金刚石与磨料磨具工程

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罗晓航, 许光宇, 安康

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0104

摘要(311)

摘要:
金刚石拉丝模以其超高的硬度被广泛应用于金属拉拔和绞线压紧等领域。金刚石涂层金属拉拔性能与微观组织密切相关。【目的】本研究通过前期大量尝试，筛选出900℃和950℃两个关键温度工艺，并开展了两种工艺对微观组织影响和失效机理差异的研究。【方法】基于模拟仿真方法分析拉丝模内温度分布，通过SEM、XRD、Raman光谱等对其进行组织结构分析。【结果】结果表明：沉积过程拉丝模内部温度梯度较小，对金刚石涂层沉积直接影响较小。高温可以促进碳活性基团进入压缩区和定径区形成纳米金刚石，较低的温度会减弱碳活性基团的扩散能力，在压缩区和定径区形成微米金刚石。纳米金刚石涂层性能好，但结合力较弱导致大块金刚石涂层脱落失效。微米金刚石膜硬度高，表面粗糙度控制较难，会导致花丝失效。【结论】基于此分析，本研究提出了一种在微米金刚石涂层原位沉积纳米金刚石涂层的方式，可以有效提高拉丝模使用寿命。

金刚石双金属层镀覆工艺研究

陈蕾莹, 陈雷明, 刘雪婷, 王旭磊, 程绍坤, 朱子怡, 陈博宇, 鞠恒冬, 潘晓宇, 姚梦媛

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0098

摘要(458)

摘要:
为了提高金刚石的利用率，对金刚石表面进行金属化处理，并实现其镀层厚度可控。利用高温熔盐法在金刚石表面成功镀覆1~5μm的钛镍、钛钼、钛钨、钛钴双金属镀层，利用XRD、EDS、XPS对镀层的成分进行表征分析，使用SEM对镀层形貌进行表征分析，借助Nano Measurer、AFM对四种不同的金刚石镀层进行厚度测量及表面粗糙度统计。其结果表明，镀覆温度1000℃、保温时间60min时，四种金刚石双镀层内均可形成碳化钛镀层、钛镀层，且镍、钼、钨钴均可与钛形成相应的化合物，且金刚石颗粒表面金属钛镍、钛钼、钛钨、钛钴双金属镀层均匀致密，其镀层厚度均在1~5μm范围内。四种金刚石双金属镀层中，金刚石（100）晶面粗糙度均大于其（111）晶面，且金刚石钛钴双金属镀层表面粗糙度最大，镀层最薄。盐浴镀过程中，由于金属粉和金刚石的亲和度不同，与金刚石亲和度较高的钛粉优先与金刚石进行反应生成TiC，生成的碳化物提高了金属镍、钼、钨、钴与金刚石的浸润性以及金刚石与金属基体间结合力，使得金刚石表面双金属镀层均匀致密。金刚石表面金属化可对金刚石进行保护，提高金刚石氧化温度，金刚石镀层厚度可控可提高金刚石工具应用范围。

基于优化Halbach阵列的磁粒研磨管内表面试验研究

刘帅航, 郭龙文, 应骏, 肖春芳, 韩冰

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0092

摘要(294)

摘要:
针对磁粒研磨管件的磁感应强度低、磁性磨粒更新不足，导致内表面加工效率低的问题。应用NSGA-Ⅱ算法提出了一种在有限空间内提高磁感应强度与梯度双面Halbach阵列磁极结构，通过理论模型与仿真模型确定磁极高度与厚度为磁感应强度与梯度的敏感参数并以其为优化参数利用神经网络进行预测模型的拟合，应用非支配排序算法NSGA-Ⅱ对预测模型寻求Pareto最优解集，从而获得最优的排列组合，结合磁极的径向往复进给，以实现在提升研磨压力的同时，提高磨粒的翻滚更新，并进行磁性磨粒动力学仿真与试验的验证。通过试验验证，优化后的双面Halbach阵列磁极最大磁感应强度提高60％，磁场梯度提高-30mT/mm，磁粒研磨加工效率提高90％。双面Halbach阵列磁极加工时管件内磁粒刷团聚强度高、研磨压力大，磁性磨粒翻转更新频繁、使用寿命长，可以实现管件内表面高效率、高质量的抛光。

基于改进Mask R-CNN的金刚石磨盘表面形态分割与评价

索文隆, 林燕芬, 方从富

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0080

摘要(379)

