金刚石与磨料磨具工程

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动脉血管钙化斑块旋磨研究综述

翟少波, 刘瑶, 沈斌, 李嘉豪, 郭占玲

2024, 44(4): 415-427. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0162

摘要(67)

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PDF 4040KB(17)

摘要:
旋磨术是治疗血管钙化病变的一种微创技术，通过微型砂轮去除堵塞在血管内的钙化斑块组织，达到疏通血管、重建血液流动的目的。钙化斑块组织堵塞血管造成供血不足，易诱发多种心血管疾病，其硬度较大导致球囊和支架无法撑开，目前临床上普遍采用旋磨术进行疏通。首先综述了旋磨术的相关研究成果和发展趋势，并对旋磨器械发展进行了介绍；其次总结了旋磨术优劣势的相关内容；然后对旋磨机理进行了详细的分析；最后总结了旋磨术目前存在的不足与未来的研究方向。

中国超硬材料行业2023年运行报告

孙兆达, 张贝贝, 李利娟, 马宁, 李志宏

2024, 44(4): 428-432. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.1004

摘要(59)

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PDF 1439KB(24)

摘要:
依托2023年国家宏观经济统计数据，对中国超硬产业进行深入分析，并结合中国、美国、欧洲和日本等地海关统计的进出口数据，探讨中国超硬材料行业的整体发展情况及其同国际先进水平的比较。研究发现：在国家宏观制造业表现出较强韧性、稳步增长的大背景下，我国超硬行业仍然面临较大的压力，整体指标不及预期，发展相对缓慢。下游市场的积极因素以光伏电池产量显著增长为代表，消极因素包括培育钻石市场低迷。除宝石级单晶和线锯产品外，其他产品均有单价上涨的情况出现，代表性企业的产品单价增幅普遍在10%～20%。部分超硬商品进出口单价悬殊，其在高端应用领域仍然有较大的发展潜力。

不同产地叶蜡石的传压特性

刘力, 邵方源, 罗玉财, 武强, 于建涛, 于金平, 王海阔, 侯志强, 王超, 杨易侃

2024, 44(4): 433-439. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0152

摘要(25)

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PDF 2573KB(5)

摘要:
作为密封传压介质，叶蜡石已被广泛应用于实验室和工业的高压合成中。然而，叶蜡石中矿物成分的改变将影响其传压效率及密封性。本研究中在6 × 8 MN大腔体六面顶压机中完成4种不同产地叶蜡石在室温下的压力标定工作，并通过X射线衍射研究叶蜡石中矿物组成的变化对传压效率的影响。结果表明：叶蜡石中含有较高硬度的矿物（如水铝石、勃姆石、白云母和高岭石），可有效提升叶蜡石的传压效率；随着腔体压力提升，叶蜡石的传压效率逐渐降低，施加更高的实际加载力（油压）也不能明显地提高腔体压力；高压处理后的叶蜡石4比叶蜡石2有更好的传压效率，但受矿物成分变化的影响，叶蜡石4容易发生密封失效，而叶蜡石2有良好的弹性回复效果和密封性，能够稳定完成升压卸压过程。综合考虑传压效率和密封效果，叶蜡石2具有最佳的应用价值和经济效益。

Mo₂C-TiN_0.3复合材料的高温高压制备及性能

邹芹, 王宽, 李艳国, 戴伟绩, 罗永安

2024, 44(4): 440-448. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0157

摘要(37)

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PDF 2653KB(7)

摘要:
将Mo₂C和TiN_0.3粉体采用机械合金化和高温高压烧结相结合的方法进行分层烧结，并制备30% Mo₂C-70%TiN_0.3的烧结体复合材料，分析Mo₂C-TiN_0.3烧结体的物相组成、微观组织结构及力学性能。结果表明：Mo₂C和TiN_0.3 间存在明显的相互扩散，且形成了2层不同的扩散层；随着烧结温度不断升高，Mo₂C-TiN_0.3烧结体的晶粒尺寸逐渐变大，会导致烧结体的机械性能变差；在烧结过程中有高硬高脆的MoC生成，能够维持Mo₂C-TiN_0.3烧结体的硬度在19.0～20.0 GPa，但会降低其断裂韧性。

烧结工艺对CuSnZn合金粉末性能的影响

曹新民, 鲍丽, 李振, 程传卫, 陈鹏, 潘建军, 于奇, 于新泉

2024, 44(4): 449-455. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0173

摘要(39)

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PDF 4005KB(5)

