金刚石与磨料磨具工程

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王奔, 龙志凯, 郑英晓, 宋万万, 张秀云

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0058

摘要(66)

摘要:
随着制造业的飞速发展，加工中对刀具性能的要求越来越高，而刃口钝化技术是改善刀具性能的关键。本研究提出了一种新型刀具钝化方法，即淀粉基磨粒流钝化法，为刀具刃口钝化提供了一种新的手段。试验采用单因素试验法，通过立式旋转钝化法和淀粉基磨粒流钝化法钝化硬质合金立铣刀进行试验对比分析。试验结果表明：未钝化的刀具刃口半径值最小，且存在很多缺陷，刃型呈尖锐型；立式旋转钝化法得到的刃口半径值变化较小，但刀具刃口缺陷仍然存在，刃型呈现不均匀的钝圆型；淀粉基磨粒流钝化法处理后的刃口半径值变化最大，去除了部分刃口缺陷，刃型呈现出均匀的钝圆型。因此，淀粉基磨粒流钝化法不仅可以更好地去除刀具刃口的表面缺陷，同时有着更高的钝化效率以及刃口半径变化率。考虑刀具生产需要，选择淀粉基磨粒流钝化法可以显著提高刀具性能，降低刀具磨损并改善加工质量。

碳化硅陶瓷飞秒激光加工表面物化特性及去除机理研究

徐东区, 王成勇

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0088

摘要(43)

摘要:
硬脆材料超快激光加工可有效抑制加工损伤，获得加工质量和效率的平衡。本文采用飞秒激光，在不同能量密度和脉冲数下对碳化硅陶瓷进行加工，探究激光参数对表面形貌特征、化学组分和微孔质量的影响，分析了表面微观结构的演变规律和材料去除过程。结果表明，单脉冲加工碳化硅陶瓷表面形成沸腾区和熔化区，计算得到形成特征区的阈值能量分别为3.779 J/cm²、0.86 J/cm²；碳化硅陶瓷的去除过程是光热作用和光化学作用先后作用的结果，在温度较高的中心区域的作用机制是材料的蒸发作用，低温区域则是材料的热分解和氧化；微孔直径和烧蚀深度随着能量密度和脉冲数量的增加而增加。本研究从材料理化学特性变化角度进一步完善了碳化硅陶瓷飞秒激光加工机理，为碳化硅陶瓷零部件的高效精密加工应用提供了理论参考。

掺硼浓度与沉积气压对Ti/BDD微观结构和电化学氧化性能影响规律研究

刘典宏, 尹钊, 陈峰磊, 马莉, 李静, 魏秋平

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0071

摘要(38)

摘要:
系统探究在HFCVD生长掺硼金刚石过程中，掺硼浓度与沉积气压对Ti基掺硼金刚石薄膜的微观结构与电化学氧化性能的影响。并以四环素作为模拟污染物进行电化学氧化降解实验。使用扫描电子显微镜、拉曼光谱、紫外分光光度计以及电化学工作站对电极表面形貌、成分以及电化学性能进行表征。结果表明：随着掺硼浓度与沉积气压的增大，金刚石薄膜表面晶粒明显细化，生长速率下降；然而随着气压的升高，金刚石的晶粒质量逐渐降低，但硼原子掺杂则会提高金刚石晶粒质量；高掺硼浓度低气压的条件下，金刚石薄膜表面的硼原子浓度更高；高掺硼浓度的BDD电极具有更优越的电化学性能，更高的降解效率以及更低的降解能耗。

单颗金刚石磨粒切削碳化硅晶体仿真与实验研究

杨宇飞, 李翔, 何艳, 刘铭, 徐子成, 高兴军

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0158

摘要(62)

摘要:
　　为改善碳化硅晶体在微切削过程中的脆性断裂和边缘崩碎问题，建立了金刚石锥形磨粒微切削碳化硅工件的有限元模型，首先通过前置仿真模型确定了微切削深度和速度的选择范围。随后采用正交试验法对影响切削力的主要因素和次要因素进行了分析，又研究了单一切削参数对切削效果的影响。最后借助赫兹接触理论，分析了金刚石探针加载力对摩擦力和切削表面形貌的影响。结果表明：切削深度在1.5μm以下时切削质量较好。切削深度B是影响切削力的显著因素，切削速度C和磨料切削刃角度A是非显著因素，切削参数优方案为B₁C₁A₂(切削深度0.5μm，切削速度76m/s，磨料切削刃角度60°)。通过控制切削深度可以提高切削稳定性，适当提高切削速度可以在保证切削质量的前提下提高切削效率。金刚石探针压入工件的深度影响与摩擦系数、摩擦力和切削力呈正比，在此压入深度范围下切削边缘的三维轮廓相对平整、光滑。

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(47)

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。

组分设计与优化对PcBN复合材料组织和性能的影响

邹芹, 董培航, 李艳国, 袁振雄, 武迪, 罗永安

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0090

摘要(46)

