金刚石与磨料磨具工程

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砂带磨削技术的研究现状和发展方向简介

黄云

2020, 40(3): 1-4.

摘要(445)

PDF 780KB(111)

摘要:

钢轨砂带打磨残余应力的试验与仿真研究

王文玺, 李建勇, 吴源, 樊文刚

2020, 40(3): 5-12. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0001

摘要(326)

PDF 2149KB(15)

摘要:
为直观了解钢轨砂带打磨后钢轨表面的残余应力状态，在磨削试验台上开展磨削工艺参数对残余应力影响的试验研究，采用便携式残余应力仪测量磨后轨面中线轨向残余应力。结果表明：打磨后轨面在磨削方向产生了拉伸残余应力，大小在100～300 MPa；而径向残余应力则主要以压应力形式存在，大小在0～-250 MPa。为研究残余应力形成过程中影响因素的作用机理，进行基于热力耦合的单磨粒划擦三维有限元仿真分析，揭示摩擦系数、切入深度和切削速度对钢轨表层残余应力分布的影响规律并分析其机理成因。最后，根据试验和仿真结果建议打磨列车的末端打磨单元采用开式打磨，砂带要求磨粒粒度小、自锐性强，磨削工艺优选低压、低速，并增设水介质冷却与润滑。

考虑单磨粒作用的砂带磨削机理模型

齐俊德, 陈冰

2020, 40(3): 13-20. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0002

摘要(434)

PDF 1407KB(31)

摘要:
针对磨削过程中材料的定量去除问题，从微观单磨粒角度出发，综合运用弹塑性变形、赫兹接触以及概率统计等理论及方法，构建砂带磨削的材料去除机理模型。首先，分析磨削过程中单个磨粒在工件不同变形阶段的材料去除机理，并根据试验计算结果对该磨削过程进行简化，给出单磨粒受力计算方法；在此基础上，基于磨粒数目与出刃高度分布函数，运用概率统计理论建立微观磨粒与宏观磨削压力平衡方程，求解磨粒切入深度分布函数；再结合单磨粒材料去除体积，用积分运算构建总体材料去除模型；最后通过机器人磨削平台进行TC4合金曲面磨削试验得到材料最大去除深度。结果表明：材料最大去除深度随磨削压力和砂带线速度增大而增大，随砂带进给速度增大而减小；且理论模型的理论预测值与试验值比较，其最大相对误差为17.66%，平均相对误差为10.55%，验证了模型的有效性。

螺旋桨金刚石砂带磨削试验研究

张炳昌, 李忠

2020, 40(3): 21-24. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0003

摘要(359)

PDF 1126KB(8)

摘要:
以船用螺旋桨为研究对象，提出一种利用电镀金刚石砂带磨削螺旋桨的方法，并试验分析影响螺旋桨表面粗糙度的各个工艺因素。通过单因素试验研究磨削压力、砂带线速度和磨削进给速度对表面粗糙度的影响，并得到工艺参数的最优水平组合：磨削压力15 N，砂带线速度30 m/s，磨削进给速度20 mm/s；锆刚玉砂带与金刚石砂带在相同工艺参数下对螺旋桨表面粗糙度的影响规律基本一致，但金刚石砂带具有更长的寿命，增幅为125%。

航空发动机整体叶盘数控砂带磨削变形行为及其试验研究

刘秀梅, 肖贵坚, 刘智武, 雷海峰, 吴晓锋, 周峰, 韩靖宇, 杨小叁, 宋康康

2020, 40(3): 25-32. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0004

摘要(412)

PDF 1844KB(15)

