顆粒陶瓷增強鈦基復合材料磨削表面形貌仿真與試驗研究

趙耀邦 陳文旗 歐陽自鵬 李中權(quán) 劉公雨 安慶龍

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顆粒陶瓷增強鈦基復合材料磨削表面形貌仿真與試驗研究

趙耀邦1陳文旗1歐陽自鵬1李中權(quán)1劉公雨2安慶龍2

（1. 上海航天精密機械研究所，上海 201600；2. 上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

使用Deform-3D軟件開展了單顆金剛石磨粒磨削顆粒陶瓷增強鈦基復合材料的過程仿真，研究了復合材料磨削亞表面裂紋的萌生與擴展規(guī)律以及不同工藝參數(shù)對磨削表面形貌的影響；開展了樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削復合材料的實驗，分別研究了不同陶瓷顆粒粒度與磨削工藝參數(shù)對磨削表面形貌的影響規(guī)律，對不同工藝參數(shù)下的磨削表面粗糙度進行測量與分析。結(jié)果表明，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果較為一致；陶瓷顆粒粒度為40μm的復合材料磨削表面質(zhì)量明顯高于陶瓷顆粒粒度為80μm的復合材料。當砂輪線速度為25m/s、進給速度為12m/min時，磨削表面質(zhì)量最優(yōu)；在沿復合材料激光制備方向上的磨削表面粗糙度受砂輪線速度和工件進給速度的雙重作用，而垂直于激光制備方向，表面粗糙度隨砂輪線速度的增加或工件進給速度的降低而有所減小。

顆粒陶瓷增強鈦基復合材料；磨削仿真；表面形貌

1 引言

為了增加鈦合金材料的抗燒蝕性能，采用激光熔注工藝在TC4鈦合金表面制備了ZrO2陶瓷顆粒增強復合材料層[1]。由于材料及工藝特點，激光熔注工藝制備的顆粒陶瓷增強鈦基復合材料表面呈溝壑狀，其精度無法滿足產(chǎn)品設計要求，需要采用磨削加工提高表面精度。激光熔注制備ZrO2陶瓷顆粒增強復合材料表面ZrO2陶瓷體積分數(shù)高達80%～90%，由于陶瓷材料的硬脆特性，磨削加工易導致裂紋、劃痕、破碎等，其加工難度大[2～4]。本論文結(jié)合數(shù)值仿真與工藝試驗方法開展顆粒陶瓷增強鈦基復合材料磨削技術(shù)研究，探討磨削加工工藝規(guī)律及質(zhì)量控制方法，為新型顆粒陶瓷增強鈦基復合材料的應用奠定基礎。

2 單顆磨粒磨削有限元仿真

隨著有限元算法和相關(guān)材料本構(gòu)理論體系的日臻完善與豐富，有限元仿真已成為研究不同材料磨削過程的重要方法。然而，鑒于脆性材料尤其是陶瓷材料磨削過程的復雜性，現(xiàn)有文獻對這類材料的磨削仿真研究相對較少，尤其是對硬脆材料磨削加工損傷及磨削裂紋萌生及擴展機理的研究報道較少，還欠缺系統(tǒng)、深入的認識。

從微細尺度上來看，磨削過程可認為是砂輪表面大量不同出刃高度的磨粒對工件表面進行隨機高速的劃擦、耕犁或切削，這些磨粒前赴后繼、周而復始地對工件表面作用，從而在宏觀上表現(xiàn)為砂輪對工件表面材料的逐層磨除。為了便于認識磨削過程與揭示磨削機理，基于單顆磨粒的磨削仿真或試驗已成為認識復雜磨削過程的重要手段[5]。言蘭等通過建立單顆磨粒切削仿真模型，分析了不同工藝參數(shù)下的單顆磨粒切削過程中的力、熱變化規(guī)律[6]；宿崇等采用有限元法和光滑粒子流體動力學法耦合的方法，進行了單顆CBN磨粒的切削過程仿真，并分析了切削成屑機理[7]。Zhu等對SiC磨削過程中裂紋的萌生與擴展進行了單顆磨粒磨削仿真，認為當最大未變形切削厚度大于0.3μm時材料以脆性去除為主且伴生有裂紋[8]。在前人研究方法與成果的基礎上，為了深入揭示陶瓷顆粒增強鈦基復合材料的磨削機理，本文利用Deform-3D軟件對其在單顆金剛石磨粒下的磨削過程進行了仿真。