摘要:
提高金刚石工具的性能并控制其生产成本已成为工程应用领域的重点研究方向。本研究中，通过雾化法制备不同Zn质量分数（10.00%~30.00%）的CuSnZn合金粉末，在610～655 ℃不同的热压烧结温度和21 MPa的烧结压力下制备烧结节块，并对烧结节块的理论密度、洛氏硬度、抗弯强度、显微形貌进行分析。结果表明：随着Zn含量升高，CuSnZn合金粉末熔化温度逐渐降低，当Zn质量分数为30.00%时，熔化温度降低到848 ℃；当Zn质量分数为20.00%时，烧结节块致密度降低至97.6%；烧结节块的抗弯强度先升高后降低，当Zn质量分数为20.00%时，达到最大值542 MPa；烧结节块中的黄铜由α相逐渐转变为α + β相和α + β + β´相，其洛氏硬度显著提升；节块的断裂方式由沿晶断裂逐渐过渡到穿晶断裂。

金刚石涂层游动芯头制备及其在铜管生产中的应用

崔玉明, 王勇, 李国华, 姜龙, 董旺

2024, 44(4): 456-462. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0138

摘要(237)

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PDF 3721KB(0)

摘要:
通过沉积方式和旋转装置设计，采用直流电弧等离子体喷射法在硬质合金游动芯头表面均匀沉积金刚石涂层，并利用白光干涉仪、扫描电子显微镜、Raman光谱仪和压痕法对涂层的表面粗糙度、形貌、质量均匀性和膜–基附着力等进行测试分析。结果表明：金刚石涂层抛光后的表面平均粗糙度S_a为76.4 nm，金刚石涂层脱落位置到压痕中心的平均距离为287.9 μm，且各位置的金刚石涂层厚度均匀性和质量均较好。将制备的金刚石涂层游动芯头应用于高精度精密铜管生产线中，与硬质合金游动芯头对比，其在降低劳动强度、保证铜管一致性和延长芯头使用寿命方面都有显著效果。

热爆反应在金刚石表面快速形成TiC涂层

史冬丽, 马尧, 李涛

2024, 44(4): 463-469. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0170

摘要(239)

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PDF 2941KB(1)

摘要:
分别采用Ti/碳黑/diamond和Ti/碳黑/PTFE/diamond粉体为原料，通过热爆反应在金刚石颗粒表面形成以TiC为主的涂层，研究原料中金刚石含量及添加PTFE对金刚石表面TiC涂层的影响。结果表明：2种体系的原料热爆反应后基体的组成为TiC。Ti/碳黑/diamond体系中，当原料中金刚石质量分数为10%～30%时，反应后的金刚石表面均实现良好的TiC涂层涂覆。在Ti/碳黑/PTFE/diamond体系中，当原料中添加质量分数为3%的PTFE并减少原料中碳黑的质量分数时，可明显促进金刚石表面的TiC涂覆；且当原料中金刚石质量分数为80%～90%时，仍可使金刚石颗粒表面实现良好的TiC涂覆。

金刚石层倒角参数对PDC切削齿性能的影响规律

张素慧, 王传留, 李耿

2024, 44(4): 470-475. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0209

摘要(29)

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PDF 2618KB(8)

摘要:
聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）切削齿的综合性能受金刚石层倒角参数的影响较大，特别是其抗冲击性能，但影响规律不明。为探究金刚石层倒角参数对PDC切削齿性能的影响规律，优化PDC切削齿结构并提高PDC钻头的钻进效率，采用目前应用较广的平面型和微弧型PDC切削齿，分别制作0.2、0.3、0.4、0.5 mm 4种倒角尺寸和15°、30°、45°3种倒角角度的PDC，得出不同金刚石层倒角参数的PDC切削齿受热后的耐磨性和抗冲击韧性，并对其钻进效率和破损形式进行分析。结果表明：倒角尺寸对PDC耐磨性和抗冲击韧性的影响存在的临界值约为0.3 mm，当倒角尺寸≤0.3 mm时，PDC的磨耗比大、抗冲击韧性低、破损形式多为崩刃；反之倒角尺寸＞0.3 mm时，PDC的磨耗比降低、抗冲击韧性提升近1倍，累计吸收功可达1 000 J以上，且破损形式多为脱层。倒角角度对PDC耐磨性和抗冲击韧性的影响基本为线性关系，即倒角角度越小，磨耗比越大，抗冲击韧性越低。

水平井PDC钻头的井底流场数值模拟

李赛, 王红波, 程书婷, 蔡茂盛, 张春江

2024, 44(4): 476-484. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0129

摘要(209)

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PDF 3186KB(1)

