金刚石与磨料磨具工程

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面向多晶金刚石的等离子体高效抛光技术

肖玉玺, 李昕宇, 张永杰, 邓辉

2024, 44(5): 553-562. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0281

摘要(410)

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PDF 4214KB(13)

摘要:
作为一种典型的难加工材料，多晶金刚石的抛光存在着材料去除率低、损伤引入较多、难以获得亚纳米级粗糙度等诸多问题。采用一种基于大气电感耦合等离子体的非接触式加工方法，在纯氩等离子体中引入氧气作为反应气，激发产生高活性氧自由基，并在多晶金刚石表面不同位点处发生差异化刻蚀，最终实现多晶金刚石的高效抛光。研究结果表明：随着含氧等离子体辐照的进行，多晶金刚石表面晶粒尖端位点被快速去除，晶粒间的高度差大幅下降，且金刚石表面粗糙度S_a在30 min内从10.10 μm降低至93.70 nm，材料去除率可达34.4 μm/min，远高于传统的机械或化学机械抛光方法。拉曼光谱与X射线衍射谱分析表明，该抛光方法未引入非晶碳或新应力损伤，不改变多晶金刚石表面晶粒取向。该方法可作为一种多晶金刚石粗抛技术，与化学机械抛光、紫外激发抛光等精抛工艺相结合，显著提升多晶金刚石的综合抛光效率。

金刚石热损伤抑制技术研究现状

张建华, 李昂, 胡婷婷, 杜全斌, 崔冰, 张黎燕, 王蕾, 毛望军

2024, 44(5): 563-574. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0166

摘要(548)

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PDF 3395KB(10)

摘要:
金刚石工具制备过程中的金刚石热损伤主要包括金刚石的石墨化、金刚石的破损开裂和金刚石的化学侵蚀等。针对金刚石热损伤问题，分别从金刚石表面镀覆、胎体材料性能调控和成型技术优化3个方面，介绍了目前金刚石热损伤的抑制技术，并对未来研究方向进行了展望，以期为高性能金刚石工具制备提供参考和指导。

(Ti,Nb)C_x 复合材料的制备与性能表征

邹芹, 任宇, 李艳国, 任海波

2024, 44(5): 575-580. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0164

摘要(778)

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PDF 2043KB(0)

摘要:
以TiC与过渡族金属Nb为原料，在机械合金化(mechanical alloying , MA)下制备多种非化学计量比的(Ti, Nb) C_x 聚晶金刚石（polycrystalline diamond, PCD）刀具结合剂。通过X射线衍射仪对复合材料烧结体的物相组成等进行分析，再通过扫描电子显微镜对复合材料的断口形貌进行观察，并用维氏硬度计测量复合材料的硬度和断裂韧性。结果表明：在1300 ～ 1700 ℃的范围内，温度越高TiC和 Nb的固溶程度越好；在同一烧结温度下，(Ti, Nb) C_x复合材料的硬度随着金属Nb占比变大而逐渐升高；在同一金属Nb占比下，温度越高Nb与TiC的固溶程度越好。同时， (Ti, Nb) C_0.5复合材料的力学性能最优，在1600 ℃时达到硬度最大值23.0 GPa，且其断裂韧性最高为7.20 MPa·m^1/2。

金属包覆FeCuNi粉末对金刚石工具胎体性能的影响

曹新民, 鲍丽, 李振, 程传卫, 陈鹏, 潘建军, 于奇, 于新泉, 陈生超

2024, 44(5): 581-587. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0174

摘要(27)

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摘要:
为解决Co基金刚石工具成本高，Fe基金刚石工具烧结温度高、把持力弱、胎体易烧死等问题，通过化学法将Cu、Sn、Bi等金属分别包覆于FeCuNi合金粉末表面，制备成金属包覆FeCuNi合金粉末。结果表明：配方中添加金属包覆FeCuNi合金粉末后，三点抗弯强度提高近20%；金属包覆FeCuNi合金粉末烧结过程中，FeCuNi颗粒表面的Sn、Bi率先熔化，与Cu反应形成的Cu-Sn、Cu-Bi等液相能够形成连续的网络状结构，将FeCuNi、Fe、Ni等颗粒包裹和黏结，使得金刚石工具胎体的成分和组织结构分布更加均匀、更加致密，避免了成分偏析的发生。通过以上试验得到初步结论，金属包覆FeCuNi合金粉末可等效替代贵重金属Co，极大地降低金刚石工具生产成本，具有显著的经济效益。