2.1 磨粒幾何建模與邊界條件設定

在磨粒的制造過程中，磨粒會發(fā)生隨機性的破壞，導致其具有各種不規(guī)則的形狀。在磨粒的幾何結(jié)構(gòu)特征中，磨粒頂錐角是影響磨削性能的至關(guān)重要的參數(shù)，直接決定了磨削過程中的力熱變化與工件的已加工表面質(zhì)量優(yōu)劣。據(jù)統(tǒng)計，磨粒的頂錐角分布范圍大概在80°～145°之間。隨著磨粒的寬度增大，頂錐角與磨粒鈍圓半徑均略有增大。

磨粒除了具有分布隨機性之外，其在砂輪表面的出刃高度也是隨機的。根據(jù)常見磨粒切削刃的形狀，學者們將其理想形狀分為圓錐形、棱錐形、橢球形等，本文選取最為典型的圓錐形開展單顆金剛石磨粒磨削陶瓷材料的仿真。根據(jù)試驗所用砂輪的磨粒粒度號，確定仿真用單顆磨粒的頂錐角為80°，磨粒鈍圓半徑為15μm，如圖1所示。對于仿真邊界條件的給定，本文將磨粒設置為剛性，磨削過程中不受變形的影響。在能量的傳遞和轉(zhuǎn)換中，磨粒能量變化的計算比工件簡單很多。本文模擬中的工件尺寸非常小，工件底面設置為全約束。此外，由于砂輪直徑遠遠大于磨削弧區(qū)的長度，因此可以將單顆磨粒在工件磨削弧區(qū)的切削運動假設為平行于工件表面的直線拉削運動。磨削仿真及試驗用金剛石磨料與顆粒陶瓷增強鈦基復合材料的基本物理特性參數(shù)分別如表1、表2所示。

圖1 磨粒幾何模型

表1 金剛石基本物理特性參數(shù)

表2 顆粒陶瓷增強鈦基復合材料基本物理特性參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 磨削表面形貌

當砂輪線速度為30m/s時，在不同磨削深度下的復合材料磨削表面形貌如圖2所示。

從圖2可以看出，在相同的砂輪轉(zhuǎn)速下，隨著砂輪磨削深度的增大，復合材料磨削表面質(zhì)量逐漸變差，表面因崩碎引起的凹凸不平現(xiàn)象加重，亞表面裂紋層深度逐漸增大。然而，受到加工效率的限制，在實際生產(chǎn)中磨削深度不宜過低。因此在兼顧加工效率之下，選擇合理的加工深度有助于在普通磨削中獲得較好的磨削表面質(zhì)量。

當磨削深度為6μm時，不同砂輪線速度下的復合材料磨削表面形貌如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大，復合材料表面的磨削質(zhì)量略有所提高，亞表面裂紋層深度也有輕微的降低。由此得出，轉(zhuǎn)速是普通磨削中影響亞表面裂紋的另一重要因素。在條件允許的情況下，應當盡量提高砂輪的轉(zhuǎn)速，從而有助于提高復合材料的磨削表面質(zhì)量。

2.2.2 亞表面裂紋萌生與擴展

工件在砂輪線速度20m/s、磨削深度6μm時的亞表面裂紋萌生與擴展變化如圖4所示。金剛石磨粒初始接觸工件邊緣時，工件邊部受到沿接觸面法向的擠壓力后，其上表面和側(cè)面緊靠切觸區(qū)的自由面很容易發(fā)生崩邊。隨著磨削的進行，切觸區(qū)的材料發(fā)生張開型和滑開型斷裂，呈現(xiàn)為粉末狀的破碎現(xiàn)象，破碎區(qū)逐漸相連并于磨粒底部構(gòu)成微裂縫，形成已加工表面。在磨粒向前運動的過程中，在磨粒運動方向前方接近上表面的材料總是首先發(fā)生崩碎，并逐漸與切觸區(qū)內(nèi)的崩碎表面連通，使得已加工表面呈現(xiàn)為連續(xù)性。

圖4 亞表面裂紋的萌生與擴展

從圖4所示的裂紋擴展過程可以看出，顆粒陶瓷增強復合材料亞表面裂紋的擴展大體分為3個階段。第一個階段是裂紋萌生，在這個過程中，工件材料與磨粒接觸面的兩端部位在受到磨粒的擠壓作用下首先發(fā)生微開裂；隨著磨粒的進一步切入，材料接觸面整體所受的壓應力不斷增大，其中部區(qū)域也開始發(fā)生微開裂；第二個階段是裂紋的發(fā)展與貫通，工件接觸區(qū)的材料受到的壓應力超過斷裂閾值后，微裂紋迅速擴展，此時接觸區(qū)內(nèi)不同部位的裂紋發(fā)生連接與貫通，形成明顯的可見裂紋，直接與磨粒表面接觸的材料完全崩除，并留有大量指向材料內(nèi)部的不規(guī)則且長短不一的微小裂紋殘痕，使得位于接觸區(qū)的工件材料表面布滿了棱角較分明的凹陷和凸起；第三個階段是裂紋的停裂，當磨粒劃過工件材料后，相應區(qū)域的壓應力和剪應力大幅變?nèi)?，應力值已不滿足裂紋擴展條件，從而裂紋停止擴展。

