屈碩碩， 鞏亞?wèn)|， 楊玉瑩， 舍躍斌

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(Cf/SiC)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航天及交通領(lǐng)域[1].目前，氣相沉積和氣相滲透是制備Cf/SiC的主要方法，但制備周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴，因此一般采用近凈成形工藝[2]，為達(dá)到表面質(zhì)量及裝配精度的要求，需要進(jìn)行二次磨削加工處理.在Cf/SiC制備過(guò)程中，纖維編織的結(jié)構(gòu)決定了成本及增強(qiáng)效果.相比于1D，2D及3D結(jié)構(gòu)，2.5D 針刺Cf/SiC能夠以低成本獲得優(yōu)異的增強(qiáng)性能.相比于傳統(tǒng)的單相材料，Cf/SiC在加工過(guò)程中的材料去除方式發(fā)生了巨大變化.本文通過(guò)對(duì)2.5D Cf/SiC的試驗(yàn)，考察并分析磨削參數(shù)對(duì)加工性能的影響規(guī)律.

目前，科研工作者對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了眾多基礎(chǔ)研究.常巖軍等[3]對(duì)2.5D Cf/SiC進(jìn)行了拉伸損傷研究，將損傷演化過(guò)程分為初始損傷、損傷加速及損傷減緩三個(gè)重要階段；汪海濱等[4]建立了Cf/SiC 微結(jié)構(gòu)的有限元模型，有效預(yù)測(cè)了等效模量；Zhang等[5]采用納米壓痕技術(shù)對(duì)Cf/SiC進(jìn)行了單纖維頂出試驗(yàn)，結(jié)果表明界面脫粘和纖維滑移主要發(fā)生在熱解碳涂層區(qū)域；Du等[6]對(duì)2D Cf/SiC 進(jìn)行磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明纖維方向?qū)δハ髁氨砻尜|(zhì)量的平穩(wěn)性及波動(dòng)性產(chǎn)生顯著影響.Rousset等[7]研究了裂紋垂直于載荷方向和單向復(fù)合材料纖維軸時(shí)的基體破壞特征和模型；Qu等[8]通過(guò)平面磨削試驗(yàn)研究了單向Cf/SiC的磨削特征和材料去除機(jī)理；Wang等[9]研究了磨鈍后的砂輪對(duì)SiO2f/SiC表面形貌的影響，結(jié)果表明亞表面出現(xiàn)大的裂紋及塌陷，同時(shí)檢測(cè)到大量的纖維拔除現(xiàn)象；Liu等[10]對(duì)2D Cf/SiC的不同表面進(jìn)行磨削試驗(yàn)研究，考察了磨削深度及進(jìn)給速度對(duì)磨削力及表面質(zhì)量的影響規(guī)律.

本文針對(duì)2.5D Cf/SiC在航天、軍事及交通領(lǐng)域的應(yīng)用需求，對(duì)其進(jìn)行磨削工藝性能的相關(guān)研究.采用單因素試驗(yàn)方法考察磨削參數(shù)對(duì)磨削性能相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)(表面形貌、表面粗糙度、磨削力及磨屑)的影響規(guī)律，并根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)2.5D Cf/SiC的磨削加工機(jī)理進(jìn)行深入分析.

1 2.5D Cf/SiC單因素磨削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料為2.5D針刺Cf/SiC，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.緯向纖維、無(wú)序碳纖維及經(jīng)向纖維交叉排列保證了二維平面的強(qiáng)度，針刺結(jié)構(gòu)的存在提升了整體三維空間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，微觀結(jié)構(gòu)形貌如圖2所示.為突出體現(xiàn)2.5D針刺Cf/SiC的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，本文選取A面作為平面磨削加工對(duì)象，采用M7120A平面磨床進(jìn)行加工試驗(yàn)；主要檢測(cè)設(shè)備包括VHX-1000E顯微鏡、Micromeasure三維輪廓儀、Ultra Plus場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，以及KISTLER多向測(cè)力儀.測(cè)力儀通過(guò)高傳輸率導(dǎo)線與電荷放大器相連，試驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)A/D采集卡傳送至微機(jī)終端.獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)DynoWare進(jìn)行分析和處理.為獲得準(zhǔn)確的粗糙度和磨削力參數(shù)，每組參數(shù)進(jìn)行5次平行試驗(yàn)，其平均值為最終結(jié)果.試驗(yàn)用砂輪的主要參數(shù)：直徑200 mm，粒度120#，寬度5 mm，厚度5 mm，濃度100%，采用樹(shù)脂結(jié)合劑.

