金刚石与磨料磨具工程

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刘进, 贺端威

2018, 38(6): 1-6. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0001

摘要(321)

PDF 1947KB(9)

摘要:
以微米级金刚石微粉为初始材料，利用自主研发的二级6-8型超高压大腔体装置，不添加黏结剂，在15 GPa左右条件下制备了超硬、高韧的厘米级块体聚晶金刚石，聚晶块体由高压硬化所致的、具有纳米亚结构的微米级金刚石颗粒组成。该材料的维氏硬度与单晶金刚石的最高维氏硬度（~120 GPa）相当，断裂韧性（18.7 MPa·m^1/2）可媲美高性能硬质合金。

二氧化钛包覆微细金刚石的制备及表征

赵玉成, 李亚朋, 闫宁, 王明智, 邹芹, 苗卫朋

2018, 38(6): 7-12. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0002

摘要(407)

PDF 1704KB(19)

摘要:
以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为偶联剂，钛酸四丁酯（TBOT）为TiO₂前驱体，氨水为催化剂，通过Stöber法制备核-壳结构的二氧化钛包覆微细金刚石（UFD@TiO₂），研究溶液pH值、氨水及去离子水的加入量对UFD@TiO₂的影响。采用XRD、SEM及DSC-TG等手段对UFD@TiO₂进行表征，利用三点弯曲法测定添加UFD或UFD@TiO₂的陶瓷结合剂试样的抗折强度，通过SEM观察陶瓷结合剂试样断口的微观形貌。实验结果表明：当溶液pH值约为8，氨水体积分数为0.8%，去离子水体积分数为0.8%时，TBOT水解生成的TiO₂易在金刚石表面异质形核，可获得致密均匀的TiO₂膜层；UFD@TiO₂的起始氧化温度为650℃，比UFD的起始氧化温度583℃提高了67℃；UFD@TiO₂-陶瓷结合剂试样的抗折强度比UFD-陶瓷结合剂试样的抗折强度提高了20.9%。

钢轨打磨用新型复合砂轮及其磨削试验

张益权, 肖冰, 闫薪霖, 刘思幸, 吴恒恒, 肖皓中, 窦礼云

2018, 38(6): 13-18. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0003

摘要(359)

PDF 1853KB(11)

摘要:
利用钎焊技术和传统热压技术研发出一款钢轨打磨用新型复合砂轮，复合砂轮除含传统树脂砂轮的成分外还含金属结合剂金刚石插片，用其在钢轨打磨试验机上与传统树脂砂轮进行工件打磨对比试验，分析工件打磨后的打磨温度和表面粗糙度变化，并对钢轨打磨后的磨屑进行电镜、能谱分析。试验结果表明：与纯树脂砂轮相比，采用新型复合砂轮打磨工件，其打磨温度峰值下降10%左右，砂轮中插片数越多下降比例越大；工件表面粗糙度下降比例在9%以上，且随着砂轮中插片数量的增加而增大；同时，磨屑中球状磨屑比例更低，球状磨屑中O元素质量分数更小。

纳米稀土氧化物对陶瓷结合剂的强韧化

谭秋虹, 赵玉成, 王明智, 邹芹

2018, 38(6): 19-24. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0004

摘要(446)

PDF 2204KB(10)

摘要:
为提高CBN砂轮用陶瓷结合剂的强度与韧性，以不同体积分数的纳米CeO₂、Sm₂O₃、Y₂O₃、La₂O₃、Er₂O₃与基础结合剂形成复合结合剂，并通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜表征其物相和显微结构，通过三点弯曲、单边切口梁等测试方法测试其机械性能。实验结果表明：添加体积分数2%的纳米CeO₂或纳米Er₂O₃后，试样的抗折强度分别为187 MPa和194 MPa，比基础结合剂的165 MPa分别提高了13.3%和17.6%，而其他3种纳米稀土氧化物没有表现出增强作用。5种纳米稀土氧化物均可增加基础结合剂的韧性，但Er₂O₃的效果最明显，在体积分数为2.5%时，试样的断裂韧性为2.7 MPa·m^1/2，比基础结合剂的1.3 MPa·m^1/2提高了108.2%。以含纳米Er₂O₃体积分数2%的复合结合剂与CBN磨料（浓度200%）混合制备试样，发现该复合结合剂对CBN颗粒的润湿良好，试样的抗折强度为102 MPa。

