金刚石与磨料磨具工程

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面向航空航天难加工材料磨削过程的模拟与智能控制

赵彪, 雷小飞, 陈涛, 丁文锋, 傅玉灿, 徐九华, 李海

2023, 43(2): 127-143. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.1002

摘要(515)

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PDF 5704KB(100)

摘要:

近年来，钛合金、高温合金、金属间化合物、高强度钢等难加工材料凭借优异性能广泛应用于航空航天领域关键构件。磨削作为难加工材料及关键构件精密制造的终加工方法，对制造质量与生产效率具有直接影响。然而，由于材料的难加工特性以及磨削过程的复杂性，导致磨削过程极易出现磨削力大、磨削温度高、砂轮磨损严重以及加工质量差等问题。本文针对航空航天难加工材料，以磨削加工过程模拟与智能控制技术为主线，总结了磨削过程力、温度、砂轮磨损及表面完整性等方面的研究进展和现存问题。最后，本文针对当前研究存在的主要问题，对未来磨削过程模拟与智能控制技术的发展趋势进行了展望。

可溶性晶体性质对生物骨材料切削质量影响因素探究

郭鹏, 赵韡, 郝宇聪, 杨焘

2023, 43(2): 144-150. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0128

摘要(254)

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PDF 3492KB(28)

摘要:
为了弥补传统磨料水射流可能造成的磨料残存不利于组织愈合且存在毒害影响的不足，采用具有生物相容性的氯化钠、蔗糖和木糖醇3种可溶性晶体颗粒为磨料，通过改变横移速度和靶距对牛股骨进行切削，测量其表面粗糙度和切削深度，探究可溶性晶体性质对生物骨切削质量的影响。结果表明：氯化钠、蔗糖和木糖醇3种可溶性晶体颗粒作为磨料掺入射流束中，能够明显改善纯水射流切削生物骨材料的质量；可溶性晶体的密度、硬度、溶解性和晶体结构等性质对切削质量均有影响，在能够完全切透骨样的情况下，其中的密度差异表现最明显，密度小的可溶性晶体加工得到的骨样粗糙度更小；在不能够完全切透骨样的情况下，其中的溶解性差异表现最明显，溶解速度慢的晶体加工得到的骨样切削深度更大。在试验设计的参数条件下，3种可溶性晶体射流都能够完全实现生物骨材料的稳定切割，用密度最小的木糖醇颗粒为磨料切削时，在压力为280 MPa，横移速度为10 mm/min，靶距为1 mm时，表面粗糙度值R_a最小，R_a值为3.19 μm；用溶解速度慢的蔗糖为磨料，在压力为280 MPa，横移速度为 10 mm/min，靶距为1 mm时，最大切削深度值为47.15 mm。

烧结压力对低液相Fe基预合金钻头胎体性能的影响

王志明, 方小红, 孙武成, 段隆臣, 谭松成, 章文姣

2023, 43(2): 151-160. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3007

摘要(311)

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PDF 5410KB(34)

摘要:
在烧结温度为950 ℃、保温时间为5 min及不同烧结压力条件下开展热压烧结试验，对比研究烧结压力对3种低液相Fe基预合金钻头胎体和1种传统Fe基钻头胎体性能的影响，具体包括胎体压入硬度、抗弯强度、致密度和金刚石包镶强度等力学性能，以及金刚石的热损伤情况和钻头胎体的微观组织结构与形貌特征等。结果表明：随着烧结压力增大，低液相空白胎体的压入硬度、抗弯强度和致密度逐渐增大，而传统Fe基空白胎体的压入硬度和抗弯强度呈现先增大后减小的趋势，其致密度为增大趋势；对于含金刚石的胎体，低液相与传统Fe基胎体抗弯强度均随烧结压力增大而增大，当烧结压力为20 MPa时，继续增大压力，低液相含金刚石胎体的抗弯强度趋于稳定，而传统Fe基含金刚石胎体的抗弯强度略有下降。同时，随着烧结压力的增大，低液相胎体的均一性明显增强，但金刚石的热损伤加剧。综合胎体的力学性能与断口形貌特征，优选的烧结压力为20 MPa，此时的低液相Fe基预合金胎体硬度、抗弯强度可满足孕镶金刚石钻头需要。