摘要:
　　在高温高压条件下制备了聚晶立方氮化硼复合材料。采用x射线衍射(XRD)、场扫描电子显微镜(SEM)、能谱(EDS）等研究了结合剂配比和cBN粒度对PcBN复合材料的成分、微观结构、显微硬度、致密度和磨耗比的影响。实验结果表明：在5.5 GPa，1400 ℃，保温10 min的烧结条件下，在TiN_0.3: AlN=7: 3时，PcBN复合材料性能较为优异，硬度最高达到22.7 GPa，磨耗比达到149.2；当PcBN复合材料中cBN粒度组合为(0.5~1) μm: (2~5) μm: (5~10) μm=3: 5: 2时，颗粒之间的堆积密度达到最高，性能也达到最优。

SPH方法的单晶硅激光辅助切削仿真与试验研究

黄分平, 舒霞云, 许伟静, 常雪峰

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0025

摘要(29)

摘要:
单晶硅加工过程中很容易发生细微裂纹，从而影响表面加工质量。激光辅助加工（LAM）可以软化代加工区域，有效减小切削力，延长刀具寿命，提高加工表面质量。本文建立了热力耦合的光滑粒子模型，来模拟单晶硅激光辅助车削过程，在不同温度条件下，探究裂纹扩展损伤和切削应力；转速和切深对表面粗糙度的影响。最后通过激光辅助切削试验，验证仿真结果的准确性。结果表明：提高温度有利于单晶硅的塑性切削，随着切削域温度的增加刀具应力逐渐减小，300℃时的刀具应力较常温下降低了约50%，表面加工质量有明显提升，600℃时切屑为塑性流动锯齿线条，塑性大幅度提高。切削时应选择较小的切削深度，转速应低于4500r/min，单晶硅表面粗糙度Sa可在1nm以下。

研磨压力对聚晶金刚石表面质量的影响

孙国栋, 李维翠, 胡晋昭, 李树强, 黄树涛

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0036

摘要(56)

摘要:
实验使用金刚石平磨盘对聚晶金刚石（PCD）复合片的金刚石层进行高速研磨，通过改变研磨时的压力，分析聚晶金刚石材料研磨去除率、试件表面质量（表面粗糙度、表面形貌）的变化规律。结果表明: 研磨压力的增大，会提高聚晶金刚石的材料研磨去除率，降低表面粗糙度，表面平滑面积增大，凹坑以及间隙裂纹减少。

水平井PDC钻头井底流场数值模拟分析

李赛, 王红波, 程书婷, 蔡茂盛, 张春江

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0129

摘要(27)

摘要:
为了降低水平井岩屑运移困难，钻头泥包问题。提高PDC钻头在页岩水平井钻井过程中的钻井效率和使用寿命。采用数值模拟方法，低雷诺数k-ԑ湍流模型，建立井底流场模型。对PDC（聚晶金刚石复合片）钻头的水力结构在不同钻井液排量、PDC钻头旋转速度和岩屑粒径工况下井底流场变化和岩屑运动状态进行分析。结果表明：随着排量的增加，岩屑效率逐渐提高。但在旋转工况下，钻井液排量和钻头转速的不匹配，降低了钻井液冲刷作用和岩屑运移效率。合适的排量和转速能有效提高岩屑的运移效率，减少井底岩屑堆积。在一定钻头转速和钻井液排量下，岩屑粒径大小与岩屑运移效率为正比例关系。研究结果能为优化PDC钻头的设计和钻井施工参数提供参考。

磁性复合流体抛光氧化锆陶瓷的工艺优化

张泽林, 周宏明, 冯铭, 张祥雷, 陈卓杰

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0003

摘要(42)

摘要:
为了提高氧化锆陶瓷工件的表面质量，采用磁性复合流体对氧化锆陶瓷进行抛光，来达到降低氧化锆陶瓷材料表面粗糙度和减少前道工序中残留的表面与亚表面损伤的目的。利用田口法设计了3因素3水平正交实验，着重分析磁铁转速，加工间隙和抛光液磨粒粒径对于表面粗糙度和材料去除率的影响规律，并采用方差分析法分析了各因素对两个评价指标的影响权重，最终获得了可以达到最好的表面粗糙度的工艺参数组合为磁铁转速300 r/min，加工间隙0.5 mm，磨粒粒径1.25 μm，以及获得了可以达到最高的材料去除率的工艺参数组合为磁铁转速400 r/min，加工间隙0.5 mm，磨粒粒径2 μm。根据优化的工艺参数进行抛光，表面粗糙度最高可达到4.5 nm，材料去除率最高可达0.117 μm/min，优化效果显著。并利用遗传算法优化BP神经网络建立了抛光预测模型，预测误差为3.9484%。

以CrSiN过渡层在高钴硬质合金表面沉积金刚石薄膜

潘秋丽

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0004

摘要(54)