摘要:
为了解决页岩水平井岩屑运移困难、钻头泥包等问题，提高聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）PDC钻头在钻井过程中的钻井效率和使用寿命，采用数值模拟方法、低雷诺数k-ԑ湍流模型建立井底的流场模型，对PDC钻头的水力结构在不同钻井液排量、PDC钻头转速和岩屑粒径工况下的井底流场变化和岩屑运动状态进行分析并优化改进。结果表明：重力作用对低排量下的岩屑运动状态影响较大，当钻井液排量增加到一定程度后，岩屑运移效率变化较小；在旋转工况下，钻井液排量和钻头转速不匹配，降低了钻井液的冲刷作用和岩屑运移效率；在一定排量和钻头转速下，钻头转速对大粒径岩屑运移效率的提升作用大于对小粒径岩屑的；在相同的喷嘴面积下，优化后的8喷嘴钻头岩屑运移效率优于6喷嘴钻头的；相比非等径喷嘴组合，等径喷嘴组合的性能表现更均衡。

大型金刚石薄壁钻头行波振动分析及优化

刘兴东, 张德臣, 王育博, 高先一, 马国清

2024, 44(4): 485-494. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0137

摘要(241)

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PDF 4803KB(4)

摘要:
针对大型金刚石薄壁钻头在钻切中出现的振动和噪声问题，用Ansys Workbench有限元软件对无开孔、开孔、开孔且夹层和安装定位轮的薄壁钻头进行模态分析，进一步用行波振动理论计算薄壁钻头共振裕度δ，分析避开行波共振的效果，研究开孔、夹层对行波振动的影响。结果表明：钻切转速为187.32 r/min时，无开孔薄壁钻头的共振裕度δ为0，出现后行波共振；在无开孔薄壁钻头出现后行波共振固有模态变形大的区域开8组圆孔（每组3个）和8个S形孔，薄壁钻头的共振裕度δ为5.18%，避开行波共振效果良好；开孔且夹层的薄壁钻头的共振裕度δ为6.11%，避开行波共振效果最好。为提高孔的加工精度，在薄壁钻头周围安装定位轮，分析定位轮数对行波振动的影响，发现安装6个和12个定位轮的薄壁钻头的共振裕度δ分别为4.59%和4.79%，避开行波共振效果好。比较2~12个定位轮薄壁钻头的共振裕度δ，而且考虑安装方便，最后确定最佳安装定位轮数为6个。

单磨粒金刚石微切削碳化硅晶体仿真与实验研究

杨宇飞, 李翔, 何艳, 刘铭, 徐子成, 高兴军

2024, 44(4): 495-507. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0158

摘要(451)

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PDF 4191KB(14)

摘要:
采用有限元软件Abaqus建立金刚石锥形磨粒微切削碳化硅晶体的模型，通过预仿真模型确定切削深度和切削速度的选择范围，分析影响切削力的主、次要因素，研究单一切削参数对碳化硅晶体切削效果的影响；并借助赫兹接触理论，验证加载力对摩擦力、切削边缘形貌、切削深度的影响。结果表明：切削深度是影响切削力的显著因素，预仿真模型确定的切削深度不超过1.50 μm；碳化硅晶体切削的最优方案为切削深度取0.50 μm、切削速度取76 m/s、磨料切削刃角度取60°。通过控制切削深度可以提高切削稳定性，且在保证切削质量的前提下适当提高切削速度可以提高切削效率。金刚石探针压入晶体的深度与摩擦系数、摩擦力和切削力呈正相关，获得的碳化硅晶体切削边缘的三维轮廓相对平整、光滑。

碳化硅陶瓷飞秒激光加工表面物化特性及去除过程研究

徐东区, 王成勇, 杜策之, 丁峰, 胡小月

2024, 44(4): 508-517. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0088

摘要(453)

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PDF 3520KB(9)

摘要:
硬脆材料超快激光加工可有效抑制加工损伤，是碳化硅陶瓷精密加工的重要手段。采用飞秒激光，在不同能量密度和脉冲数下对碳化硅陶瓷进行加工，探究激光参数对其表面形貌特征、化学组分和微孔加工的影响，分析表面微观结构的演变规律和材料去除过程。结果表明：单脉冲加工碳化硅陶瓷表面形成沸腾区和熔化区，计算得到形成特征区的阈值能量分别为3.779、0.860 J/cm²；碳化硅陶瓷的去除过程是光热作用和光化学作用先后作用的结果，在温度较高的中心区域的作用机制是材料的蒸发作用，其他低温区域则是材料的热分解和氧化；微孔直径和烧蚀深度随着能量密度和脉冲数量的增大而增大。本研究从材料物理化学特性变化角度进一步完善了碳化硅陶瓷飞秒激光加工机理，为碳化硅陶瓷零部件的精密无损伤加工应用提供理论参考。