基于SPH方法的钢筋混凝土切削模拟研究

谭松成, 石恒超, 王伟雄, 方小红, 段隆臣

2023, 43(2): 161-169. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3006

摘要(248)

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PDF 4266KB(26)

摘要:
钢筋混凝土材料目前已得到广泛应用，但其加工切削过程十分复杂。为解决常规有限元模拟中网格变形尺寸有限的局限性，采用光滑粒子流体动力学（SPH）算法模拟研究金刚石磨粒对钢筋混凝土的切削破碎过程。在数值模拟中，根据金刚石出刃状态将其简化成方形、圆形2种磨粒，并以0.45 mm/ms的速度和0.1 mm的切削深度对钢筋、混凝土和不同组合的钢筋混凝土材料进行表面切削，分析不同情况下的基体碎屑形态特征、切削后基体材料表面形态变化、内部裂纹延伸变化以及磨粒切削面上的应力变化情况。模拟结果表明：SPH方法能够较好地模拟钢筋混凝土在切削过程中的裂纹扩展、碎屑形成和分离；磨粒在切削过程中受到间断性冲击后，会优先破坏混凝土和钢筋材料之间的连接强度，使2种材料逐渐分离，且磨粒以面切削方式进行加工时，相较于点切削方式，能够形成更大的破碎区域。

固体润滑剂表面金属化及其对Fe基钻头胎体力学性能的影响

管成凯, 郑朝文, 余思琴, 谭松成, 章文姣

2023, 43(2): 170-175. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3008

摘要(275)

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PDF 2162KB(32)

摘要:
自润滑孕镶金刚石钻头可为月球钻探难题提供新的技术方案，但固体润滑剂与钻头胎体之间湿润性较差，会导致胎体物理力学性能下降。研究固体润滑剂MoS₂、WS₂、CaF₂自身材料特性差异及其对表面化学镀覆效果的影响，并探究了固体润滑剂镀覆前后对钻头胎体压入硬度和抗弯强度的影响。结果表明：化学镀可实现对上述3种固体润滑剂的表面镀镍处理，但镀覆效果存在一定差异；在相同体积浓度条件下，MoS₂和WS₂表面金属化能提升自润滑孕镶金刚石钻头胎体的力学性能，但CaF₂的效果不明显。

超纳米金刚石薄膜的快速生长及结构分析

位少博, 王兵, 熊鹰

2023, 43(2): 176-181. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0122

摘要(262)

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PDF 2091KB(35)

摘要:
采用微波等离子体化学气相沉积（microwave plasma chemical vapor deposition，MPCVD）技术，通过调节微波功率制备不同温度条件下的超纳米金刚石（ultrananocrystalline diamond，UNCD）薄膜。比较分析反应源激活功率及基体温度对UNCD膜生长和组成结构的影响，以期获得高质量UNCD膜材的快速生长工艺技术。采用SEM、XRD、Raman等方法分析表征UNCD薄膜的形貌结构、物相组成和生长速率，同时通过OES光谱监测UNCD薄膜沉积过程中的生长基团状态。结果表明：UNCD薄膜沉积的基体温度范围在450～650 ℃，且随着功率和基体温度增加，OES光谱中CN、C₂基团峰值强度增强，生长速率从0.82 μm/h上升到6.62 μm/h；膜材中晶粒尺寸稍有增加，但平均晶粒尺寸均小于10.00 nm，且表面更加平整光滑，形成更有利于力学性能的表面形貌。因此，采用二异丙胺液态小分子为反应源，同时施加更高的微波功率，在更高的基体温度下沉积是快速生长高质量UNCD膜的有效工艺途径。

多孔磁性钢渣磨料的制备与性能表征

裴晶晶, 张玉柱, 邢宏伟, 霍文青, 任倩倩

2023, 43(2): 182-187. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0058

摘要(240)

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PDF 4098KB(20)

