金刚石与磨料磨具工程

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硬质合金刀片复杂刃口的柔性纤维辅助力流变钝化抛光试验研究

邵蓝樱, 柯明峰, 王佳焕, 吕冰海, 王旭, 袁巨龙

2022, 42(1): 1-9. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0094

摘要(996)

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PDF 3892KB(91)

摘要:

为实现硬质合金刀片复杂形状刃口的一致性钝化，提升刀片使用性能和寿命，采用柔性纤维辅助力流变抛光方法，利用非牛顿流体在剪切应力作用下的流变特性和柔性纤维的控流作用，对硬质合金刀片复杂形状刃口进行抛光。以刃口钝圆半径偏离值K为评价指标，用田口法分析抛光转速、纤维密度、纤维与刀片接触长度等工艺参数对刃口钝圆半径及其一致性的影响，并采用方差分析法评估各因素的权重，综合抛光参数对不同位置切削刃的影响，得到的最优工艺参数组合为纤维密度为200～250 根/cm²，接触长度为4 mm，抛光转速为55 r/min。在最优工艺参数组合下抛光10 min，7个切削刃的钝圆半径均能达到(50.0±5.0) μm的钝化要求，且其切削刃表面粗糙度R_a从(118.00 ± 10.00) nm降至(9.35 ± 0.75) nm，刃口完整无缺陷。

半球谐振子曲面加工干涉分析及其超精密磨削工艺

刘赫男, 秦彪, 王廷章, 田金川, 陈明君

2022, 42(1): 10-17. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0099

摘要(1107)

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PDF 4285KB(172)

摘要:
半球谐振子作为半球谐振陀螺的核心部件，其加工精度和表面质量直接影响半球谐振陀螺的工作精度和使用寿命。为解决半球谐振子加工难题，提高半球谐振陀螺的性能，从半球谐振子的结构特征出发，对谐振子加工过程中的干涉进行理论分析；再根据球头砂轮磨削区域分布的特点进行磨削轨迹规划，确定谐振子不同磨削阶段球头砂轮的最佳转角；最后在自研的半球谐振子超精密磨削机床上进行加工实验。超精密磨削后的谐振子表面粗糙度（Ra值）由0.6158 μm提升至0.0402 μm，面形精度（PV值）由4.5904 μm提升至0.3390 μm；经磁流变抛光后谐振子表面粗糙度（Ra值）进一步提高至0.0032 μm。研究表明：采用轨迹规划后的磨削工艺可避免砂轮与工件间的干涉，并加工出高质量的半球谐振子零件。

光学非球面超精密切削的在位测量及补偿加工

张亮, 郭曦鹏, 王定文, 徐闻, 刘坚, 黄帅, 尹韶辉

2022, 42(1): 18-22. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0106

摘要(628)

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PDF 3351KB(53)

摘要:
开发一种采用接触式测头与电容式位移传感器相结合的在位测量装置及非球面测量与补偿加工软件，进行C3604黄铜球面及非球面的单点金刚石超精密切削加工，并开展在位测量及补偿加工试验。补偿加工后，经在位测量系统测量，球面面形精度PV达到231.4 nm，非球面面形精度PV达到206.3 nm；与离线测量结果比对，结果分别相差3.0 nm和7.0 nm，验证了在位测量系统测量的精确性和补偿加工的有效性。

整体叶盘机器人砂带磨削轨迹优化及其实验

李飞, 陈树林, 崔庞博, 吴昕, 肖贵坚

2022, 42(1): 23-29. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0101

摘要(764)

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PDF 3346KB(54)

