超聲振動磨削C/SiC復(fù)合材料的試驗研究*

項 超，陳 濤，李紅博，王啟涵，宋 涵

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070）

連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料 （Continuous fiberreinforced ceramic composite，CFCC），即在陶瓷材料基體中引入連續(xù)纖維增強(qiáng)材料，采用適當(dāng)弱結(jié)合的界面層作用實現(xiàn)纖維增強(qiáng)體對陶瓷基體的增韌和補(bǔ)強(qiáng)作用[1–2]。陶瓷基復(fù)合材料克服了單向陶瓷材料敏感性高、韌性低、可靠性差的缺點，兼具耐高溫、耐磨損、比重低等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于先進(jìn)武器裝備、航空航天等重要領(lǐng)域[3–4]。

然而，作為難加工材料的代表，C/SiC 復(fù)合材料加工過程中容易產(chǎn)生毛刺、崩邊、表面及亞表面裂紋等缺陷[5–6]。研究表明，超聲振動輔助磨削可以有效地減少加工缺陷，獲得較好的表面加工質(zhì)量，從而成為C/SiC等復(fù)合材料的新型加工方式。Azarhoushang 等[7]采用有限元法研究了C/SiC 超聲振動磨削過程。Tashiro 等[8]采用試驗法研究了C/SiC 復(fù)合材料普通磨削加工表面形貌，并實際測量磨削過程中磨削力的大小。但是，目前國內(nèi)外對C/SiC 復(fù)合材料超聲振動輔助磨削的磨削力和表面加工質(zhì)量的系統(tǒng)研究報道較少。

本文研究C/SiC 復(fù)合材料超聲振動輔助平面磨削過程中磨削力及表面粗糙度的影響因素，對探究陶瓷基復(fù)合材料的磨削機(jī)理具有重要意義。首先搭建了C/SiC復(fù)合材料超聲振動輔助磨削試驗平臺，然后利用單因素法研究工藝參數(shù) （主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度）對磨削力及表面粗糙度的影響規(guī)律，最后對磨削后工件表面三維形貌進(jìn)行研究，揭示C/SiC 復(fù)合材料中增強(qiáng)體和基體的材料去除方式。

1 試驗

1.1 試驗材料及設(shè)備

試驗材料選用CVI+PIP 綜合工藝制備的2.5D 正交編織C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料，針刺結(jié)構(gòu)預(yù)制體單元為碳布/網(wǎng)胎+碳纖維環(huán)向纏繞層，預(yù)制體結(jié)構(gòu)及材料微觀形貌如圖1所示。

圖1 試驗材料Fig.1 Experimental materials

軸向超聲振動輔助磨削試驗在數(shù)控銑床（XKN713）上進(jìn)行，利用Kistler9257B 三向壓電晶體測力儀測量磨削過程的磨削力，利用自動變焦三維表面測量儀（InfiniteFocus G5）測量磨削表面粗糙度，試驗結(jié)束后利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察材料磨削三維形貌，磨削力測量及試驗平臺的搭建如圖2所示。

圖2 試驗平臺搭建Fig.2 Experimental platform construction

1.2 試驗方案

為了得到各加工參數(shù)對C/SiC 復(fù)合材料超聲振動輔助磨削的磨削力和表面加工質(zhì)量的影響規(guī)律，采用單因素試驗與正交試驗結(jié)合的研究方法，分析不同工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度）對磨削力和表面粗糙度的影響規(guī)律及各因素對表面粗糙度的影響程度，通過這些磨削試驗來揭示陶瓷基復(fù)合材料的加工機(jī)理。陶瓷基復(fù)合材料磨削過程為干式切削，切削過程中無切削液。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次對刀后，初始設(shè)定0.1mm 的磨削深度，用粗磨頭磨去材料不平整表面，然后按照表1給定的工藝參數(shù)進(jìn)行磨削。正交試驗因素水平見表2。

表1 超聲振動輔助磨削C/SiC陶瓷基復(fù)合材料試驗參數(shù)Table 1 Experiment parameters of ultrasonic vibration assisted grinding of C/SiC matrix composites