摘要:
为了解决在高钴硬质合金表面难以生长高结合力金刚石薄膜的问题，本文采用Cr/CrSiN过渡层，以热丝化学气相沉积在硬质合金沉积了纳米金刚石薄膜（NCD）、亚微晶金刚石薄膜（SMCD）和微晶金刚石薄膜（MCD），并对其结合力进行了研究。结果表明，采用Cr/CrSiN过渡层可以在高钴硬质合金表面沉积出结合力优异的金刚石薄膜。纳米金刚石薄膜结合力最优，亚微米金刚石薄膜，结合力次之，微晶金刚石薄膜结合力最差。当金刚石薄膜晶粒变大时，因金刚石薄膜韧性变差且过渡层碳化变严重，金刚石薄膜结合力变弱。此研究对于开发涂覆高结合力金刚石薄膜的高钴硬质合金工模具具有重要的意义。

基于协同训练支持向量回归的脆性材料研磨亚表面损伤预测

任闯, 盛鑫, 牛凤丽, 朱永伟

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0006

摘要(37)

摘要:
为克服固结磨料研磨脆性材料的亚表面微裂纹有效样本数据不足的困境，实现亚表面微裂纹深度的准确预测，采用协同训练支持向量回归算法（Co-training SVR）构建预测模型。对比了不同的标记训练集划分方法对测试集均方误差的影响，然后以监督学习PSO-SVR为对照模型，比较了二者的预测性能，最后以标记训练集未包含的脆性材料微晶玻璃和氟化钙为加工对象，进行研磨及角度抛光实验，并将检测的四组亚表面微裂纹深度值与本文模型的预测值进行对比。结果表明：分开划分法下的Co-training SVR模型具有更小的均方误差收敛值，相比于PSO-SVR模型，本文模型的均方误差和平均绝对百分比误差分别减小约9%和17%，且模型对四组验证实验的预测误差在1.2%~13.8%之间。上述结果表明本文模型可对固结磨料研磨脆性材料的亚表面微裂纹深度进行较为准确可靠的预测。

新型KTN衬底上生长金刚石及其光催化性能研究

栾玉翰, 李天蔚, 王旭平, 郝建新, 赵洪阳, 付秋明, 陶洪, 高登, 马志斌

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0007

摘要(61)

摘要:
对于金刚石薄膜的生长，选择好金刚石的衬底至关重要。本文探索了钽铌酸钾（KTa_1-xNb_xO₃，简称KTN）作为衬底，采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术生长金刚石薄膜，用X射线衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱（Raman）研究了金刚石薄膜的表面形貌和微观结构，并对所有样品进行了光催化性能的研究。所有样品都表现出良好的降解罗丹明B的能力，降解速率随生长时间的增加而提高。本研究为生长多晶金刚石提供了一种新型衬底，并探索了金刚石在光催化方面的应用。

五种规格金刚石圆锯片行波振动分析及优化

高先一, 张德臣, 马国清, 刘兴东, 王育博

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0008

摘要(49)

摘要:
对五种不同规格金刚石圆锯片锯切噪声问题，利用Workbench软件进行模态分析、行波振动分析，研究了在圆锯片基体上开鼻子形径向槽、开孔与夹层对锯片行波振动的影响。分析结果表明：直径180mm和直径230mm常规锯片出现行波共振，造成强烈噪声。直径115mm和直径350mm常规锯片不出现行波共振。直径180mm和230mm切缝锯片δ值偏大，有效避开了行波共振，直径115mm和350mm切缝锯片δ值偏小，导致降噪效果差，直径105mm夹层锯片δ值偏大，降噪效果好。本文提出了五种规格锯片开鼻子形径向槽、雨滴孔和阻尼夹层设计方案，其δ值分别为8.13%、7.21%、6.01%、6.39%和7.00%，进一步避开行波共振，降噪效果更好。

基于激光加工的医疗器械功能性表面研究现状

杜鑫豪, 刘志华, 张智雷, 杜策之, 隋建波, 王成勇

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0010

摘要(46)

摘要:
制备功能性表面是提升医疗器械治疗性能和安全性的重要方法之一。当前，基于激光加工的功能性表面微纳结构制造技术在医疗器械表面性能优化方面应用广泛。本文综述了医疗植入器械和手术器械表面激光加工功能性微纳结构在细胞功能调控、抗菌性、耐蚀性、摩擦特性、抗粘附性等方面的研究现状，刨析了当前医疗器械功能性表面激光加工的优势和局限，展望了医疗器械功能性表面激光加工技术的发展前景。

电防锈磨削的加工性能研究

蔡中伟, 孙玉利, 陈法宇, 盛一, 左敦稳

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0011

摘要(47)

摘要:
针对传统磨削加工在磨削液使用方面带来的污染环境、危害人体健康和增加生产加工成本等问题，提出采用自来水代替传统磨削液的电防锈磨削加工方法，利用自主研制的电防锈磨削系统开展加工性能研究，对比分析了电防锈磨削与干磨削、湿磨削在磨削力、磨削力比、比磨削能、磨削温度和加工表面粗糙度上的差异。结果表明：电防锈磨削在各项指标上与干磨削的平均差异约为19.2%，与湿磨削的平均差异约为7.7%，其加工性能要远优于干磨削，并接近于湿磨削的水平。采用电防锈磨削的加工方式具有一定的可应用性。

