金刚石与磨料磨具工程

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基于加工形貌数据聚类的单点金刚石磨削稳定性及工艺调控

徐鑫宇, 贺先送, 陈钊杰, 张竞颖, 杨林丰, 谢晋

2025, 45(1): 1-11. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0013

摘要(460)

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PDF 3041KB(4)

摘要:
硬质模具钢磨削过程中，加工深度的变化会引起磨削力变化，导致其加工状态不稳定。采用大颗粒单点金刚石磨削硬质模具钢，基于其加工表面的形貌特征分析磨削过程的动态特性及稳定性，探究工艺参数对加工效率和表面质量的影响，以实现其高效率高质量的磨削加工。首先，对单点金刚石磨削系统进行动力学建模，采用加速度传感器测量磨削振动信号并进行工作模态分析，求解磨削系统的固有频率和阻尼比。然后，基于不同加工工况的表面波纹度和表面粗糙度数据，关联进给深度和砂轮转速与稳定工况时的数据聚类，且与磨削稳定时的叶瓣图区域匹配，拟合出磨削系统刚度和磨削力系数，构建稳定磨削过程中的进给深度和砂轮转速实时调控区域。最后，通过模具钢的磨削实验验证及分析其加工效率和质量。结果表明：磨削过程的模态分析与加工表面形貌特征的聚类匹配能够映射磨削稳定域的加工工艺参数；在磨削稳定域内，采用更大的材料去除率可将模具钢的平均表面波纹度从1.203 μm降低到0.635 μm，平均表面粗糙度从0.267 μm降低到0.143 μm；且在相同的材料去除量下，磨削稳定域加工的模具钢表面粗糙度平均下降74%。因此，在加工过程中依据加工表面特征化的磨削稳定域实时调整进给深度和砂轮转速，可同时提高工件的加工质量和效率。

TiH₂的加入对Cu₃Sn金属间化合物金刚石砂轮磨削性能的影响

何珂桥, 陈帅鹏, 康希越, 贺跃辉

2025, 45(1): 12-20. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0261

摘要(451)

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PDF 2259KB(5)

摘要:
为进一步提升Cu₃Sn金属间化合物金刚石砂轮的锋利度和保形性，制备不同TiH₂加入量的Cu₃Sn金属间化合物球磨粉末、金刚石磨块及砂轮。通过对微观形貌、氧含量、物相组成、热效应、力学性能等进行测试和分析，探究TiH₂对Cu₃Sn金属间化合物金刚石砂轮磨削性能的影响。研究结果表明：TiH₂对Cu₃Sn球磨粉末有抑制增氧的作用，促进粉末烧结。当TiH₂的质量分数为2.0%时，氧质量分数从0.67%降低到最小值0.51%。TiH₂能够提高胎体对金刚石的把持力，可提高试样的抗弯强度和硬度：当TiH₂的质量分数为1.5%时，抗弯强度达到最大值80.74 MPa；当TiH₂的质量分数为2.0%时，洛氏硬度达到最大值109.88 HRB；当TiH₂的加入量继续增大时，抗弯强度和硬度反而下降。TiH₂可提升砂轮的磨削性能，磨削YG8硬质合金时，加入质量分数为2.0%的TiH₂使金刚石砂轮最快进给速率从0.020 mm / 次提升到0.035 mm / 次，磨削比从51.09提升到最大值172.03。

Si₃N₄陶瓷基底的交替多层金刚石薄膜摩擦学性能

王贺, 赵海根, 闫广宇

2025, 45(1): 21-30. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0269

摘要(429)

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PDF 3543KB(2)

摘要:
为避免Si₃N₄材料因摩擦磨损造成的失效，利用热丝化学气相沉积技术在Si₃N₄基底表面沉积单层和交替多层的金刚石薄膜，采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪对制备的金刚石薄膜的形核、薄膜质量、表面和截面形貌、表面粗糙度等进行表征；利用“球−盘”往复式摩擦磨损实验机测试金刚石薄膜的摩擦系数并计算其磨损率，分析不同结构薄膜的摩擦磨损性能。结果表明：相比于单层金刚石薄膜，交替多层膜结构表现出更好的摩擦学性能，当交替次数为4、多层结构层数为8时，薄膜的摩擦系数和磨损率最低，分别为0.016和1.042 × 10⁻⁷ mm³/(N·m)；但随着薄膜的多层结构层数增加，层间厚度减小，摩擦过程中薄膜发生破裂和剥落现象，薄膜与基底的结合强度降低，薄膜质量下降，且其摩擦系数增大为0.042，磨损率增大为4.661 × 10⁻⁷ mm³/(N·m)，薄膜的耐磨性下降。

TiN-Al体系结合剂配比对PcBN结构和性能的影响

汤黎辉, 肖长江, 张群飞, 郑皓宇, 栗正新

2025, 45(1): 31-36. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0284

摘要(57)

