金刚石与磨料磨具工程

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固态纳米孔高能束制造方法

陈威, 郑李娟, 艾思棋, 刘佑明, 王成勇, 袁志山

2023, 43(1): 1-9. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0009

摘要(496)

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PDF 3019KB(98)

摘要:
固态纳米孔因具有机械性能好、稳定性强、形状易控的优点，在基因检测、蛋白质检测、能量转换、物质分离以及水净化等领域显示出巨大的潜力，并引起众多研究人员关注。其中，形状可控、高效的固态纳米孔制造技术是现实固态纳米孔应用的前提。目前，在常见的固态纳米孔制造方法中，高能束制造方法具有高效率、高精度、高可控制造的优势。本文重点概述高能电子束、聚焦离子束、激光刻蚀法和离子径迹刻蚀法等4种固态纳米孔制造方法及其基本原理，并讨论上述方法的优缺点及其大规模可控制造的可行性。

超硬材料行业绿色低碳发展调研报告

李利娟, 张贝贝, 孙兆达

2023, 43(1): 10-13. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.1001

摘要(548)

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PDF 1711KB(108)

摘要:
在国家“碳达峰碳中和”行动全面开展的背景下，为推动超硬材料行业为国家绿色低碳高质量发展做出新的贡献，开展超硬材料行业能耗调研，汇总分析超硬材料及制品企业的能耗数据，对比无机非金属领域典型产品能耗情况。结果表明：在2019～2021年，超硬材料单位工业总产值能耗分别为0.11，0.10，0.08 tce/万元，超硬材料制品单位工业总产值能耗分别为0.08，0.07，0.05 tce/万元，且超硬材料行业的能耗降低率远大于国家GDP能耗指标下降百分比；同无机非金属领域典型产品水泥、陶瓷、普通磨料相比，超硬材料行业能耗处于较低水平。最后，针对超硬行业政策及企业降碳方面给出相关建议。

3D打印金刚石复合片及其钻头的研究进展

吴晶晶, 张绍和, 曲飞龙, 苏舟, 孔祥旺, 何焘

2023, 43(1): 14-22. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3003

摘要(301)

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PDF 2669KB(74)

摘要:
PDC钻头已成为油气勘探领域的首选钻头类型，日益提升的PDC钻头性能要求特别是钻进效率要求给钻头制造带来较大挑战。钻头工作面结构改进是PDC钻头实现高效破岩的关键，但这给PDC钻头制造带来难题。3D打印技术是一种新型的快速成形技术，具有制造任意复杂形状结构、个性化定制和创意设计的优点，将3D打印工艺应用于PDC及其钻头的生产是未来发展的必然趋势。本文中介绍了目前用于制备PDC及其钻头的3D打印技术的基本原理，包括光固化成形技术（SLA）、熔融沉积技术（FDM）、激光选区烧结（SLS）、激光选区熔化技术（SLM）和喷墨粘粉式（3DP）等；总结了现有3D打印技术在PDC及其钻头制造方面的研究进展，并对未来3D打印PDC钻头的发展进行了展望。

孕镶金刚石钻头钻进花岗岩岩屑特性室内试验研究

康鑫, 段隆臣, 刘卫卫, 谭松成, 和大钊

2023, 43(1): 23-28. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3001

摘要(253)

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PDF 5722KB(54)

摘要:
岩屑的特征参数是影响其环空上返的一个重要因素。为研究孕镶金刚石钻头钻进花岗岩所产生的岩屑特性，开展室内微钻试验。研究发现碎岩产生的岩屑在一定范围内呈单峰值分布，且岩屑粒度分布范围与钻压、转速等钻进参数有关；在一定程度上岩屑峰值粒径随着钻压的增大而变大，随着转速的增大而变小。进一步显微观察岩屑形貌特征，发现岩屑颗粒基本小于岩石原矿物颗粒尺寸，且岩屑颗粒多呈单一矿物成分，较少有多种矿物相互混杂的岩屑颗粒；显微观察岩屑与岩石表面形貌特征，发现孕镶金刚石钻头钻进花岗岩时以体积破碎的方式为主、塑形微切削方式为辅。

FeCoCu预合金粉末含量和烧结温度对碳化钨基钻头性能的影响

李俊萍, 胡立

2023, 43(1): 29-34. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3002

摘要(304)

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PDF 2120KB(53)