P-G法制备纳米金刚石低温陶瓷结合剂复合烧结体

尹翔, 李亚朋, 刘伟, 刘一波, 赵玉成, 王明智

2018, 38(6): 25-30. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0005

摘要(438)

PDF 1915KB(7)

摘要:
使用高分子网络凝胶法（polyacrylamide-gel method，简称P-G法）制备纳米金刚石（nano-diamond，ND）-低温陶瓷结合剂复合烧结体，并设计4种不同金刚石添加量来制备试样条，然后考察二氧化硅包覆纳米金刚石（ND@SiO₂）在陶瓷结合剂中分散的均匀性，并对比分析试样的物相、抗弯强度和显气孔率。实验结果表明：利用P-G法制备的试样中的金刚石浓度从25%增加到100%时，ND@SiO₂在凝胶体中分散均匀，无明显团聚现象；其烧结温度范围为670~720℃，抗折强度达到66.4~87.6 MPa，气孔率为10.2%~22.4%。

Cu质量分数对Fe-Ni-Mn基结合剂性能的影响

陶洪亮, 周浩钧, 文平, 李广锋

2018, 38(6): 31-34. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0006

摘要(332)

PDF 1137KB(8)

摘要:
采用粉末冶金法制备Fe-Ni-Mn基结合剂，用电子万能试验机、抗冲击试验机等设备，研究烧结温度对纯钴基结合剂力学性能的影响，并探究不同质量分数的铜对Fe-Ni-Mn基结合剂性能的影响。结果表明：烧结温度控制在850~880℃时，纯钴粉结合剂成形密度达到最大，为8.75 g/cm³；不同牌号钴粉结合剂的冲击强度分别达到最大值18.92 kJ/m²和17.32 kJ/m²。当铜质量分数为15%~20%时，Fe-Ni-Mn基结合剂具有较好的力学性能，其抗弯强度最大可达1 202.19 MPa，为纯钴结合剂强度的75%；冲击强度最大可达9.73 kJ/m²，为纯钴结合剂强度的65.7%。铜含量增加可促进Fe-Ni-Mn基结合剂内部形成高强合金，使胎体韧性迅速提高。

超细Fe粉和Cu粉在金刚石薄壁工程钻中的应用研究

张许红, 王成军, 胡伟立, 李忠林

2018, 38(6): 35-38. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0007

摘要(293)

PDF 1899KB(15)

摘要:
在Fe-Cu和Fe-Cu-Ni基胎体中探究超细Fe粉和Cu粉对胎体烧结硬度、应力-应变曲线、烧结界面形貌的影响机理，进而总结出使用超细金属粉对工程薄壁钻头使用性能的影响。实验表明：将超细金属粉应用于Fe-Cu、Fe-Cu-Ni基胎体，可使2种烧结体的硬度分别提高6.25%和12.20%；将2种配方钻头的使用寿命分别提高21.6%和82.5%，钻切速度分别下降4.5%和16.2%；2种钻头刀头顶刃的磨损表面较细腻、光滑，与钻切材料的摩擦系数低。但采用超细粉制备的Fe-Cu-Ni基胎体耐磨性过强，金刚石的出刃高度明显降低。

单一粒度金刚石对Fe-Cu基钻头钻进性能的影响

潘晓毅, 谢德龙, 林峰, 肖乐银, 陈超

2018, 38(6): 39-43. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0008

摘要(325)

PDF 1312KB(15)