摘要:
针对航空发动机整体叶盘结构复杂，铣削后表面纹理明显，粗糙度和型线精度无法达到设计要求，手工抛光后叶盘表面质量和型面精度难以满足工艺要求的现状，开展整体叶盘数控砂带磨削变形行为及其试验研究。分析整体叶盘数控砂带磨削全型面磨削过程，阐述整体叶盘数控砂带磨削的变形机理，提出一种新型开式数控砂带磨削方法。进行基于ANSYS的磨削变形仿真分析，提出带有压力反馈的磨削压力控制系统方案，实现磨削变形的控制。用磨削试验装置进行整体叶盘精密数控砂带磨削试验，结果表明：整体叶盘数控砂带磨削后，表面粗糙度小于0.4 μm，型线精度高于0.05 mm，能够很好地适应叶片变形，实现数控砂带磨削替代手工抛光，提高磨削效率，满足设计要求。

基于ANSYS模拟的基体表面温度场对纳米金刚石膜沉积的影响

邓福铭, 王双, 郭振海, 郝岑, 赵鑫, 解亚娟, 许晨阳

2020, 40(3): 33-39. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0005

摘要(319)

PDF 2651KB(13)

摘要:
为得到高质量的纳米金刚石膜，采用ANSYS软件对基体表面的温度场进行仿真，分别模拟不同热丝数量、不同热丝间距以及不同热丝/基体间距对基体表面温度场的影响并通过试验进一步验证。结果表明：热丝数量与热丝间距对基体表面温度场影响不大，实际应用中取适当值即可。当热丝/基体间距低于5 mm时，基体表面的温度场不均匀、呈波状起伏；当热丝/基体间距大于5 mm时，基体表面的平均温度随热丝/基体间距增大而下降，基体表面的温度场波状起伏现象消失，温度场分布趋于均匀。当热丝/基体间距为7 mm时，基体表面的温度场最均匀，所沉积的纳米金刚石膜纯度最高、内应力最小、质量最优。

基于刀具底部散热方式的HFCVD法沉积金刚石涂层刀具温度场的仿真优化

潜艺筝, 张韬, 汪舒, 陈大奎, 黄国栋

2020, 40(3): 40-45. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0006

摘要(457)

PDF 1188KB(11)

摘要:
用热丝化学气相沉积法(hot filament chemical vapor deposition，HFCVD)制备金刚石涂层刀具时，衬底温度对金刚石涂层分布的均匀性有重要影响。利用仿真软件ANSYS中的FLUENT模块，对GAMBIT中建立的三维HFCVD批量刀具反应模型进行分析，并运用耦合热传导、热对流、热辐射等3大传热方式对该模型衬底温度分布情况进行仿真预测，对影响涂层分布均匀性的刀具底部支撑台材料散热方式进行分析、优化。仿真结果显示：相较于传统的铜质支撑台和石墨支撑台，热导率小的陶瓷材料支撑台的刀体平均温差最小，为37.82 ℃，比采用铜材料为支撑台时的刀体平均温差降低了45 ℃，更有利于制备膜厚、质量均匀的CVD金刚石涂层刀具。

选区激光熔化制备金刚石/铝复合材料的缺陷研究

苏振华, 刘刚, 代兵, 曹康丽, 朱嘉琦

2020, 40(3): 46-51. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0007

摘要(547)

PDF 1343KB(27)

摘要:
利用选区激光熔化(selective loser melting, SLM)技术成功制备金刚石增强铝基复合材料。通过对成型之后的断口、金刚石颗粒以及成型过程中飞溅残渣的分析，发现复合材料的主要缺陷为金刚石在激光照射条件下的热损伤以及在成型过程中形成的大量孔洞。分析表明：金刚石的热损伤主要是由激光直接作用在金刚石上导致的石墨化，金刚石表层的TiC镀层也无法避免其损伤；金刚石间的内部孔洞主要是因为在极短的熔化成型过程中金刚石和基体润湿性较差，相互难以融合而形成的大量孔洞。

Cu-Sn-Ti钎料与陶瓷结合剂体积比对金刚石节块微观结构和力学性能的影响

赵鹏程, 闫薪霖, 肖冰, 孟祥龙, 柳炳恒

2020, 40(3): 52-56. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0008

摘要(558)

