金刚石与磨料磨具工程

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生物组织磨削加工研究

吴茂忠, 王成勇, 郑李娟, 陈志桦, 刘志华

2022, 42(2): 137-149. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0123

摘要(1418)

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PDF 13209KB(128)

摘要:
生物组织的磨削加工本质上是通过细小磨粒对软硬组织进行少量多次去除，保证操作的精细度和安全性。磨削加工是一种能量密集型的加工方式，加工过程中会产生较高的磨削热和磨削力并直接作用于人体，有可能造成周围组织损伤，影响手术效果。介绍了骨组织磨削、皮肤磨削、齿科磨削和血管钙化组织磨削等生物组织的固结磨料加工的研究情况，并提出后期研究主要方向。

直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法制备金刚石膜过程中冷阱的设计及作用

陈良贤, 邵思武, 刘鹏, 安康, 郑宇亭, 黄亚博, 白明洁, 张建军, 刘金龙, 魏俊俊, 李成明

2022, 42(2): 150-155. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0113

摘要(554)

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PDF 3626KB(55)

摘要:
首先，介绍直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法的原理以及气体循环系统的设计和其优缺点；其次，详细介绍冷阱系统的设计及其工作原理；最后，使用拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱与光致发光光谱对比添加冷阱系统前后的金刚石薄膜的质量。结果表明：冷阱系统可以有效过滤循环气路中的热油气，避免杂质的掺入；在添加冷阱系统后，金刚石膜内掺入的杂质减少，金刚石拉曼峰半高宽降低到6.76 cm⁻¹，接近于Ib型单晶金刚石的，且自支撑金刚石膜的晶体质量明显提高，光学透过率提升较大，在10.6 μm波长处达到68.4%。

高等离子体功率密度下MPCVD法制备多晶金刚石膜

何中文, 马志斌

2022, 42(2): 156-161. doi: 10.13394/J.cnki.jgszz.2021.0121

摘要(804)

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PDF 4072KB(90)

摘要:
通过自制的MPCVD双基片台设备，在微波功率为1400 W保持不变及中高气压，等离子体功率密度为357.5～807.4 W/cm³，基片温度为850 ± 30 ℃，CH₄体积分数为1.0%～1.5%，沉积速率为1～8 μm/h条件下，在直径11.5 mm的硅基片上沉积不同质量的多晶金刚石膜，并通过光谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪对等离子体中的氢原子及含碳基团、多晶薄膜的形貌及质量进行表征。结果表明：随着等离子体功率密度上升，等离子体椭球中的氢原子基团和含C的活性基团强度增加，金刚石膜生长速率大幅度提高，金刚石膜纯度也大幅度提升。在气压为21 kPa，等离子体功率密度为807.4 W/cm³，基片温度为850±30 ℃，生长时间为150 h，CH₄体积分数为1.0%及氢气流量为200 mL/min的条件下，金刚石膜的生长速率达到5 μm/h，金刚石膜厚达752.0 μm，金刚石拉曼峰的半高宽为6.48 cm⁻¹，且生长的金刚石膜质量良好。

纯相PcBN的高温高压制备综述

王楚琦, 寇自力

2022, 42(2): 162-168. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0409

摘要(569)

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PDF 5895KB(61)

摘要:
PcBN是cBN的聚晶体，具有尺寸大、各向同性、无解理面等优点，因而应用广泛。商用PcBN大多采用添加黏结剂的方式进行烧结以降低烧结条件，通常是在压力为5.5～7.7 GPa、温度为1600～2300 K条件下合成的。但黏结剂也降低了产品的性能，其维氏硬度在22～45 GPa。鉴于材料本身就是最好的黏结剂，本文对使用4种不同初始材料制备纯相PcBN的烧结行为及材料性能进行介绍和评价。用cBN作为初始材料并配合相关工艺能制备出性能较好的纯相PcBN材料。

Cr镀层对金刚石/铝硼硅玻璃复合材料中金刚石氧化反应的抑制研究

张向红, 王艳辉, 臧建兵, 张金辉

2022, 42(2): 169-173. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0924

摘要(376)

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PDF 3423KB(26)