研磨盘运动特性对氮化硅陶瓷球成形影响性研究

葛自强, 李颂华, 吴玉厚, 孙健, 田军兴, 夏忠贤

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0012

摘要(46)

摘要:
为提高氮化硅陶瓷球加工精度，探究柔性支承研磨方式陶瓷球成形机理，提出了研磨盘偏摆运动可控的新型锥形柔性支承研磨方式。基于新型研磨方式建立仿真模型，深入分析研磨盘偏摆运动对于氮化硅陶瓷球研磨轨迹与受力状态影响。在搭建的新型锥形柔性支承研磨平台上进行正交实验，进一步分析研磨盘运动特性对球体成形影响。仿真与实验结果表明，柔性支承研磨方式下，下研磨盘偏摆运动有利于优化研磨轨迹，但增大了球体受力的不均匀性，不利于改善氮化硅陶瓷球球直径变动量与批直径变动量，在实际加工过程中，必须减少下研磨盘的偏摆运动。

陶瓷磨削用多层钎焊金刚石砂轮的研制

周颢, 肖冰, 王溯, 何旭, 李纬

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0020

摘要(28)

摘要:
为解决传统树脂、电镀金刚石砂轮磨削陶瓷材料时存在的磨削寿命短、砂轮易堵塞烧伤等问题，分析利用钎焊金刚石技术制备陶瓷磨削用多层钎焊金刚石砂轮的可行性。结合钎料组分优选，制备具有开槽结构的多层钎焊金刚石砂轮，并对99.9%高纯度Al₂O₃陶瓷进行磨削性能试验。结果表明：树脂、电镀金刚石砂轮分别存在磨削效率低和磨削寿命不足的问题，单层钎焊金刚石砂轮磨削效率较高但磨削寿命有限，多层钎焊金刚石在保持高磨削效率的同时磨削寿命也优势明显。在陶瓷材料磨削过程中，多层钎焊金刚石砂轮磨削效果显著，虽磨粒出露高度有限，但因开槽设计排屑效果显著，砂轮表面不易发生陶瓷粉末粘结、堵塞。

应用红外测温的18CrNiMo7-6钢外圆磨削温度研究

王栋, 赵睿

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0013

摘要(38)

摘要:
为研究外圆横向磨削过程中工件温度的变化规律，选用18CrNiMo7-6齿轮钢作为工件材料，CBN砂轮作为磨具进行试验，使用红外热像仪对磨削过程温度进行检测。热辐射发射率值的标定是否准确是红外测温的重要影响因素，为保证温度的精确测量，提出了一种增设气幕装置的热辐射发射率值标定方案，通过气幕生成的高速气流减缓外界空气进入加热炉，防止标定过程中试样氧化，保证高温条件下标定得到的发射率值的准确度。同时，依据检测结果，分析了工件转速v_w、工件每转的磨削深度f_a、砂轮粒度、砂轮直径d_s和磨削宽度b对温度的影响，相比于其他参数，工件每转的磨削深度f_a是对温度变化影响最显著的因素，并得出相关经验公式，其自身误差为9.27%。将测量结果与运用移动热源理论、瑞利分布模型和干式磨削热分配比模型进行理论推导的结果作对比，偏差为8.51%。

金刚石团聚磨料用陶瓷结合剂的探索

成晓哲, 许衍, 穆云超, 韩敬贺, 刘涛

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0022

摘要(51)

摘要:
细粒度金刚石微粉的大量积压是目前在金刚石微粉制造行业所面临的问题之一。本实验以铝硼硅结合剂为粘接剂，并以Si粉和Ti粉为添加剂调节金刚石磨料的团聚效果。通过对试样的抗弯强度、物相构成和微观形貌进行研究可知，添加Si或Ti的结合剂均能够起到团聚金刚石的作用。当Si和Ti的质量含量为10%时，陶瓷结合剂试样的抗弯强度最大，此时的团聚磨料强度也为最大，为43.74 MPa。当Si或Ti的添加量超过10%时，试样中出现大量Si或者TiO₂的峰，抗弯强度急剧下降。添加Si的试样比添加Ti的团聚磨料试样有更大的粒度和更均匀的粒度分布，可以将1~2μm的磨料团聚为5~10μm的磨料。

多片式衬底HFCVD系统沉积金刚石颗粒物理场的仿真优化

杨海霞, 伏明将, 罗健, 张韬

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0031

摘要(55)