PDF 1154KB(18)

摘要:
为提高陶瓷结合剂对金刚石磨料的把持力，将Cu-Sn-Ti钎料添加到SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃-Li₂O陶瓷结合剂中制得新型陶瓷-金属结合剂金刚石节块。表征其显微形貌、收缩率、物相组成和力学性能，以确定烧结温度；通过SEM、XRD分析，研究陶瓷结合剂与Cu-Sn-Ti钎料的体积比变化对金刚石节块性能的影响。结果表明：金属陶瓷结合剂与金刚石之间生成了TiC，有助于提高结合剂对金刚石的把持力，从而提高节块的抗弯强度；当烧结温度为950 ℃，陶瓷结合剂与Cu-Sn-Ti钎料体积比为1∶1时，两者形成致密的玻璃网络，节块收缩率为3%，抗弯强度达到最大值64.4 MPa。

基于最小二乘支持向量回归的划片刀刃长控制优化

崔庆安, 段焕姣, 张迪, 乔帅, 董峰

2020, 40(3): 57-61. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0009

摘要(331)

PDF 880KB(15)

摘要:
划片刀的刀刃长度影响划片刀的使用性能，而刀刃出露是控制刀刃长度的关键工序。在连续生产中一次腐蚀多片，刀刃长度存在波动。针对此问题，以子组划片刀刃长极差为响应，以溶液温度、溶液浓度、工件旋转速度为影响因子，选择正交试验设计方式获取试验点并得到样本集，再用最小二乘支持向量回归法建立模型，最后用粒子群算法对所建模型进行寻优，获得优化后的工艺参数。试验表明：该方法对降低划片刀生产中刃长波动性有显著效果，试验结果与建模寻优结果的划片刀刃长极差仅相差2.1 μm。

预合金粉含量对铁基胎体微观组织及性能的影响

孙为云, 康杰, 丁紫阳, 李连荣, 焦璨, 刘胜新

2020, 40(3): 62-66. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0010

摘要(297)

PDF 1540KB(21)

摘要:
研究添加2%、6%、10%和14%质量分数的CuZnSn预合金粉，对金刚石陶瓷磨边轮铁基胎体热压烧结组织、物相组成及力学性能的影响。结果表明：不添加预合金粉烧结的铁基胎体主要包括灰白色、浅灰色和深灰色3种组织，存在的物相主要为γ-Fe、(Cu, Sn)和(γ-Fe, Ni)固溶体以及Fe₄Cu₃、Cu₄₁Sn₁₁、Ni₄Sn等金属间化合物；加入预合金粉后，烧结工艺相同时，胎体中灰白色组织面积明显减少，浅灰色组织面积增加，深灰色组织面积变化不明显，除上述物相外，还出现了Cu_0.61Zn_0.39和CuZn₂物相。随着CuZnSn预合金粉含量增加，铁基胎体的致密度、硬度、抗弯强度均呈先增大后减小的趋势，而磨损量则呈先减少后增加的趋势；在CuZnSn添加质量分数为6%时，分别达到最大值99.8%、104.4 HRB、947.2 MPa和最小值0.272 5 g。添加适量CuZnSn预合金粉可以增加铁基胎体的液相量，改善粉体流动性，提高胎体性能，添加过量则会降低其综合性能。

适合强研磨性硬地层的新型混合钻头设计及现场应用

于金平, 邹德永, 刘笑傲

2020, 40(3): 67-71. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0011

摘要(349)

PDF 1125KB(25)