摘要:
为研究在镀铬金刚石/铝硼硅玻璃复合材料中Cr镀层对金刚石氧化反应的抑制作用，将不同镀层厚度的镀铬金刚石和铝硼硅玻璃在相同工艺下烧制成试样，检测试样的体积膨胀率和抗折强度，观察其断面形貌；同时分析烧结后金刚石单颗粒抗压强度和金刚石-结合剂界面的成分。结果表明：Cr镀层具有消耗和隔绝氧元素的双重保护作用，能有效抑制金刚石的氧化。同时，镀层厚度对金刚石氧化反应影响显著：镀层太薄，不能在高温烧结过程中持续保护金刚石；镀层太厚，会由于应力匹配问题产生裂纹或成片剥落，使金刚石暴露在有氧环境中，反而失去保护作用。对于粒度号为140/170的金刚石，最佳镀层厚度为1.58 μm。

十二烷基苯磺酸钠对陶瓷结合剂及金刚石分散性的影响

刘一波, 孔帅斐, 栗正新, 徐强, 陈春晖

2022, 42(2): 174-179. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0111

摘要(514)

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PDF 3739KB(48)

摘要:
采用溶胶–凝胶法制备陶瓷结合剂粉末和陶瓷结合剂/金刚石混合粉末以及相应的块体材料。研究分散剂（十二烷基苯磺酸钠）质量分数为0～4.02%时，其对陶瓷结合剂物相、耐火度、弯曲强度和热膨胀系数等的影响，以及其对M2.5/5金刚石在陶瓷结合剂/金刚石混合粉末中分散性的影响。结果表明：分散剂质量分数为1.34%时，陶瓷结合剂的耐火度、弯曲强度和热膨胀系数与未添加分散剂时相比未发生明显变化，其中耐火度为700 ℃、弯曲强度为45 MPa 、热膨胀系数为4.3×10⁻⁶ ℃⁻¹；当分散剂的质量分数从1.34%增加至4.02%时，陶瓷结合剂的耐火度降至600 ℃，弯曲强度降至28 MPa，热膨胀系数增至7.5×10⁻⁶ ℃⁻¹；分散剂质量分数为1.34%时，M2.5/5金刚石均匀分散在陶瓷结合剂/金刚石复合材料中，且未引起复合材料的性能变化。

铁基非晶粉末对金刚石工具胎体的影响

李鸣凤, 方小红, 段隆臣, 谭松成

2022, 42(2): 180-185. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0115

摘要(446)

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PDF 3417KB(43)

摘要:
将不同质量分数（分别为0，5%，10%和15%）的铁基非晶粉末加入铁基预合金粉末胎体中，通过热压烧结制成胎体试样后，测试其洛氏硬度、抗弯强度及磨损率。当不添加非晶粉末时，普通胎体的洛氏硬度、抗弯强度和磨损率分别为104.6 HRB, 610 MPa和3.3；加入10%的非晶粉末后，其洛氏硬度和抗弯强度分别提高至107.7 HRB和965 MPa，比原胎体分别提高了3.0%和58.2%，磨损率降低至0.9，降低了72.7%；加入15%的非晶粉末后，其洛氏硬度和抗弯强度分别提高至110.0 HRB和790 MPa，分别提高了5.2%和29.5%，磨损率降低至0.6，降低了81.8%。因而铁基非晶粉末的加入可以显著提高胎体试样的机械性能和耐磨性。此外，铁基非晶粉末的DSC及XRD测试发现，在500～700 ℃时，铁基非晶粉末会产生晶体化相变，NiSi相中融入了B元素转化成NiSiB相，CrFe相中融入了Si元素形成SiCrFe相，都起到改善胎体结构、提高胎体性能的目的。

基于深度学习的固结磨料研磨垫表面形态表征

胡伟栋, 王占奎, 董彦辉, 张召, 朱永伟

2022, 42(2): 186-192. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0096

摘要(454)

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PDF 3951KB(35)

