金刚石与磨料磨具工程

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航空航天铝合金构件装配孔钻削出口毛刺研究进展

王笑时, 杨国林, 董志刚, 康仁科

2022, 42(4): 385-409. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0095

摘要(704)

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PDF 10236KB(76)

摘要:
航空航天制造业中存在大量的铝合金装配孔加工需求。装配孔主要通过钻削加工实现，加工中存在铝合金出口毛刺过大的问题。出口毛刺直接影响工件的精度、抗疲劳强度、装配性能，去毛刺工序会极大地增加工时和成本。因此有必要对铝合金装配孔钻削出口毛刺进行研究，实现对出口毛刺的控制。从铝合金钻削出口毛刺的类型和测量方法、形成机理和高度预测以及毛刺控制方法等方面进行了系统性的论述，以期为铝合金钻削加工出口毛刺的研究提供帮助。

金刚石微粉表面的纳米硅烷化改性及其抗氧化性能

庞爱红, 董欣然, 董俊言, 沈方韧, 谭素玲, 贾晨超, 董书山, 毛青青, 吴增凤

2022, 42(4): 410-420. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0100

摘要(849)

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PDF 3949KB(91)

摘要:
采用溶胶−凝胶技术和正硅酸乙酯（TEOS）的水解−缩合反应，在金刚石微粉表面包覆一层厚度为2～10 nm的富含活性氧基团的纳米氧化硅非晶凝胶膜，凝胶膜在加热至一定温度后，其二氧化硅可由非晶相向晶体相转变。金刚石微粉在空气中的初始氧化温度从原料金刚石的500 ℃提升到其TEOS覆膜改性后的550 ℃。在TEOS覆膜中添加纳米硅粉改性后，金刚石微粉样品在空气中的初始氧化温度可进一步提升至610 ℃；且经过800 ℃的热处理后，样品剩余量比之原料金刚石量大幅度提升，表明TEOS覆膜中添加纳米硅粉后可进一步提升金刚石微粉的高温抗氧化性能。TEOS覆膜中富含的活性氧基团能与树脂/陶瓷结合剂间产生化学反应，有利于提高结合剂对金刚石的把持力，可为制备高性能的树脂/陶瓷结合剂金刚石工具提供良好的功能化改性原材料。

Cr元素对Ni基无硼钎料钎焊金刚石的组织及性能影响

王朋波, 石梦阳, 张雷, 纠永涛, 程战, 秦建, 丁梓超, 徐东

2022, 42(4): 421-427. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0056

摘要(705)

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PDF 5568KB(63)

摘要:
针对B元素易使钎焊金刚石接头出现较多硬脆相的问题，制备一种新型Ni–Cr–Si–Cu–Sn无硼活性钎料，分析Cr元素对钎料组织和钎焊金刚石试样性能的影响规律。结果表明：Cr元素具有细化钎料晶粒和调控钎料中各元素分布的作用，可以提高钎料合金的显微硬度。当Cr元素质量分数过高时，会使钎料的熔点升高，钎料的润湿性能下降。综合来说，含有质量分数为15%的Cr的无硼钎料性能最佳，钎焊金刚石试样的磨削性能较优良，接头处出现多种形状的Cr₇C₃相，实现了钎料对金刚石的高强度连接。

均一亚微米级氧化铈抛光粉的制备

戴蒙姣, 陈国美, 倪自丰, 章平, 钱善华, 卞达

2022, 42(4): 428-432. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0117

摘要(632)

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PDF 3730KB(51)

摘要:
为得到均一的亚微米级二氧化铈（CeO₂）抛光粉，以六水合硝酸铈（Ce(NO₃)₃·6H₂O）为原料，以醇－水混合溶液为溶剂，采用溶剂热法合成CeO₂。改变Ce³⁺浓度和醇-水体积比，利用X射线衍射仪（XRD）、激光粒度分布仪、扫描电子显微镜（SEM）对CeO₂的物相组成和形貌特征进行表征，分析CeO₂粒子的形成过程。将合成的CeO₂用于6H-SiC晶片Si面的化学机械抛光（chemical mechanical polishing，CMP），利用原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）和电子天平得出CeO₂的抛光性能。结果表明：Ce³⁺浓度为0.10 mol/L，醇－水体积比为3∶1时合成的CeO₂的形貌规则、晶粒尺寸适中且粒度分布均匀。采用其抛光后，晶片表面粗糙度R_a为0.243 nm，材料去除速率d_MRR为287 nm/h。合成的CeO₂适用于化学机械抛光。

