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澳研究人员将3D打印金刚石植入物用于生物医学和骨科


澳大利亚的研究人员利用金刚石的力量取得了突破性进展,人体接受生物医学植入物的方式可能得到根本性改善。来自皇家墨尔本理工大学的研究人员成功地涂覆了带有金刚石的3D打印钛植入物。  这是3D打印金刚石植入物用于生物医学和骨科的--涉及人体肌肉骨骼系统的外科手术。尽管钛可为医疗级别和患者特定的植入物提供快速、准确和可靠的材料,但我们的身体有时会拒绝使用此材料。这是由于钛上的化合物,阻止组织和骨有效地与生物医学植入物相互作用。人造金刚石为这个问题提供了一个物美价廉的解决方案。  这项突破是由生物医学工程师KateFox博士及其在RMIT工程学院的团队取得的。涂层是通过微波等离子体工艺在墨尔本纳米制造中心制造的。钛支架与金刚石相结合,形成生物材料。“这项技术推出还需要好几年的时间,在病人可以使用之前,需要采取很多步骤,”Fox说。“但我们所做的是,这是一次漫长而不可思议的旅程中的关键一步。”  博士研究员AaqilRifai正在与福克斯合作研究这项新技术,“金刚石是非常有效的,因为碳是人体的主要组成部分。碳具有令人难以置信的生物相容性,”Rifai说。“我们的身体很容易接受金刚石,并将其作为复杂材料界面的平台。”  除了骨科外,金刚石还被用于包覆心血管支架--帮助保持心脏动脉畅通的导管--以及仿生学和假肢。目前,研究人员正集中精力研究如何将这项技术应用于骨科。  “3D打印是现代一场突破性的革命。通过3D打印,我们可以设计出特定的医学级植入体。该技术快速、准确、可靠,省力。”Rifai说:“3D打印的扩展性正在迅速增长,因此我们可以预见,在不久的将来,金刚石涂层将在骨科中变得越来越普遍。”  金刚石是自然界存在的特殊材料之一,具有硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等,如下表。虽然天然金刚石具有这些的特性,但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在,其性质的多变性和稀有性极大地限制了其应用。而洛阳誉芯金刚石制备的CVD金刚石膜将这些优异的物理化学性能集一身,且成本较天然金刚石低,能够制备各种几何形状,在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。

2021/08/16

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金刚石滚轮的一些知识点


金刚石滚轮的结构形状五花八门,各式各样,奇形怪状,不同行业不同的种类,同一个行业也有很多种类,滚轮的形状是根据砂轮的圆周形状或砂轮组的圆周形状来决定的。这也就是为啥说滚轮的应用是机械加工磨床成型磨削,基本属于后道工序了。 不同于金刚石笔或者SBD粉末修整笔,他们往复式修整平行砂轮。 再怎么复杂的型面,总得来说,滚轮的结构分为三个部分,金刚石层,钢芯,内孔。这也是为什么石力金刚石滚轮询介表上比较关键的几个要素,分别对应这三大部分的滚轮结构 不管是电镀还是烧结滚轮,工作层都是金刚石层,询介表上的砂轮磨料,我们可以对应选择相应的的金刚石颗粒磨料。砂轮的形状尺寸,我们可以对应设计相应的钢芯,钢芯就是金刚石层的支撑体,对应相应的滚轮外径尺寸。内孔就是内径了,对应的是滚轮安装装置的主轴,精度要求高,内孔的精度高低对应于修整后砂轮的精度,zui终影响到工件上,所以内孔的公差要求也是什么严格的。           通过分析滚轮的结构,可以得出,滚轮的价格主要由金刚石层+精度要求决定。 金刚石层 金刚石颗粒用量多少,多少克拉,型面尺寸精度,粗糙度,内孔精度公差要求,轮廓度等决定了修整制造过程中的难易程度。越复杂越难,工时就越高,现在人工是很贵的。所以价格也稍微高些。

