金刚石与磨料磨具工程

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超声加工技术的研究现状和发展方向简介

赵波

2020, 40(1): 1-4.

摘要(382)

PDF 778KB(47)

摘要:

硬脆材料超声辅助磨削技术研究现状及展望

丁凯, 李奇林, 苏宏华, 陈玉荣

2020, 40(1): 5-14. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0001

摘要(755)

PDF 1324KB(74)

摘要:
硬脆材料具有高强度、高硬度、低密度等特点，用传统方式加工时损伤大、效率低，而超声辅助磨削具有磨削力小、加工质量优等优点，在硬脆材料加工领域具有独特优势。从不同振动维数及振动方向与磨削表面位置关系的角度出发，总结了不同类型超声辅助磨削加工的机理及特性，在此基础上探讨了硬脆材料超声辅助磨削的延性域加工机理、超声振动参数与磨削用量匹配性的研究现状，并对今后超声辅助磨削领域应重点关注的研究方向进行了展望。

超声振动辅助ELID复合内圆磨削系统中大负载变幅器的设计及应用

贾晓凤, 赵波

2020, 40(1): 15-23. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0002

摘要(459)

PDF 1904KB(11)

摘要:
为解决超声振动辅助ELID复合内圆(UAEI)磨削陶瓷等硬脆材料的声学系统设计难题，对驱动几何尺寸大、质量重的金属结合剂金刚石砂轮用的小端较长的变幅器进行理论设计及优化。基于弹性波在介质中的传播规律，利用MATLAB确定变幅器取值方案，再根据加工要求并结合ANSYS模态分析筛选出符合要求的方案，然后采用零阶算法进一步优化处理，得到满足几何尺寸、应力及振动频率要求的变幅器尺寸。对设计出的变幅器进行振动特性测试，其谐振频率理论误差为0.192%～1.824%，符合预期设计要求。采用研制出的UAEI磨削系统进行加工特性测试，与在线电解修整砂轮(ELID)内圆磨削比较，其工件的表面粗糙度降低了44.2%，且工件三维形貌更加平整，砂轮表面状况获得改善。

基于旋转超声振动的氧化锆陶瓷小孔磨削加工质量研究

王宗伟, 丛岩

2020, 40(1): 24-28. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0003

摘要(437)

PDF 1233KB(15)

摘要:
针对陶瓷材料小孔加工质量较差以及加工成本较高等问题，设计一种基于旋转超声辅助的氧化锆陶瓷小孔磨削加工工艺。首先分析旋转超声加工原理，然后在超声振动条件下利用金刚石刀具对氧化锆陶瓷小孔进行单因素磨削加工试验，并对小孔的内壁进行形貌分析和粗糙度检测，最后研究主轴转速、超声功率以及进给速度对小孔表面粗糙度的影响规律。研究结果表明：与普通磨削方式相比，在旋转超声辅助加工条件下，小孔表面质量和残余应力都得到较大改善，当超声功率达到300 W时，加工后的小孔表面粗糙度下降了52%，加工精度明显提高。

金刚石磨粒超声振动刻划BK7玻璃的亚表面损伤研究

王洋

2020, 40(1): 29-33. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0004

摘要(423)

PDF 1267KB(16)

摘要:
针对光学玻璃磨削加工中出现的加工困难、工件表面质量较差以及工件内部损伤严重等问题，提出超声振动辅助加工方法对BK7玻璃进行刻划，研究超声振动功率、刻划速度和刻划深度对亚表面裂纹的影响规律。研究结果表明：超声刻划相比于普通刻划，亚表面裂纹深度最大下降了19.7%；随着刻划速度的增大，刻划后沟槽底部的亚表面裂纹最大深度逐渐增大；随着沟槽截取深度的增加，亚表面裂纹最大深度整体上呈逐渐上升的趋势并出现明显的分级情况。

