金刚石与磨料磨具工程

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容器结构对立式振动抛磨颗粒介质流动特性影响分析

冯利东, 李文辉, 李秀红, 张演, 温学杰, 樊宇

2024, 44(1): 1-8. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0067

摘要(543)

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PDF 3238KB(96)

摘要:
为探究立式振动抛磨设备的容器结构对颗粒介质运动特性的影响，采用ADAMS-EDEM耦合仿真——振动抛磨工艺下的颗粒介质运动特性仿真。首先从颗粒运动轨迹与速度矢量角度分别分析容器结构对颗粒运动特性的影响，其次从深度方向与径向方向综合判断容器结构对颗粒速度与颗粒作用力的影响，最后通过动态力测试实验验证仿真的有效性。实验结果表明：岛状结构有助于颗粒的翻滚运动，阻碍了周向运动。有岛容器内颗粒运动更剧烈，颗粒平均作用力大于无岛。容器结构不会改变颗粒作用力在深度方向与径向方向分布的基本规律，但有岛容器内颗粒作用力在深度方向的增长尤为明显，2组实验均验证了仿真合理性。

新型KTN衬底上生长金刚石及其光催化性能研究

栾玉翰, 李天蔚, 王旭平, 郝建新, 赵洪阳, 付秋明, 陶洪, 高登, 马志斌

2024, 44(1): 9-14. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0007

摘要(662)

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PDF 2289KB(71)

摘要:

采用微波等离子体化学气相沉积技术，以钽铌酸钾（KTa_1-xNb_xO₃，简称KTN）作为衬底，生长高质量金刚石薄膜。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和拉曼光谱仪观察并分析金刚石薄膜的表面形貌和微观结构，并研究样品的光催化性能。结果表明：金刚石生长过程中形成了碳化钽过渡层；随着生长时间延长金刚石质量不断提高；所有样品均表现出良好的降解罗丹明B的能力，其中生长时间为12 h的样品对罗丹明B的降解效率提高了0.29倍，与生长时间为3 h的样品相比其降解效率提高了1.6倍。本研究为生长多晶金刚石提供新型衬底，并探索金刚石在光催化方面的应用。

C-H-F氛围下金刚石薄膜的低温CVD生长过程分析

简小刚, 梁晓伟, 姚文山, 张毅, 张斌华, 陈哲, 陈茂林

2024, 44(1): 15-21. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0069

摘要(316)

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PDF 2769KB(59)

摘要:
基于第一性原理的密度泛函理论对C-H-F氛围下低温CVD金刚石薄膜的生长过程进行仿真分析，计算H、F原子在氢终止金刚石表面发生萃取反应的吸附能、反应热与反应能垒，并分析CF₃、CF₂、CF 3种生长基团在带有活性位点基底上的吸附。结果表明：与H原子相比，F原子更容易在氢终止金刚石表面萃出H，并以HF形式脱附，且在C-H-F氛围下有利于在低温时产生更多的活性位点；CF₃、CF₂、CF基团在吸附后的结构和吸附能绝对值都更有利于金刚石相的生成，适当提高CF₃、CF₂、CF基团的浓度有助于实现金刚石相的更高速率生长。

Ni-Al辅助微波自蔓延烧结制备Ti₃SiC₂基金刚石复合材料工艺研究

史书浩, 杨黎, 郭胜惠, 高冀芸, 侯明, 鲁元佳

2024, 44(1): 22-30. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0021

摘要(337)

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摘要:

为降低金刚石磨削工具的制造成本和能耗，探寻一种在低能耗下实现高性能陶瓷结合剂金刚石磨具的制备工艺，同时研究助燃剂Si和金刚石粒度等因素对样品物相组成、显微形貌和磨削性能的影响。采用Ti、Si、石墨粉和金刚石磨料作为原料，经冷压成型至生胚，通过Ni-Al辅助在微波场加热诱发Ti-Si-C体系发生自蔓延高温合成（SHS）反应以制备Ti₃SiC₂基金刚石复合材料。结果表明，高热值Ni-Al合金辅助可以缩短样品的烧结时间，还可以将诱发SHS反应的温度点控制在金刚石石墨化温度以下。在Ar保护气氛下，Ti-Si-C体系发生SHS反应，可生成Ti₃SiC₂、TiC和Ti₅Si₃等3种物相。随Si含量升高，Ti₃SiC₂相先增多后减少，当n (Ti): n (Si): n (C)= 3∶1.1∶2时，复合材料的磨削性能最佳，磨耗比最高可达286.53。分析不同原料配比下的试样磨耗比差异的产生机制，认为基体组织中存在微小且分布均匀的气孔结构，在磨削时可产生大区域的平整磨削面，易于发挥金刚石磨料的磨削效果，有利于提升复合材料样品的磨削性能。