表2 表面粗糙度正交試驗因素水平Table 2 Surface roughness orthogonal experimental factor level

2 結(jié)果與分析

2.1 主軸轉(zhuǎn)速

保持進(jìn)給速度為60mm/min，磨削深度為0.1mm，探究主軸轉(zhuǎn)速對C/SiC 復(fù)合材料磨削力和加工表面粗糙度的影響規(guī)律。為了得到可靠的數(shù)據(jù)，每組試驗重復(fù)加工3 次并取平均值，記錄磨削力試驗數(shù)據(jù)；粗糙度測量過程中，每個磨削表面選取3 個測量點，選取3 次測量結(jié)果的平均值作為該磨削平面的表面粗糙度值，最后計算3 次加工后的平均粗糙度作為該加工參數(shù)對應(yīng)的表面粗糙度。采用比較常用的幅度參數(shù)中的算術(shù)平均偏差Sa作為C/SiC 陶瓷復(fù)合材料的表面粗糙度評價參數(shù)。圖3為超聲振動輔助磨削和普通磨削兩種加工方式下磨削力和表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律?？芍?，超聲振動輔助磨削的磨削力和表面粗糙度要明顯小于普通磨削方式，且施加超聲振動后磨削力降低了35%～40%，當(dāng)其他條件不變時，提高主軸轉(zhuǎn)速可以有效減小磨削力和表面粗糙度。原因是超聲振動的施加改變了材料去除機(jī)理，工件更容易發(fā)生脆性斷裂形成切屑而被去除。另外，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，單位時間內(nèi)磨粒與工件材料的接觸弧長增加，最大未變形切屑厚度減小；隨著轉(zhuǎn)速的提高，砂輪與工件材料接觸區(qū)的溫度升高，導(dǎo)致磨粒與磨屑的摩擦系數(shù)減小，兩種因素共同作用使磨削力和表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速的升高而減小。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速對磨削力和表面粗糙度的影響Fig.3 Effect of spindle speed on grinding force and surface roughness

2.2 磨削深度

在主軸轉(zhuǎn)速2000r/min、進(jìn)給速度60mm/min 的條件下，研究磨削深度對磨削力和表面粗糙度的影響規(guī)律。如圖4所示，隨著磨削深度的增加，無論是普通磨削還是超聲磨削，磨削力和表面粗糙度都隨磨削深度的增加而增加。實際上，隨著磨削深度的增加，切屑厚度和材料去除率隨之增加，材料去除過程中需要克服的塑性應(yīng)變增加；另一方面，磨削深度的增加導(dǎo)致刀具磨損速度加快，刀屑間的摩擦力增大，因此磨削力增加，表面加工質(zhì)量變差，此時磨削表面易出現(xiàn)纖維拔出、崩邊等缺陷。

圖4 磨削深度對磨削力和表面粗糙度的影響Fig.4 Effect of grinding depth on grinding force and surface roughness

2.3 進(jìn)給速度

保持主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，磨削深度為0.1mm，研究進(jìn)給速度變化對磨削力和表面粗糙度的影響規(guī)律。圖5展示了進(jìn)給速度為20～60mm/min 之間的C/SiC 復(fù)合材料磨削力和粗糙度隨進(jìn)給速度的變化曲線。結(jié)果表明，磨削力和表面粗糙度都隨進(jìn)給速度的提高而增加。同磨削深度的影響原因相同，進(jìn)給速度的增加導(dǎo)致材料去除率的增加，磨削過程需要消耗更多能量，因此磨削力增加。此外，隨著進(jìn)給速度的增加，刀具磨損加劇，刀具與切屑間的摩擦力增加，磨削力和表面粗糙度都相應(yīng)增加。

圖5 進(jìn)給速度對磨削力和表面粗糙度的影響Fig.5 Effect of feed speed on grinding force and surface roughness

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制各因素對C/SiC 復(fù)合材料軸向超聲振動輔助磨削表面粗糙度的影響關(guān)系圖，直觀展示出主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度對材料加工表面粗糙度的影響及內(nèi)在關(guān)系。圖6的關(guān)系曲線及表3中試驗數(shù)據(jù)表明，進(jìn)給速度對Sa值的影響程度最大，主軸轉(zhuǎn)速和磨削深度次之。最優(yōu)的軸向超聲振動磨削加工工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，磨削深度為0.2mm,進(jìn)給速度為40mm/min。所以在C/SiC 復(fù)合材料的實際加工過程中，在保證表面粗糙度前提下，采用高速微磨削的加工方式，可以獲得較高的加工效率。

