金刚石与磨料磨具工程

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面向SiC_f/SiC复合材料精密制孔的单层钎焊金刚石套料钻脉冲激光修整研究

钱宁, 何静远, 苏宏华, 孙雨婷, 昂给拉玛, 丁文锋, 徐九华

2025, 45(2): 143-152. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0248

摘要(54)

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PDF 3829KB(8)

摘要:
单层钎焊金刚石套料钻工作面磨粒的出露高度差异大、等高性难以保证，导致SiC_f/SiC复合材料制孔时孔径精度难控制。针对此瓶颈，提出采用脉冲激光修整单层钎焊金刚石套料钻工作面磨粒，提高磨粒等高性以改善SiC_f/SiC复合材料制孔精度的构想。研制单层钎焊金刚石套料钻的脉冲激光修整装置，能够显著提高套料钻工作面磨粒的等高性，修整后套料钻磨粒出露高度离散系数由修整前的0.11降低至0.04，降幅达64%。此外，修整后的套料钻在有效使用寿命范围内的孔径变化量维持在0.02 mm以内，相较未激光整形时孔径变化量降低75%，说明激光修整可提高单层钎焊金刚石套料钻工作面磨粒的等高性，实现SiC_f/SiC复合材料精密制孔。

双磨粒划擦2D SiC_f/SiC复合材料实验

郭晋竹, 刘瑶, 王优哲, 王栋

2025, 45(2): 153-162. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0044

摘要(44)

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PDF 4100KB(6)

摘要:
为揭示2D SiC_f/SiC复合材料的磨削去除机理和磨粒间的耦合作用，在纤维编织表面（woven surface, WS）和叠加表面（stacking surface, SS）上，进行WS0、WS45和SS0、SS90方向的双磨粒划擦实验，观察划痕表面形貌，并测量划擦力。结果表明：横向纤维主要为剪切、拉伸和弯曲断裂；法向纤维以剪切去除为主，边缘伴随有少量的弯曲去除；纵向纤维的去除以拉伸（切入点）和弯曲（切出点）断裂为主，伴随有大量的纤维剥离；基体的去除形式有裂纹扩展、延性划痕、粉末化去除和脆性剥离。划擦力大小顺序为F_SS0 > F_WS45 > F_SS90 > F_WS0，在SS0时大量的基体被粉末化去除而消耗较多的能量，WS0时主要是横向纤维和纵向纤维的去除。与单颗磨粒实验对比，去除相同体积的材料，双磨粒的法向划擦力合力小于单颗磨粒划擦的法向划擦力合力，第1颗磨粒划擦后在表面形成的损伤导致第2颗磨粒去除相同体积材料时需要的能量降低，磨粒之间表现出较强的耦合关系，使2D SiC_f/SiC复合材料磨削力降低的同时获得更好的表面质量。

砂轮种类及冷却方式对SiC_f/SiC陶瓷基复合材料磨削质量的影响

王奔, 唐家杰, 楚闳迪, 张棋

2025, 45(2): 163-175. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0008

摘要(46)

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PDF 5333KB(10)

摘要:
SiC_f/SiC陶瓷基复合材料由于其耐高温和高比强度的特性，已成为航空发动机用先进材料之一。然而，作为一种难加工的硬脆材料，提高其加工质量和效率是当前研究的关键问题。采用电镀和烧结金刚石砂轮，在有无冷却液的条件下进行正交磨削试验，以磨削力、工件表面粗糙度和砂轮磨损程度为评价指标，探究不同砂轮种类及冷却方式对SiC_f/SiC陶瓷基复合材料磨削加工质量的影响。结果表明：采用烧结金刚石砂轮磨削加工复合材料可得到更好的表面质量和较低的磨削力，同时采用冷却液辅助磨削会降低工件表面粗糙度；由于电镀金刚石砂轮在受到较大磨削力时其金刚石磨粒更易出现成片剥落现象，其使用结果与烧结金刚石砂轮的相反，且电镀金刚石砂轮的磨损形式除磨粒损耗外还包括磨粒的烧伤、脱落等。当粗加工SiC_f/SiC陶瓷基复合材料时，应在干式磨削条件下使用电镀金刚石砂轮，并选取高转速、低进给速度及较小磨削深度的磨削参数；当精加工SiC_f/SiC陶瓷基复合材料时，应采用烧结金刚石砂轮，并采用水冷辅助方式来显著提高工件加工表面质量。