摘要:
探索热丝化学气相沉积（hot filament chemical vapor deposition, HFCVD）合成高效优质的超硬磨料已成为研究热点。采用可提高微粉单次沉积产量的新型多片式栅状衬底，应用FLUENT流体仿真软件，在原有单个出气口数量及进气总流量保持不变的情况下，优化传统模型，将单个进气口拆分成5个大小相等的进气口，对影响其均匀性的工艺参数进气口数量和排布方式进行仿真，对比分析热丝化学气相沉积系统内气体的物理场。结果显示：4组优化模型均提高了衬底温度及流速的均匀性，有利于金刚石单晶颗粒的均匀生长，但对金刚石沉积速率影响不显著；进一步分析优化模型的温度场，发现5个进气口及单个出气口分别位于反应腔体顶部和底部的中间位置时系统的温度差最低，最满足金刚石单晶颗粒在多片式硅衬底上均匀生长的条件。最后，CVD金刚石单晶颗粒沉积试验验证了仿真结果的正确性。

多线摇摆往复式线锯切割蓝宝石法向力实验研究

刘亿圣, 黄辉, 王兰青, 廖信江

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0039

摘要(32)

摘要:
多线摇摆往复式线锯切割加工是目前将蓝宝石晶棒切割成晶圆衬底的主要加工方法，加工过程中法向切割力是反映加工过程稳定性的重要指标。本文测量了多线摇摆往复式线锯切割蓝宝石晶棒过程中产生的法向力 Fn ，跟踪了线网不同位置和不同切割深度法向力的变化规律，以法向力变化幅值Δ Fn 为指标，探究各种工艺参数对加工过程稳定性的影响。实验结果表明：法向力 Fn 与线锯的往复运动、工件的摇摆运动有明确的对应关系，线网前端的Δ Fn 与中后端有明显的不同。线速度、最大摇摆角度、单片耗线量、张紧力、总切割时间等工艺参数对Δ Fn 有着不同的影响。Δ Fn 的波动程度与线锯磨损有着密切的关系。

一种用于金刚石摩擦化学抛光的Ni-W合金盘的制备

牛昊, 金洙吉, 沈煜, 杨辉鹏

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0042

摘要(61)

摘要:
探究镀液成分，工艺条件等因素对Ni-W合金镀层的影响，制备出低内应力，高硬度的镀层，用于金刚石的摩擦化学抛光。本文采用单一性实验分别探究络合剂浓度，溶液PH，糖精钠浓度对镀层内应力，钨含量，硬度以及沉积速率的影响，并探究不同添加剂对镀层表面的整平效果。最终选用水杨醛作为整平剂，同时采用反向脉冲电流降低了镀层表面粗糙度，制备出硬度达713 hv, 镀层厚度约为0.66 mm的Ni-W盘。使用电镀抛光盘对金刚石进行摩擦化学抛光，并探究合适工艺参数，在抛光盘转速为8000 r·min^-1 (速度19.3 m/s)，压力为40 N(4.4 MPa)时，抛光效果较好，去除率为5.56 μm/min，磨削比达到0.394，表面粗糙度为Ra 3.693 nm。使用铸铁盘进行实验与之对比，镍钨合金盘的性能要高出很多。

超硬磨料套料钻水下加工P110钢的磨损实验研究

吴涛, 黄辉

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0044

摘要(24)

摘要:
P110钢具有良好的综合力学性能，广泛用做油气井的套管。使用硬质合金工具对其进行水下磨铣打捞时磨损严重。本文实验研究了三种不同超硬磨粒及结合剂的套料钻水下加工P110钢的钻削磨耗比，跟踪观察了工具表面的磨粒表面形貌变化，分析了金刚石磨粒表面的石墨化情况。实验结果表明：在相同加工条件下，三种不同套料钻的端面磨耗大致相同，但使用金刚石磨粒的套料钻侧面磨损明显小于使用立方氮化硼磨粒的套料钻。在水下加工条件，端面金刚石磨粒会产生石墨化，但金刚石磨粒仍然保持着一定的切削能力。结合剂硬度影响了磨粒的出露，从而导致工具在不同工作状态下的性能有所差异。

不同造孔剂树脂金刚石砂轮对硬质合金球阀精密研磨的研究

朱延鑫, 赵峰

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0116

摘要(27)

摘要:
摘要：为改善硬质合金球阀的加工，在树脂树脂金刚石砂轮中引入造孔剂。通过力学性能分析、SEM扫描电镜对试样微观形貌的分析，以及磨削性能的分析，研究了空心玻璃球造孔剂和树脂球造孔剂对树脂金刚石砂轮性能的硬性。研究表明：随着造孔剂含量的增加，砂轮的抗折强度逐渐下降，且两种造孔剂对抗折强度的影响基本一致；砂轮的硬度随着造孔剂含量的增加亦逐渐下降，但空心玻璃球对砂轮硬度的影响显著大于树脂球。通过磨削性能可知：造孔剂的加工明显提升砂轮的锋利性，空心玻璃球体积分数为15%的砂轮与树脂球体积分数为20%的砂轮，其综合性能最好，且后者的综合性能优于前者。

锈蚀现象对金刚石圆锯片锯切稳定性的影响

孙钰虎, 张进生, 张恒, 王凯达, 郭安顺, 牛平平

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0115

摘要(29)