ECR微波等离子体对单晶金刚石表面的碳纳米墙修饰

衡凡, 廖学红, 曹为, 付秋明, 许传波, 赵洪阳, 马志斌

2020, 40(1): 34-38. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0005

摘要(417)

PDF 1430KB(14)

摘要:
利用电子回旋共振(ECR)微波等离子体，在CH₄/H₂体系下，对高温高压单晶金刚石表面进行了碳纳米墙修饰。通过等离子体发射光谱研究ECR等离子体内基团的谱线强度在不同工作气压、CH₄浓度下的变化规律，结合扫描电子显微镜对单晶金刚石表面的微观形貌进行分析，进一步研究了工作气压和CH₄浓度对碳纳米墙修饰结果的影响。结果表明：碳纳米墙的取向性受工作气压影响大，低气压(0.07 Pa)条件下生长的碳纳米墙垂直取向明显，金刚石表面也出现垂直刻蚀形貌；在高气压(5 Pa)条件下生长的碳纳米墙取向性较差。同时，碳纳米墙生长的临界CH₄浓度也与工作气压有关：低气压条件下碳纳米墙生长的临界CH₄浓度高，工作气压为0.07 Pa时，碳纳米墙生长的临界CH₄浓度为3%；工作气压升至5 Pa时，碳纳米墙生长的临界CH₄浓度降为1%，碳纳米墙密度随CH₄浓度升高而增大。

含硼金刚石单晶的研究现状

祁莉霞, 蔡玉乐, 王裕昌

2020, 40(1): 39-45. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0006

摘要(419)

PDF 943KB(38)

摘要:
本文介绍了含硼金刚石的结构特征和硼原子在金刚石单晶中的存在形式，概述了含硼金刚石单晶的电学性能、耐热性能等，总结了行业含硼金刚石单晶的制备方法及存在的主要问题，并对其发展趋势进行了展望。

不同结合剂原料放电等离子烧结制备TiC/Ti₃SiC₂复合结合剂金刚石复合材料

张玲杰, 张旺玺, 梁宝岩

2020, 40(1): 46-49. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0007

摘要(428)

PDF 1512KB(12)

摘要:
分别以Ti/Si/2TiC混合粉体和Ti₃SiC₂单相粉体作为结合剂原料，采用放电等离子体烧结技术合成了TiC/Ti₃SiC₂结合剂金刚石复合材料，探讨不同的结合剂原料和保温时间对TiC/Ti₃SiC₂结合剂金刚石复合材料的物相构成、微观形貌以及磨削性能的影响。结果表明：采用Ti/Si/2TiC为结合剂原料，保温1 min时，会形成较多量的Ti₃SiC₂，Ti₃SiC₂基体与金刚石结合良好，二者之间没有孔隙；当保温5 min时，Ti₃SiC₂发生分解，基体主相转变为TiC，同时有一定量的Si，金刚石表面被侵蚀，形成凹凸不平的表面。采用Ti₃SiC₂为结合剂原料时，Ti₃SiC₂基体发生严重的分解，生成TiC和Si；金刚石与基体间存在一个过渡层，厚度约15 μm。Ti/Si/2TiC为结合剂原料保温1 min时试样的磨耗比值最大，为1 128。单相Ti₃SiC₂为结合剂的2个试样的磨耗比值约为100左右。

电镀金刚石线锯镀镍层力学性能及磨粒把持力研究

谢乾, 葛培琪, 孟剑峰, 毕文波, 马晓宾, 郑楚夕, 龚洋

2020, 40(1): 50-55. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0008

摘要(487)

PDF 1210KB(37)

摘要:
电镀工艺参数直接影响电镀金刚石线锯镀镍层的力学性能且难以测定。按金刚石线锯电镀工艺制备电镀试件，利用纳米压/划痕仪、X射线衍射仪测试试件的力学性能，得镀镍层的硬度、弹性模量、残余应力以及镀镍层与线锯基体的结合强度。简化计算镀镍层对金刚石磨粒的把持力。根据试验获得的镀镍层力学参数建立磨粒把持力有限元模型并进行仿真分析。简化计算与仿真分析的结果一致性较好。

