金刚石与磨料磨具工程

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余威, 栗正新

2021, 41(6): 1-6. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0001

摘要(497)

PDF 1332KB(53)

摘要:
近年来，在绝缘衬底表面生长石墨烯已经成为研究者关注的重点，出现许多新的策略，也在SiO₂/Si、蓝宝石、GaN、玻璃等多种绝缘衬底上进行尝试并取得一定进展。金刚石用作生长石墨烯的衬底具有不可代替的优异特性，但目前在金刚石衬底上直接生长石墨烯的研究较少。本文介绍目前在金刚石衬底上生长石墨烯的研究进展及相应器件的应用技术，展望金刚石衬底上制备石墨烯的发展前景。

机匣零件气道面及支板面的机器人磨抛加工

曾庆双, 郭皓邦, 李鼎威

2021, 41(6): 7-11. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0002

摘要(381)

PDF 1449KB(22)

摘要:
提出机匣零件气道及支板面机器人磨抛加工技术。针对机匣的气道面及支板面开发高带宽长悬伸自适应磨具，根据力控磨具的受力分析进一步设计PID力控制器，采用Robotmaster进行磨抛刀路规划，在机匣试验件上开展力控磨抛方案和无力控磨抛方案的对比试验。结果显示：力控磨抛方案的精度为±1.5 N, 且平均表面粗糙度为1.450 μm；而无力控磨抛方案中的力为20.0 N, 平均表面粗糙度为2.069 μm。力控磨抛后的机匣表面质量更高。

基于环境模型优化的机器人磨抛阻抗控制

王竞航, 彭云峰

2021, 41(6): 12-17. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0003

摘要(454)

PDF 1298KB(24)

摘要:
对比传统加工机床，机器人的刚度与定位精度较低，为提高机器人辅助磨削的加工质量，需要控制其加工过程中的接触压力。基于球形弹性磨具磨削时的接触特性，以磨具的下压量为自变量，磨具与工件的接触压力为因变量进行有限元仿真，对下压量-接触压力仿真结果进行曲线拟合，并通过接触实验验证其准确性，以此建立基于环境模型修正的阻抗力学控制模型，从而进行自由曲面力控实验。结果表明：建立的基于环境模型修正的阻抗控制方法能有效改善球形弹性磨具的力控性能，自由曲面力控精度达到±0.5 N，且可为球形弹性磨具复杂曲面的磨削加工提供稳定的磨削压力。

钛合金材料页轮磨抛材料去除深度模型

胡智杰, 曹诗宇, 黄文健, 吴超群

2021, 41(6): 18-23. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0004

摘要(342)

PDF 1175KB(22)

摘要:
针对钛合金材料页轮磨抛表面去除量难控制的问题，从页轮磨抛的运动过程出发，结合Preston方程、Hertz接触理论及线接触变形等理论方法，建立页轮磨抛的材料去除深度模型。首先，分析磨削过程中页轮的运动和材料去除过程，并通过Preston方程简化磨抛过程，得到材料去除深度与页轮的线速度、接触压强、进给速度之间的关系；其次，通过Hertz接触理论及线接触变形得到接触压强和预压量的关系式，再将预压量代入接触压强，构建材料去除深度理论模型；最后，采用正交试验法和单因素试验法验证该理论模型的准确性，并通过极差分析法分析各参数对页轮磨抛去除深度的影响程度。结果表明：材料去除深度与预压量和页轮线速度成正比，与页轮进给速度成反比，且各参数对页轮磨抛去除深度的影响程度基本相当。模型预测的材料去除深度与试验结果的平均相对误差为6.25%，说明理论模型可准确预测磨削去除深度。

孔隙密度对化学气相沉积泡沫金刚石导热性能的影响

李崧博, 于杨磊, 焦增凯, 康惠元, 康翱龙, 魏秋平, 周科朝, 余志明, 马莉

2021, 41(6): 24-30. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0005

摘要(434)

PDF 2292KB(21)

摘要:
选择不同孔隙密度的泡沫铜为沉积衬底，通过化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)技术在其表面沉积连续金刚石膜，借助有限元模拟阐释泡沫骨架的孔隙密度对金刚石膜整体传热效果的影响，并通过扫描电镜、拉曼光谱及红外热成像仪等对不同孔隙密度的泡沫金刚石微观形貌、膜层成分以及热扩散性能进行对比与分析。结果表明：高孔隙密度泡沫衬底更有利于热量传递，但其极小的泡沫孔径会限制自由基在孔隙内部流动，CVD沉积的金刚石晶粒尺寸明显减小，仅有2～3 μm，晶粒质量也略逊于中、低孔隙密度样品的。在相同加热时间内的红外热成像中，中孔隙密度泡沫金刚石的表面升温速率相比低、高孔隙密度样品的升温速率分别提升43.4%与12.7%。综上所述，兼具良好三维连通特性与优异金刚石质量的中孔隙密度泡沫金刚石表现出更为优异的导热性能，是更理想的导热增强体选择。

MPCVD法制备金刚石膜的工艺

李思佳, 冯曙光, 郭胜惠, 杨黎, 高冀芸

2021, 41(6): 31-37. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0006

摘要(792)