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表1.本文的磨削性能評(píng)價(jià)參數(shù)為：表面形貌、表面粗糙度及磨削力.其中，表

表1 2.5D Cf/SiC單因素試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 1 Scheme of single factor tests of 2.5 D Cf/SiC

注：vs為砂輪線速度，ap為磨削深度，vw為進(jìn)給速度.

面粗糙度評(píng)價(jià)參數(shù)選取面算術(shù)平均高度Sa和面最大高度Sz，相比于傳統(tǒng)線粗糙度Ra和Rz，掃描區(qū)域由線擴(kuò)展為面[2,5,10]，檢測(cè)結(jié)果更有價(jià)值.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)表1設(shè)計(jì)的方案對(duì)2.5D Cf/SiC進(jìn)行單因素平面磨削試驗(yàn).在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)KISTLER多向測(cè)力儀實(shí)時(shí)記錄磨削力數(shù)值；為減小試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行5次，取平均值作為最終數(shù)值.試驗(yàn)完成后通過(guò)顯微鏡和輪廓儀考察分析表面形貌及粗糙度的變化規(guī)律.

2.1 磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

根據(jù)表1試驗(yàn)方案獲得的表面粗糙度結(jié)果，繪制表面粗糙度(Sa，Sz)隨磨削參數(shù)的變化趨勢(shì)，如圖3所示.當(dāng)ap從10 μm增加到50 μm時(shí)，表

面粗糙度逐漸增大：Sa從0.38 μm增加到1.23 μm，上升率為224%；Sz從3.54 μm上升到10.2 μm，上升率為188%.當(dāng)vs從20 m/s增加到32 m/s時(shí)，表面粗糙度逐漸降低：Sa從0.87 μm降低到0.43 μm，下降率為50.6%；Sz從9.5 μm降低到4.3 μm，下降率為54.7%.當(dāng)vw從1 m/min增加到5 m/min時(shí)，表面粗糙度逐漸增大：Sa從0.51 μm增加到0.83 μm，上升率為62.7%；Sz從4.5 μm上升到6.7 μm，上升率為48.9%.磨削深度的增加意味著單顆磨粒的切削厚度增大，同時(shí)磨削路徑延長(zhǎng)，產(chǎn)生的正壓力也逐漸增大.2.5D Cf/SiC的破壞形式為脆性破壞，增大的正壓力會(huì)加劇裂紋的延伸，惡化表面質(zhì)量，增加表面粗糙度.砂輪線速度的增加會(huì)大幅提升動(dòng)態(tài)有效磨粒數(shù)，降低單顆磨粒與工件的接觸弧長(zhǎng)，使磨削加工質(zhì)量顯著提高，表面粗糙度逐漸降低.砂輪進(jìn)給速度的增加同樣會(huì)促使單顆磨粒切削厚度與正壓力增加，磨削質(zhì)量下降.但由于進(jìn)給速度遠(yuǎn)小于砂輪線速度，因此，進(jìn)給速度的影響最小.

2.2 磨削參數(shù)對(duì)表面形貌的影響

經(jīng)過(guò)不同參數(shù)磨削加工的2.5D Cf/SiC表面形貌如圖4～圖6所示.當(dāng)磨削深度為10 μm時(shí)，加工表面平整，缺陷區(qū)域較少，但隨著磨削深度的增加，表面平整度下降，缺陷區(qū)域增多，如圖4所示；這意味著較小的磨削深度有利于提升表面加工質(zhì)量.同樣地，砂輪線速度的增加可以減小表面缺陷的產(chǎn)生，而進(jìn)給速度的增加促使了缺陷的產(chǎn)生.因此磨削參數(shù)對(duì)表面形貌和粗糙度的影響是一致的.