摘要:
【目的】金刚石磨盘广泛应用于各类硬脆材料的磨削加工中，磨盘表面形态对加工工件质量与磨盘磨削性能有着直接的影响。为了对磨盘表面形态进行检测，【方法】提出了一种改进的Mask R-CNN模型分割方法对磨盘表面图像中的磨粒、气孔进行识别与分割，并对模型进行训练与验证，结果表明使用该方法能够实现磨盘表面图像中磨粒、气孔的识别与分割，其平均准确率为78.2%；为了验证该方法分割的磨粒、气孔与实际结果的差异，提出了目标数量识别准确率、目标分割面积准确率、目标位置误差三个参数来评价分割效果。【结果】结果表明：磨粒、气孔的数量识别准确率分别为82.1%与93.4%，分割面积准确率分别为89.9%与95.3%，位置误差分别为3.8%与2.8%，【结论】证明了该方法分割的有效性。

薄壁CFRP管端面磨削稳定性实验

王树龙, 田俊超, 康仁科, 董志刚, 鲍岩

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0054

摘要(410)

摘要:
针对阵列复材管加工中的磨削稳定性问题，以单个薄壁CFRP管为研究对象，考虑到其结构特征定义切出角度和磨削作用角，开展端面磨削加工实验，分析了切出角度对磨削稳定性的影响规律，并基于磨削作用角和切出角度间的关系，进一步分析磨削速度、实际进给率、磨削深度对磨削稳定性的影响规律。结果表明：切出角度是影响磨削稳定性的主要因素，当切出角度在60°~90°时，磨削作用角较小，磨削稳定性较差；随着磨削速度的增加，磨削作用角逐渐增大，磨削稳定性呈增加的趋势；随着实际进给率的增加，磨削作用角无明显变化，磨削稳定性呈减弱后几乎不变的趋势；随着磨削深度的增加，磨削作用角逐渐减小，磨削稳定性呈减弱的趋势。

SiC衬底精密抛光分子动力学模拟研究进展

张佳誉, 孟二超, 孙建林, 季建忠

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0070

摘要(550)

摘要:
摘要【背景】化学机械抛光（CMP）是SiC衬底平坦化的关键技术，目前对CMP抛光工艺已有大量研究，但磨粒与SiC表面相互作用机理并不明朗。分子动力学（MD）模拟是基于牛顿运动定律和量子力学原理，用于揭示物质微观结构和性质之间相互作用的模拟方法，目前被广泛应用于SiC表面去除机理研究。【内容】文章首先分析了SiC精密抛光中的MD模拟常用的势函数，将其对应的应用领域进行总结，然后将现有的SiC化学机械抛光MD模拟研究进行整合分析。【现状】结果表明，Tersoff势在机械行为方面的研究中应用较多，而研究SiC表面化学反应和吸附行为使用ReaxFF反应力场较多。SiC衬底精密抛光的MD模拟主要分为三大类：SiC材料性能、磨粒磨削、SiC表面化学反应。目前大部分研究集中于磨粒与SiC表面的机械行为作用，对于化学反应机理的研究相对较少。【前景】未来研究的重点在于利用ReaxFF反应力场通过分子动力学模拟研究SiC在各种条件下的反应机理，构建更多势函数以适配不同抛光条件，建立综合模型考虑多种因素对表面相互作用的影响。

钨过渡层热处理对微米晶金刚石涂层的影响

王海龙, 丁晟, 马莉, 魏秋平

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0063

摘要(380)