摘要:
整体叶盘具有结构复杂、材料难加工的特点，其加工精度和表面质量对航空发动机整体性能有至关重要的影响。当前，机器人砂带磨削技术已应用于整体叶盘类复杂曲面的磨削加工。然而，在磨削轨迹规划时多采用目标点均布的方式，这就要求目标点必须足够多，从而导致加工效率过低。基于改进的等弦高误差法对整体叶盘机器人砂带磨削的磨削轨迹进行优化分析，并开展相关仿真与实验验证。结果表明：改进的等弦高误差法可根据曲率变化优化磨削轨迹，减少目标加工点数量，从而提高加工效率。经实验验证，与轨迹优化前相比，优化后整体叶盘的加工效率提高了42.9%；优化后的表面粗糙度R_a可达0.26 μm，且叶片一致性较好，尤其是在曲率变化较大的位置。

高熵氧化物的研究进展与展望

张扬, 邹芹, 李艳国, 李园园, 徐江波, 王明智

2022, 42(1): 30-41. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0091

摘要(2101)

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PDF 3870KB(590)

摘要:
高熵氧化物是由5种或5种以上等摩尔比的氧化物合成出的单相结构稳定固溶体,其具有优异的热学、磁学、电学及抗腐蚀性能等。目前的研究主要集中在对高熵氧化物现有性能的深度发掘和拓展，以及基于其优异性能在锂离子电池电极材料、介电材料、磁性材料和催化材料等方面的应用上。综述高熵氧化物的分类、制备方法以及性能特点，并对高熵氧化物的发展方向进行分析和展望。

旋转电弧加热在环状工件内壁沉积金刚石涂层

李国华, 崔玉明, 董旺, 姜龙

2022, 42(1): 42-46. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0103

摘要(403)

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PDF 2966KB(16)

摘要:
为实现在大口径环状工件内壁沉积金刚石涂层，研制一种能够产生旋转电弧的分体式等离子炬。利用活动阳极形成的伞状电弧帽，改变平行于轴且向下吹的工作气体旋转电离的方向，使其垂直吹向环状工件内壁。测试不同阳极直径下电弧的工作参数，并用相机拍摄相应的电弧形貌。进行金刚石涂层沉积试验，在内径为180 mm的硬质合金拉拔模具和内径为100 mm的石墨内表面沉积出高质量的金刚石涂层。利用拉曼光谱仪和扫描电镜对涂层的成分、表面形貌等进行测试分析。已沉积金刚石涂层的硬质合金模具成功应用于超高压电缆铝护套的拉拔设备中。

金刚石表面的热爆反应合成涂层

孙长红, 梁宝岩, 张旺玺

2022, 42(1): 47-55. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0098

摘要(534)

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PDF 4124KB(27)

摘要:
以M(Mn或Cr)/Al/B/Diamond粉体为原料，通过热爆反应技术在金刚石表面生成多元复合涂层，并用X射线衍射仪、扫描电镜结合能谱仪研究2种原料体系及不同Al含量对陶瓷基体和涂层的物相组成和显微形貌的影响。结果表明：在N₂的保护和引爆下，Cr/Al/B/Diamond粉体的热爆反应在金刚石表面形成CrB-AlN基多元复合涂层及Cr₅Al₈和Cr₂AlB₂等副产物；在Ar保护下，Mn/Al/B/Diamond粉体的热爆反应在金刚石表面形成Mn₂AlB₂基复合涂层。2种涂层对金刚石的包裹良好。2种热爆反应由于放热量较小，反应产物难以烧结成块体。制备出的疏松多孔块体易于粉碎和分离，从而可将陶瓷基体与金刚石颗粒分离。

真空微蒸发镀铬金刚石的制备与性能表征

张向红, 王艳辉, 臧建兵, 张金辉

2022, 42(1): 56-60. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0100

摘要(648)

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PDF 2919KB(61)