碳化硅陶瓷的磨削损伤特性

叶卉, 谢家富, 倪安杰

2025, 45(2): 176-188. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0030

摘要(552)

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PDF 4714KB(10)

摘要:
为探究碳化硅陶瓷的磨削损伤特性，通过单颗粒划擦实验和磨削实验，结合有限元仿真，明确碳化硅陶瓷塑脆性去除转变的临界应力值以及磨削参数对材料损伤的影响。单颗粒划擦实验表明，实验中使用的碳化硅陶瓷的断裂强度约为344 MPa。实验与仿真结果都表明：不同载荷下的材料微观结构作用不同，当接触应力小于材料晶界的临界断裂强度时，晶界结构起到黏性作用，消耗应力以抑制裂纹拓展；随着载荷进一步增加，虽未达到材料断裂极限，但材料表面依旧会存在由晶界、石墨相以及气孔等结构破坏而产生的裂纹和坑洞；当接触应力大于材料晶界的临界断裂强度时，其微观结构对裂纹增长起到促进作用，使得碳化硅陶瓷损伤区域进一步扩大。磨削实验表明：优化磨削工艺参数可获得最小的磨粒未变形磨屑厚度和磨削力，从而最小化材料表面损伤比例和亚表面损伤深度，分别为0.396%和4.768 μm，相较于最差参数，其损伤值仅为各自对应值的16.01%和13.22%；材料磨削损伤进程与单颗磨粒划擦损伤进程类似，依次经历塑性去除、塑脆性去除和脆性去除3个阶段，且磨削力、磨粒未变形最大磨屑厚度变化与材料损伤变化趋势相同，即随着进给速度和磨削深度的增加而增大，随着砂轮转速的提高而减小。同时，陶瓷材料的内部结构降低了材料损伤产生阈值，是导致其容易产生加工损伤的重要原因。

薄壁CFRP管端面磨削稳定性实验研究

王树龙, 田俊超, 康仁科, 董志刚, 鲍岩

2025, 45(2): 189-196. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0054

摘要(526)

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PDF 3006KB(6)

摘要:
针对阵列复合材料管加工中的磨削稳定性问题，以单个薄壁CFRP管为研究对象，结合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之间的关系，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，当切出角度为60°～90°时，磨削作用角较小，磨削稳定性较差；随着磨削速度的增大，磨削作用角逐渐增大，磨削稳定性呈增强的趋势；随着实际进给率的增大，磨削作用角无明显变化，磨削稳定性呈先减弱后几乎不变的趋势；随着磨削深度的增大，磨削作用角逐渐减小，磨削稳定性呈减弱的趋势。

基于人工神经网络的金刚石微粉化学镀镍层性能预测

方莉俐, 刘韩, 姜羽飞

2025, 45(2): 197-204. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0042

摘要(43)

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PDF 1890KB(3)

摘要:
用化学镀方法在M1/2、M6/12、M20/30金刚石微粉表面镀镍，并用人工神经网络预测金刚石颗粒粒径、次亚磷酸钠浓度、镀液温度、镀液pH值等化学镀工艺参数，对镀层沉积速率、镀层密度、镀层耐腐蚀性等镀层性能的影响。结果表明：构建的BP神经网络模型和GRNN模型，经过样本数据训练学习后适用于金刚石微粉化学镀镍层性能的预测；训练完成的BP神经网络和GRNN预测值与实际样品测量值相对误差绝对值的平均值分别为9.14%和5.07%，两者都有较好的预测效果；且在金刚石微粉化学镀镍层性能预测中，GRNN的预测性能优于BP神经网络的预测性能。

紫外纳秒激光加工CVD单晶金刚石基础研究

占化斌, 冯凯旋, 陈宇鹏, 李静, 韦佳伟, 陈建辉, 郝奇, 万昌韦, 陈妮

2025, 45(2): 205-213. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0097

摘要(45)

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PDF 3694KB(6)

