)

摘要:
　　电镀金刚石线锯广泛应用于单晶硅和蓝宝石等硬脆材料的切片加工领域。随着晶片大尺寸化及锯丝细线化，锯切加工过程中锯缝越来越“深且窄”，切削液在锯切过程中充分发挥作用，对切片质量影响较大。基于计算流体力学数值模拟，通过建立CFD锯缝模型，对金刚石线锯锯切加工材料时，锯缝内切削液流场进行分析研究。仿真分析发现：在小尺寸锯缝内，随着走丝速度增大至25m/s以上，切削液更能充分进入锯缝，在锯丝与工件接触区域及非接触区域充满液体后，接触区域内流体压力在0.179MPa左右，非接触区域流体压力在0.159MPa左右;切削液粘度和表面张力在一定范围内的降低，有利于保证锯缝内切削液的相对饱和与稳定，同时可以使锯缝内切削液压力分布更为稳定。
　　

磨料流加工均匀性仿真物理模型选用与简化方法研究

史苏芳, 张保财, 王夏宇, 王新昶

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0267

摘要(231)

摘要:
新能源汽车的NVH要求齿轮精加工工艺的变革。磨料流加工是齿轮等复杂型面表面抛光的有效手段之一，夹具设计是磨料流加工工艺至关重要的环节。针对磨料流夹具设计优化过程中，物理模型选用对仿真结果准确性与计算成本相互矛盾的难题，分别选用不同粘度介质，应用不同粘度模型以及流动模型开展仿真试验，对体现加工均匀性的流体压力分布、速度矢量、壁面剪切以及流线分布云图予以分析，探究狭缝模型中磨料流稳态仿真结果。发现不同物理模型的仿真结果分布趋势具有较强的相似性，能够实现仿真结果中加工区域流线的一致，证明用简单的物理模型替代复杂物理模型进行夹具优化仿真的可行性。应用仿真结果，采用最简单的牛顿流体——水为介质，借助加工区域流线分布，开展齿轮轴磨料流夹具设计优化，实现了磨料流加工后齿轮鬼阶的去除。

(Ti,Nb)C_x 材料的制备与表征分析

邹芹, 任宇, 李艳国, 焦晓晨

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0164

摘要(718)

摘要:
以TiC与过渡族金属Nb为原料，在机械合金化(MA)下制备了多种非化学计量比的(Ti, Nb)C_x PCD刀具结合剂。通过X射线衍射仪(XRD)对复合材料烧结体进行了物相组成检测，并用jade软件对复合材料进行处理分析。通过扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的断口形貌进行了观察，并用维氏硬度计对复合材料的硬度和断裂韧性进行力学性能测试。结果表明，在1300 ℃到1700 ℃的范围内，烧结温度越高，TiC和 Nb的固溶程度越高。在同一烧结温度下，(Ti, Nb)C_x复合材料的硬度随着金属Nb占比量变大逐渐升高，同一金属Nb占比下，温度越高，Nb与TiC的固溶程度越高。其中复合材料(Ti, Nb) C_0.5的力学性能最优异，(Ti, Nb) C_0.5复合材料在1600 ℃时达到最好硬度23.0 GPa，断裂韧性7.20 MPa·m^1/2。

金刚石热损伤抑制技术研究现状

张建华, 李昂, 胡婷婷, 杜全斌, 崔冰, 张黎燕, 王蕾, 毛望军

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0166

摘要(463)

摘要:
　　金刚石工具制备过程中的金刚石热损伤主要包括金刚石石墨化、金刚石的破损开裂和金刚石的化学侵蚀等。针对金刚石的热损伤问题，本文分别从金刚石表面镀覆、胎体材料性能调控和成型技术优化三个方面，介绍了目前金刚石热损伤的抑制技术，并对未来研究方向进行了展望，以期为高性能金刚石工具制备提供参考和指导。
　　
　　

基于刃磨工艺的超硬刀具复合倒棱仿真与实验分析

李鹤, 石广丰, 吕红兵, 杨永明, 李胜, 朱立春

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0223

摘要(256)