3 試驗研究

為了更加深入、真實地認識顆粒陶瓷增強鈦基復合材料在受到金剛石磨粒磨削時的表面形貌變化規(guī)律，驗證仿真結(jié)果的可靠性，本文設計并開展了樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪磨削顆粒陶瓷增強復合材料的試驗，分析探討了不同磨削工藝參數(shù)對復合材料磨削表面粗糙度和表面形貌的影響。除此之外，還對不同陶瓷顆粒粒度工件的磨削表面質(zhì)量進行了對比分析。

3.1 試驗方案

試驗在臥式平面矩臺磨床（KENT KGS-1020）上進行，采用120#樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪對復合材料進行磨削，磨削方式為干磨，磨削用復合材料的顆粒粒度分別為40μm和80μm，磨削工藝參數(shù)如表3所示。利用基恩士顯微鏡VHX-600觀察工件磨削表面的形貌，使用Mutitoyo SJ-210表面粗糙度測量儀測量表面粗糙度。

表3 磨削試驗參數(shù)

圖5 試驗現(xiàn)場

3.2 磨削表面形貌

3.2.1 陶瓷顆粒粒度的影響

使用超景深顯微鏡觀察復合材料磨削后的表面狀態(tài)如表4所示。可以看出，40μm顆粒粒度的復合材料的磨削表面質(zhì)量明顯優(yōu)于80μm顆粒粒度的復合材料。在復合材料較密實的區(qū)域，磨削表面更平整一些，但也可見有較短的崩碎溝壑。在已加工工件表面的放大圖像中可以看到，兩種復合材料表面都分布有無明顯走向規(guī)律的磨削裂紋，深度、長短均不一，且在某些裂紋的端部或交接處留有斑狀崩碎凹坑。在較為平整的復合材料已加工表面上，整齊密排的磨粒劃擦痕跡清晰可見。由此可知，復合材料在受到磨粒微小尺度的切削下仍然為塑性犁除和切除，而當材料變形達到一定程度時，被切削材料主體則開始發(fā)生脆性崩碎。

表4 兩種顆粒粒度陶瓷材料的磨削表面質(zhì)量對比

3.2.2 磨削工藝參數(shù)的影響

使用超景深顯微鏡觀察40μm顆粒粒度復合材料在磨削深度6μm時，不同砂輪線速度和工件進給速度下的已加工表面形貌如表5所示?？梢钥闯?，在不同磨削工藝參數(shù)下磨削表面都存在較明顯的崩碎溝壑，且這種溝壑狀裂紋長短深淺不一。當工件進給速度為4m/min和27m/min時，工件磨削表面崩碎要嚴重一些，而工件進給速度為12m/min時，工件磨削表面則相對崩碎較少。當砂輪線速度較小時，磨削表面裂紋比較長而且比較深，隨著砂輪線速度的增加，磨削表面裂紋逐漸變細密，呈現(xiàn)為網(wǎng)狀。

表5 不同砂輪線速度和進給速度下的陶瓷材料磨削表面形貌（×20）

由此可以得到，當砂輪線速度較大、進給速度適中時，陶瓷磨削的已加工表面崩碎較少，裂紋數(shù)目較少且裂紋長度較小、深度較淺，表面質(zhì)量較好。

3.3 磨削表面粗糙度

對40μm顆粒粒度復合材料在磨削深度6μm時，不同砂輪線速度和工件進給速度下的已加工表面粗糙度進行測量，沿復合材料激光制備方向和垂直于復合材料激光制備方向的已加工表面粗糙度變化規(guī)律分別如圖6和圖7所示。

圖6 沿復合材料激光制備方向上磨削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

圖7 垂直于復合材料激光制備方向上磨削工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

由圖6可知，當進給速度較低時（4m/min），復合材料磨削表面粗糙度值隨砂輪線速度的增大而減?。蝗欢敼ぜM給速度較高時（27m/min），復合材料磨削表面粗糙度隨砂輪線速度的增大而增大。這一結(jié)果表明，在沿復合材料激光制備方向上，復合材料磨削表面粗糙度受砂輪線速度和工件進給速度兩種因素的雙重牽制，即在不同的進給速度下，隨砂輪線速度的增加，磨削表面粗糙度的演化結(jié)果可能截然不同。