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PDF 2203KB(3)

摘要:
为研究TiN-Al体系结合剂配比对PcBN结构和性能的影响，在5.5 GPa、1500 ℃的条件下制备PcBN。研究发现：结合剂TiN、Al与cBN反应生成BN、TiB₂、TiN和AlN 4种物相。随着Al含量的提高，样品中AlN和TiB₂成分占比上升，TiN成分占比下降；当TiN和Al的质量配比 < 17∶8时，样品组织内存在大量的孔洞，样品不致密。随着Al含量的提高，孔洞数量减小以至消失，样品组织变得致密；经相对密度、维氏硬度、断裂韧性、耐磨性测试，结合剂中TiN与Al质量配比为9∶16时，PcBN样品组织最为致密，综合性能最好，此时其相对密度、维氏硬度、断裂韧性和磨耗比均达到最大值，分别为99.02%、4664 HV、6.60 MPa·m^1/2和7340。

掺杂元素 X （B、Al、Sn、Co）对 IDB-X / Diamond 界面结合性能的影响

简小刚, 姚文山, 张毅, 梁晓伟, 胡吉博, 陈哲, 陈茂林

2025, 45(1): 37-45. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0068

摘要(53)

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PDF 3451KB(2)

摘要:
基于量子力学第一性原理，建立了IDB-B/Diamond、IDB-Al/Diamond、IDB-Sn/Diamond和IDB-Co/Diamond 4种膜基界面模型，计算了膜基界面结合能、差分电荷密度和布居数，以探究孕镶金刚石钻头（impregnated diamond bits， IDB）基体中的常用元素X（X = B、Al、Sn、Co）对 IDB-X/Diamond膜基结合强度的影响机制。计算结果表明：膜基界面结合能大小为W_ad-B > W_ad-Al > W_ad-Co > W_ad-Sn；B、Al是增强膜基结合强度的有益元素，因为B、Al原子的电荷主要转移到掺杂位点附近的C1~C3原子，其与C1~C3原子的键合作用强；Sn、Co会削弱膜基结合强度，这是由于Sn、Co原子与C1~C3原子的键合作用弱，同时膜基界面间的其他C原子因俘获电荷而相斥。压痕对比的实验结果与仿真结论相符。

Ti粉粒径和原料配比对镀Ti金刚石粉性能的影响

韩铭, 赵安冬, 李良

2025, 45(1): 46-55. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0252

摘要(427)

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PDF 6768KB(3)

摘要:
为探索不同Ti粉粒径和原料配比对镀Ti金刚石粉性能的影响，通过对比不同Ti粉粒径,粗粉（60目，250 µm）和细粉（325目，45 µm），以及原料配比等因素，对金刚石粉表面的镀Ti效果进行研究。结果表明：镀Ti金刚石粉表面的化学成分为金刚石、Ti和TiC；细Ti粉Ar气氛保护下合成Ti包覆金刚石的质量增长大于粗Ti粉包覆金刚石和真空环境Ti包覆金刚石的。结合拉曼光谱、紫外吸收光谱和热分析结果，金刚石表面镀Ti的反应中，Ti粉粒径越细越有利于包覆层形成，且包覆层表面粗糙度越小；原料配比中Ti粉与金刚石质量比越大，包覆层越厚。

钎焊工艺对钎焊金刚石界面组织和性能的影响

崔冰, 姜雪, 杜全斌, 徐凡, 严佩佩, 王蕾, 张黎燕

2025, 45(1): 56-66. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0026

摘要(58)

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PDF 5446KB(4)

摘要:
采用WC/Cu-Sn-Ti钎料对金刚石进行真空钎焊，借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱仪以及磨削试验等手段，研究钎焊温度和保温时间对钎焊金刚石形貌、界面组织和力学性能的影响。结果表明：金刚石颗粒与WC/Cu-Sn-Ti复合钎焊界面形成的化合物层均匀连续且致密，且在金刚石颗粒表面形成了薄而连续的层片状TiC和少量W₂C相，提高了金刚石与钢基体的结合强度；随着钎焊温度升高及保温时间延长，钎焊界面缺陷逐渐减少，金刚石石墨化程度升高；在钎焊温度为980 ℃、保温时间为15 min的条件下，金刚石颗粒在磨削过程中的摩擦力和摩擦系数相对较小，对大理石工件的磨削体积最大，且金刚石颗粒的脱落率最低。

基于当量磨削层厚度的整体刀具容屑槽磨削功率模型

任磊, 潘江涛, 向道辉, 马俊金, 崔晓斌

2025, 45(1): 67-74. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0003

摘要(68)

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PDF 2446KB(3)

