金刚石与磨料磨具工程

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多线摇摆往复式线锯切割蓝宝石法向力试验研究

刘亿圣, 黄辉, 王兰青, 廖信江

2024, 44(2): 143-150. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0039

摘要(792)

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PDF 3208KB(158)

摘要:

多线摇摆往复式线锯切割加工是目前将蓝宝石晶棒切割成晶圆衬底的主要加工方法，加工过程中法向切割力是反映加工过程稳定性的重要指标。测量了多线摇摆往复式线锯切割蓝宝石晶棒过程中产生的法向力F_n，跟踪了晶棒不同位置和不同切割深度下法向力的变化规律，以法向力变化幅值ΔFn为指标，探究各种工艺参数对加工过程稳定性的影响。试验结果表明：法向力Fn与线锯的往复运动、工件的摇摆运动有明确的对应关系，晶棒前端的ΔFn与中后端的有明显的不同。线速度v_s、最大摇摆角度θ_max、单片耗线量M_d、张紧力F_w、总切割时间T等工艺参数对ΔF_n有着不同的影响。ΔF_n的波动程度与线锯磨损有着密切的关系。

掺硼浓度与沉积气压对Ti/BDD微观结构和电化学氧化性能影响规律研究

刘典宏, 尹钊, 陈峰磊, 马莉, 李静, 魏秋平

2024, 44(2): 151-160. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0071

摘要(492)

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PDF 3447KB(82)

摘要:
探究在热丝化学气相沉积生长硼掺杂金刚石的过程中，掺硼浓度与沉积气压对钛基硼掺杂金刚石薄膜的微观结构与电化学氧化性能的影响，并以四环素作为模拟污染物进行电化学氧化降解实验。使用扫描电子显微镜、拉曼光谱、紫外分光光度计以及电化学工作站对电极表面形貌、成分以及电化学性能进行表征。结果表明：随着掺硼浓度与沉积气压的增大，金刚石薄膜表面晶粒明显细化，生长速率下降；然而随着沉积气压的升高，金刚石的晶粒质量逐渐降低，但硼原子掺杂则会提高金刚石晶粒质量；在高掺硼浓度和低沉积气压的条件下，金刚石薄膜表面的硼原子浓度更高；高掺硼浓度和低沉积气压下所生成的较大晶粒尺寸和更高硼原子浓度的硼掺杂金刚石电极具有更优越的电化学性能、更高的降解效率以及更低的降解能耗。

MPCVD金刚石涂层均匀性生长的数值模拟与实验

张斌华, 简小刚

2024, 44(2): 161-168. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0211

摘要(701)

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PDF 3529KB(119)

摘要:
基于多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics的微波等离子体模块建立MPCVD反应腔内氢气等离子体的仿真模型，研究基底外侧增设的环状钼支架与基底的不同高度差Δh对基底表面等离子体分布的影响。采用变异系数对等离子体分布的均匀性进行定量分析，并用SEM对金刚石涂层表面的微观形貌进行表征。结果表明：当Δh=0 mm时，等离子体分布的均匀性最佳，变异系数为3.998%，金刚石涂层的晶粒分布及大小的均匀性相较于无钼支架时的明显提升；当Δh＜0 mm时，等离子体分布的均匀性随Δh增大而提升，变异系数由10.265%降至3.998%；当Δh＞0 mm时，等离子体分布的均匀性不增反降，变异系数升高至10.048%。此外，当Δh=−2.0 mm时，基底表面的等离子体密度约下降20%，不利于金刚石涂层生长。

金刚石粒径对金刚石/Cu-B合金复合材料热物理性能的影响

王熹, 康翱龙, 焦增凯, 康惠元, 吴成元, 周科朝, 马莉, 邓泽军, 王一佳, 余志明, 魏秋平

2024, 44(2): 169-178. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0062

摘要(300)

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PDF 3772KB(101)

摘要:
采用Cu-B合金为基体，选用粒径分别为110、230、550 μm的金刚石颗粒作为增强体，利用气压熔渗工艺在1 100 ℃、10 MPa气体压力下制备金刚石/Cu-B合金复合材料，研究金刚石颗粒粒径对复合材料组织结构、界面相分布及热物理性能的影响。结果表明，随着金刚石粒径的增大，复合材料热导率上升,热膨胀系数减小,复合材料界面处硼碳化合物含量增加，界面结合情况得到改善。由金刚石颗粒粒径为550 μm时,复合材料热导率最高，可达680.3 W/(m·K) ，热膨胀系数最小，为4.905 × 10⁻⁶ K⁻¹，符合高效热管理器件对金刚石/金属基复合材料的热物理性能要求，在电子产品散热器件方面具有良好的应用前景。