由圖7可知，在垂直于復合材料激光制備方向上，當砂輪線速度不變時，隨著進給速度的增加，工件磨削表面粗糙度逐漸增加；當進給速度不變時，隨著砂輪線速度的增加，工件磨削表面粗糙度逐漸減小。這一結(jié)果與仿真結(jié)果是吻合的。由此可認為，在條件允許工況下，適當?shù)卦黾由拜喚€速度或減小工件進給速度，可以有效降低垂直于復合材料激光制備方向上的表面粗糙度。

4 結(jié)束語

通過有限元方法對顆粒陶瓷增強鈦基復合材料在單顆金剛石磨粒下的磨削過程仿真，揭示了顆粒陶瓷增強復合材料磨削亞表面裂紋的萌生與擴展機理，并研究了不同工藝參數(shù)對材料磨削表面形貌的影響規(guī)律。使用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪對復合材料進行磨削實驗，并研究了陶瓷顆粒粒度以及磨削工藝參數(shù)對表面形貌的影響規(guī)律。使用表面粗糙度測量儀測量并分析了不同工藝參數(shù)下的復合材料磨削表面粗糙度。在特定工藝參數(shù)下，仿真與試驗結(jié)果較為一致。陶瓷顆粒粒度為40μm的復合材料磨削表面質(zhì)量明顯優(yōu)于陶瓷顆粒粒度為80μm的復合材料。當砂輪線速度為25m/s、進給速度為12m/min時，復合材料的磨削加工表面崩碎程度最低。在沿復合材料激光制備方向上的磨削表面粗糙度受到了砂輪線速度和工件進給速度兩種因素的綜合影響，而在垂直于復合材料激光制備方向上的磨削表面粗糙度a隨砂輪線速度的增加（15m/s至25m/s）或工件進給速度的降低（27m/min至4m/min）而有所減?。?.80μm至0.57μm）。

1 陳文旗，昝林，歐陽自鵬，等. 激光熔注制備納米團聚顆粒增強ZrO2/Ti6Al4V復合材料層的微觀組織[J]. 航天制造技術(shù)，2017(1)：17～19

2 李英杰. SiC顆粒增強鋁基復合材料精密磨削技術(shù)的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2008

3 周明，李英杰，李丹. 電鍍金剛石砂輪磨削加工Si_pC顆粒增強鋁基復合材料的研究[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2008 (5)：39～43

4 奚欣欣，丁文鋒，傅玉燦，等. 顆粒增強鈦基復合材料高速磨削表面分形分析[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2014 (6)：26～29

5 李灝楠. 基于離散元素法的砂輪建模與磨削仿真研究[D]. 沈陽：東北大學，2014

6 言蘭，姜峰，融亦鳴. 基于數(shù)值仿真技術(shù)的單顆磨粒切削機理[J]. 機械工程學報，2012，48(11)：172～182

7 宿崇，丁江民，許立，等. 單顆立方氮化硼磨粒切削特性及工件材料變形行為的微觀力學分析[J]. 兵工學報，2012，33(4)：425～431

8 Zhu Dahu, Yan Sijie, Li Beizhi. Single-grit modeling and simulation of crack initiation and propagation in SiC grinding using maximum undeformed chip thickness[J]. Computational Materials Science, 2014, 92：13～21

Surface Morphology Simulation and Experimental Study of Grinding for Ceramic Particles Reinforced Titanium Matrix Composite

Zhao Yaobang1Chen Wenqi1Ouyang Zipeng1Li Zhongquan1Liu Gongyu2An Qinglong2

(1. Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600；2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)

Grinding simulation of ceramic particles reinforced titanium matrix composite materials using single diamond abrasive is conducted in Deform-3D. Based on the simulation results, the cracks initiation and propagation rules on sub-surface of ceramic materials are obtained, and the grinding surface morphologies under different processing parameters are analyzed. Besides, the grinding experiments of composite materials are carried out with a resin bonded diamond grinding wheel, in order to study the effects on grinding surface morphology by different ceramic grain sizes and grinding processing parameters. After that, the grinding surface roughness under different processing parameters is also measured and analyzed. It is concluded that the simulation result is similar to that of experiment. The surface quality of composite materials with ceramic grain diameter 40μm is better than that with ceramic grain diameter 80μm. When the linear velocity of grinding wheel is 25m/s and feed speed of workpiece is 12m/min, brittle breaking on grinding surface of composite materials occurs less, resulting in better surface quality. As for the surface roughness, it is of dual influence by the linear velocity of grinding wheel and feed speed of workpiece along the laser manufacturing direction. While in the direction perpendicular to the laser manufacturing, grinding surface roughness will get smaller with the linear velocity of grinding wheel increasing or the feed speed of workpiece decreasing.

ceramic particles reinforced titanium matrix composite；grinding simulation；surface morphology

趙耀邦（1982），博士，材料加工工程專業(yè)；研究方向：焊接及其激光材料加工技術(shù)。

2017-08-12