基于CBAM-ResNet50的金刚石颗粒净度检测方法

费文倩, 赵凤霞, 杜全斌, 王庆海

2024, 44(5): 588-598. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0153

摘要(17)

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摘要:
针对金刚石颗粒净度传统检测方法效率低、准确率差的问题，提出了一种基于迁移学习和改进ResNet50的金刚石颗粒净度检测算法CBAM-ResNet50。该算法通过在ResNet50主干网络的每层中增加CBAM，以提升模型特征的提取能力；且在主干网络的Layer3和Layer4中融入FPN结构，对提取的特征进行部分特征聚合，来解决采样过程中小目标特征易丢失的问题；同时引入迁移学习方法，用交叉熵损失函数优化模型的初始参数，提升模型的泛化能力。结果表明：在学习率设置为0.000 1时，提出的CBAM-ResNet50模型训练准确率达到99.2%；根据混淆矩阵计算得到模型的精确度在99.20%以上，特异性在99.70以上%，F1分数在99.20%，分类召回率在98.70%以上，优于其他主流分类网络的结果，有效提高了金刚石颗粒净度检测的识别能力。

脊形PDC齿的机械性能和破岩效果

谢志涛, 赵宇璇, 郭勇, 吴德胜, 李亚东

2024, 44(5): 599-606. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0172

摘要(350)

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摘要:
以地层特性为依据有针对性地选择PDC异形齿，可以降低其失效的概率并提高其机械钻速和进尺。为了综合对比脊形PDC齿的机械性能和破岩效果，对165斧形、135斧形、三刃3种脊形PDC齿的耐磨性能和抗冲击性能进行测试，随后选择花岗岩进行3个吃入深度的单齿切削试验和不同压力下的全尺寸钻头模拟钻进试验，并与普通圆形齿的结果进行对比。结果表明：3种脊形PDC齿的耐磨性能均优于圆形齿的；165斧形齿与三刃齿的抗冲击性能优于圆形齿的，而135斧形齿的冲击点缺少材料支撑，其抗冲击性能较差。在相同吃入深度下，脊形齿的切向力与法向力均低于圆形齿的相应力，且脊角越小切削力越小。135斧形齿的机械钻速最快且适合高钻压；与165斧形齿比较，三刃齿在≤20.0 kN的低钻压下机械钻速较快，在＞20.0 kN的高钻压下机械钻速较慢；圆形齿的机械钻速最慢，所适合的钻压也较低。同时，当脊形齿的脊角变化时，其冲击点的材料支撑也发生改变，进而影响其抗冲击性能；且脊角变化会改变前方岩石内部的应力集中，进而改变其破岩效果。

SiCp/Al复合材料纳米压痕/划痕下的脆塑性行为研究

刘亚梅, 王佳力, 谷岩, 吴爽, 李震

2024, 44(5): 607-620. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0165

摘要(19)

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PDF 6697KB(3)

摘要:
为探究SiCp/Al复合材料中两相材料相互作用引起的力学性能差异，研究微观尺度下法向载荷变化对SiCp/Al复合材料形变和去除的影响。采用纳米压痕实验，基于Oliver-Pharr法测得其硬度和弹性模量，并对其压痕表面进行观察，结合有限元仿真分析产生力学性能差异的原因；同时，根据纳米压痕实验所得力学参数进行变载荷纳米划痕仿真，并配合实验后划痕表面观察结果分析材料的形变和脆塑性行为。结果表明：当金刚石压头作用于SiC颗粒时，颗粒出现破碎和二次压入现象，所测硬度与弹性模量小于单晶SiC的理论值；当金刚石压头作用于基体相时，由于SiC颗粒阻碍基体压入，复合材料的硬度与弹性模量测量结果偏大。在纳米划痕过程中，复合材料的去除形式随载荷变化体现为划擦、耕犁和切削阶段，其中的基体相通过塑性流动产生塑性脊堆积并伴随有涂覆现象，SiC颗粒则以脱黏、断裂破碎和拔出等脆性机制而去除，且SiC颗粒的二次压入、断裂、破碎和拔出是导致复合材料力学性能与单晶SiC的力学性能产生巨大差异的主要原因。随着划痕载荷增加，SiC体积分数为45 %的SiCp/Al复合材料的去除机制更多取决于以塑性去除为主的基体相，而SiC颗粒则主要表现为脆性去除。

基于扇形同心环模型的蜗杆磨修整滚轮CVD匹配分析

雷来贵, 陈恩厚, 赵延军, 王威, 吴佳璐, 古龙辉, 吴武山, 李远

2024, 44(5): 621-631. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0230

摘要(12)