Ti₃AlC₂对PcBN材料显微结构及性能的影响

马金明, 肖长江, 陶宏均, 张群飞, 汤黎辉, 曹剑锋, 李远, 周世杰, 唐昱霖, 陈亚超, 栗正新

2024, 44(2): 179-184. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0048

摘要(273)

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摘要:
以不同质量分数的Ti₃AlC₂为结合剂，在5.5 GPa、1450 ℃的条件下，制备整体式PcBN复合刀具材料，分析不同质量分数的Ti₃AlC₂对PcBN刀具材料的物相、显微结构及力学性能的影响。结果表明：Ti₃AlC₂在高温高压下会完全分解成TiC、Al-Ti合金，并与cBN反应生成AlN、TiB₂和TiC_0.7N_0.3等物相；TiC、AlN、TiB₂和TiC_0.7N_0.3均匀分布在cBN周围并与cBN紧密黏结在一起，从而提升PcBN的力学性能。当Ti₃AlC₂质量分数为25%时，PcBN的相对密度、抗弯强度、断裂韧性和磨耗比均达到最大值，分别为98.9 %、592 MPa、6.87 MPa·m^1/2和7 350；当Ti₃AlC₂质量分数为20 %时，PcBN的显微硬度达到最大值4 786.7 HV。

结合剂比例和cBN粒度配比对PcBN复合材料微观结构和性能的影响

邹芹, 董培航, 李艳国, 袁振雄, 武迪, 罗永安

2024, 44(2): 185-192. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0090

摘要(467)

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PDF 2149KB(34)

摘要:
在高温高压条件下制备了聚晶立方氮化硼（PcBN）复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS）等研究了结合剂配比和立方氮化硼（cBN）粒度对PcBN复合材料的成分、微观结构、显微硬度和磨耗比的影响。实验结果表明：在压力5.5 GPa，温度1400 ℃，保温10 min的烧结条件下，当V(TiN_0.3)∶V(AlN)=70∶30时，PcBN复合材料性能较为优异，硬度最高达到22.7 GPa，磨耗比达到149.2；当PcBN复合材料中cBN粒度组合为V(0.5～1 μm)∶V(2～5 μm)∶V(5～10 μm) =3∶5∶2时，颗粒之间的堆积密度达到最高，性能也达到最优。

碳纳米管对混合粒径PcBN复合材料性能的影响

肖长江, 马金明, 陶宏均, 张群飞, 曹剑锋, 李远, 周世杰, 唐昱霖, 陈亚超, 栗正新, 董清妍

2024, 44(2): 193-198. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0093

摘要(245)

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PDF 2233KB(16)

摘要:
为提高高温高压制备的聚晶立方氮化硼（PcBN）复合材料的性能，以颗粒尺寸分别为0～0.5 μm和0.5～1.0 μm的混合粒径立方氮化硼（cBN）为原材料，Al-Ti-Al₂O₃为结合剂，加入不同质量分数的碳纳米管，在高温高压条件下烧结制备PcBN复合材料，研究碳纳米管质量分数对PcBN复合材料结构和性能的影响。结果表明：添加碳纳米管后，PcBN和碳纳米管间没有发生化学反应，碳纳米管以增强体的形式存在于复合材料内部；复合材料较致密，碳纳米管的添加使PcBN的相对密度先增大后减小。当碳纳米管添加质量分数为1.5%时，PcBN的相对密度有最大值97.9%，同时 PcBN有最大的显微硬度和断裂韧性，分别为3892 HV和6.82 MPa·m^1/2；当碳纳米管的添加质量分数为1.0%时，PcBN有最大的抗弯强度和磨耗比，分别为584 MPa和6873。碳纳米管拔出和桥连作用提高了PcBN复合材料的力学性能。

不同造孔剂树脂金刚石砂轮对硬质合金球阀的精密研磨

朱延鑫, 赵峰

2024, 44(2): 199-205. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0116

摘要(464)

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PDF 3614KB(30)

摘要:
为改善硬质合金球阀的加工效果，在树脂金刚石砂轮中引入造孔剂，对其力学性能、微观形貌及磨削性能进行分析，研究空心玻璃球和塑料球造孔剂对树脂金刚石砂轮性能的影响。结果表明：随着造孔剂体积分数增加，树脂砂轮的抗折强度逐渐下降，且2种造孔剂对抗折强度的影响基本一致；砂轮的硬度随造孔剂体积分数的增加亦逐渐下降，但空心玻璃球造孔剂对砂轮硬度的影响显著大于塑料球的；加入造孔剂明显提升了砂轮的锋利性，空心玻璃球体造孔剂体积分数为15%和塑料球造孔剂体积分数为20%的砂轮综合性能最好，且后者的综合性能优于前者的。