陶瓷结合剂金刚石团聚磨料探索

成晓哲, 许衍, 穆云超, 韩敬贺, 刘涛

2024, 44(1): 31-38. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0022

摘要(563)

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PDF 3252KB(85)

摘要:
细粒度金刚石微粉大量积压是目前金刚石微粉制造行业面临的问题之一，为促进其应用，以铝硼硅结合剂为黏接剂、Si粉和Ti粉为添加剂制造团聚磨料试样，并将制成的团聚磨料加入铝硼硅结合剂中制成陶瓷结合剂试样，对所制试样的抗弯强度、物相构成和微观形貌进行分析。结果表明：添加Si或Ti的铝硼硅黏结剂均能起到团聚金刚石的作用；当团聚磨料中Si或Ti的质量分数为10.0%时，所制得的陶瓷结合剂试样抗弯强度最大，且添加Si的团聚磨料试样抗弯强度为43.74 MPa；当Si或Ti的质量分数超过10.0%时，团聚磨料试样中出现大量Si或者TiO₂峰，其抗弯强度急剧下降；添加Si的团聚磨料试样与添加Ti的团聚磨料试样相比，其具有更大的粒度和更均匀的粒度分布，添加Si的铝硼硅黏结剂可将1～2 μm的磨料团聚为5～10 μm的磨料。

用于金刚石摩擦化学抛光的Ni-W合金盘制备

牛昊, 金洙吉, 沈煜, 杨辉鹏

2024, 44(1): 39-49. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0042

摘要(488)

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PDF 4911KB(57)

摘要:
为探究镀液成分、工艺条件等因素对Ni-W合金镀层的影响，制备出低内应力、高硬度的Ni-W合金盘，用于金刚石的摩擦化学抛光。采用单一性实验分别探究络合剂浓度、溶液pH、糖精钠浓度对镀层内应力、钨含量、硬度以及沉积速率的影响，并探究不同添加剂对镀层表面整平的效果。最终选用水杨醛为整平剂，并采用反向脉冲电流降低了镀层表面粗糙度，制备出硬度达HV 713，镀层厚度约为0.66 mm的Ni-W合金盘。使用合金盘对金刚石进行摩擦化学抛光，并探究合适的抛光工艺参数。在合金盘转速为8000 r/min，压力为40 N时，金刚石的抛光效果较好，其材料去除率为5.56 μm/min，磨削比达0.394，金刚石表面粗糙度S_a为3.7 nm。使用传统铸铁盘对金刚石进行摩擦化学抛光，通过对比磨损参数发现，Ni-W合金盘能够达到更好的抛光效果。

陶瓷磨削用多层钎焊金刚石砂轮的研制

周颢, 肖冰, 周立永, 王溯, 何旭

2024, 44(1): 50-56. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0020

摘要(518)

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PDF 2542KB(60)

摘要:
为解决传统树脂、电镀金刚石砂轮磨削陶瓷材料时存在的磨削寿命短、砂轮易堵塞烧伤等问题，分析利用钎焊金刚石技术制备陶瓷磨削用多层钎焊金刚石砂轮的可行性。结合钎料组分优选，制备具有开槽结构的多层钎焊金刚石砂轮，并对99.9%高纯度的Al₂O₃陶瓷进行磨削性能试验。结果表明：树脂、电镀金刚石砂轮分别存在磨削效率低和磨削寿命不足的问题，单层钎焊金刚石砂轮磨削效率较高但磨削寿命有限，多层钎焊金刚石在保持高磨削效率的同时磨削寿命优势明显，较单层钎焊金刚石磨轮提升约60%。在陶瓷材料磨削过程中，多层钎焊金刚石砂轮磨削效果显著，虽磨粒出露高度有限，但开槽设计的排屑效果显著，砂轮表面不易发生陶瓷粉末黏结、堵塞。

基于离散元法的磁性磨粒干压成型工艺参数优化

崔子含, 高慧敏, 陈燕, 程海东, 韩冰

2024, 44(1): 57-65. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0075

摘要(391)

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PDF 3038KB(35)

摘要:
为探究磁性磨粒坯体压制阶段的各工艺参数对其成型质量的影响，优化磁性磨粒的烧结法制备参数，制备出质量优良的磁性磨粒，以铁基氧化铝磁性磨粒为研究对象，建立磁性磨粒干压成型的离散元模型。通过改变压制力、压制方式、摩擦系数、模具高径比等工艺参数，探究其对磁性磨粒坯体成型质量的影响，并实现压制过程中工艺参数的优化。结果表明：压制力越大，坯体孔隙率越小，但压制力过大，坯体外表面产生裂痕，影响坯体表面形貌的完整性，故宜选择75～125 MPa的压制力；双向压制得到的坯体密度更均匀、力学性能更好；模具的高径比越大，坯体的孔隙率相对较大，坯体的轴向应力相对较小；磨料颗粒间摩擦系数及侧壁与磨料颗粒之间的摩擦系数越小，坯体的孔隙率越小、致密度越好，坯体的均匀性也越好。在磁性磨粒混合阶段加入适量润滑液，可适当减小磨料颗粒间及颗粒与模具侧壁间的摩擦系数，进而提高磨粒坯体质量。