摘要:
　　为了改善圆弧刃倒棱PCD车刀在加工时出现的切屑积聚现象，减小加工时的刀具磨损，提高其加工性能，在圆弧刃倒棱车刀基础上进行二次倒棱处理，使其形成复合倒棱结构。在CATIA软件中依据磨床CORBENR RG9实际刃磨PCD倒棱刀具的工艺，建立圆柱形后刀面复合倒棱车刀三维模型，然后使用Deform V11.0软件进行PCD复合倒棱车刀三维切削仿真分析。并根据仿真分析结果进行了PCD复合倒棱车刀与PCD一阶倒棱车刀切削实验对比分析。结果表明：切削深度相比一阶倒棱宽度较小时，二阶倒棱宽度应大于切深；切削深度较大接近一阶倒棱宽度时，二阶倒棱宽度应为小于切深的较小值。切深较小未超过二阶倒棱区域时，选择较大的二阶倒棱角度；在切深较大时，选择较小的二阶倒棱角度。在相同切削深度下PCD复合倒棱车刀的切削温度小于PCD一阶倒棱车刀。在切削深度为0.14mm时，随着切削时间的增加PCD复合倒棱车刀加工零件表面粗糙度要小于PCD一阶倒棱车刀；对比加工30分钟时刀具磨损形貌发现：PCD复合倒棱车刀磨损更小。
　　关键词 PCD车刀; 切削深度; 表面粗糙度; 刀具磨损
　　中图分类号 TG71; TG58

铜铝预合金粉末烧结行为研究

于奇

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0046

摘要(288)

摘要:
铜铝合金由于低密度、低成本、高导热和热膨胀系数可调等优势，而成为新型金刚石工具材料的潜力材料之一。本文利用铝易与铜生产大量金属间硬脆化合物，开发价格低、自锐性好的铜铝基预合金粉末，并分别对铜铝基预合金粉末，添加单质铜粉、铁粉后的烧结行为进行研究，结果表明研发的铜铝基预合金粉末烧结体硬度达到96HRB，三点抗弯强度达到320MPa，在铁粉和铜粉中添加铜铝预合金粉可显著提高烧结体的致密度和硬度，与单质铜粉发生固溶反应并在铁粉界面扩散形成反应层。采用铜铝预合金粉末替代相同比例的铜锡15合金粉，烧结体致密度下降，硬度降低，烧结过程中在胎体中形成内部裂纹和孔隙，导致胎体致密度下降，且内部大量的微裂纹降低了胎体的抗弯强度，胎体弱化作用明显。

考虑砂轮表面形貌变化的轴承表面Al₂O₃基绝缘涂层磨削表面粗糙度预测研究

徐钰淳

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0118

摘要(268)

摘要:
为了提升轴承表面Al₂O₃基陶瓷绝缘涂层磨削表面粗糙度预测精度，建立符合实际加工过程的BP神经网络预测模型。提出了基于光谱共焦原理的砂轮表面测量及磨粒特征参数量化方法，同时建立了能够直接反映砂轮表面时变状态的以砂轮表面磨粒特征参数K，砂轮转速ω，工件进给速度υ，切削深度ρ以及法向磨削力F为输入参数的工件表面粗糙度神经网络预测模型，并通过已知磨削样本以及砂轮磨损后的4组未知测试样本对网络预测性能进行验证。对于已知样本，网络预测结果，BP网络预测粗糙度与实际粗糙度二者规律性及粗糙度结果较为一致，网络输出误差均小于±0.04μm，进一步利用网络针对磨削磨损后的砂轮对未知磨削测试样本进行预测，网络预测精度有所下降，误差百分比最大值不超过20%。可知建立的包含砂轮表面磨粒特征参数的神经网络，可以适应砂轮磨粒磨损这一时变状态下的轴承表面Al₂O₃基陶瓷绝缘涂层工件粗糙度预测工作，且网络对于未知样本具有一定的泛化能力。

脊形齿机械性能和破岩效果研究

谢志涛, 赵宇璇, 郭勇, 吴德胜, 李亚东

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0172

摘要(287)

摘要:
以地层特性为依据，有针对性的选择异形齿可以减少PDC齿失效的概率，并且提高机械钻速和进尺。为了综合对比脊形PDC齿的机械性能和破岩效果，对三种脊形PDC齿（165斧形、135斧形、三刃）首先进行了耐磨性和抗冲击性研究，然后选择花岗岩进行3个吃入深度的单齿切削实验和不同压力下的全尺寸钻头模拟钻进试验，并与圆形齿进行对比。研究结果表明：①脊形PDC齿的耐磨性均优于圆形齿；②165斧形与三刃齿的抗冲击性优于圆形齿，135斧形由于冲击点缺少支撑，其抗冲击性能较差；③相同吃入深度下，脊形齿的切向力与法向力均低于圆形齿，并且脊角越小切削力越小；④135斧形的机械钻速最快，并且适合高钻压，与165斧形相比，三刃齿在低钻压区间（小于20 kN）机械钻速更快，高钻压区间（大于20 kN）钻速较慢，圆形齿机械钻速最慢，所适合的钻压也较低。实验结果表明脊角变化时，其冲击点支撑材料也发生改变，进而影响其抗冲击性能，同时脊角变化会改变前方的岩石内部的应力集中，进而改变其破岩效果。本文的研究结果可以为脊形齿设计优化设计、钻头布齿和钻井参数优选提供参考。