基于激光加工的医疗器械功能性表面研究现状

杜鑫豪, 刘志华, 张智雷, 杜策之, 隋建波, 王成勇

2024, 44(2): 206-220. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0010

摘要(646)

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PDF 6003KB(42)

摘要:
制备功能性表面是提升医疗器械治疗性能和安全性的重要方法之一。当前，基于激光加工的功能性表面微纳结构制造技术在优化医疗器械表面性能方面应用广泛。综述了医疗植入器械和手术器械表面激光加工功能性微纳结构在细胞功能调控、抗菌性、耐蚀性、摩擦特性、抗黏附性等方面的研究现状，剖析了当前医疗器械功能性表面激光加工的优势和局限，展望了医疗器械功能性表面激光加工技术的发展前景。

金刚石涂层刀具高速铣铝合金平面切削毛刺研究

邵伟平, 张韬, 李家成, 莫小青

2024, 44(2): 221-227. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0130

摘要(445)

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PDF 3302KB(25)

摘要:
采用热丝 CVD 法制备纳米与微米金刚石薄膜涂层刀具，利用场发射扫描电镜表征其薄膜表面形貌。用已制备的 CVD 金刚石涂层刀具，在无润滑干切条件下高速顺、逆端铣铝合金平面，研究CVD金刚石涂层刀具切削时的棱边毛刺特点与大小；并对纳米金刚石涂层刀具高速顺铣切削工艺参数进行正交试验，探究取得少无切削毛刺的切削参数与切削工艺。结果表明：工件铣削后棱边毛刺分布不均匀，顺铣毛刺稀疏，尺寸较小，其中纳米金刚石涂层刀具顺铣棱边毛刺高度平均值为32.08 μm，仅为微米金刚石涂层刀具顺铣毛刺高度的46.5%。纳米金刚石涂层刀具高速顺铣平面，对棱边毛刺影响最大的是v_c，其次为v_f，a_e的影响最小，最优参数组合为a_e=4 mm、v_f=2 000 mm/min、v_c=400 m/min，铣削后毛刺高度平均值为21.29 μm。当金刚石涂层刀具端铣铝合金平面时，为取得较小的棱边毛刺，优选纳米金刚石涂层刀具，采用顺铣棱边的切削方式与切削工艺，以及相应的高速切削参数。

砂带磨损对螺杆转子磨削去除深度影响分析

陈斯睿, 孙兴伟, 杨赫然, 刘寅

2024, 44(2): 228-236. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0094

摘要(312)

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PDF 4647KB(29)

摘要:
为保证螺杆转子表面磨削加工材料去除的均匀性，考虑砂带磨料磨损对磨削去除深度的影响，建立螺杆转子材料去除深度数学模型。根据弹塑性变形理论，结合磨削过程中磨粒的磨损规律，建立单颗磨粒材料去除率理论模型。将磨粒的磨损分为快速磨损阶段和稳定磨损阶段2个阶段。基于单位接触面积上磨粒的数目和磨粒的出刃规律，运用数值积分和接触压力计算出磨粒的最大切削深度，利用积分建立基于砂带磨损的宏观材料去除率数学模型。该数学模型考虑了砂带的磨损，其预测值和试验值相比，最大误差为9.6%，最小误差为4.1%。该试验数据充分验证了模型的有效性，可以为保障螺杆转子廓形精度提供理论基础。

不同刀具钝化方法加工硬质合金立铣刀刃口的对比试验研究

王奔, 龙志凯, 郑英晓, 宋万万, 张秀云

2024, 44(2): 237-243. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0058

摘要(560)

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PDF 2664KB(33)

摘要:
为改善刀具性能、提升加工质量，采用旋转磨粒流对刀具钝化。通过对比立式旋转钝化法和旋转磨粒流钝化法钝化硬质合金立铣刀的效果，研究刀具刃口变化规律。试验结果表明：未钝化的刀具刃口半径值最小，且存在很多缺陷，刃型呈尖锐形；立式旋转钝化法得到的刃口半径值变化较小，但刀具刃口缺陷仍然存在，刃型呈不均匀的钝圆形；旋转磨粒流钝化法处理后的刃口半径值变化最大，去除了部分刃口缺陷，刃型呈均匀的钝圆形。旋转磨粒流钝化法不仅可以更好地去除刀具刃口的表面缺陷，同时有着更高的钝化效率以及刃口半径变化率，可以显著提高刀具性能，降低刀具磨损并改善加工质量。