摘要:
采用真空微蒸发镀覆工艺制备不同镀层厚度的镀铬金刚石，对铬镀层的物相组成和镀层厚度进行分析和表征。结果表明：改变镀覆温度和保温时间，可控制镀铬金刚石的镀层厚度。镀层的物相组成可通过镀覆质量增加来控制：质量增加10%的铬镀金刚石，其镀层只出现Cr₃C₂相；质量增加为20%时，有少量Cr₇C₃出现。从金刚石基体到铬镀层，镀层结构由低Cr比例的碳化物向高Cr比例的碳化物逐渐过渡，即为Cr₃C₂/Cr₇C₃；在金刚石尺寸确定的情况下，使用理论分析镀层厚度与镀覆质量增加的关系，如质量增加10%和65%的金刚石对应的铬镀层厚度分别为0.77 μm和4.76 μm，此结果与试验观察相吻合。

CVD金刚石膜激光平整化效率和粗糙度

李世谕, 安康, 邵思武, 黄亚博, 张建军, 郑宇亭, 陈良贤, 魏俊俊, 刘金龙, 李成明

2022, 42(1): 61-68. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0104

摘要(701)

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PDF 3560KB(76)

摘要:
对化学气相沉积(CVD)多晶金刚石膜进行激光平整化的正交试验，使用场发射环境扫描电子显微镜(SEM)进行形貌分析，激光共聚焦扫描显微镜测量线粗糙度R_a、面粗糙度S_a和切缝锥度，分析激光参数对CVD膜平整化的影响。结果表明：影响切缝锥度的因素依次为脉冲宽度、脉冲频率、进给速度和激光电流，影响线粗糙度R_a的因素依次为进给速度、激光电流、脉冲频率、脉冲宽度。正交试验优化后，当激光电流为64 A、脉冲宽度为400 μs、脉冲频率为275 Hz、进给速度为100 mm/min时，可获得最佳的切槽表面形貌。采用该优化参数进行面扫描，测得面粗糙度S_a为11.7 μm；进一步增加入射角度至75°时，面粗糙度S_a降低至1.9 μm，实际去除效率达到1.1 mm³/min。

多孔CBN/Cu-Sn-Zn堆积磨料在钢轨打磨砂轮中的应用

姚煜, 刘鹏展, 邹文俊, 彭进, 简亚溜, 韩平

2022, 42(1): 69-75. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0105

摘要(496)

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PDF 3486KB(47)

摘要:
为提高钢轨打磨砂轮的磨削效率和使用寿命，制备一种表面多孔但内部紧实的CBN/Cu-Sn-Zn堆积磨料。讨论Cu-Sn-Zn结合剂的性能、孔隙结构对CBN堆积磨料的影响以及堆积磨料对砂轮结构强度的影响，并通过钢轨被动打磨试验，对堆积磨料添加前后砂轮的磨削效果进行评价。试验结果表明：最佳的多孔CBN堆积磨料试样弯曲强度为78.5 MPa，抗冲击强度为5.5 kJ/m²，表面孔隙率在30%～40%。磨料的复合使用可以有效地结合CBN高硬度与锆刚玉良好的冲击韧性的特点，添加体积分数为20%的堆积磨料提高钢轨打磨砂轮的打磨效率及打磨质量。

聚晶金刚石复合片界面微观结构对性能的影响

赵东鹏, 耿菖健, 方海江

2022, 42(1): 76-80. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0110

摘要(595)

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PDF 3781KB(77)

摘要:
以硬质合金基体及优选的主晶为25 μm的金刚石颗粒为原料，在2种工艺下用国产铰链式六面顶压机高温高压制备聚晶金刚石复合片（PDC），研究PDC界面处微观结构对其性能的影响。结果表明：工艺1制备的PDC界面处存在类树枝状枝晶金属池，其是硬质合金中的金属元素向聚晶金刚石层方向迁移形成的，主要元素为C、W、Co；而工艺2制备的PDC中不存在此类现象。工艺1制备的PDC的耐热温度为870 ℃，抗冲击等级为32，磨口面积为5.860 mm²；工艺2制备的PDC的耐热温度为920 ℃，抗冲击等级为45，磨口面积为5.166 mm²。工艺2制备的PDC相对于工艺1制备的PDC，其耐热温度、抗冲击性能和耐磨性能分别提高50 ℃、40.6%和11.8%。