摘要:
摘要：针对锈蚀金刚石圆锯片锯切时出现锯切稳定性降低问题，根据不同锈蚀程度锯片的结构参数建立模型，采用有限元法对锈蚀锯片进行模态分析，将锯切振动作为稳定性的参考指标，研究锈蚀对锯片锯切稳定性的影响，并通过实验验证理论分析的准确性。结果表明：在640Hz~1280Hz频率范围内锈蚀锯片的振型模态比原锯片多6阶，并且相邻固有频率差值减小7.08%，随锈蚀程度的增加，锯片更容易出现共振现象；锯片轴孔位置处和1/3至2/3 半径圆环范围的锈蚀对锯片的锯切稳定性影响较大，因此可以通过优化加工工艺、减少表面缺陷的方式减小锈蚀程度，降低对锯片锯切稳定性的影响。该研究为金刚石圆锯片的实际使用和防锈工艺提供指导依据。

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(50)

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。

纳米划擦速度对单晶硅去除行为的影响机制研究

闫海鹏

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0124

摘要(26)

摘要:
　　晶硅作为典型硬脆材料受应变率影响较大，而不同的划擦速度会产生不同的应变率，进而导致不同的去除行为。因此，本文采用分子动力学从应变率的角度研究不同划擦速度下材料的变形与去除过程。结果表明，由于划擦过程中应变率的提高，划擦力、剪切应力和摩擦系数随划擦速度的提高而减小。而划擦温度却随划擦速度的增大而升高，这归因于绝热作用的提升。由于划擦过程中划擦力和摩擦系数的减小，划擦表面轮廓精度和粗糙度随划擦速度的增大而提高。划擦过程中非晶化和相变是单晶硅纳米尺度变形的主要发生机制；剪切应力的减小是造成亚表面损伤层深度随划擦速度升高而减小的主要原因，划擦温度随划擦速度的增大而升高导致了表面非晶层深度的增加。

塔形组合式金刚石圆盘锯能耗建模及参数优化

郭安顺, 张进生, 张恒, 王凯达, 孙钰虎, 牛平平, 王一彩

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0128

摘要(19)

摘要:
为实现塔形组合式金刚石圆盘锯在荒料锯切过程中功率的准确预测，以组合锯切系统中单锯片的单磨粒平均未变形切屑厚度为媒介，建立了锯切功率的参数模型，并对其进行修正，提出了一种少样本快速预测模型，通过锯切实验测量不同参数组合下的锯切功率，采用多元线性回归方法拟合数据获取可靠的模型系数。最后以锯切参数为优化变量，以锯切比能和锯切时间最小为优化目标建立优化模型，并采用改进粒子群算法对模型进行优化求解。试验结果表明，参数模型充分的解释了各锯切参数对锯切功率的影响，能够准确的预测不同锯片组合方式下的锯切功率，改进的粒子群算法有较好的优化性能，优化后的参数能够显著的降低锯切功率。

金刚石涂层刀具高速铣铝合金平面切削毛刺研究^*

邵伟平, 张韬, 李家成, 莫小青

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0130

摘要(16)

摘要:
采用热丝 CVD 法制备纳米与微米金刚石薄膜涂层刀具，利用场发射扫描电镜表征其薄膜表面形貌。用已制备的 CVD 金刚石涂层刀具，在无润滑干切条件下高速顺、逆端铣铝合金平面，研究CVD金刚石涂层刀具切削时的棱边毛刺特点与大小；并对纳米金刚石涂层刀具高速顺铣切削工艺参数进行正交试验，探究其取得少无切削毛刺的切削参数与切削工艺。结果表明：工件铣削后棱边毛刺分布不均匀，顺铣毛刺稀疏，尺寸较小，其中纳米金刚石涂层刀具顺铣棱边毛刺高度平均值为32.08 μm，仅为微米金刚石涂层刀具顺铣毛刺高度的46.5%。纳米金刚石涂层刀具高速顺铣平面，对棱边毛刺影响最大的是v_c，其次为v_f，a_e的影响最弱，其最优参数组合是a_e=4 mm、v_f=2 000 mm/min、v_c=400 m/min，铣削后毛刺高度平均值为21.29 μm。金刚石涂层刀具端铣铝合金平面，为取得较小的棱边毛刺，优选纳米金刚石涂层刀具，采用顺铣棱边的切削方式与切削工艺，以及相应的高速切削参数。

叶脉仿生分形纹理化金刚石砂轮磨削氧化锆陶瓷试验评价^﹡

张晓红, 何田仲森, 温东东, 李超, 王卓然, 龙翼翔

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0131

摘要(18)

摘要:
针对氧化锆陶瓷在传统砂轮磨削过程中，存在磨削力大、加工质量较差等问题。根据叶脉的分形结构在减阻导流与散热传质方面的优异性能，建立了叶脉自适应生长模型和分形角模型，设计了三种不同分形角度（30°、45°、60°）的叶脉仿生分形纹理化金刚石砂轮。对比分析原始砂轮与三种仿生分形砂轮对氧化锆陶瓷磨削表面粗糙度、磨削力和磨削力比的影响。试验结果表明：与原始砂轮相比，仿生分形砂轮的法向磨削力有效降低了12.7%~55.8%，切向磨削力有效降低了8.1%~40.3%，分形角为30°时获得磨削力比最小值1.4~3.0与最小的表面粗糙度值。这表明仿生分形砂轮比原始砂轮具有更好的磨削性能，并为构建基于叶脉的仿生分形纹理化砂轮的方法提供了进一步证据。