18CrNiMo7-6钢发射率值标定及外圆磨削温度研究

王栋, 赵睿, 张志鹏, 张银霞, 乔瑞勇

2024, 44(1): 66-72. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0013

摘要(462)

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PDF 4180KB(36)

摘要:
为研究齿轮钢外圆横向磨削过程中工件温度受加工参数变化的影响，以18CrNiMo7-6齿轮钢作为工件材料，CBN砂轮作为磨具进行试验，使用红外热像仪对磨削过程温度进行检测。提出一种增设气幕装置的热辐射发射率值标定方案，通过气幕生成的高速气流减缓外界空气进入加热炉，防止标定过程中试样被氧化，保证高温条件下标定得到的发射率值的准确度；依据检测结果，分析工件转速${v_{\text{w}}}$、工件每转的磨削深度${f_{\text{a}}}$、砂轮磨粒粒度${d_{\text{g}}}$、砂轮直径${d_{\text{s}}}$和磨削宽度$b$对温度的影响。结果表明：${f_{\text{a}}}$对温度变化影响最显著。通过拟合得到磨削温度与试验参数间的经验公式，其误差为9.27%。将磨削温度的试验测量结果与运用移动热源理论、瑞利分布模型和干式磨削热分配比模型进行理论推导的结果作对比，偏差为8.51%。

基于EMD分量与小波包能量熵的轧辊磨削颤振在线预测

朱欢欢, 迟玉伦, 张梦梦, 熊力, 应晓昂

2024, 44(1): 73-84. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0198

摘要(362)

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PDF 2770KB(35)

摘要:
针对轧辊磨削颤振时的时频域单一处理方法存在部分特征丢失的问题，提出了时频域相结合的方法对信号进行特征处理，并利用智能算法实现轧辊磨削颤振的在线预测。首先，利用经验模态分解( empirical mode decomposition，EMD)方法对振动传感器信号进行分解获得各固有模态函数（intrinsic mode function，IMF），剔除“虚假分量”后计算表征轧辊磨削颤振的时域特征。然后，利用小波包能量熵对声发射传感器信号求解频率段节点能量熵值，获得表征轧辊磨削颤振的频域特征。最后，将上述时频域特征降维后代入智能算法模型实现对轧辊磨削加工的在线预测。结果表明：LV-SVM模型的磨削颤振分类平均准确率达92.75%，模型平均响应时间为0.776 5 s；验证了时频域特性的EMD和小波包能量熵方法的LV-SVM在线预测轧辊磨削颤振的有效性。

电防锈磨削的加工性能研究

蔡中伟, 孙玉利, 陈法宇, 盛一, 左敦稳

2024, 44(1): 85-91. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0011

摘要(399)

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PDF 2901KB(36)

摘要:
针对传统磨削加工在磨削液使用方面带来的污染环境、危害人体健康和增加生产加工成本等问题，提出采用自来水代替传统磨削液的电防锈磨削加工方法，利用自主研制的电防锈磨削系统对其开展加工性能研究，对比分析了电防锈磨削与干磨削、湿磨削在磨削力、磨削力比、比磨削能、磨削温度和加工表面粗糙度上的差异。结果表明：电防锈磨削在各项指标上与干磨削的平均差异约为19.2%，与湿磨削的平均差异约为7.7%，其加工性能远高于干磨削，并接近于湿磨削。因此，电防锈磨削加工方法具有一定的可应用性。

金刚石磨粒纳米加工单晶碳化硅非连续表面机理研究

王一凡, 唐文智, 何艳, 高兴军, 凡林, 宋淑媛

2024, 44(1): 92-100. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0057

摘要(317)

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PDF 5919KB(56)

摘要:
建立金刚石磨料纳米加工单晶碳化硅衬底的分子动力学模型，从矢量位移、切削力、晶体结构相变及缺陷等方面研究划痕对原子去除过程的影响以及划痕壁面的材料去除机理。结果表明：划痕区域原子的去除方法主要是剪切和挤压。划痕入口区壁面变形为弹性和塑性混合变形，划痕出口区壁面变形主要为塑性变形，增加纳米加工深度能够提高原子的去除量。衬底表面存在的划痕使纳米加工过程中的切向和法向切削力均降低，最大差值分别为300和600 nN，划痕区域原子的缺失是切向力下降的主要原因。磨粒的剪切挤压作用使碳化硅原子的晶体结构发生了非晶转化，产生了大量不具有完整晶格的原子，并且衬底表层的原子与临近的原子成键，形成稳定的结构。衬底温度受影响的区域主要集中在磨粒的下方，并向衬底的深处传递，在2、5和8 Å纳米加工深度下衬底温度之间的差值约为100 K。