2021/09/27

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金刚石滚轮的一些常识


CVD金刚石在齿轮磨床滚轮中的应用,显示了新材料对机床工具行业巨大的推动作用。提示我们要重视基础材料的研究和应用,不断优化提升超硬工具性能。(1)在蜗杆砂轮磨齿机和成型磨齿机领域, 所使用的金刚石滚轮绝大部分要求镶嵌CVD,无论是烧结工艺还是电镀工艺,要求CVD金刚石与滚轮基体有较好的结合力,与 HTHP金刚石有较好的匹配,能达到滚轮的最大寿命。鉴于CVD金刚石价格较高,优化CVD金刚石形状设计和数量匹配是CVD使用的重点。(2)在磨齿机之外的其他滚轮应用领域,CVD金刚石也得到了越来越多的应用,对滚轮尖角等薄弱易损部位有很好的强化作用。 CVD的主要制造方法 CVD(化学气相沉积金刚石 )与高温高压(HTHP)金刚石相比,无金属催化剂,它的热稳定性和强度接近天然金刚石。与高温高压人工合成聚晶金刚石(PCD)一样,CVD 金刚石晶粒也呈无序排列,无脆性解理面,因此呈现各向同性。金刚石的高硬度、高耐磨性使得金刚石薄膜成为极佳的工具材料,CVD金刚石现在亦被用为刀具材料的一种。       作为工具材料,CVD 金刚石有多种不同的应用形式。第一种形式是将 CVD 金刚石切割、研磨,并焊接到工具的端部。由于这种钎焊强度远低于PCD 材料金刚石层与硬质合金之间的结合强度,当它应用于断续切削时,其界面的连接就显得很脆弱。若能够解决CVD金刚石的钎焊问题,那么CVD金刚石刀具材料将能够在整个机械加工领域同PCD材料竞 争。这种刀具材料与PCD相比,具有热稳定性好、 工具使用寿命长的优点。缺点是晶粒间的内聚强度低,材 料表现出较大的内应力和脆性。另外,由于CVD金刚石缺乏导电性,阻碍了该材料对电火花切割和抛光加工技术的应用。第二种形式是通过粉末冶金(烧结法)或电镀的方法,把CVD金刚石膜片固定在基体上,通过这样的方法CVD金刚石和基体之间能获得相当牢固的结合,不至于在使用中掉落。这 种工艺主要应用于磨轮、滚轮。第三种形式是将CVD金刚石膜直接沉积到工具表面上,薄膜厚度较薄,主要用于金属切削工具。相比于一般的金属切削刀具,此种刀具具有切削效率高、切削工件表面光洁度较好的优点。这种方法也有不足:沉积的薄膜对衬底材料的附着力不容易提高。   CVD金刚石的制备有三种典型的方法:  1.1 大面积的热丝直流等离子体 (HFCVD)制备方法  热丝 CVD法是将氢气和甲烷、乙炔等碳氢化合物按一定比例混合通入反应腔体内,流经电加热至 2000℃以上的热丝,在其表面和附近被高温分解成原子氢和多种碳氢基团,随后发生复杂的吸附与解吸附反应,之后在合适温度(700℃~1000℃)的基底表面 成核、生长,形成金刚石涂层。  (1)优点 热丝法的优点在于其制备成本低、装置简单、易实现大面积沉积、工艺控制性好。  (2)缺点 热丝法的缺点是合成速度较慢,约为 1~2μm/h,气体离化率较低,金刚石膜的生长质量不是很高,且容易带来金属污染。  1.2 大功率(60~100KW)微波(MPCVD)制备方法  微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)是将一定直径的石英管或不锈钢谐振腔作为反应腔,微波从波导管经过,进入反应腔内,会产生一个反应很强的交变电场,气体在交变电场的激励下被激发形成等离子体,氢气和甲烷受到激发形成具有很高活性的化学 活性基团,扩散至合适的基底表面后,沉积出金刚石涂层。 (1)优点  微波等离子体是一种无电极放电的等离子体激发方式,即它产生的等离子体很纯净,可避免电极和反应器壁带来的污染,微波等离子体能量密度及电子温度相当高,可得到很高的原子氢浓度,而且微波放电特别稳定,因此该法沉积获得的金刚石涂层质量相对较高。  (2)缺点  该沉积法突出的缺点是制备效率低,设备价格昂贵,制备成本偏高,不易扩大MPCVD金刚石膜的沉积面积。 1.3 直流电弧等离子体喷射 (DCArcplasmajet CVD )制备方法 该制备法是在电路正负两极间通入一定的直流电压,在正负两极间流动的气体被放电击穿,从而点燃电弧。电弧将气体迅速加热至特别高的温度,气体急剧膨胀,从喷口高速喷射出高温的等离子体射流。基底必须通过水来强制冷却,一般放在等离子体炬的下方。通常都将氢气、氩气和甲烷混合作为沉积的原料气体。其中氢气和甲烷是金刚石涂层沉积常用的原料气体,氩气则被用来点燃电弧并维持电弧的放电。 (1)优点 这是一种典型的高速沉积方法,保持着迄今为止的快速沉积速率930μm/h。等离子体的离化很充分,能提供非常高的原子氢浓度,因此能够兼顾沉积 速率和金刚石涂层的质量,被认为是工业化应用前景非常光明的金刚石膜制备技术。  (2)缺点 但是该制备法对于气体和电力的消耗量非常大,导致制备成本高,需通过气体循环和减少电力消耗降低成本,才能在市场上更具竞争力。  三种制造工艺生产的CVD金刚石,质量等级顺序为:微波工艺>直流电弧工艺>热丝工艺,成本则反之。近年以来,随着热丝工艺经过改进,新型热丝工艺生产的CVD 金刚石机械性能接近电弧工艺生产的CVD金刚石。 02 CVD 金刚石在蜗杆磨齿机金刚滚轮中的应用   蜗杆磨齿机作为直齿、斜齿圆柱齿轮的连续展成磨削机床,适用于批量化、专业化的齿轮加工生产。基本过程是使用金刚滚轮修整蜗杆砂轮,再使用蜗杆 砂轮磨削齿轮。磨削过程对金刚滚轮的精度、寿命都有较高的要求。  蜗杆砂轮磨齿机磨削齿轮的原理,相当于一对螺旋齿轮的啮合原理。蜗杆砂轮实质上可以看成是一个齿数很少(单头砂轮齿数等于1)的螺旋齿轮。因为它的齿数少,螺旋角很大并且轮齿很长,可以绕轴线很多圈,所以形成一个渐开线蜗杆,其法向基节等于所磨齿轮的法向基节。蜗杆砂轮与齿轮的啮合,被看作是加工齿轮与蜗杆砂轮沿法向剖面所形成的假想齿条的啮合,如图1所示。 蜗杆砂轮磨齿过程中,砂轮型面不断被磨损,一般由于砂轮磨料种类、结合剂、磨料浓度和被磨齿轮的差异,磨削齿轮十几件到几十件不等,就需要修整蜗杆砂轮。修整蜗杆砂轮需要用蜗杆金刚石滚轮。蜗杆金刚石滚轮是蜗杆磨齿机的核心部件,跟据被磨削齿轮的具体要求,诸如标准渐开线、鼓形齿、倒角齿等,金刚石滚轮需要设计和被加工成相对应的形状。图2所示为常见适用于不同型号磨齿机的金刚石滚轮形状。其外圆部位是滚轮的易损部位,齿轮模数从 0.5mm~10mm,滚轮的外圆部位厚度 0.35~5mm 不等。  譬如模数为 m =0.5mm 的标准渐开线圆柱齿轮,其需要的滚轮外圆厚度只有0.35mm,这样的尺寸,对传统的电镀或者烧结工艺金刚石滚轮的使用寿命来说都是巨大的挑战。通过烧结工艺或是电镀工艺把CVD金刚石嵌入并固定于滚轮外圆,则可大大加强滚轮薄弱环节,成倍增加滚轮寿命。现在市场主流的蜗杆砂轮磨齿机用滚轮,都采用尖部(外圆)镶CVD金刚石工艺。图3为蜗杆滚轮镶嵌CVD金刚石的形貌。 此种滚轮,一般选用直流电弧等离子体喷射CVD和热丝工艺CVD金刚石,微波等离子体CVD金刚石由于价格过于昂贵,在直流电弧等离子体喷射CVD和热丝工艺CVD金刚石能满足滚轮需求的情况下,一般不选用微波等离子体CVD金刚石。CVD金刚石厚度一般从0.5mm~1.2mm 不等,根据滚轮的要求激光切割成需要的形状。镶嵌CVD金刚石和 HPHT金刚石相互支撑,使滚轮外圆部位和斜面部位的强度得到了很好的发挥。   03 CVD金刚石在成型磨齿机金刚滚轮中的应用   按成形法加工的成形砂轮磨齿机的砂轮由成形砂轮修整器在轴向剖面内修成齿形,砂轮架可作垂直方向进给。被磨齿轮由分度架和尾座支承,通过工作台作纵向往复运动以磨出齿面,每磨一齿后进行分度。在磨斜齿轮的机床上,砂轮可按工件螺旋角转一角度,工件能在往复运动的同时得到附加转动。如机床砂轮架能使砂轮进入内齿轮工件中,便可磨削内齿轮。成形砂轮磨齿机结构简单,效率高,精度可达5级,适用于成批生产,对齿数少(例如少于17个)的齿轮尤为合适. 成型磨齿机滚轮一般采用烧结工艺和电镀工艺制造,早年的成型磨齿机滚轮无CVD金刚石加强, 边缘(圆弧)部位只有HTHP金刚石颗粒,滚轮使用过程中曲线磨损较快。通过镶嵌CVD金刚石工艺加强后,滚轮曲线保型性大大加强。 04 CVD金刚石在其他滚轮中的应用   随着成型磨削的迅速发展和成型磨削砂轮的广泛应用,在曲轴、活塞环沟槽、轴承、转向关节、液压阀件等的磨削中得到了广泛使用。为使砂轮型面在使用过程中经常保持原有精度,对修整工具提出了越来越高的要求。以往用单点式修整笔对砂轮进行纵向进给式修整,精度差,效率低。成型金刚石滚轮可以做成与成型磨削砂轮相吻合的复杂型面、小的角度、严格的半径,实现对砂轮的高速高精修整。 成型磨削滚轮在磨削砂轮过程中,尖棱部位是其薄弱点。同样可以采用镶CVD金刚石的工艺来加强,这大大地提高了滚轮的使用寿命。图6所示CVD金刚石应用于成型滚轮,图7为成型滚轮修整过程示意图。   05 结 论 CVD金刚石在齿轮磨床滚轮中的应用,显示了新材料对机床工具行业巨大的推动作用。提示我们要重视基础材料的研究和应用,不断优化提升超硬工具性能。(1)在蜗杆砂轮磨齿机和成型磨齿机领域, 所使用的金刚石滚轮绝大部分要求镶嵌CVD,无论是烧结工艺还是电镀工艺,要求CVD金刚石与滚轮基体有较好的结合力,与 HTHP金刚石有较好的匹配,能达到滚轮的最大寿命。鉴于CVD金刚石价格较高,优化CVD金刚石形状设计和数量匹配是CVD使用的重点。(2)在磨齿机之外的其他滚轮应用领域,CVD金刚石也得到了越来越多的应用,对滚轮尖角等薄弱易损部位有很好的强化作用。 在超硬工具领域,CVD金刚石与传统的工艺相结合,以其独特的性能,助力超硬产品走向高端并升级换代发挥着越来越突出的作用。  