管件内壁磁粒研磨时的磨粒动力学行为仿真及分析

吴传宗, 马小刚, 张亮, 杨诗瑞, 解志文, 陈燕, 丁云龙

2024, 44(2): 244-251. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0084

摘要(312)

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摘要:
为探究磁性磨粒在管件研磨过程中的动力学行为，对其研磨过程进行离散元仿真，并分析其运动轨迹和磨削力随管件转速和加工间隙的变化；通过单磨粒球运动及磁粒研磨试验，验证磁场力模型的准确性与粒子运动学行为可视化的可行性。结果表明：随管件转速提高，磁性磨粒在离心力作用下向加工区域外运动，且加工间隙越大越容易被“甩飞”；在达到临界转速之前，随管件转速提高，磨削力减小，材料去除效率提升。当管件转速由400 r/min提高至临界转速，加工间隙为2 mm和4 mm时，磨削力分别下降5.4 μN和2.3 μN，材料去除效率明显提升；当加工间隙为6 mm时，磨削力变化较小，且当转速大于临界转速650 r/min时，材料去除效率下降。同时，材料去除量在达到临界转速之前随管件转速提高而增大，但加工间隙的增大会使临界转速降低；且材料去除量的变化趋势与仿真结果一致，验证了仿真分析的可靠性。

浸渍合金对PDC钻头胎体性能的影响

张素慧

2024, 44(2): 252-258. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0192

摘要(261)

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PDF 2554KB(14)

摘要:
PDC钻头胎体的浸润比对其力学性能和微观形貌的影响较大，为了探究浸渍合金对胎体性能的影响规律，采用Cu-Ni-Mn-Zn和Cu-Ni-Mn-Sn 2种浸渍合金制作不同高度的工作层和非工作层试块，得出不同浸渍合金下钻头胎体工作层和非工作层的浸润比及力学性能差异，同时利用扫描电镜对试块的微观形貌和元素含量进行分析。结果表明：试块的浸润比为定值；胎体钻头工作层的浸润比小于非工作层的，微观形貌上表现为工作层中浸渍合金的岛状组织大而分散，非工作层的岛状组织小而致密；对于同种类型的试块，通常浸润比越大密度越大；采用Cu-Ni-Mn-Sn得到的试块硬度均大于Cu-Ni-Mn-Zn试块的，但其抗弯强度和冲击韧性远低于Cu-Ni-Mn-Zn试块的。

锈蚀现象对金刚石圆锯片锯切稳定性的影响

孙钰虎, 张进生, 张恒, 王凯达, 郭安顺, 牛平平

2024, 44(2): 259-266. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0115

摘要(411)

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PDF 4767KB(23)

摘要:
针对锈蚀金刚石圆锯片锯切时出现锯切稳定性降低的问题，根据不同锈蚀程度锯片的结构参数建立模型，采用有限元法对锈蚀锯片进行模态分析，将锯切振动作为稳定性的参考指标，研究锈蚀对锯片锯切稳定性的影响，并通过实验验证理论分析的准确性。结果表明：在640～1 280 Hz频率范围内锈蚀锯片的振型模态比原锯片多6阶，并且相邻固有频率差值减小了8.56 %，随锈蚀程度的增加，锯片更容易出现共振现象；锯片轴孔位置处和1/3至2/3半径圆环范围的锈蚀对锯片的锯切稳定性影响较大，因此可以通过优化加工参数、减少表面缺陷的方式减小锈蚀程度，降低对锯片锯切稳定性的影响。该研究为金刚石圆锯片的实际使用和防锈工艺提供了指导依据。

2023CIRP年会G组磨粒加工方向报告速览

郭江, 康仁科

2024, 44(2): 267-277. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0020

摘要(267)

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PDF 5215KB(37)

摘要:
为促进国际磨料磨具领域前沿技术交流，特选2023年CIRP Annals - Manufacturing Technology期刊中G组（磨料加工）论文进行介绍。该专题共有9篇论文发表，按投稿先后顺序分别编号为G1～G9，研究主题包含单磨粒磨削特性（G1/G2）、超声振动辅助磨削（G3）、低温纳米润滑（G4）、砂轮修整（G5）、自适应磨削/抛光（G6/G7）、抛光垫设计（G8）以及新型抛光液研制（G9）等。本文依序对各论文主要创新点及结论分别进行总结和介绍，供相关领域学者学习交流。