飞秒激光诱导纳米金刚石薄膜表面周期性结构的摩擦学性能研究

崔雨潇, 马家豪, 阎兵, 戚厚军, 蔡玉俊

2022, 42(4): 433-441. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0063

摘要(621)

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PDF 4634KB(45)

摘要:
研究基于飞秒激光辐照方法在纳米金刚石(nano-crystalline diamond, NCD)薄膜表面制备的激光诱导周期性结构(laser-induced periodic surface structures, LIPSS)的摩擦学行为。在空气环境下采用脉冲宽度为200 fs，中心波长为1040 nm的掺镱光子晶体光纤飞秒激光辐照NCD薄膜表面产生LIPSS。基于不同的扫描间隔制备2种LIPSS表面，即连续分布的LIPSS表面(continuously distributed LIPSS, CDL)和均匀间隔的LIPSS带状表面(evenly spaced LIPSS stripes, ESLS)。通过球盘式摩擦磨损试验机进行往复式干摩擦试验来对上述2种LIPSS表面的摩擦学性能进行表征，其中的对磨球为ZrO₂陶瓷材质。往复式摩擦试验采用了平行和垂直于LIPSS纹理的2种摩擦方向。研究结果表明：施加LIPSS后的NCD薄膜表面容屑能力得到改善，同时摩擦接触面积降低，因而相比于原始NCD薄膜，其摩擦系数明显降低；对于CDL表面，摩擦方向与LIPSS纹理垂直时的摩擦系数比纹理平行时的更高；ESLS表面的LIPSS纹理方向对摩擦系数无影响。

基于空心氧化铝微球造孔的陶瓷结合剂金刚石砂轮

轩闯, 王超超, 白福厚, 张凤林

2022, 42(4): 442-448. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.4001

摘要(858)

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PDF 4090KB(94)

摘要:
研究空心氧化铝微球质量分数和粒径（0.2, 0.4, 0.6 mm）对砂轮的总气孔率、抗弯强度、硬度和微观结构的影响，制备以空心氧化铝微球为造孔剂的陶瓷结合剂金刚石砂轮，并研究砂轮对石英玻璃的磨削性能。结果表明：随着空心氧化铝微球质量分数增加，砂轮总气孔率升高，抗弯强度和硬度降低；空心氧化铝微球质量分数相同时，其粒径越小，砂轮的总气孔率越高，抗弯强度和硬度越低；制备的空心氧化铝微球陶瓷结合剂金刚石砂轮可用于磨削石英玻璃，加工后石英玻璃的表面粗糙度从0.5113 μm降至0.0206 μm。

水溶性造孔剂在超薄树脂切割砂轮中的应用

李大水, 杜晓旭, 曹剑锋, 陈怀亮, 王思亮, 吴磊涛, 羊松灿, 郝素叶, 杨剑锋

2022, 42(4): 449-456. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.4002

摘要(891)

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PDF 6733KB(82)

摘要:
为进一步提升超薄树脂切割砂轮的自锐性能和排屑容屑能力，在切割砂轮中加入水溶性造孔剂NaCl，研究其含量对超薄树脂切割砂轮的微观形貌、力学性能及切割性能的影响。结果表明：当造孔剂添加体积分数为10%时，砂轮中的孔隙均匀适中，其切割效率最高，进给速度最高可达20 mm/s。但加入造孔剂会对砂轮的抗折性能和切割寿命产生一定影响，造孔剂含量越高，抗折性能越低，切割寿命越短。

加工参数对单晶γ-TiAl表面质量和亚表层损伤的影响机理

姜军强, 梁桂强, 孙立辉, 董中奇

2022, 42(4): 457-466. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0001

摘要(736)

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PDF 4680KB(56)