摘要:
在某Fe-Cu基钻头配方中分别配以相同浓度、不同粒度及相同粒度、不同浓度的金刚石制作钻头，对比研究金刚石粒度、浓度对Fe-Cu基胎体钻头钻进性能的影响。结果表明：使用Fe-Cu基配方和粒度代号40/45、浓度50%的单一粒度金刚石钻头对花岗岩的钻进性能最佳，其钻耗比约为9 000，钻进效率约为1.1 mm/s。

氧化铝空心球在钻进坚硬致密岩石钻头中的作用

叶宏煜, 杨展, 谭松成, 谢涛, 张建伟

2018, 38(6): 44-47. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0009

摘要(267)

PDF 1037KB(8)

摘要:
基于岩石破碎原理分析研究用于钻进坚硬致密岩石的钻头及其性能，设计预合金粉胎体性能以及热压工艺参数。在此基础上，提出使用氧化铝空心球弱化钻头胎体，并对添加粒度尺寸0.3 mm、0.6 mm、0.9 mm和体积分数12%、15%和18%的氧化铝空心球制备的胎体进行耐磨性能试验。结果表明：胎体耐磨性分别降低了9%~31%；当氧化铝空心球粒度尺寸为0.3 mm，体积分数为18%时，胎体的耐磨性降幅达到最大的31.25%。

高密度芳纶纸蜂窝的磨削试验

王毅丹, 康仁科, 白杜娟, 马义新, 董志刚, 史耀辉

2018, 38(6): 48-53. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0010

摘要(371)

PDF 1536KB(9)

摘要:
高密度芳纶纸蜂窝是航空航天领域常用的减重复合材料，由韧性较大的芳纶纤维和含量较高的脆性树脂固化而成，固化成型后很难加工。为了满足其加工需求，根据该材料的组成成分和结构特点，用金刚石砂轮进行高密度蜂窝的磨削加工工艺试验，归纳出其在磨削加工后出现的3种典型加工特征形貌，即双层芳纶纸变宽形貌、未分离切屑和纤维拔出；并通过单因素试验法，研究磨削速度、进给速度和磨削深度对其表面形貌的影响。试验结果表明：不同工艺参数对高密度蜂窝加工形貌的影响差异较大。当磨削速度由5.2 m/s提高至20.9 m/s时，3种特征形貌均得到改善；当进给速度从50 mm/min提升为350 mm/min时，纤维拔出数量增多；当磨削深度从0.1 mm增加为0.9 mm时，未分离切屑的平均宽度变大。

砂浆对固结磨具研磨垫研磨SiC工件的影响

金振弘, 朱永伟, 墨洪磊, 王子琨

2018, 38(6): 54-60. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0011

摘要(351)

PDF 1959KB(7)

摘要:
为高效、稳定加工SiC工件，采用碳化硅砂浆辅助亲水性固结磨具研磨垫精研的方法，实验比较砂浆辅助固结磨具研磨垫研磨与传统固结磨具研磨垫研磨的差异，并研究砂浆中碳化硅的颗粒尺寸和质量分数对SiC工件精研去除率和表面形貌的影响。通过测算研磨垫的溶胀率和磨损率，探索碳化硅砂浆的作用机制。结果表明：在砂浆中添加颗粒尺寸为3~5 μm、质量分数为3%的SiC时，精研过程的平均材料去除率为1.424 6 μm/min，工件表面粗糙度R_a为84.6 nm；而没有砂浆辅助精研时，材料去除率为0.040 0 μm/min，表面粗糙度R_a为61.4 nm。碳化硅砂浆的加入能有效提高亲水性固结磨具研磨垫的自修整能力，其自修整能力随砂浆中碳化硅的尺寸和质量分数增大而增强，材料的去除率提高，工件表面质量略降。

环形磁流变抛光工具的加工性能研究

汪忠喜, 朱永伟, 张珑

2018, 38(6): 61-68. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0012

摘要(359)

PDF 1923KB(11)