摘要:
为有效解决钢渣导致的环境污染、资源浪费等问题，开拓钢渣应用的新领域，结合气淬工艺，以钢渣为主要原料制备多孔磁性钢渣磨料，并利用场发射扫描电镜、高性能全自动压汞仪、磁强计等对钢渣磨料的微观形貌、孔隙结构、磁性能及其力学性能、研磨性能进行表征。结果表明：钢渣磨料呈单分散的球形，其表面和截面内存在圆形或椭圆形排列的无序气孔。磨料样品的孔隙率为37%～45%，孔体积为0.18～0.23 mL/g；在外加磁场作用下，随磨料样品粒径增大，其磁滞回线向顺时针方向偏移，且呈一条狭窄的“S”型封闭曲线；磨料样品表现出典型的亚铁磁性，可有效改善铝合金工件表面质量，加工后工件表面粗糙度R_a由 3.2 µm降至 0.7 µm。

基于K-Means聚类与凸包检测的金刚石磨粒分割与评价

李弘扬, 方从富

2023, 43(2): 188-195. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0099

摘要(246)

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PDF 4017KB(16)

摘要:
金刚石工具广泛应用于磨削、线锯、研磨等领域，其表面的磨粒特征是影响加工结果与工具性能的重要因素。针对具有复杂背景信息的磨粒图像，提出一种基于K-means聚类与凸包检测的磨粒分割方法，结合二值化、形态学处理、主轮廓提取等相关操作实现磨粒的提取与分割；最终提出磨粒轮廓面积精度η_CAA、磨粒位置误差θ_PE和磨粒数量召回率σ_QR 3个相关指标来评价分割效果。结果表明：金刚石磨粒的平均轮廓面积精度为95.01%，平均位置误差仅为2.93%，平均数量召回率为98.30%，证明了该方法的准确性。

熔盐法合成Ti和TiC镀覆层对金刚石热稳定性的影响

武玺旺, 皇甫战彪, 刘雪坤, 蔡玉乐, 王良文, 程学瑞

2023, 43(2): 196-201. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0054

摘要(284)

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PDF 3663KB(32)

摘要:
金刚石表面金属化处理是提高金刚石制品性能的重要技术手段之一，镀覆层质量对金刚石及其制品的热稳定性和耐磨性都具有重要影响。采用高温熔盐法在金刚石表面成功镀覆Ti和TiC层，利用XRD、SEM对镀覆层的组成和形貌进行表征，并对镀覆后金刚石颗粒的热稳定性进行研究。结果表明：镀覆后金刚石由黄色变为灰黑色，其光学透过率大大降低。在800～900 ℃镀覆时，金刚石表面会形成Ti和TiC复合镀层，但800 ℃时的镀层比较稀疏，甚至出现漏镀现象，而在900 ℃时得到的镀层比较均匀致密；在1 100 ℃镀覆时，镀覆层为TiC，镀覆层较厚而且出现分层、开裂现象。由于镀覆层的保护作用，金刚石的氧化温度增加，失重率大大降低。尤其是在900 ℃时镀覆后，金刚石的失重率由原料的91.3%降至镀覆后的9.3%，热稳定性显著提升。因此，熔盐法合成Ti镀覆层的最佳温度为900 ℃。

镍基钎料真空钎焊镀钨金刚石的研究

王树义, 肖冰, 肖皓中, 孟祥龙

2023, 43(2): 202-209. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0134

摘要(288)

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PDF 3137KB(27)

摘要:
为减轻镍基钎料真空钎焊金刚石接头的热损伤与残余应力，采用镀钨金刚石磨粒代替常规金刚石磨粒并将其钎焊到1045钢基体上，对钎焊镀钨金刚石接头的连接性能、热损伤程度及残余应力进行深入研究与分析。结果表明：镍基钎料对镀钨金刚石磨粒展现出良好的润湿性，与钎焊常规金刚石接头相比，钎焊镀钨金刚石接头在结合界面处的裂纹数量及尺寸明显减小。常规金刚石表面生成了致密有序的板条状Cr₃C₂层，而镀钨金刚石表面则形成了向钎料中生长的无序粒状Cr₃C₂层。在镀层的隔离保护作用下，钎焊后的镀钨金刚石磨粒表面的石墨化程度更低，力学性能更优异。同时，镀钨金刚石表面更薄、形貌更合理的Cr₃C₂层有效地缓解了镀钨金刚石接头内部的残余应力，其最大残余压应力相较于常规金刚石的降低9.43%。