单晶SiC基片干式摩擦化学机械抛光初探

薛明普, 肖文, 李宗唐, 王占奎, 苏建修

2024, 44(1): 101-108. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0052

摘要(445)

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PDF 3173KB(59)

摘要:
针对碳化硅（SiC）基片在抛光过程中效率低、费用高、环境污染大等问题，提出了一种在干式状态下对SiC基片进行摩擦化学机械抛光的方法（dry tribochemical mechanical polishing, DTCMP）。探究不同工艺参数（磨料种类、磨粒粒径、磨粒含量、抛光盘转速、抛光载荷、固相氧化剂含量）对单晶SiC基片抛光效率和表面质量的影响规律。研究结果表明：金刚石磨粒更适合SiC的摩擦化学机械抛光；当磨粒粒径为W1，磨粒质量为4 g，抛光盘转速为70 r/min，抛光载荷为20.685 kPa，固相氧化剂过碳酸钠添加量为10 g时，其为最优工艺参数。采用最优工艺参数对表面粗糙度约为20 nm的单晶6H-SiC基片进行干式抛光加工，最终获得表面粗糙度R_a为3.214 nm。DTCMP方法抛光SiC基片比水基抛光法热量损失少，所产生的界面温度更高，反应所需的活化能更低，可以实现SiC基片的绿色、高效和高质量抛光。

磨粒振动对碳化硅CMP的微观结构演变和材料去除的影响

唐爱玲, 苑泽伟, 唐美玲, 王颖

2024, 44(1): 109-122. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0053

摘要(365)

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PDF 7035KB(50)

摘要:
针对化学机械抛光中磨料易团聚、机械和化学作用不能充分发挥等问题，采用振动辅助的方法进行优化。通过分子动力学模拟，分析磨粒振动的频率、振幅及其压入深度、划切速度对工件表面微观原子迁移的演变规律，揭示振动对材料去除和表面改善的促进机制；并通过振动辅助化学机械抛光工艺试验和表面成分分析，验证振动辅助的抛光效果和去除机制。结果表明：适当增大磨粒的振动频率、振动振幅及其压入深度、划切速度，可有效提高工件表面的原子势能和温度；磨粒振动有利于提高工件表面原子的混乱度，促进碳化硅参与氧化反应，形成氧化层并以机械方式去除；抛光试验和成分分析也证实振动可以提高材料去除率约50.5%，改善表面质量约25.4%。

5种规格金刚石圆锯片的行波振动分析及优化

高先一, 张德臣, 马国清, 刘兴东, 王育博

2024, 44(1): 123-132. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0008

摘要(403)

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PDF 4153KB(52)

摘要:
为降低金刚石圆锯片在石材切割时产生的锯切噪声，选取常规锯片、打孔锯片、切缝锯片以及在基体上开鼻型径向槽、开孔与夹层的5种典型金刚石圆锯片，利用Workbench软件对其模态、行波振动进行分析，研究其对行波振动的影响。结果表明：直径为180和230 mm的常规锯片出现行波共振，产生强烈噪声；直径为105、115和350 mm的常规锯片不出现行波共振。直径为180和230 mm的切缝锯片δ值偏大，有效避开了行波共振；直径为115和350 mm的切缝锯片δ值偏小，其降噪效果差；而直径为105 mm的夹层锯片δ值偏大，降噪效果好。5种直径锯片采用开鼻形径向槽、雨滴孔和阻尼夹层的设计方案，其δ值分别为8.13%、7.21%、6.01%、6.39%和7.00%，可进一步避开行波共振，其降噪效果更好。

超硬磨料套料钻水下钻削P110钢的磨损实验

吴涛, 黄辉

2024, 44(1): 133-142. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0044

摘要(328)

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PDF 7510KB(47)

摘要:
P110钢具有良好的综合力学性能，广泛用作油气井的套管，使用硬质合金工具对其进行水下钻削时工具磨损严重。实验研究3种不同超硬磨粒及结合剂的套料钻水下钻削P110钢的磨耗比，跟踪观察套料钻表面的磨粒形貌变化，并分析金刚石磨粒表面的石墨化情况。结果表明：在相同加工条件下，3种不同套料钻的端面磨耗大致相同，但使用金刚石磨粒的套料钻侧面磨损明显小于使用立方氮化硼（cBN）磨粒套料钻的；在水下加工条件下，端面金刚石磨粒会产生石墨化，但其仍保持一定的切削能力；结合剂硬度影响磨粒出露，从而导致套料钻在不同工作状态下的性能产生差异。