烧结制度对陶瓷结合剂金刚石砂轮的蜂窝状组织结构的影响

苗卫朋, 丁玉龙, 骆苗第, 熊华军

2020, 40(1): 56-60. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0009

摘要(423)

PDF 1826KB(25)

摘要:
采用空间占位法和固态粒子烧结法制备具有蜂窝状结构的超细粒度的陶瓷结合剂金刚石砂轮。通过考察砂轮的微观形貌、气孔率和抗折强度等性能，研究烧结制度对制备砂轮蜂窝状结构的影响。结果表明：制备具有蜂窝状结构的砂轮的最佳烧结温度为750 ℃，保温时间为90 min，得到的砂轮的孔隙率约为78%，抗折强度约15 MPa。

划片刀配方对砷化镓晶圆切割崩裂的影响

张迪, 崔庆安, 祝小威, 闫贺亮

2020, 40(1): 61-66. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0010

摘要(420)

PDF 1529KB(40)

摘要:
利用试验设计方法(design of experiment, DOE)，以不同配方的划片刀划切砷化镓晶圆，并检测其正、背、侧面的崩裂尺寸，找出划片刀配方对砷化镓晶圆切割崩裂尺寸的影响规律。研究表明：划片刀的磨料粒度与砷化镓晶圆切割质量密切相关，即磨料粒度越细，正、背、侧面崩裂尺寸越小；而磨料浓度和结合剂强度与砷化镓晶圆正、背、侧面的切割质量相关性并不显著。可通过缩小磨粒尺寸的方式提高划切质量，并视情况调整磨料浓度和结合剂强度。

研磨温度对亲水性固结磨料垫加工性能的影响

张嘉倩, 沈功明, 唐超, 朱永伟

2020, 40(1): 67-73. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0011

摘要(331)

PDF 1562KB(10)

摘要:
研磨温度的升高会引起树脂基体模量的变化，从而影响亲水性固结磨料垫的加工性能。通过有限元分析软件仿真了亲水性固结磨料垫在不同研磨液温度下研磨石英玻璃的瞬态温度场，研究了不同温度条件下固结磨料垫基体的溶胀率与砂浆磨损量，探索了固结磨料垫在不同研磨液温度下的加工性能。结果表明:随着研磨液温度的升高，基体温度分布区间也随之改变，固结磨料垫基体的溶胀率与砂浆磨损量均增加，分别达到了1.43%与2.5 mg；温度升高使基体动态模量减小，材料去除率(material removal rate，MRR)和表面粗糙度R_a得到了改善，分别为8.2 μm/min和69.9 nm。因此适当提升研磨温度，能在一定程度上提高固结磨料垫的加工性能。

低压力下环保型络合剂和氧化剂对铝合金化学机械抛光的影响

朱玉广, 王永光, 钮市伟, 谢雨君, 雷翔宇

2020, 40(1): 74-78. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0012

摘要(461)

PDF 1196KB(10)

摘要:
在低平坦化压力下用壳寡糖(COS)环保型络合剂及H₂O₂氧化剂化学机械抛光铝合金，用原子力显微镜观测抛光后的表面质量，并用X射线光电子能谱仪分析其表面的钝化膜元素，用纳米压痕仪分析钝化膜的力学性能，研究COS及H₂O₂对铝合金CMP的作用机理。结果表明：H₂O₂质量分数为2%时，材料去除率随COS含量的增加而增大，当COS质量分数为0.32%时，材料的去除速率达861 nm/min，表面粗糙度最低为2.50 nm；COS质量分数为0.50%时，材料去除率随H₂O₂含量的增加先增大后减小，当H₂O₂质量分数为1.2%时，材料的抛光去除速率达840 nm/min，同时其表面粗糙度为3.52 nm。加入COS络合剂会在铝合金表面形成主要成分为Al-COS、Al₂O₃和Al(OH)₃的弱钝化膜。