金刚石微粉含量对硅酸钠基导热胶粘接和导热性能的影响

黄雷波, 夏学锋, 杨雪峰, 张鹏, 栗正新, 王来福, 陈梁

2023, 43(2): 210-217. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0085

摘要(245)

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PDF 4191KB(25)

摘要:
为找到导热胶粘接和导热综合性能最佳时的金刚石微粉含量范围，以金刚石微粉含量为变量，研究其对导热胶性能的影响。用硅烷偶联剂对所用不同粒径的金刚石微粉表面进行改性，其中对粒径为60 μm的金刚石微粉先单独进行表面刻蚀处理以增大其比表面积，再将粒径分别为60、20和10 μm的金刚石微粉按质量比为6∶2∶1的配比做填料、水玻璃做基体，制备一种新型无机导热胶。结果表明：同时，导热胶的粘接性能先升高后降低，在金刚石质量分数为60%时粘接性能最佳，拉伸剪切强度为1.98 MPa；随着金刚石含量增加，导热胶的导热性能先升高后降低，当金刚石质量分数为50%时导热性能最佳，导热系数为6.32 W/(m·K)。因而当金刚石质量分数为50%～60%时，导热胶的粘接性能和导热性能最佳。

磁流变弹性体制备及其在精密加工应用研究进展

龙浩天, 路家斌, 胡达, 邓家云, 付有志, 阎秋生

2023, 43(2): 218-232. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0096

摘要(321)

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PDF 5074KB(42)

摘要:
磁流变弹性体（magnetorheological elastomer，MRE）是一种磁控智能材料，可通过调节外加磁场强度对其机械性能（如刚度、弹性模量、固有频率、阻尼能力等）进行连续、可逆的控制，在振动控制、机械工程、土木工程等领域得到了广泛的研究和应用。将MRE作为一种磨抛工具，利用磁场改变其刚度等性能来控制磨抛过程的机械去除，有望在精密加工领域得到广泛的应用。本文介绍了MRE的制备材料、制备方法和工艺，分析了外场（磁场和温度场）对MRE性能的影响规律，阐述了基于磁偶极子理论和宏观力学的本构模型，为MRE制备研究和实际工程应用提供指导，综述了MRE在精密加工领域的应用状况和未来发展方向。利用MRE的磁控性能变化可以较好地应用于精密加工，具有很好的发展前景。

FDMS工艺制备金刚石工具技术浅析

张谦, 张绍和, 王娅妮, 孔祥旺, 何焘, 苏舟

2023, 43(2): 233-240. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0092

摘要(261)

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PDF 3994KB(31)

摘要:
近些年，熔融沉积成形烧结（fused deposition modeling sintering，FDMS）技术迅猛发展，由于其具有能耗低、打印稳定性高、成形设备价格低廉和操作简单等优点，在金刚石工具的制造中具有巨大的发展潜力。对FDMS工艺制备金刚石工具的技术可行性进行了分析，系统论述了FDMS技术的制备工艺流程、打印参数优选以及打印设备优化设计等内容，列举了FDMS制造金刚石超薄片的研究成果，指出了FDMS技术在制造金刚石工具中的关键问题，并对其发展进行了展望。

局部感应钎焊锯片基体的热变形分析

侯超鹏, 李奇林, 丁凯, 雷卫宁, 任维彬, 韩锦锦

2023, 43(2): 241-249. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0097

摘要(301)

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PDF 3640KB(24)