超声辅助螺旋磨削SiC_f/SiC陶瓷基复合材料

张海涛, 鲍岩, 杨峰, 孙海琦, 董志刚, 康仁科

2022, 42(1): 81-87. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0107

摘要(585)

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PDF 3338KB(74)

摘要:
针对SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)存在加工质量差、材料去除困难等问题，开展金刚石砂轮超声辅助螺旋磨削SiC_f/SiC陶瓷基复合材料试验，研究其出口质量、孔壁形貌及孔壁表面粗糙度。结果表明：与传统制孔相比，超声辅助螺旋磨削制孔出口处材料无大面积崩边;砂轮磨削速度方向与纤维方向的夹角θ的周期性变化导致孔壁表面形貌呈现规律性变化。当θ在0°/180°时，纤维与基体多发生脱黏现象；当θ在45°时，纤维多发生剪切断裂；当θ在90°时，纤维多发生挤压断裂；当θ在135°时，纤维既发生剪切断裂又发生挤压断裂；孔壁表面粗糙度S_a在θ为90°时最低，在θ为135°时最高。在一定范围内，表面粗糙度S_a随着超声振幅的增大而降低，最大降幅为38.7%；随着进给速度的增大而升高，最大增幅为39.3%。

超声振动辅助磨削弧区的单颗磨粒切厚特征

张坤, 殷振, 戴晨伟, 苗情, 程祺辉

2022, 42(1): 88-96. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0109

摘要(572)

HTML (214)

PDF 3777KB(48)

摘要:
为准确描述超声振动下的单颗磨粒切厚特征，实测多层金属结合剂金刚石砂轮表面的相邻2颗磨粒的周向间距以及磨粒出刃高度；依据超声振动辅助磨削的磨粒运动轨迹方程及相邻磨粒运动轨迹干涉理论，采用等分线法，利用MATLAB软件求解磨粒在完整接触弧区的单颗磨粒切厚值，并分析各主要参数对单颗磨粒切厚特征的影响。结果表明：相邻磨粒间距、相邻磨粒高度差对单颗磨粒切厚的影响均呈线性变化；单颗磨粒切厚随超声振幅的增大而线性增大，且随超声振动频率的增大而阶段性变化；超声振动辅助磨削的单颗磨粒切厚特征受砂轮转速、磨削深度的影响较大，受工件进给速度的影响相对较小。

TiBw网状增强钛基复合材料旋转超声磨削的磨削力模型

董国军, 王磊, 高胜东

2022, 42(1): 97-103. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0092

摘要(563)

HTML (214)

PDF 5444KB(38)

摘要:
针对TiBw网状增强钛基复合材料加工时表面质量差、加工过程不平稳等问题，开展其旋转超声磨削的法向磨削力研究。分析旋转超声磨削中的磨粒运动规律，建立旋转超声磨削TiBw网状增强钛基复合材料的法向磨削力模型，并通过单因素磨削试验对模型进行验证。结果表明：在一定的主轴转速、进给速度、磨削深度及固定磨削宽度条件下，法向磨削力随主轴转速的增加而减小，随进给速度、磨削深度的增加而增大，且其磨削试验值与模型计算值的相对误差绝对值均在6%以内。模型很好地预测了TiBw网状增强钛基复合材料磨削时的法向磨削力，验证了预测模型的有效性。

基于BP神经网络的外圆磨削颤振在线识别和监测方法

朱欢欢, 李厚佳, 张梦梦, 谭绍东, 迟玉伦

2022, 42(1): 104-111. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0097

摘要(840)

HTML (214)

PDF 3486KB(35)