PDF 1516KB(76)

摘要:
采用3 kW/2 450 MHz微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)系统，以单晶硅为基底材料，采用单因素试验法研究微米级金刚石膜的生长工艺，分别探究衬底温度、腔体压强和甲烷体积分数对金刚石成膜过程的影响，获得微米级金刚石膜的最优生长工艺。结果表明：金刚石膜的生长速率与衬底温度、腔体压强、甲烷体积分数呈正相关；衬底温度和腔体压强对金刚石膜质量的影响存在最佳的临界值，甲烷体积分数过高不利于形成金刚石相。金刚石膜生长的最佳工艺参数为：功率为2 200 W，衬底温度为850 ℃，腔体压强为14 kPa，甲烷的体积分数为2.5%。在此条件下，金刚石膜生长速率为1.706 μm/h，金刚石相含量为87.92%。

保温时间对Pr₆O₁₁刻蚀金刚石单晶的影响

朱振东, 马金明, 陈冰威, 肖长江, 栗正新

2021, 41(6): 38-43. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0007

摘要(329)

PDF 1694KB(16)

摘要:
为研究保温时间对Pr₆O₁₁刻蚀金刚石单晶的影响，在900 ℃和N₂中将Pr₆O₁₁与金刚石混合物在不同保温时间下加热，以刻蚀金刚石单晶，通过刻蚀后金刚石单晶的表面形貌、刻蚀深度、单颗粒抗压强度表征刻蚀效果。结果表明：Pr₆O₁₁能促进金刚石表面的刻蚀，其刻蚀程度和最大刻蚀深度随保温时间延长而加深。当保温时间为120 min时，金刚石{111}面和{100}面的刻蚀坑分别为阶梯状倒金字塔形和蜂窝状，最大刻蚀深度分别为15.07 μm和4.27 μm。金刚石的单颗粒抗压强度随保温时间延长而不断下降，但Pr₆O₁₁刻蚀后金刚石的单颗粒抗压强度高于不加刻蚀剂刻蚀和在空气中直接刻蚀后的单颗粒抗压强度。

采用旋转电极的金刚石表面镀镍方法及工艺

张杨, 崔仲鸣, 冯常财, 杨天标, 张云鹤, 许本超

2021, 41(6): 44-50. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0008

摘要(577)

PDF 1809KB(26)

摘要:
针对目前常用的固定电极滚镀法存在的镀覆效率低、镀层不均匀等问题，提出基于旋转电极的金刚石表面滚镀方法，并开发相应的滚镀装置。分析金刚石旋转电极滚镀法的镀覆机理，通过试验研究镀覆工艺参数对金刚石表面镀层沉积速率和镀层形貌的影响。结果表明：旋转电极可以驱动磨料堆增加其翻转频率和磨粒间的分散能力，提高磨粒堆与电极和镀液接触的均匀性，从而提高镀层的均匀性和表面质量。采用旋转电极滚镀法的最佳工艺参数为：镀覆电流为4 A，阴极转速为20 r/min，阴极转子直径为22.5 mm，金刚石粒度代号为70/80。增加磨粒堆的翻滚频率使磨粒间接触均匀性得到改善，增大滚镀空间和电极尺寸，进而增加单次镀覆的装载量。结果显示：采用旋转电极滚镀方法在2 L容量镀瓶中最大装载量可达700 g，约为相同条件下的固定电极装载量的2倍，显著提高了金刚石镀镍的生产效率。

TiH₂对Cu60Zn40合金结合剂结构和性能的影响

韩平, 刘恒源, 徐三魁, 黄威, 徐天兵

2021, 41(6): 51-55. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0009

摘要(347)

PDF 1803KB(25)

摘要:
以Cu60Zn40合金粉末为原料，加入TiH₂，研究TiH₂的体积分数与烧结温度对Cu60Zn40结合剂力学性能与微观结构的影响。结果表明：TiH₂起到活化烧结作用，可以提高Cu60Zn40的力学性能。当烧结温度为680 ℃，TiH₂的体积分数从0增大到10%时，抗弯曲强度从225 MPa提高到445 MPa，抗冲击强度从28.3 kJ/m²提高到54.3 kJ/m²。当烧结温度为560 ℃，TiH₂体积分数从0增大到5%时，硬度由46 HRB提高到88 HRB。气孔率随着TiH₂体积分数的增大而增大，当TiH₂体积分数为20%时，气孔率为6.2%。TiH₂的加入可以提高Cu60Zn40结合剂金刚石磨具磨削性能。当TiH₂体积分数从0增大到10%时，磨耗比由28.50提高到61.67，同时减少工件表面烧伤。

基于灰色关联理论的RB-SiC陶瓷电火花机械复合磨削工艺参数优化

黄书强, 魏宗泽, 饶小双, 李琛, 张飞虎

2021, 41(6): 56-62. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0010

摘要(549)

PDF 1640KB(21)