摘要:
化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）单晶金刚石因具备优异的材料特性，被广泛应用于散热等领域；但由于CVD单晶金刚石的高硬度及脆性，目前多采用激光进行CVD单晶金刚石微槽结构的加工。为探究激光参数对CVD单晶金刚石微槽结构的影响，通过构建紫外纳秒激光平顶模式的线刻蚀能量模型并结合线刻蚀试验，分析激光功率及扫描速度对刻蚀CVD单晶金刚石槽宽度及深度的影响规律。结果表明：在线刻蚀试验中，激光功率由1.2 W增大至10.8 W时，线刻蚀槽的宽度基本不变，而深度由35.7 μm增大至57.2 μm；扫描速度由3 mm/s增大至29 mm/s时，线刻蚀槽的宽度由39.5 μm缩减至26.3 μm，深度由77.6 μm缩减至18.0 μm。结合线刻蚀能量模型以及线刻蚀试验，激光功率的增大会导致线刻蚀槽的宽度和深度增大，但对深度的影响要大于对宽度的影响；扫描速度的增大会导致槽的宽度和深度减小，同时导致槽锥角增大，底部出现平坦面。此外，EDS分析显示激光刻蚀后的产物中C元素含量减少，而O、N元素含量增加，说明在刻蚀过程中可能发生了金刚石向石墨的相变以及石墨的氧化反应，且在线刻蚀过程中可能出现了反应产物的溅射现象。

不同造粒工艺和粉末粒径对混合粉料中金刚石分布均匀性的影响

马争辉, 胡婷, 罗文, 方志, 罗凤

2025, 45(2): 214-223. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0191

摘要(52)

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摘要:
为研究不同造粒工艺和粉末粒径对混合粉料中金刚石分布均匀性的影响，以同一种预混合粉料为原料，分别通过圆盘造粒、冷压破碎造粒、扩散破碎造粒3种方法进行造粒，并对3种造粒工艺的粉末通过筛分方法，获得各工艺下的180～380 μm、120～180 μm及75～120 μm粒径的试样，研究不同造粒工艺和不同粉末粒径对混合粉料中250～380 μm粒径金刚石分布的影响。结果表明：圆盘造粒获得的是仿球形粉末，冷压破碎造粒获得的是不规则形状粉末且其表面可分辨出原始颗粒形貌，扩散破碎造粒获得的是不规则复杂形状粉末；在同一造粒工艺条件下，均为180～380 μm混合粉料试样中金刚石的分布均匀性最好；在同一粒径区间条件下，均为扩散破碎造粒的混合粉料试样中金刚石的分布均匀性最好。

电镀金刚石线锯用螺旋镀液流和旋转磁场装置的设计与分析

黄炜, 贺艳明, 徐金宝, 宋振亚, 黄翔, 孙昱蒙, 余锡孟

2025, 45(2): 224-235. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0266

摘要(49)

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PDF 2674KB(1)

摘要:
电镀金刚石线锯表面易存在金刚石磨粒团聚和分布密度波动大等缺陷，在探讨其成因及后果的基础上，设计螺旋镀液流和旋转磁场组合装置，制备电镀金刚石线锯。结果表明：螺旋镀液流和旋转磁场组合装置可显著减少金刚石磨粒的团聚现象，同时控制金刚石磨粒的分布密度波动范围在11颗/mm以内，使金刚石磨粒沿基线分布得更均匀。结合组合装置的基本参数，其制取电镀金刚石线锯的最佳工艺参数是螺旋叶片数为5片，螺旋角为60°，混合液流量为4.8 L/min，固持架数量为16件，永磁体交错布置角度为60°，磁场旋转速度为60 r/min，永磁体及其磁场特性代号为N38M，且在最佳参数下生产的电镀金刚石线锯适合用于硅晶片等高硬脆材料的切割。

CVT带轮球道cBN砂轮精密整形技术

秦香果, 张子英, 唐东升

2025, 45(2): 236-244. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0083

摘要(46)

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PDF 2741KB(4)

摘要:
无级变速器（CVT）具有结构简单紧凑、成本低、操纵方便等优点，是最理想的汽车变速器，而带轮、带轮轴球道的加工是CVT核心零部件加工的难点。电镀cBN砂轮具有磨削比高、磨削力小、发热少、环境友好、加工精度一致性好等优势，是球道加工理想的磨削工具。但球道的几何精度要求极高，特别是接触角允许公差极其严格，给砂轮的精密修整带来了极大难题。针对目前工程上光学引导法存在的技术难题，通过分析球道成形磨削原理、球道几何特征结构，梳理球道cBN砂轮几何精度控制原理，提出并采用比例修整法；并通过修整实验验证其可行性。经验证，该方法可使球道砂轮接触角误差稳定控制在 ± 1°以内，左右圆弧接触角偏差＜1°，具有广阔的应用前景。

用磁性微磨料射流技术光整加工交叉深孔内壁

王泽志, 王杰, 马小刚, 李帆, 范新亚, 陈燕

2025, 45(2): 245-255. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0277

摘要(43)

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PDF 4553KB(8)