摘要:
为提高金刚石复合片(polycrystalline diamond compact，PDC)钻头在强研磨性硬地层中的破岩效率和使用寿命，设计2只由PDC切削齿和金刚石孕镶块组合作为切削单元的PDC-金刚石孕镶块新型混合钻头，并在冀中某断层区块石英岩地层进行现场试验。试验结果表明：与同井段使用过的牙轮钻头的平均值相比，1^#PDC-金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速提高52.30%，平均钻头进尺提高97.30%；与牙轮钻头的平均值和M1375D PDC钻头相比，2^#PDC-金刚石孕镶块混合钻头的平均机械钻速分别提高30.85%和 32.30%，平均钻头进尺分别提高70.50%和 47.40%。PDC-金刚石孕镶块混合钻头极大地提高了强研磨性硬地层中的钻进效率，降低了钻井成本。

钎焊磨头修整量化及磨削性能研究

孙亮, 陈燕, 梁宇红, 何一, 郭南

2020, 40(3): 72-79. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0012

摘要(318)

PDF 1664KB(10)

摘要:
基于有效磨粒数的概念和表面粗糙度的计算方法，分别提出有效修整率N_r和修整离散度H等2种表征指标来评价磨粒表面形貌变化特征。分析磨头修整过程中N_r和H的变化规律，并与修整后磨削碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)的表面粗糙度以及磨削力建立联系。试验结果表明：N_r可以有效表征磨头磨粒的修整状态，反映磨头的钝化程度；H可以有效表征磨头磨粒的等高性，可以通过H预测CFRP表面的加工质量。当H处在18～25 μm时，磨头具有最好的工件磨削表面质量，并且在这阶段磨头磨削力增长幅度较小，磨头磨削能力较好。

条形槽微织构对PCBN刀具切削性能的影响

朱楠

2020, 40(3): 80-85. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0013

摘要(437)

PDF 1544KB(16)

摘要:
微织构作为刀具结构设计的新方法，对刀具的性能产生一定的影响。在刀具前刀面设计制备条槽型微织构，结合有限元仿真技术，从理论上分析条形槽微织构对切削力和已加工表面质量的影响，再设计切削试验，对有限元仿真结果进行实际验证。结果表明：有限元仿真和切削试验结果基本一致；与无织构刀具相比，条形槽微织构能够减小切削力且对主切削力的影响最显著，对进给力的影响较弱；条形槽微织构使工件表面应力、塑性应变和粗糙度均小于无织构刀具的，提高了工件已加工表面质量，其表面粗糙度仅为1.54 μm。

磨粒尺寸和基体硬度对固结磨料抛光YAG晶体的影响

明舜, 李军, 张羽驰, 邱阳, 朱永伟, 左敦稳

2020, 40(3): 86-90. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0014

摘要(523)

PDF 1150KB(16)

摘要:
钇铝石榴石(YAG)是一种应用广泛的硬脆难加工材料，其抛光过程工艺复杂、效率低。固结磨料抛光技术具有平坦化能力优、对工件形貌选择性高、磨料利用率高等优点。试验采用固结磨料抛光YAG晶体，研究固结磨料垫的基体硬度和金刚石磨粒尺寸对YAG晶体的材料去除率和表面质量的影响。结果表明：当基体硬度适中为Ⅱ、金刚石磨粒尺寸3～5 μm时，固结磨料抛光YAG晶体效果最优，其材料去除率为255 nm/min，表面粗糙度S_a值为1.79 nm。

大口径非球面镜交叉磨削中波纹度产生机理的研究

席建普, 刘同士, 李亚东, 李彬, 赵则祥

2020, 40(3): 91-97. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.3.0015

摘要(290)

PDF 1560KB(10)

摘要:
基于大口径非球面镜交叉磨削加工方式，分析主轴偏心振动幅值和磨削工艺参数对其表面波纹度的影响，建立磨削表面波纹度形成机理三维模型。通过仿真试验分析磨削表面三维波纹度与加工工艺参数的关系，提出特定主轴最佳磨削工艺参数匹配方案。磨削试验结果表明：建立的三维表面波纹度模型与磨削工艺参数关系合理，最优的磨削工艺参数匹配方案为砂轮转速1 600～1 800 r/min，X轴进给速度1～3 mm/r，工件旋转速度20 r/min。