金刚石基材料在高效散热中的应用及其表面微通道制备技术

邓世博, 吴明涛, 岳晓斌, 雷大江

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0132

摘要(67)

摘要:
　　随着第三代半导体的兴起，电子器件正向着高功率、小型化、集成化方向发展，芯片热流密度急剧增加，热量堆积已成为制约器件性能提升的瓶颈问题。金刚石基材料具有优异的热学性能，基于此材料的高效散热技术已成为解决超高热流密度散热难题的关键方向。本文综述了金刚石基材料在高效散热领域中的应用，并论述了金刚石热沉表面微通道加工的主要方法。金刚石基材料高效散热技术的发展及应用，能够为高热流密度散热难题的解决提供技术支撑。

大型金刚石薄壁钻头行波振动分析及优化

刘兴东, 张德臣, 王育博, 高先一, 马国清

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0137

摘要(50)

摘要:
对大型金刚石薄壁钻头在钻切中出现的振动和噪声问题，用Ansys Workbench有限元软件对无开孔、开孔、夹层和安装定位轮的薄壁钻头进行模态分析，进一步用行波振动理论计算薄壁钻头共振裕度，分析避开行波共振的效果。研究开孔、夹层对行波振动的影响。结果表明：钻切转速为186.72 r/min时，无开孔薄壁钻头的为0，出现后行波共振。在无开孔薄壁钻头出现后行波共振固有模态的变形大的区开孔，开8组圆孔（每组3个）和开8个S形孔薄壁钻头的为4.97%，避开行波共振效果良好；开孔且夹层薄壁钻头的为5.72%，避开行波共振效果最好。为提高加工孔的精度，在薄壁钻头周围安装定位轮，分析定位轮数对行波振动的影响，其中安装6个和12个定位轮薄壁钻头的分别为4.27%和4.47%，避开行波共振效果好，比较2个到12个定位轮数薄壁钻头的，而且考虑安装方便，最后确定最佳安装定位轮数是6。

金刚石涂层游动芯头制备及其在铜管生产中的应用

崔玉明, 王勇, 李国华, 姜龙, 董旺

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0138

摘要(44)

摘要:
采用直流电弧等离子体喷射法，通过沉积方式和旋转装置的设计在硬质合金游动芯头表面均匀沉积金刚石涂层。利用白光干涉仪、扫描电子显微镜、Raman光谱仪和压痕法对涂层表面粗糙度、形貌、质量均匀性和膜-基附着力等进行测试分析。结果表明：金刚石涂层经抛光后表面平均粗糙度为Ra76nm, 压痕测试金刚石涂层脱落位置到压痕中心距离平均为287.9μm，各位置金刚石涂层厚度均匀性和质量均较好。将制备好的金刚石涂层游动芯头应用于高精度精密光管铜管生产线中，经与硬质合金游动芯头对比，在降低劳动强度、保证铜管一致性和使用寿命方面都有了显著的提升。

微磨料气射流加工结构化拓扑鱼鳞表面的实验研究

智佳琦, 吕玉山, 李兴山, 陈超

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0139

摘要(26)

摘要:
　　由于结构化鱼鳞表面的随行波结构有较好的减阻效果，开展在硬脆材料上制备结构化鱼鳞表面有重要的意义。为了在脆性难加工材料上制备结构化鱼鳞表面，首先提取了鱼鳞表面的拓扑特征，建立了鱼鳞单元的表面模型，并基于鱼鳞模型进行搭接，得到结构化鱼鳞表面；然后根据微磨料气射流加工原理，分析了气射流加工拓扑鱼鳞实验可行性与影响结构化鱼鳞表面形貌的重要工艺参数；最后，采用单因素实验法对重要加工参数进行实验分析，得到了较好的拓扑鱼鳞表面单元，并以此进行排布得到结构化表面。研究结果表明，使用微磨料气射流加工方法，可在硬脆材料上加工结构化拓扑鱼鳞表面，不同的工艺参数将改变加工出的表面形貌但鱼鳞表面的拓扑属性保持不变。
　　关键词微磨料射流加工；鱼鳞表面；拓扑特征；表面形貌
　　中图分类号 TG664

金刚石滚轮轮廓度误差在线判别

赵华东, 何鸿辉, 周帅康, 刘畅, 朱振伟

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0148

摘要(62)

摘要:
金刚石滚轮形面修形技术是制金刚石滚轮的关键技术之一，目前常采用金刚石砂轮磨削法对金刚石滚轮进行精密修形。金刚石滚轮在精密修形过程中，其表面轮廓Pv值是考量滚轮修形的重要指标，在目前的加工检测中，常是工人停机取下滚轮并放置于轮廓仪上检测，极大的增加了滚轮制作的时间和成本，为此，对在五轴加工机床上的金刚石滚轮沿轮廓面纵向磨削修整过程所产生的振动信号，提出一种基于小波包系数和随机森林的在线检测方法。此方法在进行状态识别时的准确率在92%，具有实际应用价值。