摘要:
针对交叉深孔内壁常规光整加工尺寸受限、加工不均匀、质量差等问题，结合磨料射流去除函数稳定、自适应性强等特点，用磁性微磨料射流技术对交叉深孔内壁进行光整加工以提高其质量。通过动态磁场下的磁性微磨料聚焦技术，采用有限元法和离散元法耦合对不同参数下的磁性微磨料射流抛光交叉深孔内壁过程进行模拟，分析不同参数下的流场分布、侵蚀速率、壁面剪切力作用规律。通过响应面法对射流靶距、射流压强及喷嘴直径3参数进行优化，以孔口、孔内壁面及孔交叉部分所受的壁面剪切力和侵蚀速率的综合影响为响应值，建立响应面方程，获得最佳参数组合并进行试验验证。结果表明：利用响应面法得到的最佳工艺参数组合是射流靶距为7.0 mm，射流压强为1.0 MPa，喷嘴直径为1.4 mm；在此组合参数下加工的交叉深孔内部相贯处毛刺等缺陷被有效去除，其内壁面孔附近的表面粗糙度R_a从0.49 μm降至0.13 μm，且孔口处有较好的倒圆效果。

基于神经网络和遗传算法的机器人加工工艺优化

吴福森

2025, 45(2): 256-265. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0045

摘要(464)

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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机器人加工磨削力的预测和磨削工艺参数的优化。首先，采用正交试验法，分析加工工艺参数对磨削力信号的影响规律；其次，采用BP神经网络进行机器人加工磨削力预测模型训练并进行预测；最后，采用遗传算法对磨削加工工艺参数进行优化。结果表明：磨削工艺参数对3个磨削力分量和磨削合力的影响主次顺序不同，基本上都随径向切深a_e、轴向切深a_p、进给速度v_w的增加呈增长趋势，随主轴转速n的增加呈下降趋势；基于BP神经网络建立的预测模型具有较好的预测精度和稳定性，符合预测要求；同时，采用遗传算法得到的优化磨削工艺参数组合是a_e = 2.28 mm，a_p = 2.98 mm，n = 9 586.65 r/min，v_w = 2 207.67 mm/min，此时的材料去除率预测值R_MRRP = 14 999.79 mm³/min，材料去除率试验值R_MRRT = 14 194.44 mm³/min，试验值相对预测值的相对误差为−5.37%。

EA4T车轴机器人磨抛工艺优化与轨迹规划研究

张峰, 冯中立, 徐锋, 张德明, 曾祥瑞, 马建伟, 张石磊

2025, 45(2): 266-273. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0187

摘要(47)

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摘要:
为突破动车组EA4T车轴人工磨抛时作业强度大、加工质量不稳定等困境，采用工业机器人智能磨抛系统研究EA4T钢试件的磨抛工艺，并提出EA4T车轴机器人磨抛轨迹离线编程方法。首先对EA4T钢试件进行机器人磨抛正交试验；然后采用熵值法对试验结果进行多目标工艺优化，得出最优磨抛工艺参数组合；最后采用离线编程方法规划EA4T车轴轴肩部位的磨抛轨迹，并将生成的加工程序导入机器人示教器进行磨抛轨迹试验验证。研究表明，优化后的磨抛工艺参数组合为磨头目数400#（筛网孔径为0.038 mm）、磨抛力15 N、进给速度50 mm/s、主轴转速750 r/min。采用该参数组合磨抛后，EA4T钢试件的表面粗糙度R_a为0.338 μm、材料去除深度h为1.67 μm，均符合指标要求。采用最优磨抛工艺参数配合机器人磨抛轨迹规划方法，能够快速精准完成EA4T车轴轴肩部位的磨抛作业，具有一定的工程应用价值。

2024CIRP年会G组磨粒加工方向报告速览

郭江, 孙荣砚, 张自力

2025, 45(2): 274-284. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.1020

摘要(42)

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摘要:
为促进国际磨料磨具领域前沿技术交流，特选2024年CIRP Annals - Manufacturing Technology期刊中G组（磨粒加工）论文进行介绍。该专题共有9篇论文发表，按投稿先后顺序分别编号为G1～G9。论文研究主题包含磨削模型（G1/G2）、磨削加工性（G3/G4）、抛光工具（G5）、内表面抛光（G6）、化学机械抛光（G7）、抛光边缘效应（G8）以及电化学机械抛光（G9）等。本文依序对各论文的主要创新点及结论分别进行总结和介绍，供相关领域学者学习交流。