2021/09/30

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一种方便安装的精刚石滚轮的制作方法


本文所述涉及带砂轮的磨具技术领域,尤其是一种安装方便的金刚石滚轮。金刚石滚轮是大批量成型磨削时用于砂轮整形修整的工具。它的工作原理是:普通的磨削用陶瓷砂轮通过安装在磨床上的金刚石滚轮进行整形修整,然后在砂轮修整成形后对零件进行磨削,使金刚石滚轮的轮廓、精度和尺寸复制到砂轮所要加工的零件表面。目前,金刚石滚轮设备每个挡圈的外周侧壁上设有多个与排气环孔连通的收集通孔,供陶瓷颗粒进入。      在上述技术方案的金刚石滚轮的安装过程中,为了便于滚轮套在转轴上,轴孔的直径长度会略大于转轴的直径长度,使得转轴与轴孔内壁之间存在一定的间隙。沿转轴轴向前进时,一旦操作者沿非转轴施加推力,很容易导致滚轮偏斜。此时借助木锤等工具重新调整滚筒,操作人员施加的力难以控制,难以使滚筒轴向与转轴轴向相等。因此,需要一种安装方便的金刚石滚轮。针对上述技术的不足,技术人员提供一种安装方便的金刚石滚轮,具有减少安装滚轮时的操作难度,使滚轮安装方便的效果。上述技术人员发明目的是通过以下技术方案实现的:一种便于安装的金刚石滚轮,包括轮体和同轴穿过轮体设置的轴孔;每个安装孔内相对设置两个紧固块;同一安装孔内的两个紧固块的相对两侧设有对接槽,两个对接槽相对设置,两个对接槽围成一个安装位置,用于安装转轴;固定座上还沿安装孔的径向设置有驱动两个紧固块靠近或远离的驱动部件。采用上面的技术方法,在转轴上安装滚轮的过程中,先将滚轮套在转轴上,再将滚轮推在转轴上。当滚轮被卡住时,驱动组件带动两个紧固块沿安装孔靠近,通过紧固件对转轴的驱动力,将转轴放在两个紧固块形成的安装位置,从而达到重新对准滚轮的效果。将滚筒放到合适的位置后,驱动组件驱动两个紧固件沿安装孔径向靠近,一直等到两个紧固块上的对接槽紧贴转轴外壁,从而将转轴固定在两个对接槽形成的安装位置,固定滚筒与转轴的相对位置。与原来的操作方法相比,可以调节滚轮,使滚轮的轴向与转轴的轴向一致,无需其他工具,降低了操作难度,提高了安装效率。   综上所述,本实用新型至少包括以下有益技术效果之一:   1.在安装金刚石滚轮的时候,不用多次调整滚轮的位置,滚轮的轴向就可以和转轴的轴向保持一致,减少操作难度,提高安装的效率;   2.安装的孔里面设计有环形橡胶层,可以提高金刚石滚轮与转轴之间的摩擦,从而提高摩擦力,使得滚轮与转轴之间的连接牢固度。

2021/10/28

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