摘要:
固结磨料研磨垫的表面形态与其加工性能有着密切关系，为更好地了解固结磨料研磨垫表面形态，尤其是研磨垫中的金刚石、孔隙、金刚石脱落坑等的分布特征，提出一种基于深度学习的固结磨料研磨垫表面形态分析方法。首先，利用徕卡DVM6数字显微镜及其配套软件获取固结磨料研磨垫表面图像；然后，采用python3+OpenCV对图像进行预处理，并利用标注软件Labelme对图像进行标注，用于后续的训练和测试；最后，运用深度学习框架Tensorflow搭建Mask R-CNN模型。结果表明：Mask R-CNN模型能对单一固结磨料垫表面图像中的多目标进行有效分割与识别，其主要评价指标平均准确率达到78.9%，达到了图像识别的主流水平。

金刚石砂轮磨削钛合金时的磨削力研究

冯茹

2022, 42(2): 193-200. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0120

摘要(638)

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PDF 3419KB(77)

摘要:
为解决金刚石砂轮磨削钛合金时材料弹性模量低、弹性形变大等问题，从理论上对砂轮的受力状态进行分析。基于切屑分离准则和材料摩擦属性，构建钛合金磨削时的受力模型，并对单颗磨粒的受力状态进行有限元仿真。设计钛合金磨削加工试验，研究工艺参数变化对砂轮磨削力的影响规律。结果表明：砂轮磨削速度增加，磨削力逐渐降低；当进给速度和磨削深度增加时，磨削力增加。当磨削工艺参数改变时，砂轮的切向和法向磨削力的变化趋势大致相同，切向和法向磨削力的比值为0.29～0.37。且磨削力的理论值和试验值的变化趋势基本一致，二者相对误差的平均值在5%以内，验证了磨削力理论模型的正确性。

镍基单晶高温合金磨削润滑方式对表面完整性的影响

孙永杰, 朱涛, 蔡明, 张宇轩, 樊宸瑞, 安志欣

2022, 42(2): 201-207. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0114

摘要(655)

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PDF 6162KB(55)

摘要:
为提高镍基单晶高温合金DD5的磨削表面质量，采用单因素试验探究3种磨削加工方法（干磨削、传统浇注式、微量润滑（minimum quantity lubrication, MQL））对其表面完整性的影响。结果表明：在不同冷却条件下，DD5磨削表面粗糙度从低到高依次为MQL、传统浇注式、干磨削方式下的。当砂轮线速度较小时，磨削表面质量较差，存在较深划痕和沟槽；当砂轮线速度较大时，磨削表面质量较好，磨痕较小，且分布均匀。在距磨削表面为5～15 μm时，DD5亚表面显微硬度随着深度的增加而急剧下降；在距磨削表面为20～150 μm时，DD5亚表面显微硬度趋于平衡，其在540 HV附近波动。

基于微元材料去除模型的单摆抛光平面度预测

李凯旋, 李军, 熊光辉, 吴成, 于宁斌, 高秀娟

2022, 42(2): 208-215. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0116

摘要(499)

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PDF 4495KB(25)

摘要:
为探究单摆参数对抛光工件平面度的影响，提出一种基于速度和压强分布耦合的抛光微元材料去除模型，以预测工件表面平面度。从单颗磨粒的材料去除出发，建立工件表面各微元单位时间内材料去除厚度模型，并将工件相对抛光垫速度和工件表面压强分布耦合代入模型；根据工件初始面形提取微元高度值，结合各微元材料去除的厚度，计算抛光后的工件表面平面度；试验验证平面度预测方法。结果表明：仿真与实际抛光后的面形的变化趋势相同，平面度PV₂₀值绝对偏差小于12.0%，平面度预测可靠。

磁力研磨法光整内凹槽底面的工艺参数优化

陈法宇, 孙玉利, 王燎原, 张鹏, 盛一, 西川尚宏

2022, 42(2): 216-222. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0122

摘要(508)

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PDF 3927KB(26)

摘要:
为提高磁力研磨法光整异形波导管内凹槽底面的研磨效率和研磨效果，解决其难光整问题，采用正交试验法研究钢珠直径、加工间隙、磁极盘转速3个主要工艺参数对表面粗糙度降低率ΔR_a的影响，并采用极差分析和方差分析法对工艺参数进行分析和优化。试验确定的最佳工艺参数组合是钢珠直径为1.0 mm，加工间隙为1 mm，磁极盘转速为800 r/min。采用最佳工艺参数对试样进行研磨抛光，加工30 min后试样表面的大量突起被去除，表面粗糙度值R_a从初始的11.059 μm降至1.513 μm，粗糙度降低率ΔR_a达到最大值86.3%，试样的表面质量得到有效改善。