摘要:
为研究加工工艺参数对纳米切削单晶γ-TiAl合金表面质量和亚表层损伤的影响机理，以分子动力学（molecular dynamics, MD）为基础理论，采用非刚性金刚石刀具建立三维纳米切削模型，通过研究切屑体积、表面粗糙度、静水压分布、位错密度、位错演化、相变原子数，详细分析不同切削速度和切削深度对表面和亚表面结构的影响。结果发现：随着切削速度的增加，切屑体积增大，加工效率提升，且存在切削速度为100 m/s的临界值。表面粗糙度先减小后增大，同样存在切削速度为100 m/s的临界值。位错的复杂程度降低，位错密度减小，塑性变形程度增加；随着切削深度的增加，切屑体积增大，加工效率提升，表面粗糙度、位错密度以及塑性变形程度显著增加。在切削过程中，发现位错主要分布在刀具前方和下方，在刀具前方45°方向存在V形位错和梯杆位错以及位错间的相互反应，且切削完成后残留下空位和原子团簇等稳定缺陷。

聚晶金刚石刀具研磨质量及去除机理研究

王森, 董海, 谷雨, 王明, 王加威

2022, 42(4): 467-472. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.3002

摘要(744)

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PDF 8427KB(64)

摘要:
针对聚晶金刚石（PCD）刀具的研磨质量问题，选择刃口钝圆半径、刃口缺陷度、后刀面粗糙度作为评价指标进行工艺参数的优化试验，并分析PCD的研磨去除机理。结果表明：工作台调定压力对刃口钝圆半径影响最显著；金刚石砂轮对刃口缺陷度影响最显著；砂轮转速对后刀面粗糙度影响最显著。选择4/5陶瓷基金刚石砂轮、1 000 r/min砂轮转速、170 N工作台调定压力可以获得研磨质量较高的PCD刀具。试验条件下，PCD的主要去除方式为划擦作用与微细破碎。1 000 r/min砂轮转速、170 N工作台调定压力下的微细破碎在保证较小刃口钝圆半径与刃口缺陷度的同时，可以获得相对平整的PCD表面。

纳米金刚石涂层刀具高速铣削7075铝合金的工艺参数优化

邵伟平, 张韬

2022, 42(4): 473-480. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.4003

摘要(694)

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PDF 5221KB(44)

摘要:
采用热丝CVD法制备纳米金刚石薄膜涂层刀具，利用场发射扫描电子显微镜表征薄膜的表面形貌，并用已制备的CVD金刚石涂层刀具，在无润滑干切条件下高速铣削7075铝合金工件，对其精铣工艺参数进行单因素及正交试验，探索精铣后工件的表面粗糙度变化规律并进行工艺参数优化。结果表明：随着主轴转速n从5000 r/min提高到8000 r/min，工件平均表面粗糙度在逐级缓慢降低；当进给速度v_f在1000～7000 mm/min范围内，随着v_f提高工件平均表面粗糙度快速增大，在v_f为7000 mm/min时，其值达1.790 μm；当轴向切削深度a_p在0.1～0.4 mm范围内，随着a_p提高，工件平均表面粗糙度逐步增大，但a_p在0.2 mm之后其增大趋势变缓。对7075铝合金工件精铣表面粗糙度影响最大的是v_f，其次为n，a_p的影响最弱；其精铣的最优参数组合是a_p=0.2 mm、v_f=1 000 mm/min、n=8 000 r/min，精铣后的表面粗糙度平均值为0.516 μm。选用纳米金刚石薄膜涂层刀具精铣7075铝合金时，为得到较低的表面粗糙度，应选择高主轴转速、低进给速度、合适的轴向切削深度。

弯管磁粒研磨的差异化加工工艺试验研究

徐进文, 陈松, 胡菁华, 张磊, 杨欢, 陈燕

2022, 42(4): 481-487. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.3005

摘要(512)

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PDF 4470KB(27)