PCD刀具超声振动辅助切削TiC_p/TC4材料表面缺陷研究

宦海祥, 罗韬, 徐文强, 朱池磊

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0154

摘要(50)

摘要:
研究微观角度下PCD刀具超声振动辅助切削颗粒增强钛基复合材料（PTMCs）时，超声振动对材料表面缺陷的影响。基于ABAQUS/Explicit有限元软件，针对PTMCs建立了二维切削微观非均质模型，开展不同体积分数多颗粒切削仿真，采用仿真和实验相结合的方法，分析切削速度对切削温度的变化规律，阐述PTMCs在切削过程中颗粒受力破碎过程，讨论同体积分数PTMCs切削表面缺陷表现形式。结果表明：超声振动切削时，切削温度始终较低，表面缺陷表现形式多为颗粒切断和颗粒突起，且超声振动能有效阻断颗粒与基体间的应力持续传递，使得应力优先在颗粒间传递，减小了基体变形，促使颗粒首先破碎，提升材料加工表面质量，验证了实验结果与仿真结果相符。

热爆反应在金刚石表面快速形成碳化钛涂层

史冬丽, 马尧, 李涛

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0170

摘要(33)

摘要:
分别采用Ti/碳黑/ Diamond和Ti/碳黑/ PTFE/Diamond粉体为原料，通过热爆反应，在金刚石颗粒的表面形成了碳化钛为主的涂层。研究了原料中金刚石含量和添加PTFE对金刚石表面涂层的影响。结果表明：两个体系的原料热爆反应后基体的组成为TiC。对于Ti/碳黑/Diamond体系，当原料中金刚石含量为10%-30%时，可使反应后得到的金刚石表面均实现良好的涂覆。反应后在金刚石表面形成了TiC涂层。原料中添加适量的PTFE(3wt%)或减少原料中碳黑的数量，可以明显促进金刚石表面的涂覆。可以使原料中金刚石含量达到80%-90%时，仍可使金刚石颗粒表面实现良好的碳化钛涂覆。

激光选区熔化成形金刚石复合材料微结构的工艺约束研究

谢志平, 何艺强, 徐仰立, 黄国钦, 魏金权

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0171

摘要(50)

摘要:
　　多孔金刚石磨具是一种能在磨削加工过程中提供容屑和冷却液流通空间的新型工具。以激光选区熔化成形为代表的增材制造技术，是制造多孔金刚石工具的有效手段。然而，受激光增材制造的光斑尺寸约束、逐层成形等技术特征影响，所设计的多孔金刚石工具难以精准成形，因此有必要对微结构的可成形性进行研究。本文以CuSn20/金刚石复合材料为研究对象，采用激光选区熔化技术成形了不同成形方向、不同尺寸的悬垂结构、薄壁、圆孔和尖角等微结构，并对其可成形性、成形误差及产生原因进行分析。结果表明：悬垂结构的最佳可成形长度为1~2 mm；薄壁结构的最小可成形尺寸为0.70 mm；垂直于成形方向的圆孔结构的最小可成形直径尺寸为0.20 mm；平行于成形方向的圆孔结构的最佳成形直径尺寸为0.50~3.00 mm；尖角结构的可成形角度需大于10°。微结构的成形误差主要受激光对复合粉末的热吸附、激光光斑热影响区扩散以及复合粉末的弱支撑等作用影响。本文的研究结果为复杂金刚石工具的设计及增材制造提供了一定的技术参考。
　　关键词激光选区熔化；金刚石复合材料；特征微结构；工艺约束
　　中图分类号 TG74; TG66

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(35)

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。

ITO导电玻璃单颗磨粒切削机理仿真试验研究

邱晓龙, 孙兴伟, 刘寅, 杨赫然, 董祉序, 张维锋

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0183

摘要(49)

摘要:
　　为研究ITO导电玻璃材料去除机理，本文采用单磨粒对材料进行切削仿真，建立了ITO导电玻璃的材料模型，根据加工表面形貌、应力和切削力情况分析了材料去除机理，之后研究了切削参数对切削力和残余应力影响，并与钠钙玻璃进行对比分析。结果表明：在磨粒的切削过程中，材料的去除受ITO薄膜层、玻璃基底和内聚力接触行为共同影响，会产生分层、通道开裂和层间断裂等失效形式。随着磨粒的进给，切削力在一定范围内波动，且呈现增长、稳定、下降的状态，同时磨粒的切削力与切削速度和切削深度呈正相关。薄膜上残余应力相比玻璃基底，数值更大且波动更剧烈。在切削深度接近ITO薄膜厚度时，薄膜的存在对磨粒切削行为的影响显著。
　　

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(392)

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(211)

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(285)

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(267)

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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