摘要:
为提高钻头胎体耐磨性与地层研磨性的适应性，提高钻头自锐能力，选取FeCoCu预合金粉作为胎体成分，对胎体性能进行研究。在碳化钨基胎体中添加FeCoCu预合金粉末，调节金刚石钻头胎体中FeCoCu粉末与WC粉末的配比关系，并在不同的烧结温度下烧制试样，寻找FeCoCu含量和烧结温度对胎体性能的影响规律。试验结果发现：随着FeCoCu含量的升高，胎体的相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度和耐磨性随之降低；烧结温度对相对致密度、洛氏硬度、抗弯强度的影响幅度小，对胎体耐磨性的影响幅度大，最大变化幅度达到310%。FeCoCu预合金与烧结温度的耦合作用下，胎体的耐磨性变化存在较宽的调节区间，可通过二者组合的变化，调节胎体耐磨性，提高胎体对地层的适应性。

磨损齿PDC钻头的切削性能试验

张春亮, 王锦成, 柯晓华, 冯枭, 杨迎新, 任海涛, 黄子轩

2023, 43(1): 35-42. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0084

摘要(313)

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PDF 4459KB(48)

摘要:
为探究磨损齿PDC钻头的切削性能，避免其过早失效，通过单齿切削试验以及全尺寸磨损齿钻头钻进试验，分析磨损齿的受力状态以及钻头的钻进特性。结果表明：相比于新齿，磨损齿受载更大，且其“磨圆”后切岩过程中的钝搓现象普遍存在；在相同吃深条件下，齿的磨损高度越大，载荷波动越明显。相比于新钻头，磨损齿钻头更能产生光滑的井底，不利于其侵入地层。随齿的磨损高度增加，钻头的机械钻速下降，机械比能增加，振动程度减小，且钻头的径向加速值与齿的磨损高度无关。当齿的磨损高度大于3.0 mm时，钻头的机械比能和机械钻速对钻压不敏感。

砾岩层PDC切削齿优选试验

程书婷, 王红波, 纪慧, 蔡茂盛, 李赛

2023, 43(1): 43-48. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0072

摘要(406)

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PDF 3209KB(50)

摘要:
为了在砾岩层中获得更好的钻进效果，需要对砾岩层用PDC钻头切削齿的齿形和后倾角进行优选。对普通平面齿、锥形齿和斧形齿在砾岩岩样中进行单齿破岩试验，再对优选出的斧形齿进行仿真分析，优选斧形齿的最佳齿面角度，再与普通平面齿进行切削模拟，验证试验结果。结果表明：斧形齿在砾岩层中切削效率最高，受力最稳定；齿面角度为140°的斧形齿在砾岩中钻进效果更好，当其配合30°后倾角时，切削效率最高。

陶瓷材料的DIW工艺在陶瓷基金刚石工具中应用的关键技术问题

王娅妮, 张绍和, 张谦, 孔祥旺, 何焘, 赵东鹏, 高华

2023, 43(1): 49-58. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0082

摘要(355)

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PDF 2479KB(53)

摘要:
浆料的直写成形技术（DIW）是一种基于浆料挤出的3D打印技术，其具有能耗低、成本低、打印速度快、无结构设计限制等优点。在概述DIW 技术应用于陶瓷基金刚石工具优势的基础上，对其应用过程中的原料选择、浆料制备、打印适性及脱脂、烧结工艺等关键步骤进行探讨，并指出在浆料制备环节中需要重点关注的粉体团聚问题。同时，分析一些DIW 制造工艺的研究实例。最后，指出DIW工艺制造陶瓷基金刚石工具应解决的关键问题。

润滑剂对金属磨具湿法成形组织和性能的影响

邵俊永, 黎克楠, 冯圆茹, 张良, 窦振, 董德胜, 李大水, 许本超

2023, 43(1): 59-65. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0230

摘要(301)

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PDF 2502KB(42)

摘要:
为研究不同润滑剂的微观结构和热力学性能及其对湿法成形毛坯或烧结组织的结构和力学性能的影响，在金属磨具中添加不同的润滑脱模剂并以湿法轧制成形和脱脂烧结，使用同步热分析仪、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等设备分析试样的性能。结果表明：硬脂酸锌的脱脂残留量（质量分数，下同）约为20.00%，残渣为纳米级颗粒的团聚体，HV1润滑剂的残留量仅为3.00%，残渣为尺寸约10 μm的互锁型无规则颗粒；HV1和硬脂酸锌润滑剂均对湿法成形有较好的脱模效果，但添加HV1和硬脂酸锌润滑剂的压坯密度分别降低0.5%和5.0%，烧结样品的密度分别降低1.5%和3.4%，抗弯强度分别降低4.4%和9.1%。相比于硬脂酸锌润滑剂，HV1对压坯和样品性能的影响较小，同时具有较好的脱模效果，更适用于金属磨具各类湿法成形的应用。