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，為了詳細(xì)考察分析磨削參數(shù)對(duì)表面形貌的影響規(guī)律，并為最終的磨削機(jī)理分析提供支撐，本文選取經(jīng)向和緯向纖維中的部分區(qū)域進(jìn)行放大處理，如圖7所示.根據(jù)微觀形貌可知，纖維排列方向不同的區(qū)域，缺陷形式具有很大的差異：經(jīng)向纖維的缺陷表現(xiàn)為界面脫粘及裂紋；緯向纖維區(qū)域則表現(xiàn)為界面脫粘、裂紋、纖維拔除及露頭.其根本原因?yàn)椋豪w維緯向排列時(shí)，纖維軸向與磨削平面平行，基體對(duì)加工表面區(qū)域纖維的支撐作用較弱，裂紋更易沿著纖維軸向生長(zhǎng)和延伸；纖維經(jīng)向排列時(shí)，纖維軸向與磨削平面垂直，基體對(duì)纖維產(chǎn)生強(qiáng)大的支撐作用，阻礙裂紋的生長(zhǎng)及延伸，但纖維在磨粒的擠壓及剪切作用下，易在纖維與基體的結(jié)合面處發(fā)生界面脫粘現(xiàn)象，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域的轉(zhuǎn)移，最終在磨削表

面上觀測(cè)到纖維拔除及露頭.較小的磨削深度、進(jìn)給速度及較大的砂輪線速度，有利于減小磨粒對(duì)纖維的擠壓及剪切力，從而有助于遏制缺陷的產(chǎn)生并獲得較好的表面質(zhì)量.

2.3 磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響

根據(jù)表1設(shè)計(jì)的單因素試驗(yàn)方案所記錄的磨削力繪制磨削力(Fn，F(xiàn)t)隨磨削參數(shù)的變化趨勢(shì)，如圖8所示.當(dāng)ap從10 μm增加到50 μm時(shí)，法向磨削力Fn和切向磨削力Ft分別從27.2 N和8.2 N上升到69.9 N和21.1 N，其增長(zhǎng)率分別為156.9%和157.3%；當(dāng)vs從20 m/s增加到32 m/s時(shí)，F(xiàn)n和Ft分別從62.2 N和18.1 N下降到27.4 N和9.5 N，其下降率分別為55.9%和47.5%； 當(dāng)vw從1 m/min增加到5 m/min時(shí)，F(xiàn)n

和Ft分別從32.1 N和10.3 N上升到55.2 N和17.2 N，其增長(zhǎng)率分別為71.3%和67.0%.砂輪線速度的增加使參與切削同等體積材料的磨粒數(shù)顯著增多，相應(yīng)的磨削力降低.磨削深度和進(jìn)給速度的增加使單顆磨粒的磨削路徑及切削厚度增加，相應(yīng)的磨削力增加.同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果表明進(jìn)給速度對(duì)磨削力影響程度最弱.

3 2.5D Cf/SiC磨屑分析

磨屑的形成標(biāo)志著磨削的完成，因此磨屑形態(tài)的分析對(duì)理解2.5D Cf/SiC的磨削機(jī)理具有重要意義.為了清晰直觀地反映磨屑形貌的變化，本文選取對(duì)加工質(zhì)量及磨削力影響最顯著的磨削深度作為基本變量，其余參數(shù)保持不變.對(duì)磨削深度分別為10，30和50 μm條件下得到的磨屑進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖9所示.作為增強(qiáng)相的碳纖維與碳化硅基體的物理性能存在巨大差異，破壞后形成的磨屑形態(tài)也存在著很大的不同.在2.5D Cf/SiC內(nèi)部，存在經(jīng)向纖維和緯向纖維.經(jīng)向纖維垂直于磨削表面，而緯向纖維平行于磨削表面，兩種不同方向的纖維所產(chǎn)生的磨屑形態(tài)存在著差異.由于經(jīng)向纖維受到基體良好的支撐作用，其受力模式可簡(jiǎn)化為剛性地基懸臂梁類型.當(dāng)纖維承受的應(yīng)力大于其強(qiáng)度時(shí)，纖維斷裂，纖維磨屑長(zhǎng)度較小，甚至形成碎屑.而在加工區(qū)域內(nèi)的緯向纖維與基體間的結(jié)合力較弱，裂紋易沿著纖維軸向延伸和擴(kuò)展，纖維磨屑較長(zhǎng).作為基體的SiC材料屬于典型的脆性材料，其破壞原理服從于脆性材料壓痕斷裂力學(xué).在磨粒的擠壓作用下，萌生的裂紋發(fā)生延伸，但由于增強(qiáng)相纖維的存在，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、橋連等現(xiàn)象，能量獲得釋放，遏制了裂紋的擴(kuò)張.因此，SiC基體易形成單獨(dú)的碎屑或附著于纖維表面的塊體.