抛光垫及抛光液对固结磨料抛光氧化镓晶体的影响

吴成, 李军, 侯天逸, 于宁斌, 高秀娟

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022-0043

摘要(790)

摘要:
氧化镓晶体具有高禁带宽度、耐高压、短吸收截止边等优点，是最具代表的第四代半导体材料，具有广阔的应用前景。氧化镓晶体抛光过程易出现微裂纹、划痕等表面缺陷，实现高质量表面加工难，无法满足相应器件的使用要求，且现有的氧化镓晶体抛光工艺复杂、效率低。固结磨料抛光技术具有磨粒分布及切深可控、磨粒利用率高等优点。采用固结磨料抛光氧化镓晶体，探究抛光垫和抛光液对抛光材料去除率和表面质量的影响。结果表明：当抛光垫基体硬度适中为Ⅱ、磨粒浓度100%、抛光液添加剂为草酸时，固结磨料抛光氧化镓晶体的材料去除率为68 nm/min，表面粗糙度Sa值为3.17 nm。采用固结磨料抛光技术可以实现氧化镓晶体的高效高质量抛光。

超硬磨料砂轮自动化复合修整机床CAM系统开发

陈根余, 蓝圣增, 王彦懿, 欧阳征定, 周伟, 李明全, 李杰

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022-0061

摘要(492)

摘要:
在超硬磨料砂轮修整领域，多工艺复合修整有明显优势，但是目前暂无砂轮复合修整自动化系统相关研究，为了使复合修整方法中多种工艺更系统的整合，提高成形砂轮的修整效率，本文结合自主研制的激光-机械复合修整装备，开发了一套CAM系统，该系统可根据不同砂轮截面形状，自动规划多工艺、多修整策略下的修整轨迹，计算平面三轴联动修整刀路，自动生成加工代码，同时设计了可视化界面仿真加工过程。对金刚石青铜结合剂砂轮进行修整试验，结果表明：该系统可以在保证机床不发生碰撞和过切的情况下，生成激光粗修、半精修，机械精修的加工程序，大幅提高复合修整方法的编程效率，修整后的砂轮轮廓误差在9.1 µm以内，圆跳动误差6.1 µm。

磁流变变间隙动压平坦化加工工艺及其机理研究

蔡志航, 阎秋生, 潘继生, 黄蓓, 曾自勤

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022-0004

摘要(581)

摘要:
为了提高磁流变抛光的抛光效率实现光电晶片的高效高品质超光滑平坦化加工，提出一种磁流变变间隙动压平坦化加工工艺方法。本文研究了不同变间隙条件下蓝宝石晶片表面抛光材料去除率和表面粗糙度随加工时间的变化，深入分析了磁流变变间隙动压平坦化加工机理。结果表明，通过工件对磁流变抛光液施加轴向低频挤压振动，能产生抛光压力的动态变化以及磁流变液的挤压强化效应，抛光效率与抛光效果显著提升。磁流变变间隙动压平坦化加工120 min后蓝宝石晶片的表面粗糙度由Ra 7 nm下降为了Ra 0.306 nm、材料去除率5.519 nm/min，相较恒定间隙磁流变抛光，表面粗糙度降低49%、材料去除率提高55.1%；通过改变变间隙运动速度可以实现对流场特性的调控，选择合适的工件下压速度和工件拉升速度有利于提高抛光效率和表面质量。

四氧化三铁特性对单晶SiC固相芬顿反应研磨丸片性能的影响

路家斌, 曹纪阳, 邓家云, 阎秋生, 胡达

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022-0008

摘要(553)

摘要:
为提高单晶SiC研磨加工质量和加工效率，制备了固相芬顿反应研磨丸片，研究了固相催化剂Fe₃O₄粒径和浓度对研磨丸片物理性能(硬度、抗弯强度、气孔率)、催化性能及其对单晶SiC研磨加工性能的影响。结果表明，随着Fe₃O₄粒径的增大，丸片的硬度、抗弯强度、气孔率和催化性能都减小，材料去除率(MRR)从43.12 nm/min降低到36.82 nm/min，表面粗糙度(Ra)从1.06 nm增加到3.72 nm。随着Fe₃O₄浓度的增大，丸片的硬度和抗弯强度减小，气孔率和催化性能增强，虽然MRR有所降低，但表面粗糙度先降低后增加，MRR从40.14 nm/min下降到33.51 nm/min，表面粗糙度(Ra)分别为3.25 nm、1.75 nm和1.88 nm。在本实验中，当Fe₃O₄粒径为0.5 µm、浓度为29 wt.%时加工效果最好，MRR为43.13 nm/min，表面粗糙度达到Ra 1.06 nm。

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