超硬磨料砂轮自动化复合修整机床CAM系统开发

陈根余, 蓝圣增, 王彦懿, 欧阳征定, 周伟, 李明全, 李杰

2023, 43(1): 66-74. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0061

摘要(310)

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PDF 5007KB(35)

摘要:
为了使复合修整方法中的多种工艺更系统地整合，提高成形砂轮的修整效率，结合自主研制的激光–机械复合修整装备，开发一套CAM系统，可根据不同砂轮截面形状，自动规划多工艺、多修整策略下的修整轨迹，计算平面三轴联动修整刀路，自动生成加工代码，同时设计可视化界面仿真加工过程。对青铜结合剂金刚石砂轮进行修整试验，结果表明：该系统可在保证机床不发生碰撞和过切的情况下，生成激光粗修、半精修及机械精修的加工程序，大幅提高复合修整方法的编程效率，修整后的砂轮轮廓误差在9.1 µm以内，圆跳动误差为6.1 µm。

金刚石工具加工SiO_2f/SiO₂复合材料的可行性研究

高航, 李睿祺, 许启灏, 兰宝华

2023, 43(1): 75-81. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1214

摘要(269)

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PDF 4594KB(45)

摘要:
针对石英纤维增强陶瓷基复合材料（SiO_2f/SiO₂）制造的薄壁壳体零件加工过程中存在加工效率低、切削力较大易导致零件破裂和加工表面粗糙度不易达到要求等问题，为寻求零件可行的加工刀具和工艺参数，在阐述微刃切削原理基础上，用其研制的整体多刃PCD刀具和电镀金刚石磨头，开展金刚石工具加工SiO_2f/SiO₂复合材料的可行性研究。结果表明：采用基于微刃切削原理设计的整体多刃PCD刀具加工SiO_2f/SiO₂，因刀具锋利和多刃特点可以实现较大的切深并获得较大的切削效率，但是切削力相对较大；相比于整体多刃PCD刀具，电镀金刚石磨头加工SiO_2f/SiO₂时切削力较小，加工后工件表面质量较好，且其表面粗糙度较低；

GFRP低频轴向振动制孔的钻削力特性和套料钻磨损分析

董香龙, 郑雷, 韦文东, 孙晓晗, 刘子文, 孙衍涛, 何智伟

2023, 43(1): 82-89. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0053

摘要(238)

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PDF 2897KB(34)

摘要:
GFRP的套孔钻削过程中极易产生分层、撕裂等加工损伤，其与轴向钻削力直接相关。为提高GFRP的制孔质量，采用新型金刚石薄壁套料钻，结合低频轴向振动加工技术，建立单颗磨粒的运动学模型和动力学模型，试验研究GFRP制孔中的轴向力变化规律，并对套料钻的烧焦概率、自动落料率进行分析。结果表明：对比常规钻削，低频振动钻削时的瞬时进给量和轴向力比常规钻削时的大，且随着振幅的增加，轴向力也随之增大；低频振动钻削和常规钻削时的轴向力皆随进给速度的增加而增大，随主轴转速的升高而降低。同时，低频振动钻削时磨粒间断性地参与钻削，大大降低了套料钻的烧焦概率，提高了其自动落料率，自动落料率高达88.24%，可实现GFRP的连续批量制孔。

C/SiC复合材料微孔的电镀金刚石钻头钻削加工

庞继伟, 李升, 郭明波, 王兆辉, 袭建人, 杨晓涛

2023, 43(1): 90-95. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0026

摘要(275)

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PDF 2590KB(41)

摘要:
用金刚石基本颗粒尺寸分别为20～30，36～54和63～75 μm，直径在0.280～0.440 mm范围的6种电镀金刚石钻头，钻削三维针刺毡基C/SiC复合材料微孔，测试6种钻头的最佳加工工艺参数，分析工艺参数及金刚石基本颗粒尺寸、钻头直径等对微孔加工质量、加工效率的影响。结果表明：在相同钻削速度条件下，进给速度越低时，加工的微孔质量越好；钻头电镀的金刚石磨粒基本颗粒尺寸越大，其钻削效率越高；在6种钻头中，直径为0.300 mm的基体上电镀63～75 μm的磨粒，直径为0.200 mm的基体上电镀36～54 μm的磨粒，能够获得更优的钻孔性能。