摘要:
磨削功率与整体刀具容屑槽的磨削质量密切相关。提出一种基于当量磨削层厚度的整体刀具容屑槽磨削功率模型，将砂轮离散化为一组等厚度的砂轮薄片，由砂轮与刀具间的瞬时接触线计算各砂轮薄片的接触弧长；再通过引入磨削接触区形状系数计算沿砂轮宽度方向逐渐变化的当量磨削深度和当量进给速度，得到各砂轮薄片对应的当量磨削层厚度；在此基础上建立容屑槽磨削功率模型，并通过磨削实验对模型进行验证。结果表明：模型的功率预测值与测量值间的最大相对误差 < 15.0%；沿砂轮宽度方向的最大当量磨削层厚度和最大单位宽度磨削功率存在于砂轮边缘处，将导致砂轮宽度方向上的非均匀磨损。

金刚石刀头磨削铁矿石电耗的影响因素

丁彩志, 庄世勇, 宋磊博, 邓勇, 王寰宇, 顾路

2025, 45(1): 75-85. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0031

摘要(43)

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PDF 2683KB(2)

摘要:
金刚石刀头磨削铁矿石的电耗是磨采机作业的核心指标，通过搭建实验台并采用2种金刚石圆锯片和2种磨轮对2种铁矿石样本进行磨削实验，得到不同刀头及磨削线速度、磨削厚度、磨削宽度、磨削移动速率等参数下的电耗实验数据，据此计算及分析磨削效率和电耗间的关系。结果表明：矿石1的磁性铁区、矿石2的石英区和磁性铁区额定电机电耗平均值分别为50.41、36.05和15.17 (kW·h)/ t，且添加铁片的锋利型刀头可有效降低铁矿石的磨削电耗；在一定范围内增加磨削宽度和金刚石磨轮直径，可提高磨削效率并降低电耗，且矿石的岩石特性对磨削电耗影响较大。此外，合适的金刚石刀头磨削方向有利于矿浆收集，并最大化地切向推压对切削力的增益效果。单次磨削移动距离Δs与磨削效率密切相关，且与金刚石切入深度Δh直接相关。在M1～M6 6个实验方案中Δs值范围分别为6.01～14.35、3.23～9.96、4.14～15.04、26.44～32.09、1.62～5.37和2.02～5.64 μm时调整Δs值，能够有效降低磨削电耗；且当M1～M6的Δs值分别为14.35、6.65、15.04、32.09、5.37和3.22 μm时，磨削电耗最低。但要确定最适用的Δs值，需综合考虑金刚石工具的尺寸结构、刀头性能、矿石的岩石特性、作业参数、刀头受力情况等因素，以找到其适应不同情况的合理取值范围。

多晶金刚石片的机械磨抛工艺

李蛟, 张晓秋, 王紫光, 张昕, 张瑜

2025, 45(1): 86-92. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0017

摘要(61)

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PDF 2258KB(2)

摘要:
使用游离磨料进行机械研磨是金刚石平坦化的主流加工手段之一。针对多晶金刚石的材料特性，开展变参数的游离磨料机械研磨实验。通过改变磨料粒度、研磨压力、研磨液浓度，研究其对多晶金刚石片机械研磨的材料去除率和表面粗糙度的影响规律。结果表明：材料去除率随磨料粒度和研磨压力的增大而增大，随研磨液浓度的增大先增大后趋于稳定，其中磨料粒度是对去除率影响最显著的因素；而表面粗糙度随磨料粒度的减小而降低，随研磨压力和研磨液浓度的增大呈现先降低后升高的变化趋势，其中磨料粒度对多晶金刚石加工表面质量的影响最为显著。据此可以确定最适合加工多晶金刚石的工艺参数为研磨压力0.3 MPa、磨粒粒度W10（7.5～10 μm）、研磨液浓度4%，此条件下加工的多晶金刚石片表面粗糙度最优，R_a约为96 nm，材料去除率为7.097 μm/h。

有序排布金刚石滚轮修整砂轮过程中的修整力

张瑞, 周帅康, 赵华东, 朱振伟, 何鸿辉, 刘畅

2025, 45(1): 93-101. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0004

摘要(484)

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PDF 3261KB(2)

摘要:
为提升滚轮的修整性能和使用寿命，明确滚轮表面磨粒的不同排布对其修整性能的影响，采用错位、阵列和叶序3种磨粒排布的金刚石滚轮修整砂轮，对修整过程进行有限元仿真，并设计修整实验验证仿真结果。结果表明：在金刚石滚轮修整砂轮的过程中，磨粒的有序排布会对修整力产生影响，其中阵列排布的滚轮修整力最大，错位排布次之，叶序排布最小；叶序排布相较于错位与阵列排布，有利于减少滚轮表面磨粒磨损，提升滚轮的修整性能与使用寿命。