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摘要:
齿轮作为重大装备的核心基础部件，其齿面精度最终靠磨齿工序保证。电镀蜗杆磨修整滚轮作为磨齿工序用蜗杆砂轮修整不可或缺的精密加工工具，间接决定了齿轮的加工质量以及制造成本。但电镀蜗杆磨修整滚轮的齿形呈三角形结构，其齿顶磨粒附着难度大、修整状况恶劣，且齿顶相比齿侧提前失效，造成滚轮提前报废。CVD齿顶增强技术作为当前修整滚轮制造的关键技术，可有效解决上述问题。借助扇形同心环模型，搭建电镀蜗杆磨修整滚轮的磨粒分布理论模型，采用赋值法对模型进行理论分析。结果表明：当CVD材料一定时，CVD的匹配数量主要决定于滚轮模数，并与滚轮模数呈一定的线型负相关关系；且与滚轮尖角圆弧有关，与滚轮压力角关系不大。通过白刚玉砂轮修整实验，发现理论模型与实际测试结果仅存在5%细微差距，可为滚轮返修保留修整余量，进而延长工具使用寿命，降低齿轮制造成本。

基于刃磨工艺的超硬刀具复合倒棱仿真与实验分析

李鹤, 石广丰, 吕红兵, 杨永明, 李胜, 朱立春

2024, 44(5): 632-643. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0223

摘要(320)

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PDF 6459KB(2)

摘要:
为了改善圆弧刃倒棱聚晶金刚石（poly crystalline diamond，PCD）车刀加工有色金属的光亮程度，特在圆弧刃倒棱车刀基础上进行二次倒棱处理，使其形成复合倒棱结构。在CATIA软件中根据COBORN RG9磨床实际刃磨PCD倒棱刀具的工艺，建立圆柱形后刀面复合倒棱车刀三维模型，使用Deform V11.0软件进行PCD复合倒棱车刀的三维切削仿真分析，并根据仿真分析结果进行PCD复合倒棱车刀与PCD一阶倒棱车刀的切削实验对比。结果表明：复合倒棱结构只在较大的切削深度时才有提升工件光亮度的作用；在相同切削深度下，PCD复合倒棱车刀的切削温度小于PCD一阶倒棱车刀的；在切削深度为0.14 mm时，随着切削时间增加，PCD复合倒棱车刀加工零件的表面粗糙度要小于PCD一阶倒棱车刀的。结合PCD刀具的最终磨损状态发现，PCD复合倒棱车刀对切削后工件的捋平效果更佳，工件的光亮度更高，其抗磨损性能更好。

砂轮表面的磨料球自组装叶序排布原理

李胜泽, 吕玉山, 李兴山, 南杰洪

2024, 44(5): 644-651. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0184

摘要(21)

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PDF 2909KB(2)

摘要:
为实现磨料球在砂轮基体表面有序化的自组装，提出一种叶序排布磨料球砂轮的自组装制造方法。从有界空间球体最密堆积结构原理与植物组织的柱面叶序结构理论出发，设计一种磨料球自组装砂轮的实验方法。首先对磨料球自组装过程进行仿真分析，然后探讨相关尺寸参数与自组装结构之间的关系，并经过计算得到不同尺寸参数下磨料球自组装结构。结果表明：通过自组装方法能实现磨料球在砂轮基体表面的叶序排布；当磨料球直径恒定时，磨料球在砂轮基体表面形成的叶序排布结构的叶序系数随着砂轮基体直径的增大而减小；当砂轮基体直径恒定时，磨料球在砂轮基体表面形成的叶序排布结构的叶序系数随着磨料球直径的增大而增大。

磨料流加工均匀性仿真物理模型的选用与简化方法

史苏芳, 张保财, 王夏宇, 王新昶

2024, 44(5): 652-664. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0267

摘要(284)

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摘要:
新能源汽车齿轮磨齿加工后的精密抛光对于改善其噪声、振动和声振粗糙度性能至关重要，磨料流加工是最适用于复杂齿面高效抛光的关键技术之一，而夹具设计是实现工艺目标（减小波纹度及粗糙度，同时尽量不破坏齿面精度）的关键。结合仿真方法设计磨料流加工夹具优势突出，但物理模型的选择与仿真结果的准确性和计算成本之间存在着矛盾。采用不同黏度介质、黏度模型和流动模型进行仿真试验，分析体现加工均匀性的流体压力分布、速度矢量、壁面剪切力和流线分布云图，探究狭缝模型中磨料流稳态仿真结果，发现不同物理模型的仿真结果具有相似的分布趋势，能够实现加工区域流线的一致，证明了用简化的物理模型替代复杂的物理模型进行夹具优化仿真的可行性，而复杂模型有望用于深入分析磨料流体流动行为及材料去除机理。基于简化模型，采用最简单的牛顿流体──水作为介质，以加工区域流线分布均匀化作为优化目标，进行齿轮轴磨料流夹具设计优化，成功实现了去除齿轮鬼阶的目标。