摘要:
为提高机床磨削加工过程中对颤振现象识别的能力，提出一种基于BP(back propagation)神经网络模型的颤振识别方法。通过对加工过程中传感器采集到的高频声发射信号以及振动信号相关特征值的提取，获得关于颤振的多特征参数样本库，并用其对BP神经网络模型进行学习和训练，建立BP神经网络在线识别颤振的算法模型，实现对机床加工过程中是否发生颤振的在线监测和识别。试验结果表明：这种基于BP神经网络模型的颤振识别测试结果与磨削加工试验中的磨削颤振现象结果相符合。该方法能够有效地识别磨削加工过程中的颤振，并起到在线监测识别的作用。

基于切削技术的金刚石刀具磨损特征分析

史燕

2022, 42(1): 112-118. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0093

摘要(689)

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PDF 3075KB(67)

摘要:
金刚石刀具的磨损情况决定其使用寿命。用金刚石PCD刀具切削6061-T6镁铝合金工件，通过不同切削速度、切削深度、振动频率、刀具后角时的切削力及切削温度变化，研究不同刀具前后角、进给量、切削转速时的工件表面粗糙度及刀具磨损面积。结果表明：金刚石刀具的切削力和切削温度随切削速度、切削深度的增加而增大，随振动频率的增加而减小；刀具后角增大，金刚石刀具的切削力呈先下降而后缓缓上升趋势，但对切削温度的影响很小。当刀具前角为10°，刀具后角为8°，切削速度为0.46 m/s，切削深度为28 μm，进给量为0.10 mm/r，切削转速为4100 r/min，振动频率为22 kHz，切削振幅为9 μm时，金刚石刀具的磨损面积最小，磨损程度最低，使用寿命最长，但工件的表面粗糙度稍高。

超薄切割片的加工变形研究现状

邹芹, 张呈祥, 李艳国, 黎克楠

2022, 42(1): 119-128. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0102

摘要(1070)

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PDF 3037KB(132)

摘要:
超薄切割片在工作中极易出现径向加工变形。从应力和变形的理论分析、有限元模拟分析和试验研究等方面，对超薄切割片的加工变形研究现状进行总结。此外，分析研究中存在的问题，介绍具有相似结构的砂轮和圆锯片的相关研究成果。结果发现：切割片转速对超薄切割片变形影响的研究比较系统，但磨削深度和进给速度对其影响的相关研究还有一定的差距。同时，切入工件时测量方法的缺失也限制了研究的深入。因此，需要不断完善理论公式并充分应用有限元模拟，持续推进相关研究，优化和补偿超薄切割片的变形，提高工件的加工精度。

单晶SiC基片的磁流变化学复合抛光

梁华卓, 付有志, 何俊峰, 徐兰英, 阎秋生

2022, 42(1): 129-135. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0108

摘要(810)

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PDF 5218KB(72)

摘要:
基于芬顿反应的磁流变化学复合抛光加工原理，对单晶SiC基片进行磁流变化学复合抛光试验，研究工艺参数对其抛光效果的影响。结果表明：随着金刚石磨粒粒径的增大，材料去除率先增大后减小，而表面粗糙度先减小后增大；随着磨粒质量分数的增大，材料去除率增大，而表面粗糙度先减小后增大；当羰基铁粉质量分数增大时，材料去除率增大，而表面粗糙度呈先减小后增大的趋势；随着氧化剂质量分数增大，材料去除率先增大后减小，而表面粗糙度呈现先减小后增大的趋势；加工间隙对材料去除率的影响较大，加工间隙为1.0 mm时，加工表面质量较好；随着工件转速和抛光盘转速增大，材料去除率均先增大后减小，表面粗糙度均先减小后增大。获得的优化的工艺参数为：磨粒粒径，1.0 μm；磨粒质量分数，5%；羰基铁粉质量分数，25%；过氧化氢质量分数，5%；加工间隙，1.0 mm；工件转速，500 r/min；抛光盘转速，20 r/min。采用优化的工艺参数对表面粗糙度约为40.00 nm的单晶SiC进行加工，获得表面粗糙度为0.10 nm以下的光滑表面。