金刚石滚轮轮廓圆度误差在线判别

赵华东, 何鸿辉, 朱振伟, 周帅康, 刘畅

2024, 44(4): 518-527. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0148

摘要(343)

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PDF 5240KB(3)

摘要:
金刚石滚轮形面的修形技术是制造金刚石滚轮的关键技术之一，常采用金刚石砂轮磨削法对其进行精密修形，修形后的轮廓圆度误差是考量滚轮修形合格与否的重要指标。目前的轮廓圆度检测方法是人工停机取下滚轮并放置于轮廓仪上进行，极大地增加了滚轮制作的时间和成本。为此，对在五轴加工机床上的金刚石滚轮，沿其轮廓面横向磨削修形时产生的振动信号，提出基于小波包系数和随机森林的在线检测方法并对其轮廓修形状态进行识别，在修形进行状态时的识别准确率为93.3%，具有实际应用价值。

研磨压力对聚晶金刚石表面质量的影响

孙国栋, 李维翠, 胡晋昭, 李树强, 黄树涛

2024, 44(4): 528-533. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0036

摘要(400)

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PDF 3733KB(7)

摘要:
使用金刚石平磨盘对聚晶金刚石（polycrystalline diamond，PCD）复合片的金刚石层进行高速研磨实验，研究研磨压力对PCD研磨去除率、表面粗糙度和表面形貌的影响。结果表明：当研磨压力为0.10 ~ 0.18 MPa时，随着研磨压力的增大，PCD的研磨去除率增大，表面粗糙度减小。PCD研磨表面缺陷主要包括沿晶破碎、微小凹坑、机械划痕、微裂纹等，且随着研磨压力增大，研磨表面平滑面积扩大，机械划痕变小。

微孔的磨料水射流抛光CFD模拟及试验

崔子含, 韩冰, 吴鹏程, 李擎, 马小刚, 丁云龙

2024, 44(4): 534-543. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0120

摘要(37)

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PDF 4550KB(5)

摘要:
为解决飞秒激光微孔难以抛光的问题，结合磨料水射流去除函数稳定、自适应性强等特点，采用磨料水射流抛光方法提高飞秒激光微孔质量。利用Fluent软件对不同工艺参数下的磨料水射流微孔抛光过程进行计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）模拟，分析不同参数下的流场分布、侵蚀速率及壁面剪切力作用规律；然后通过响应面法对射流靶距、射流压力及磨料粒径等3因素进行优化试验，以微孔内壁面剪切力均方差为响应值，建立其响应面方程，获得最佳抛光参数组合并进行试验验证。结果表明：射流压力对微孔内壁面剪切力的影响最大，当射流压力从0.80 MPa增至1.50 MPa时，微孔内壁面剪切力增大2倍以上。射流的不同结构段因性质不同可适用于不同工况。利用响应面法分析得到水射流微孔抛光的最佳工艺参数组合是：射流冲击角，90°；射流靶距，3.5 mm；射流压力，1.10 MPa；磨料粒径，15.0 μm。在该条件下抛光微孔内壁面的表面粗糙度R_a降至0.354 µm。磨料水射流抛光可显著改善微孔壁面质量，且响应面法预测的数据模型有较高准确性。

圆管切向振动辅助磨料流的光整加工试验研究

王硕, 董志国, 郑志鑫, 温永吉, 陈攀

2024, 44(4): 544-552. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0189

摘要(27)

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PDF 3076KB(3)

摘要:
传统磨料流加工技术在加工孔道内壁、形状复杂的工件时，工件表面在各个方向上的加工质量不均匀。在传统磨料流加工中加入振动辅助，使工件表面形成波浪形加工轨迹，以提高工件表面质量和材料去除效率。分析振动辅助加工原理和磨粒对工件表面的划痕作用，搭建振动辅助磨料流加工试验平台，研究磨料流速、振幅、频率对工件表面粗糙度与表面形貌的影响。结果表明：与传统磨料流加工相比，振动辅助磨料流加工使磨粒在工件表面的切削路径变长，形成交叉划痕，工件表面粗糙度降低；振动频率越高，磨粒与工件表面间的微切削长度越长，工件的表面粗糙度越低；磨料流速增大，磨粒对工件表面的切削效果增强，表面粗糙度下降的幅度更大。