摘要:
【目的】微米晶金刚石涂层具有极高的硬度和优异的耐磨性能，但结合性能和摩擦性能不佳，导致其应用领域受限。本文选择金属钨作为过渡层材料，并通过热处理构建显微结构，用于改善硬质合金基微米晶金刚石涂层的摩擦学性能。【方法】采用蒸发法在硬质合金表面沉积钨过渡层，并在氩气、氢气混合的还原性气氛下对钨过渡层进行热处理。经不同温度（700/800/900/1000 ℃）热处理30 min后，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）研究不同热处理温度对钨过渡层成分、形貌结构的影响。采用热丝化学气相沉积法在无过渡层基体和热处理后的钨过渡层上方沉积微米晶金刚石涂层，基体温度控制在800±50 ℃，生长周期为6小时。使用SEM、X射线衍射仪和激光拉曼光谱仪分析金刚石涂层形貌、质量。在往复式摩擦磨损测试仪下，使用Si₃N₄陶瓷球与金刚石涂层进行往复摩擦120 min，以评估各涂层样品摩擦性能的影响。【结果】结果表明：蒸镀的钨过渡层呈现非晶结构，钨过渡层热处理后的结晶度大幅增加，过渡层表面产生裂纹，形成不同尺寸的“孤岛-沟壑”结构。700~800 ℃热处理后的钨过渡层结晶度不高，表面的“孤岛”较大而“沟壑”较窄，900 ℃热处理的钨过渡层结构尺寸适中。1000 ℃热处理后的钨过渡层结晶度最高，“孤岛”的尺寸最小。SEM表面形貌、X射线衍射图谱和拉曼光谱显示，无钨过渡层的基体表面生长的金刚石平均晶粒尺寸最大且晶粒大小分布不均。热处理钨过渡层上生长的金刚石涂层的结晶度和含量更高。金刚石的晶粒尺寸随热处理温度的提高，呈现先减小后增加的趋势，但均小于无过渡层样品。摩擦磨损结果表明，700℃热处理的钨过渡层上生长的金刚石涂层发生脱落。800~1000 ℃热处理钨过渡层上的金刚石涂层在保证良好结合性能的同时，摩擦性能有不同程度的提高。其中900℃热处理后钨过渡层上生长的金刚石涂层磨痕最光滑，平均摩擦系数低至0.062，对应的摩擦副的磨痕直径和磨损率最小。【结论】热处理后的钨过渡层及其“孤岛沟壑结构”会明显改善金刚石的生长和结晶状态，导致晶粒细化并提升摩擦性能。900 ℃热处理30 min的钨过渡层表面“孤岛-沟壑”结构尺寸适中，均匀性最好。其上生长的金刚石涂层平均晶粒尺寸约为1.97 μm，平均摩擦系数最低，对应的摩擦副磨损率仅为无过渡层样品的19.2%。

基于神经网络-遗传算法机器人加工磨削力预测和优化

吴福森

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0045

摘要(356)

摘要:
以KUKA KR60L30HA型工业机器人加工砂岩为例，基于BP神经网络和遗传算法进行了机器人加工磨削力预测和磨削工艺参数优化研究。首先，采用正交试验法，分析了加工工艺参数对磨削力信号的影响规律进行了分析；其次，采用BP神经网络进行了机器人加工磨削力预测模型训练，并进行了预测；最后，采用遗传算法进行了磨削加工工艺参数优化研究。结论如下：（1）磨削工艺参数对磨削分量和磨削合力的影响主次顺序不同，磨削力随着径向切深a_e、轴向切深a_p、进给速度v_w的增加磨削力呈增长趋势；随着主轴转速n的增加，磨削力呈下降的趋势。（2）基于BP神经网络建立的神经网络模型具有较好的预测精度和稳定性，符合预测要求。（3）采用遗传算法得到的优化磨削工艺参数为径向切深a_e=2.01mm，轴向切深a_p=2.59mm，主轴转速n=9910.37r/min，进给速度v_w=3116.06mm/min，此时材料去除率R_MMR=16221.90 mm³/min。

钎焊微粉金刚石磨头的性能研究

李纬, 肖冰, 何旭, 张自立, 周露露, 肖皓中

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0025

摘要(449)

摘要:
　　为解决钎焊过程中微粉金刚石损伤严重、钎料与基体结合不牢的问题，采用合适的钎焊方式在钢基体上钎焊微粉金刚石（325/400#），分析结合界面并制备磨头对氧化铝陶瓷板进行加工。研究发现：微粉金刚石磨粒损伤较小，钢基体与钎料结合界面生成物为Fe、Cr形成的γ-相固溶体及Fe、Ni形成的Ni-Fe置换固溶体，固溶体的存在保证了钎料与基体之间的牢固结合，制备的钎焊微粉金刚石磨头在加工陶瓷板时拥有较高的使用寿命。
　　

百叶轮抛光TC4温度仿真与试验研究

王丽博, 鲜超, 辛红敏

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0019

摘要(324)

摘要:
抛光温度是影响零件表面性能的重要因素。通过试验测量了百叶轮抛光TC4试件的抛光温度，基于矩形移动热源模型给出了抛光温度的理论模型，并通过ANSYS仿真了抛光TC4的表面温度。结果表明，抛光温度随主轴转速的增大而增大，抛光温度随百叶轮压缩量的增大而增大，抛光温度随进给速度的增大而降低，抛光温度随磨粒目数的增大而降低。柔性抛光温度要显著低于刚性抛光温度，四个工艺参数之中压缩量主效应最大，对抛光温度的影响程度最大。抛光温度梯度以正在加工的接触区域向已加工过的区域逐渐递减，抛光热效应对未加工区域影响较小。对比了抛光温度测量结果、计算结果和仿真结果，结果发现，仿真值和测量值的偏差率均小于25%，计算值和测量值的偏差率均小于25%，说明仿真结果和计算结果准确率较高。