表3 正交試驗中各因素對表面粗糙度Sa的影響分析Table 3 Analysis of the influence of various factors on surface roughness Sa in orthogonal test

圖6 各因素對表面粗糙度影響曲面Fig.6 Effect curve of various factors on the surface roughness

2.4 C/SiC復(fù)合材料加工表面形貌

工藝參數(shù)選取：主軸轉(zhuǎn)速2000r/min、磨削深度0.1 mm、進(jìn)給速度60mm/min、刀具粒度150#，在掃描電子顯微鏡下觀察超聲振動磨削后的材料表面三維形貌。圖7展示了超聲振動磨削過程中的材料去除方式。可以看出，纖維斷裂面形貌不規(guī)則，且纖維和碳化硅基體界面相比較清楚，纖維整體表現(xiàn)為斷裂去除。材料整體去除方式呈多樣化，主要包括纖維磨損、纖維截斷及斷裂、纖維層間拔出，基體壓潰破損等[9-11]。具體表現(xiàn)為在磨粒沖擊作用下，纖維/基體界面出現(xiàn)明顯剝離現(xiàn)象，纖維脫落后在工件表面形成明顯的凹坑。這種材料去除方式主要發(fā)生在纖維沿橫向分布位置，纖維在磨粒的切削作用下出現(xiàn)層狀剝落及橫向斷裂，此時伴有基體的破碎去除，如圖7（a）所示。圖7（b）展示了刀具作用在縱向纖維上的磨削表面，此時界面處出現(xiàn)剪切失效的現(xiàn)象，部分纖維被整體拉斷，也伴有基體的破碎去除。與金屬基或樹脂基復(fù)合材料磨削過程不同，由于陶瓷基復(fù)合材料纖維和基體界面結(jié)合性能較弱，所以在磨削過程中，裂紋首先出現(xiàn)在界面處并向纖維和基體內(nèi)部傳播。此外，由于纖維和基體強(qiáng)度及斷裂韌性等物理特性的不同，磨削過程中材料去除不同步，基體的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于纖維的強(qiáng)度，造成纖維的去除規(guī)模明顯高于基體的規(guī)模。這種去除規(guī)模的差異是造成C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料加工表面三維形貌特征的重要因素。

圖7 加工表面三維形貌Fig.7 Micromorphology of machined surface

3 結(jié)論

本文對C/SiC 陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了軸向超聲振動輔助平面磨削試驗研究，對磨削力、表面粗糙度、加工表面三維形貌進(jìn)行分析。

（1）超聲振動輔助磨削C/SiC 復(fù)合材料可以有效減小磨削過程中的磨削力，提高表面加工質(zhì)量，相比于普通磨削方式磨削力可以減少35%～40%，表面粗糙度Sa值也有明顯降低。

（2）C/SiC 復(fù)合材料磨削過程中磨削參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、磨削深度、進(jìn)給速度）對磨削力和表面粗糙度的影響規(guī)律類似，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，磨削力和表面粗糙度值都相應(yīng)地減小；隨著磨削深度和進(jìn)給速度的增加，磨削力和表面粗糙度值也相應(yīng)地增加。在對磨削表面粗糙度的影響因素中，影響順序為：進(jìn)給速度>主軸轉(zhuǎn)速>磨削深度，所以在C/SiC 復(fù)合材料加工中，最優(yōu)的超聲加工工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，磨削深度0.2mm,進(jìn)給速度40mm/min。所以在保證表面粗糙度前提下，采用高速微磨削的加工方式，可以獲得較高的加工效率。

（3）試驗結(jié)果表明，C/SiC 復(fù)合材料的超聲振動輔助磨削過程中，材料整體去除方式表現(xiàn)為脆性去除，是纖維拉斷、纖維剝離及橫向斷裂、基體壓潰破碎去除方式的結(jié)合，但纖維和基體材料去除過程具有不同步性。