Fe₃O₄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

2022, 42(2): 223-232. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0008

摘要(483)

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PDF 8576KB(36)

摘要:
为提高单晶SiC研磨加工质量和加工效率，制备固相芬顿反应研磨丸片，研究固相催化剂Fe₃O₄特性(粒径和质量分数)对研磨丸片的硬度、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，丸片的硬度和抗弯强度减小、气孔率增大、催化性能减弱，材料去除率M_MRR从43.12 nm/min降到36.82 nm/min，表面粗糙度R_a从1.06 nm增大到3.72 nm。随着Fe₃O₄质量分数的增大，丸片的硬度和抗弯强度减小、气孔率增大、催化性能增强，M_MRR从40.14 nm/min降到33.51 nm/min，表面粗糙度R_a先减小后增大，分别为3.25 nm、1.75 nm和1.88 nm。

金刚石滚轮修整时的径向圆跳动状态在线判别

付庭斌, 朱振伟, 张瑞, 赵华东

2022, 42(2): 233-239. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0119

摘要(337)

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PDF 3672KB(34)

摘要:
金刚石滚轮修整砂轮时的性能受其径向圆跳动的影响，而其径向圆跳动状态判别的智能化程度较低。为此，对金刚石滚轮修整状态下的径向圆跳动磨削声发射信号，提出一种基于小波分解和SVM的在线检测方法。将磨削声发射信号通过小波变换并分解，提取小波分解系数的有效值、方差及能谱系数3种特征参数。结果表明：将3种特征参数彼此组合输入到SVM中进行状态识别时的准确率都在96.0%以上；3种特征参数同时输入时的准确率最高，达到了98.3%。该检测方法具有实际应用价值。

金刚石圆锯片行波共振分析及优化

赵雷, 张德臣, 闫春宝, 雷忠兴, 程黎斌

2022, 42(2): 240-247. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0112

摘要(449)

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PDF 5211KB(32)

摘要:
针对金刚石圆锯片工作时出现的共振和噪声问题，利用Workbench软件对直径600 mm空转的圆锯片进行行波共振和静力分析，研究圆锯片基体中的开孔和夹层对其行波共振的影响。结果表明：圆锯片基体上合理开孔可以规避行波共振，其中开雨滴型孔的圆锯片减振效果最好，其δ最大值为4.36%，远大于未开孔与开圆形流线型孔的0.09%和0.91%。进一步对开雨滴型孔的圆锯片的夹层进行优化，其δ值为7.58%，达到夹层前的近2倍，更不容易引起行波共振。同时，优化后的圆锯片变形和应力值变大，但远小于其许用应力值，表明其强度和刚度满足使用要求，不会造成疲劳失效。

恒压力下弯管内壁除锈磨块设计及仿真分析

李登超, 张平宽, 李顺顺

2022, 42(2): 248-254. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0118

摘要(412)

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PDF 3328KB(23)

摘要:
为除去弯管内壁在涂层前的锈层，设计3种能够作用于100 mm直径弯管的除锈用磨块（分别为磨块A、磨块B和磨块C），并对磨块进行除锈仿真来分析弯管弯曲处内壁的锈层的去除效果。通过理论计算得出3种磨块的尺寸。磨块的凹弧半径范围为65.130～74.556 mm，凹弧圆心角范围为6.97°～7.98°，凸弧半径范围为145.522～147.618 mm，凸弧圆心角范围为6.06°～6.15°。磨块上的磨粒材料选用白刚玉。利用Solidworks和Creo进行建模并导入Abaqus中进行仿真分析，在仿真过程中要保证磨块对弯管弯曲处内管壁的压力恒定。结果表明：磨块B对弯管内壁的磨削达到稳定后，凹弧磨削深度的范围为0.045～0.053 mm，平均值为0.0498 mm，算术平均偏差为0.0016 mm；磨粒率为38%的凸弧磨削深度的算术平均偏差为2.2×10⁻⁴ mm。经数据分析，磨块B的磨削比其他2种磨块的磨削稳定，其除锈效果最好。