超声作用下碳化硅CMP流场特性分析

王泽晓, 叶林征, 祝锡晶, 刘瑶, 啜世达, 吕博洋, 王栋

2025, 45(1): 102-112. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0273

摘要(493)

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PDF 2848KB(4)

摘要:
针对目前碳化硅抛光效率低、表面质量差等加工难题，采用超声辅助CMP（UCMP）加工工艺对其表面进行光滑无损化抛光。为探究超声辅助对CMP流场的影响，以超声振动下的抛光流场特性为研究对象，基于可实现k−ε模型对超声作用下的抛光流场特性进行分析，并采用有限元分析方法探究不同超声频率、超声振幅、液膜厚度对抛光流场内速度、压力的影响，且开展CMP和UCMP对照试验。结果表明：超声频率对抛光液流场有明显地促进作用，随着超声频率从20 kHz增大到40 kHz，流场最大速度从324.10 m/s增大到698.20 m/s，最大压力从177.00 MPa增大到1 580.00 MPa；与CMP相比，UCMP后碳化硅晶片可获得更好的抛光质量与更高的材料去除率，其表面粗糙度R_a、材料去除率R_MRR分别为3.2 nm和324.23 nm/h。

电芬顿CMP抛光液中磨粒的分散性研究及中性环境下绿色抛光液的设计

成锋, 王子睿, 朱睿, 王永光, 彭洋, 张天宇, 赵栋, 樊成

2025, 45(1): 113-121. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0242

摘要(50)

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PDF 2596KB(3)

摘要:
芬顿反应是一种能产生强氧化性羟基自由基（ · OH）的绿色氧化反应，选用三聚磷酸钠（STPP）为外加电解质、金刚石为磨粒，比较STPP、NaCl和Na₂SO₄对芬顿反应中金刚石磨粒分散稳定性的影响，并研究该绿色抛光液在不同pH值下对电芬顿抛光液中金刚石磨粒的抗沉降能力、Zeta电位以及抛光液粒径的影响，并对GaN晶圆的抛光效果进行验证。结果表明：STPP能与芬顿反应抛光液中的Fe²⁺络合，防止多余的金属阳离子流入扩散层，提高了金刚石磨粒的分散稳定性，且STPP能有效改善芬顿反应抛光液中金刚石磨粒团聚的现象；此外，STPP使抛光液能在偏中性环境中具有较好的分散性，且含有STPP的绿色抛光液可在中性环境下实现对GaN晶圆高效、无损的超精密抛光。

干式轻质异形介质的离散元仿真模型参数标定

梁志强, 李秀红, 王兴富, 李文辉, 杨胜强, 梁振华

2025, 45(1): 122-133. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0016

摘要(317)

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PDF 4045KB(2)

摘要:
干式轻质异形介质是滚磨光整加工中常用的一类加工介质，其形状各异，导致离散元仿真中所使用的接触参数难以测试与标定，影响仿真模拟的准确性。以核桃壳介质为研究对象，首先通过物理试验测得核桃壳介质的几何形态、密度以及弹性/剪切模量等本征参数，其次采用自制的接触参数测量装置获得核桃壳介质与亚克力板间的静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数及核桃壳介质间的碰撞恢复系数，最后基于不同形状的特征参数，采用多维法构建出24种干式异形介质单颗粒仿真模型，并以实际堆积角为目标进行寻优，开展2因素5水平旋转正交组合仿真模拟试验，获得核桃壳介质间的静摩擦系数和滚动摩擦系数的最佳参数组合：静摩擦系数为0.829、滚动摩擦系数为0.191。采用测试及标定的本征参数和接触参数进行不同挡板抬升速度下的堆积角仿真，并与试验结果对比，最大相对误差＜4%。

基于灰色关联分析的PMMA工件磁性复合流体抛光工艺参数优化

王有良, 高熙淳, 张文娟

2025, 45(1): 134-142. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0282

摘要(68)

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摘要:
针对磁性复合流体抛光PMMA工件取得最佳表面质量和最大加工效率时工艺参数不同的问题，基于灰色关联分析的工艺参数优化方法，设计3因素4水平正交试验，分析磁感应强度、羰基铁粉粒径、磨粒粒径对磁性复合流体抛光性能的影响。结果表明：优化后得到的磁性复合流体抛光PMMA工件的最佳方案为：磁感应强度，0.50 T；羰基铁粉粒径，7 μm；磨粒粒径，3 μm；使用优化后的工艺参数抛光，工件的表面粗糙度为14 nm，材料去除率为2.088×10⁸ $ \mathrm{\mu } $μm³/min，提高了3.5%；通过灰色关联分析优化后获得的工艺参数，既能满足工件高表面质量的抛光要求，又能显著提高磁性复合流体抛光的材料去除率。