當(dāng)磨削深度為10 μm時(shí)，細(xì)小棒狀的碳纖維磨屑和無(wú)規(guī)則SiC磨屑占很大比例，但同時(shí)也存在一定比例的長(zhǎng)碳纖維磨屑；細(xì)小的和長(zhǎng)的纖維磨屑分別來(lái)自經(jīng)向和緯向增強(qiáng)纖維.隨著磨削深度的增加，長(zhǎng)碳纖維磨屑的比例逐漸增加，同時(shí)長(zhǎng)碳纖維磨屑的長(zhǎng)度也逐漸增加.這是由于磨削深度的增加使裂紋沿著經(jīng)向纖維延伸的長(zhǎng)度增加，具有一定彎曲強(qiáng)度的碳纖維更易在遠(yuǎn)處斷裂.此時(shí)，細(xì)小的碳纖維磨屑長(zhǎng)度也逐漸增加，其原因是較大的磨削深度同時(shí)也使經(jīng)向纖維的脫粘深度增加，應(yīng)力集中區(qū)下移，纖維磨屑長(zhǎng)度增加.纖維磨屑長(zhǎng)度差異越大，如圖9c，纖維斷裂區(qū)域越不穩(wěn)定，加工表面越不均勻，表面質(zhì)量越差.因此，較大的磨削深度不利于獲得較高的表面質(zhì)量.

4 2.5D Cf/SiC磨削過(guò)程分析

2.5D Cf/SiC是一種典型的二相復(fù)合材料，其磨削加工機(jī)理與SiC基體、碳纖維增強(qiáng)相的加工機(jī)理均存在很大不同.作為一種新型航天材料，迫切需要對(duì)其加工機(jī)理進(jìn)行深入研究.因此，本文對(duì)2.5D Cf/SiC磨削加工機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致的分析.

2.5D Cf/SiC磨削加工示意如圖10所示，界面脫粘、纖維露頭及拔除是緯向纖維的主要缺陷形式；界面脫粘、基體裂紋則是經(jīng)向纖維的主要缺陷形式.產(chǎn)生不同缺陷形式的根本原因是纖維支撐條件的不同.具有良好支撐條件的經(jīng)向纖維可以認(rèn)為是剛性地基下的懸臂梁結(jié)構(gòu).在磨削過(guò)程中，磨粒首先接觸到脆性SiC基體，服從于壓痕斷裂力學(xué)準(zhǔn)則，基體內(nèi)部萌生裂紋并逐漸延伸.當(dāng)延伸的裂紋接觸到纖維時(shí)，會(huì)使裂紋方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并抑制裂紋的擴(kuò)展.因此，相比SiC材料，2.5D Cf/SiC的加工性能獲得極大的提升.同時(shí)，在磨粒剪切、擠壓作用下產(chǎn)生的界面脫粘會(huì)使纖維露頭及拔除.為減小界面脫粘的深度，應(yīng)采用較小的磨削深度.周圍支撐能力較弱的緯向纖維不能有效地遏制裂紋沿纖維軸向的延伸，界面脫粘現(xiàn)象更加嚴(yán)重，從而導(dǎo)致纖維磨屑的長(zhǎng)度明顯大于經(jīng)向纖維磨屑.兩種方向纖維的交替排布及針刺結(jié)構(gòu)的存在能夠有效地保證2.5D Cf/SiC在各個(gè)方向均存在合理的強(qiáng)度分布，有效克服了單向Cf/SiC僅能提供單一方向上強(qiáng)度支撐的缺陷，極大地提高了Cf/SiC的應(yīng)用范圍.

5 結(jié) 論

1) 磨削深度對(duì)表面形貌、粗糙度及磨削力的影響最大，隨著磨削深度及進(jìn)給速度的減小，磨削力及表面粗糙度逐漸減小，表面缺陷比例較??；隨著砂輪線速度的減小，磨削力及表面粗糙度逐漸增大，表面缺陷比例增多.其中，進(jìn)給速度的影響最小.

2) 不同分布方向的纖維產(chǎn)生的缺陷形式是不同的，主要缺陷形式包括基體裂紋、界面脫粘、纖維拔除及露頭.

3) 經(jīng)向纖維易產(chǎn)生尺寸小的纖維及SiC磨屑，緯向纖維易產(chǎn)生尺寸大的纖維磨屑，其根本原因是纖維支撐條件的不同.

4) 纖維增強(qiáng)相的存在能夠使基體內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋在延伸至纖維處發(fā)生偏轉(zhuǎn)、暫停擴(kuò)展等現(xiàn)象，有效地提升了2.5D Cf/SiC的可加工性.