单晶SiC基片的化学机械抛光技术研究进展

邓家云, 潘继生, 张棋翔, 郭晓辉, 阎秋生

2020, 40(1): 79-91. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0013

摘要(1171)

PDF 1979KB(113)

摘要:
单晶SiC因其优异的物理化学性质而成为重要的外延衬底材料，广泛应用于卫星通信、集成电路和消费电子等领域。衬底外延生长需要单晶SiC具有较低的加工表面损伤和残余应力的超光滑平坦表面，其表面质量决定了后续的外延层质量并最终影响器件的性能。化学机械抛光(CMP)是目前实现单晶SiC基片超精密加工的一种常用且有效方法。我们综述了单晶SiC基片化学机械抛光加工的研究现状，根据加工原理进行归类并分析了各种类别的优缺点及运用局限，指出了其在化学机械抛光领域的发展前景。

基于有限元理论分析切削振动对CBN刀具磨损的影响

朱楠

2020, 40(1): 92-98. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0014

摘要(458)

PDF 1997KB(21)

摘要:
研究用CBN刀具切削钛合金Ti-6Al-4V材料时，切削振动对刀具磨损的影响情况。用有限元分析技术，设计正交试验，分析不同方向切削振动幅度和振动频率对刀具表面应力、刀具温度的影响，研究切削振动条件下的刀具磨损情况。有限元仿真结果表明：X方向振动对刀具表面应力和温度影响较小，且规律性影响不明显，因此X方向振动并未加重刀具磨损；Y方向振动对刀具表面应力和温度影响较大，刀具表面应力和温度随着Y方向振动幅度和频率增加而增大和升高，刀具磨损加重；当X方向和Y方向均存在振动时，刀具表面应力和温度也随着振动幅度和频率增加而增大和升高，刀具磨损严重。利用实际切削试验对有限元分析结果进行验证，发现振动对刀具磨损影响较大，与有限元分析结果基本一致。

PCBN刀具切削镍基合金时的氧化与扩散磨损分析

胡小龙, 邵芳, 王仁伟

2020, 40(1): 99-102. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0015

摘要(326)

PDF 1081KB(13)

摘要:
通过切削试验研究PCBN刀具切削镍基合金的磨损机理，结合物质吉布斯自由能函数法分析了刀具前、后刀面氧化磨损的反应发生机理的差异性，得出发生氧化磨损的主要氧化反应方程式；并运用热力学溶解理论模型计算氮化硼在镍基合金不同元素中的溶解度，得出前、后刀面扩散磨损过程发生机理的差异性。结果表明：刀具的前、后刀面都发生严重的氧化磨损和扩散磨损，元素的扩散溶解加剧了扩散磨损的发生。

耐冲击型金刚石圆锯片锯切受力的数值模拟——以钥匙孔水槽底孔中镶铜钉的锯片为例

胡欢, 张云才, 李春林, 赵磊

2020, 40(1): 103-107. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2020.1.0016

摘要(352)

PDF 1417KB(13)

摘要:
建立耐冲击型金刚石锯片锯切受力的有限元分析模型，围绕传统钥匙孔水槽和钥匙孔水槽的底孔中镶铜钉的2种齿形结构，以数值模拟的方式对比研究其锯切受力。仿真结果表明：在承受相同载荷的情况下，钥匙孔水槽底孔中镶铜钉锯片较传统钥匙孔水槽锯片在锯切受力时的变形、应力方面都得到了明显改善，其变形量减少6.36%，第一、第三主应力分别降低38.04%和41.36%。在钥匙孔水槽的底孔镶入铜钉的方式可以提高锯片的耐冲击性，适用于更大载荷的应用场景。