摘要:
半球谐振子的加工效率是影响半球谐振陀螺仪应用的主要因素。在环形磁流变抛光方式的基础上，提出平面化类比的简化加工抛光器并探索其加工性能。通过单因素探索试验和正交试验研究磁感应强度、抛光器转速、加工间隙、金刚石粒径等因素对抛光性能的影响。结果表明：使用环形磁流变抛光器抛光熔石英，当磁场磁感应强度较强，抛光器转速350 r/min，加工间隙0.6 mm，金刚石粒径为0.5~1.0 μm时，石英材料去除率为191.2 nm/min，表面粗糙度R_a值为3.31 nm，抛光效果良好。

Chemical-mechanically polishing large areafree-standing CVD diamond films

ZHANG Pingwei, TONG Tingting, CAI Yunhong

2018, 38(6): 69-72. doi: Code:10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0013

摘要(318)

PDF 1149KB(14)

摘要:
Chemical mechanical polishing is used to polish large area free-standing CVD diamond films with diameters of 66 mm. The influence of polishing plates (iron plate, asphalt plate and soft cushion) and oxidizing agents (K₂S₂O₈ and K₂FeO₄) on polishing results are investigated. Profilometer (tip radius 5 μm), optical microscope and Raman spectroscopy are used to evaluate the polishing effects of the CVD diamond films. Results show that the material removal rate of iron plate is the highest, while the surface polished by soft cushion is the most uniform with roughness of 2 nm. It is also found that the most effective oxidizing agent is K₂FeO₄. In conclusion, the optimum polishing conditions are soft cushion and K₂FeO₄.

单颗磨粒铰珩毛刺截面的仿真与验证

黄建中, 杨长勇, 高绍武, 徐九华

2018, 38(6): 73-79. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0014

摘要(223)

PDF 1787KB(6)

摘要:
通过建立单颗磨粒微切削模型，分析了铰珩毛刺的形成过程。以侧边毛刺截面积为毛刺评价指标，研究了切削深度、切削宽度和刃倾角对毛刺形成的影响规律，并通过试验验证模型的准确性。分析结果显示：工件材料的塑性变形是影响毛刺形成的主要因素，塑性变形量越大，毛刺截面积越大；切削深度、切削宽度增加，毛刺截面积明显增大；刃倾角由负值向正值变化时，由于材料塑性变形量和流动方向的变化，毛刺尺寸逐渐增大。

基于快速面探测方法的碳化硅表面残余应力测量

闫帅, 林彬, 陈经跃

2018, 38(6): 80-85. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0015

摘要(363)

PDF 2074KB(12)

摘要:
陶瓷加工后表面残余应力的测量通常采用一维X射线衍射线探测法，该方法存在测量过程烦琐、效率低、成本高等问题，因此采用新型快速二维面探测X射线衍射残余应力测量方法，对碳化硅陶瓷表面的残余应力进行测量，实验中测量了3种不同品牌碳化硅工件的初始表面和抛光后表面的残余应力。结果表明：此新方法单次测量即可获得样品500点的衍射信息，特别适用于陶瓷材料的应力测量。同时还发现：对于被加工表面的残余压应力，抛光加工最高能够消除近80%的残余应力，但不能改变工件的残余应力分布。

超声辅助磨削专用电源的研制

郑伟帅, 康仁科, 刘津廷, 赵凡, 董志刚

2018, 38(6): 86-91. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2018.6.0016

摘要(276)

PDF 1506KB(9)

摘要:
超声辅助磨削要求超声电源具有稳定的高频输出特性及反应迅速的实时跟踪特性。针对传统超声电源工作频率低、输出功率低、跟踪速度慢等问题，利用STM32F103VET6控制器和直接数字频率合成（direct digital synthesize，DDS）技术，设计并实现专用于超声辅助磨削的具有高频率、高功率和高稳定性的超声电源系统，并采用基于模糊PID（proportion，integral，differential）控制器的频率自动跟踪方法，实现快速准确地频率自动跟踪。使用所设计的超声电源进行电学性能测试及超声辅助磨削加工验证试验，结果表明：所研制的超声辅助磨削专用电源在难加工材料磨削加工中运行良好。