基于YOLOv5和DeepSORT的金刚石锯丝磨损监测

袁俊涛, 赵礼刚, 秦齐, 王天旭, 刘志强

2023, 43(1): 96-101. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0065

摘要(206)

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PDF 2550KB(33)

摘要:
为提高金刚石线锯切割的效率和质量，满足实时监测锯丝磨损的需求，提出一种基于改进的YOLOv5检测算法，在YOLOv5的基础上融合坐标注意力机制和BiFPN模块，使检测精确度、召回率、平均精度均值分别提高1.7%、3.7%、3.2%，能够有效检测不同磨损程度的磨粒；再连接DeepSORT多目标跟踪算法，设置虚拟检测线，统计不同磨损程度的磨粒数量，进而监测金刚石锯丝的磨损情况。

安装角度对交叉孔试件振动抛磨效果的影响分析

贾建, 李秀红, 李文辉, 杨胜强, 王嘉明

2023, 43(1): 102-109. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.5003

摘要(195)

HTML (69)

PDF 3698KB(37)

摘要:
为探究试件安装角度对交叉孔转接部位抛磨效果的影响，基于离散单元法对交叉孔试件振动抛磨加工工艺进行仿真分析。研究发现：与安装角度为0°，90°时相比，安装角度为45°时，交叉孔转接部位的加工均匀性较好，且转接部位磨损深度的最小值大于安装角度为0°，90°时磨损深度的最小值。基于单因素试验方法，采用ZLC100卧式振动抛磨设备对不同安装角度的交叉孔试件进行抛磨加工试验。结果表明：与安装角度为0°，90°时相比，安装角度为45°时，交叉孔转接部位毛刺的去除效果较好，转接部位倒圆角效果较明显，测得转接部位圆角半径在0.3～0.7 mm 范围内，大孔和小孔内侧表面8个区域表面粗糙度归一化值 R_a^*有明显的下降趋势，试验得到的结论与仿真分析的结论相符合。

涡轮叶片内冷通道的磨料流光整加工特性

郑志鑫, 董志国, 李孟楠, 雷鸿博

2023, 43(1): 110-117. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0093

摘要(237)

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PDF 3710KB(43)

摘要:
航空涡轮叶片内部的多冷却通道多采用消失模铸造等方法制造，其表面粗糙度较高，冷却效率低，内部流道截面小且呈S形弯曲狭长分布，不容易抛光。用Polyflow软件对叶片内冷通道进行仿真，研究其内部压力场、速度场的变化情况。在工件的4个典型区域进行S形内流道加工试验，研究表面粗糙度与材料去除量的变化规律。结果表明：经仿真，压力下降的幅度沿流动方向逐渐变小，速度由通道中心向壁面逐渐减小；相同试验条件下，S形流道转弯处的表面粗糙度比直流道处的低；流道内存在沿程压力损失，区域A比区域D的材料去除量大4～5倍。

基于控制研磨深度的金刚石研磨质量分析

庞飞, 雷大江, 王伟

2023, 43(1): 118-125. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0048

摘要(346)

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PDF 4377KB(50)

摘要:
为了探究金刚石器件在机械研磨过程中原子层面的材料表面成形和亚表面损伤机制，利用分子动力学（molecular dynamics，MD）方法建立金刚石多磨粒研磨金刚石工件的模型，仿真研究金刚石材料表面成形的过程，并对比不同研磨深度对研磨力、材料回弹率和材料亚表面损伤的影响规律。分析表明：堆积在磨粒之间的切屑原子具有微研磨的作用，磨粒之间的相变区在研磨的作用下逐渐融合在一起，形成金刚石材料的加工表面；分别以h=0.36 nm、0.71 nm、1.07 nm、1.43 nm的研磨深度进行研磨，研磨深度超过0.71 nm后才能有效抑制金刚石晶体材料回弹，但增大研磨深度会增加金刚石工件表面堆积原子，不能改善其表面研磨质量；研磨深度在0.71 nm范围内的金刚石亚表层损伤较小且稳定，超过0.71 nm的研磨深度会使损伤快速增大，且会出现超过3.00 nm的大纵深损伤。