摘要:
根据弯管冲蚀破坏处的特点，提出一种新的差异化加工工艺。利用机械手的灵活性，在弯管加工过程中改变弯管内外侧的加工间隙，实现弯管内壁的差异化研磨，提高其表面质量。结果表明：在加工时间为75 min，弯管内外侧加工间隙均为2.0 mm时，弯管外弧的内表面粗糙度从0.70 μm下降到0.34 μm，弯管内弧的内表面粗糙度从0.82 μm下降到0.32 μm；在差异化研磨时，弯管外侧加工间隙为1.5 mm，内侧加工间隙保持为2.0 mm不变，弯管外弧的内表面粗糙度从0.70 μm下降到0.26 μm，弯管内弧的内表面粗糙度从0.82 μm下降到0.29 μm。差异化研磨可有效提高弯管的内表面质量。

磁流变变间隙动压平坦化加工的工艺及机理

阎秋生, 蔡志航, 潘继生, 黄蓓, 曾自勤

2022, 42(4): 488-494. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0004

摘要(548)

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PDF 3330KB(40)

摘要:
为提高光电晶片的磁流变抛光效率并实现其超光滑平坦化加工，提出其磁流变变间隙动压平坦化加工方法，研究不同变间隙条件下蓝宝石晶片的材料去除率和表面粗糙度随加工时间的变化，并分析磁流变变间隙动压平坦化加工机理。结果表明：通过蓝宝石晶片对磁流变抛光液施加轴向低频挤压振动，其抛光压力动态变化且磁流变液产生挤压强化效应，使抛光效率与抛光效果显著提升。在工件下压速度为1.0 mm/s，拉升速度为3.5 mm/s，挤压振动幅值为1 mm条件下磁流变变间隙动压平坦化抛光120 min后，蓝宝石晶片的表面粗糙度R_a由 6.22 nm下降为0.31 nm，材料去除率为5.52 nm/min，相较于恒定间隙磁流变抛光，其表面粗糙度降低66%，材料去除率提高55%。改变变间隙运动速度可以调控磁流变液的流场特性，且合适的工件下压速度和工件拉升速度有利于提高工件的抛光效率和表面质量。

旋转磁场下非球面工件的磁性混合流体抛光

田可, 郭会茹, 吴勇波, 陆政凯

2022, 42(4): 495-503. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.0211

摘要(715)

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PDF 7755KB(42)

摘要:
针对非球面光学元件的结构特点及其表面质量要求，在磁性混合流体抛光基础上，设计并制作以径向充磁永磁体为旋转磁场源的半球头抛光头。首先，通过Ansoft Maxwell磁场仿真，分析对比不同形状、不同尺寸磁体和偏心距下各磁体周围磁场的分布状况，选定直径为10.0 mm、高度为5.0 mm、偏心距为2.5 mm、径向充磁的圆柱形磁体。其次，通过观测并比较不同组成、配方和供应量的磁性混合流体在抛光头上的行为，确定磁性混合流体抛光液成分。最后，采用制备的磁性混合流体抛光液及自制的抛光头对非球面PMMA工件进行抛光试验。经过15 min抛光后，PMMA工件表面质量明显改善，其面型精度R_q由0.703 μm下降到2.433 nm，表面粗糙度R_a由0.545 μm下降到1.786 nm，说明研制的抛光头能实现非球面工件的纳米级抛光。

碳化硅晶体电化学机械抛光工艺研究

王磊, 吴润泽, 牛林, 安志博, 金洙吉

2022, 42(4): 504-510. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0029

摘要(1418)

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PDF 4166KB(208)

摘要:
针对碳化硅晶体抛光效率低的问题，研究碳化硅晶体的电化学机械抛光工艺，对比NaOH、NaNO₃、H₃PO₄ 3种电解液电化学氧化碳化硅晶体的效果。选用0.6 mol/L的NaNO₃作为电化学机械抛光过程的电解液，使用金刚石–氧化铝混合磨粒，通过正交试验研究载荷、转速、电压、磨粒粒径对电化学机械抛光碳化硅晶体的表面质量和材料去除率的影响。采用优选的试验参数进行抛光试验，结果表明：在粗抛阶段可实现20.259 μm/h的高效材料去除，在精密抛光阶段可获得碳化硅表面粗糙度S_a为0.408 nm的光滑表面。