小直径金刚石砂轮磨削碳化硅实验研究

叶卉, 谢家富, 倪安杰

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0030

摘要(433)

摘要:
【目的】为实现碳化硅陶瓷高质量低损伤磨削加工。【方法】现使用小直径金刚石对碳化硅陶瓷开展磨削实验，依据实际砂轮形貌特征以及现在磨削理论建立磨粒未变形最大切屑厚度模型和亚表面损伤深度模型，并分析磨削切厚对磨削质量、磨削力以及亚表面损伤影响趋势，验证模型的准确性。最后结合有限元仿真，进一步揭示磨粒未变形最大切屑厚度对磨削碳化硅陶瓷表面成型机制的影响。【结果】考虑砂轮与材料表面充分接触，当砂轮线速度5.23m/s、进给速度10mm/min以及磨削深度为20μm时，此时工件表面粗糙度达到最低，为0.3865μm，并且此时磨削力工件亚表面损伤深度也达到最低，仅为4.959μm；当砂轮线速度3.41m/s、进给速度40mm/min以及磨削深度为30μm时，此时磨削力最大，为9.35N，表面沟槽残余高度达到最小，仅为4.85μm，工件表面粗糙度以及亚表面损伤达到最大，分别为Ra=0.7641μm和7.453μm。将LI模型计算亚表面损伤深度与实验值对比，其中最大误差为16.04%，其他结果的误差低于15%。【结论】表面沟槽残余最大高度不仅与磨削力有关，同时也与磨削时参与加工磨粒数目有关，随着砂轮进给速度、线速度以及磨削深度的增加不断减小；表面粗糙度、亚表面损伤主要与磨削切厚以及磨削力有关，二者变化趋势相同，随着砂轮进给速度和磨削深度的增加而增大，随着砂轮线速度的提高而减小，为得到加工后良好表面质量，需提高砂轮线速度，降低进给速度以及磨削深度。磨削切厚模型以及LI亚表面损伤模型基本正确，与实验数据变化趋势相同。在实验所选磨削工艺参数下，磨粒实际磨削切厚在碳化硅陶瓷临界切屑厚度的[-31.86％,13.95％]领域内，即材料去除方式介于塑性去除以及脆性去除之间，证明通过控制磨粒未变形最大切屑厚度可以实验材料的塑性域去除从而减小磨削产生的亚表面损伤。

铜铝预合金粉末烧结行为研究

于奇

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0046

摘要(524)

摘要:
铜铝合金由于低密度、低成本、高导热和热膨胀系数可调等优势，而成为新型金刚石工具材料的潜力材料之一。本文利用铝易与铜生产大量金属间硬脆化合物，开发价格低、自锐性好的铜铝基预合金粉末，并分别对铜铝基预合金粉末，添加单质铜粉、铁粉后的烧结行为进行研究，结果表明研发的铜铝基预合金粉末烧结体硬度达到96HRB，三点抗弯强度达到320MPa，在铁粉和铜粉中添加铜铝预合金粉可显著提高烧结体的致密度和硬度，与单质铜粉发生固溶反应并在铁粉界面扩散形成反应层。采用铜铝预合金粉末替代相同比例的铜锡15合金粉，烧结体致密度下降，硬度降低，烧结过程中在胎体中形成内部裂纹和孔隙，导致胎体致密度下降，且内部大量的微裂纹降低了胎体的抗弯强度，胎体弱化作用明显。

考虑砂轮表面形貌变化的轴承表面Al₂O₃基绝缘涂层磨削表面粗糙度预测研究

徐钰淳

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0118

摘要(552)

摘要:
为了提升轴承表面Al₂O₃基陶瓷绝缘涂层磨削表面粗糙度预测精度，建立符合实际加工过程的BP神经网络预测模型。提出了基于光谱共焦原理的砂轮表面测量及磨粒特征参数量化方法，同时建立了能够直接反映砂轮表面时变状态的以砂轮表面磨粒特征参数K，砂轮转速ω，工件进给速度υ，切削深度ρ以及法向磨削力F为输入参数的工件表面粗糙度神经网络预测模型，并通过已知磨削样本以及砂轮磨损后的4组未知测试样本对网络预测性能进行验证。对于已知样本，网络预测结果，BP网络预测粗糙度与实际粗糙度二者规律性及粗糙度结果较为一致，网络输出误差均小于±0.04μm，进一步利用网络针对磨削磨损后的砂轮对未知磨削测试样本进行预测，网络预测精度有所下降，误差百分比最大值不超过20%。可知建立的包含砂轮表面磨粒特征参数的神经网络，可以适应砂轮磨粒磨损这一时变状态下的轴承表面Al₂O₃基陶瓷绝缘涂层工件粗糙度预测工作，且网络对于未知样本具有一定的泛化能力。