低温微磨料气射流加工的硬脆材料耐冲蚀性能对比

徐朋冲, 孙玉利, 张桂冠, 康诗杰, 卢文壮, 孙业斌, 左敦稳

2024, 44(5): 665-674. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0220

摘要(13)

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摘要:
低温微磨料气射流加工硬脆材料时，其变脆易被冲蚀去除。对碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）、钇稳定氧化锆（YSZ）、99氧化铝（99 Al₂O₃）、石英玻璃5种硬脆材料进行低温微磨料气射流加工对比实验，探究加工压力、冲击加工角度及加工次数等工艺参数对5种硬脆材料的冲蚀去除率、低温冲蚀槽三维形貌及表面轮廓的影响，优选出低温下耐冲蚀性能良好的硬脆材料。结果表明：随着加工压力和加工次数增加，5种材料的冲蚀去除率都不断增大；随着冲击加工角度变化，5种材料的低温冲蚀槽体积也在变化，并在加工角度为90°的垂直加工角度附近时达到最大；在相同的加工工艺参数下，Si₃N₄材料的冲蚀去除率最小，其最大低温冲蚀槽深度只有20 μm，SiC材料的与其相差不大，YSZ和99 Al₂O₃的冲蚀去除率依次增大，但石英玻璃材料的冲蚀去除率最大且远大于其他4种材料的。同时，Si₃N₄的低温冲蚀槽槽形不明显，且其表面较平整，去除量最小，因而耐冲蚀性能最佳。

单晶碳化硅电化学机械抛光液的组分设计与优化

顾志斌, 王浩祥, 宋鑫, 康仁科, 高尚

2024, 44(5): 675-684. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0246

摘要(21)

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摘要:
单晶碳化硅具有高硬度和高化学惰性，化学机械抛光方法难以同时保证其加工效率和表面质量。电化学机械抛光具有较高的材料去除率，是加工碳化硅的一种有效方法。然而，目前针对碳化硅电化学机械抛光液的相关研究还较为缺乏。为此，首先通过单因素实验确定电化学机械抛光液中导电介质和磨粒种类，然后分析导电介质和磨粒浓度以及抛光液pH值对材料去除率和表面粗糙度的影响规律，最终确定抛光液的最佳参数。结果表明：在抛光液以NaCl为导电介质，SiO₂为抛光磨粒时，碳化硅具有较好的抛光效率和表面质量，其材料去除率和表面粗糙度随着NaCl浓度的增大而增大，随着磨粒浓度的增加先增大后趋于稳定；当NaCl浓度为0.6 mol/L、SiO₂质量分数为6%、抛光液pH值为7时，可以兼顾碳化硅抛光的材料去除率和表面粗糙度S_a，其值分别为 2.388 μm/h和0.514 nm。

渐开线磁极组研磨双面的相对角度试验

刘杰, 焦安源, 薄啟帆, 丁云龙, 陈燕

2024, 44(5): 685-694. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0185

摘要(18)

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摘要:
为解决钛合金TC4表面的凸起、划痕和微裂纹等缺陷问题，提出一种对立磁极组产生相对角度的双面磁粒研磨方式，从而提高其研磨效率。在双面旋转研磨试验的基础上，对磁性磨粒进行受力分析，通过渐开线排布磁石的设计，对比该磁极下磁感应强度的变化，进而分析对立磁极组产生相对角度的磁场梯度对表面质量的影响规律，最后进行表面粗糙度变化检测，以及对研磨前后的工件表面微观形貌检测。结果表明：采用渐开线排布磁石，覆盖面积相对较大并且磁场分布均匀；相对角度$ {10}{\text{°}} $双面研磨时，磁场梯度变化较大，有利于磁性磨粒的及时翻滚。工件正面的表面粗糙度R_a由初始的0.458 μm降至0.116 μm，表面高度差由原始的43.3 μm降至7.8 μm；工件反面的表面粗糙度R_a由初始的0.434 μm降至0.111 μm，表面高度差由原始的44.2 μm降至8.4 μm。通过渐开线排布磁石产生相对角度的研磨加工，工件表面的凸起、划痕、沟壑和微裂纹等缺陷得到明显改善，工件双面同时研磨，提高了研磨效率。