摘要:
针对钎焊锯片基体在高温条件下的热变形问题，在有限元软件中对局部感应钎焊锯片基体的温度、组织以及应力应变场进行分析，研究影响锯片基体变形的因素。结果显示：锯片基体发生的相变主要分布在钎焊工作面上，冷却至室温后主要得到铁素体、珠光体、贝氏体3种组织。当热源的扫描速度增大，基体的变形量以及残余应力都随之增大。当扫描速度从0.25 mm/s增至2.00 mm/s时，相变层厚度从5.8 mm降至4.7 mm，最大变形量从0.41 mm增至0.82 mm，且残余应力从482 MPa增至667 MPa。试验与仿真结果基本一致。

天线反射面表面富树脂层的精密抛光参数对表面粗糙度的影响规律

刘建奇, 康仁科, 田俊超, 董志刚, 鲍岩

2023, 43(2): 250-256. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0044

摘要(269)

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PDF 4970KB(20)

摘要:
针对新一代全碳纤维复合材料天线对反射面表面富树脂层的高质量加工需求，开展富树脂层抛光工艺试验，研究抛光时间、磨粒粒径、磨粒质量分数、加载压力以及抛光转速对富树脂层表面粗糙度的影响规律。结果表明：在当前试验条件下，表面粗糙度随抛光时间的延长先减小后趋于稳定，随着磨粒粒径或加载压力的增大而增大，随磨粒质量分数的升高或抛光转速的增大先减小后增大。在此基础上形成优化工艺参数组合是磨粒粒径为25 nm，磨粒质量分数为20%，加载压力为14.1 kPa，抛光转速为50 r/min，抛光时间为1.0 h，抛光液流量为10 mL/min，用该参数组合加工可获得表面粗糙度S_a为4.73 nm的高质量富树脂层抛光表面。

弹性磁极磨头磁力研磨TC4钛合金的工艺优化

任泽, 朱永伟, 董彦辉, 盛鑫, 王科荣

2023, 43(2): 257-264. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0101

摘要(274)

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PDF 4383KB(26)

摘要:
尽管磁力研磨具有随形加工特性，但使用小磨头磁力研磨大扭曲度工件时，磨头在工件不同位置处的间隙差异，给磁力研磨加工带来了挑战。为了改善磁力研磨的加工表面质量，进一步减小工件间隙差异对表面粗糙度的影响，设计了一种以聚氨酯弹性体为磁极载体的弹性磁极磨头，对其磁场进行仿真分析并验证。在试验中使用黏结法制备的金刚石磁性磨料，比较不同加工间隙下聚氨酯弹性磁极磨头与普通磁极磨头的研磨加工性能，探索主轴转速、进给速度和磨料粒度对钛合金表面粗糙度的影响规律。结果表明：在工艺参数相同的情况下，聚氨酯弹性磁极磨头的加工性能优于普通磁极磨头的；使用聚氨酯弹性磁极磨头，在主轴转速为800 r/min，加工间隙为2.0 mm，进给速度为5 mm/min，磨料粒径范围为62～90 μm时，磁力研磨加工效果最优，经过12 min的研磨加工，TC4钛合金的表面粗糙度R_a从最初的0.350 μm降至0.039 μm，表面粗糙度改善率达到89%。试验结果验证了聚氨酯弹性层的弹性及仿形特性对TC4钛合金加工表面质量的提升作用。

喷油嘴喷孔流道磨料流光整特性仿真与试验

李孟楠, 董志国, 郑志鑫, 王硕

2023, 43(2): 265-271. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0142

摘要(260)

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摘要:
喷油嘴喷孔流道入口有一定入口倒角和喷孔锥度，能通过提高喷油嘴的燃油雾化效果来进一步提高发动机的效率。通过软性流体磨料对喷孔流道进行加工，使喷孔流道入口有一定的入口倒角和喷孔锥度。结果表明：在5 MPa、8 MPa的入口压力下，使用平均粒径为5 μm、质量分数为25%的软性磨料加工800 s后，测得喷孔入口倒角曲率半径分别为0.018 mm和0.010 mm，喷孔流道锥度为1°和3°。在不同的入口压力下，通过polyflow软件对软性流体磨料在喷孔流道的流动特性进行了分析，并通过试验进行验证，发现仿真与试验结果误差在允许的范围内，证明了数值分析的可靠性。