抛光垫及抛光液对固结磨料抛光氧化镓晶体的影响

吴成, 李军, 侯天逸, 于宁斌, 高秀娟

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022-0043

摘要(1083)

摘要:
氧化镓晶体具有高禁带宽度、耐高压、短吸收截止边等优点，是最具代表的第四代半导体材料，具有广阔的应用前景。氧化镓晶体抛光过程易出现微裂纹、划痕等表面缺陷，实现高质量表面加工难，无法满足相应器件的使用要求，且现有的氧化镓晶体抛光工艺复杂、效率低。固结磨料抛光技术具有磨粒分布及切深可控、磨粒利用率高等优点。采用固结磨料抛光氧化镓晶体，探究抛光垫和抛光液对抛光材料去除率和表面质量的影响。结果表明：当抛光垫基体硬度适中为Ⅱ、磨粒浓度100%、抛光液添加剂为草酸时，固结磨料抛光氧化镓晶体的材料去除率为68 nm/min，表面粗糙度Sa值为3.17 nm。采用固结磨料抛光技术可以实现氧化镓晶体的高效高质量抛光。

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

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022-0061

摘要(789)

摘要:
在超硬磨料砂轮修整领域，多工艺复合修整有明显优势，但是目前暂无砂轮复合修整自动化系统相关研究，为了使复合修整方法中多种工艺更系统的整合，提高成形砂轮的修整效率，本文结合自主研制的激光-机械复合修整装备，开发了一套CAM系统，该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，同时设计了可视化界面仿真加工过程。对金刚石青铜结合剂砂轮进行修整试验，结果表明：该系统可以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，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6.1 µm。

磁流变变间隙动压平坦化加工工艺及其机理研究

蔡志航, 阎秋生, 潘继生, 黄蓓, 曾自勤

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022-0004

摘要(841)

摘要:
为了提高磁流变抛光的抛光效率实现光电晶片的高效高品质超光滑平坦化加工，提出一种磁流变变间隙动压平坦化加工工艺方法。本文研究了不同变间隙条件下蓝宝石晶片表面抛光材料去除率和表面粗糙度随加工时间的变化，深入分析了磁流变变间隙动压平坦化加工机理。结果表明，通过工件对磁流变抛光液施加轴向低频挤压振动，能产生抛光压力的动态变化以及磁流变液的挤压强化效应，抛光效率与抛光效果显著提升。磁流变变间隙动压平坦化加工120 min后蓝宝石晶片的表面粗糙度由Ra 7 nm下降为了Ra 0.306 nm、材料去除率5.519 nm/min，相较恒定间隙磁流变抛光，表面粗糙度降低49%、材料去除率提高55.1%；通过改变变间隙运动速度可以实现对流场特性的调控，选择合适的工件下压速度和工件拉升速度有利于提高抛光效率和表面质量。

四氧化三铁特性对单晶SiC固相芬顿反应研磨丸片性能的影响

路家斌, 曹纪阳, 邓家云, 阎秋生, 胡达

, doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022-0008

摘要(821)

摘要:
为提高单晶SiC研磨加工质量和加工效率，制备了固相芬顿反应研磨丸片，研究了固相催化剂Fe₃O₄粒径和浓度对研磨丸片物理性能(硬度、抗弯强度、气孔率)、催化性能及其对单晶SiC研磨加工性能的影响。结果表明，随着Fe₃O₄粒径的增大，丸片的硬度、抗弯强度、气孔率和催化性能都减小，材料去除率(MRR)从43.12 nm/min降低到36.82 nm/min，表面粗糙度(Ra)从1.06 nm增加到3.72 nm。随着Fe₃O₄浓度的增大，丸片的硬度和抗弯强度减小，气孔率和催化性能增强，虽然MRR有所降低，但表面粗糙度先降低后增加，MRR从40.14 nm/min下降到33.51 nm/min，表面粗糙度(Ra)分别为3.25 nm、1.75 nm和1.88 nm。在本实验中，当Fe₃O₄粒径为0.5 µm、浓度为29 wt.%时加工效果最好，MRR为43.13 nm/min，表面粗糙度达到Ra 1.06 nm。

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