摘要:
开展反应烧结碳化硅陶瓷电火花机械复合磨削试验，分析砂轮参数、磨削参数以及放电参数对陶瓷表面粗糙度、材料去除率、砂轮磨损率以及法向磨削力的影响规律。结果表明：与普通磨削相比，电火花机械复合磨削能提高RB-SiC陶瓷的材料去除率，且有效降低磨削时的法向磨削力；但过高的放电能量会造成砂轮的严重磨损，导致材料去除率和磨削表面质量降低。基于灰色关联理论和正交试验对工艺参数进行优化，并开展试验对优化结果进行验证。结果表明：优化后的工艺参数能有效提高材料去除率和磨削表面质量，并降低法向磨削力和砂轮磨损率。

基于逐步回归分析法的表面粗糙度预测

张家有, 宋万万, 白玉珍, 韩冰, 李路杰, 朱慧宁

2021, 41(6): 63-67. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0011

摘要(514)

PDF 1578KB(25)

摘要:
为减少渗碳钢轴的导磁性对磁粒研磨加工的影响，将磨料贮存于周围镶嵌多个磁极的圆形容器中，使被工件带走的磁性粒子能够在磁极间循环利用，虽然降低了磁性磨料在单个磁极处的自我更新作用，但是能够防止磁性磨料的流失。开展对20CrMnTi材质的轴类零件的试验，以加工时间、工件转速、磁性磨料和研磨液的质量比、磁性磨粒的粒径为自变量，工件表面粗糙度作为因变量，采用逐步回归分析建立表面粗糙度预测模型，通过试验验证预测结果的准确性。结果表明：预测模型的表面粗糙度的相对误差绝对值能够控制在7%以内，具有较好的预测能力。

径向振动匹配层换能器的设计参数及模态优化

郭帅宏, 李军, 王欢涛

2021, 41(6): 68-73. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0012

摘要(592)

PDF 1461KB(16)

摘要:
设计基于匹配层外壳的径向振动换能器，分析匹配层材料、换能器直径、压电振子厚度对换能器模态振型的影响，并结合设计频率下最佳模态振型优化换能器设计参数。结果表明:树脂基匹配层显著提高换能器在空气介质中的发射效率。随着换能器直径减小、压电振子厚度增加，径向振动换能器激振效率提高。优化的换能器直径为100 mm，压电振子厚度为10 mm，在第三阶谐振频率为34 729 Hz时，可实现高效率、高质量振动辅助研磨加工。

电镀金刚石线锯使用性能的试验研究

张晨政, 葛培琪, 陈自彬, 郑楚夕, 毕文波

2021, 41(6): 74-79. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0013

摘要(442)

PDF 1492KB(40)

摘要:
为评价电镀金刚石线锯的使用性能，搭建恒力进给式金刚石线锯性能评价试验机，对编号为Ⅰ、Ⅱ的2种基体直径相同的电镀金刚石线锯进行单晶硅切片试验，记录切片时间，计算锯切效率，利用粗糙度仪、光学显微镜、扫描电子显微镜分别测量硅片表面粗糙度、锯缝宽度及锯丝表面磨粒脱落率。试验结果表明：金刚石线锯性能评价试验机能够定量评价电镀金刚石线锯的使用性能；Ⅰ号线锯的锯切效率比Ⅱ号线锯的高13.6%；用Ⅱ号线锯切片得到的硅片走丝方向、进给方向的表面粗糙度分别比用Ⅰ号线锯的小17.5%、10.8%；Ⅰ号线锯的锯缝宽度比Ⅱ号线锯的小3.8%；Ⅱ号线锯的使用寿命比Ⅰ号线锯的长；Ⅰ号线锯的磨粒脱落率是Ⅱ号线锯的2.1倍。

磨料质量分数对磨硅片用金刚石砂轮磨削性能的影响

骆苗地, 赵金伟, 丁玉龙, 苗卫朋, 包华, 张云鹤

2021, 41(6): 80-84. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0014

摘要(452)

PDF 1528KB(50)

摘要:
采用改进的凝胶注模技术制备多孔陶瓷结合剂超细金刚石砂轮，研究6种不同质量分数磨料(质量分数分别为27%、30%、33%、36%、39%、42%)的多孔金刚石砂轮的显微结构和磨削性能。结果表明：磨料的质量分数直接影响砂轮磨削时的磨削电流、砂轮磨损速率，进而影响硅片磨削后的表面一致性。使用磨料质量分数为39%的砂轮时，硅片磨削后可获得粗糙度为4.8 nm的光滑表面。

不同斧型钻齿切削刃角下的破岩方式

李尚劼, 赵星, 黄继庆, 刘维

2021, 41(6): 85-90. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.6.0015

摘要(587)

PDF 2019KB(39)

摘要:
为进一步理解斧型 PDC钻齿破岩机理，建立PDC钻齿破岩的3D有限元模型，对3种不同切削刃夹角的斧型PDC钻齿破岩方式开展对比研究。结果表明：与150°和165°的钻齿相比，135°的斧型钻齿受到的剪切力和切削力更小，从而具有更高的破岩效率。在相同的后倾角、相同的切削深度和相同的切削力下，165°斧型钻齿切削力波动较小，稳定性更高。与立式车床上的实验数据相比，仿真结果与实验结果总体趋势一致，误差在可接受范围内。