砂輪種類及冷卻方式對SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料磨削質(zhì)量的影響

關(guān)鍵詞SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料；磨削加工；表面粗糙度；砂輪種類；冷卻方式中圖分類號 TG58;TG74;TQ164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號 1006-852X（2025）02-0163-13DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0008收稿日期 2024-01-09修回日期 2024-05-16

SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料是一種高性能的陶瓷基材料，其通過將耐高溫的碳化硅纖維整合到碳化硅陶瓷基體中制造而成。SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料融合了碳化硅纖維卓越的機械特性與碳化硅基體出色的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，展現(xiàn)出獨特的物理機械特性，特別是其具備的低密度、高比剛度與比強度、卓越的耐磨性、出色的熱穩(wěn)定性以及優(yōu)良的抗疲勞性能等[1-3]；且由于碳化硅纖維的增韌效應(yīng)，SiCF/SiC陶瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性也得到了顯著提升。相較于高溫合金，這種復(fù)合材料展現(xiàn)出更低的密度和更強的耐熱性，因此已被廣泛應(yīng)用于噴氣發(fā)動機的排氣導(dǎo)管，航空翼片的前緣、鼻錐體等承受熱應(yīng)力的關(guān)鍵部件中，成為航空發(fā)動機構(gòu)件不可或缺的主要材料之一[4。

與傳統(tǒng)金屬材料比較，SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料的各向異性和不均勻性導(dǎo)致其制造困難且加工成本較高，限制了該材料的工業(yè)應(yīng)用。為了提高復(fù)合材料零件加工后的表面質(zhì)量，研究人員結(jié)合特種能場等加工技術(shù)，引入了電火花、激光、超聲輔助等非傳統(tǒng)加工技術(shù)來加工復(fù)合材料。HOCHENG等使用銅電極，通過電火花線切割對C/C復(fù)合材料進(jìn)行了加工，結(jié)果表明電火花加工非金屬復(fù)合材料是可行的。然而，研究中也發(fā)現(xiàn)電火花加工陶瓷基復(fù)合材料存在導(dǎo)電性差（可加工性差）和材料去除率低等問題。TUERSLEY等通過對SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用毫秒激光加工技術(shù)，展示了激光加工在此類材料上的實用性。但在目前的復(fù)合材料激光加工過程中，易出現(xiàn)錐度、波紋等加工缺陷和熱效應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的工件氧化、分層、開裂問題[]。而超聲輔助加工是通過超聲波振動產(chǎn)生的微小沖擊來去除材料，常用于細(xì)小結(jié)構(gòu)的加工。王學(xué)智等采用超聲輔助磨削加工SiCr/SiC復(fù)合材料，結(jié)果表明超聲輔助磨削可以降低SiC/SiC復(fù)合材料的磨削力，并提升工件表面質(zhì)量。LIU等[1進(jìn)行了超聲振動輔助銑削和金剛石涂層銑刀常規(guī)銑削 C_f/SiC 的對比試驗，發(fā)現(xiàn)超聲振動改變了切削過程中的剪切流動角和切屑流動角，從而影響了切削力，但對減少加工過程中的纖維斷裂等損傷效果有限。目前的復(fù)合材料超聲輔助加工技術(shù)，由于受到超聲臨界速度的限制，在提高加工效率方面仍有一定的局限性；同時，超聲振動的引入對復(fù)合材料切削機理、損傷行為以及斷裂機理的具體作用機制尚未得到全面且明確的闡釋[]

由于傳統(tǒng)磨削加工具有適用范圍廣、加工質(zhì)量穩(wěn)定等特點，目前對SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料的加工仍然以傳統(tǒng)磨削加工為主[1]，且在已有的研究中對SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料磨削加工去除機理的研究已取得一定成果。LI等[13]針對單向Cr/SiC復(fù)合材料開展了單顆磨粒劃擦試驗，結(jié)果表明：Cr/SiC復(fù)合材料的去除方式主要為脆性斷裂，其損傷形式主要有基體破碎、纖維斷裂、纖維剝離和界面脫粘。YIN等[14通過試驗研究了磨削速度對SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料去除機理的影響，發(fā)現(xiàn)高速磨削時材料以脆性斷裂為主，且在徑向纖維上尤為明顯，基體因裂紋擴(kuò)展碎裂；但在低速磨削時，徑向纖維出現(xiàn)犁耕現(xiàn)象，緯向纖維則表現(xiàn)出韌性去除。張立峰等[15]采用金剛石砂輪探究了不同角度順逆磨C/SiC陶瓷基復(fù)合材料時的磨削力及表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)纖維磨削角對磨削力及表面粗糙度具有顯著影響，并且在纖維磨削角改變時，順磨和逆磨條件下的磨削力出現(xiàn)差異。GONG等[在相同的磨削參數(shù)下使用金剛石砂輪對比探究了SiCr/SiC和Cr/SiC陶瓷基復(fù)合材料的磨削特性，結(jié)果表明前者的材料主要去除方式為裂紋擴(kuò)展，而后者還包括基體的碎裂和界面脫粘。黃博等[17以切削力和刀具磨損為優(yōu)化指標(biāo)，采用釬焊金剛石磨頭、電鍍金剛石磨頭、PCD刀具3種不同的刀具進(jìn)行了SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料切削試驗，發(fā)現(xiàn)釬焊金剛石磨頭為最優(yōu)選擇。在C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的干式磨削試驗中，TASHIRO等[發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金工具因嚴(yán)重磨損而不能使用，相比之下，金剛石砂輪的表現(xiàn)超過了WA砂輪。黃梁[制備了微波燒結(jié)青銅基金剛石砂輪來加工SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料，實驗揭示磨削加工后的SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料表面品質(zhì)提高，已初步符合精密磨削標(biāo)準(zhǔn)。CHEN等[2比較了不同類型的金剛石砂輪（陶瓷結(jié)合劑、樹脂結(jié)合劑以及電鍍結(jié)合劑金剛石砂輪）磨削Cr/SiC陶瓷基復(fù)合材料的效果，實驗結(jié)果顯示，電鍍金剛石砂輪在加工C/SiC陶瓷基復(fù)合材料時獲得了最優(yōu)的表面質(zhì)量。

現(xiàn)如今，高速和超精密磨削技術(shù)迅速發(fā)展，對金剛石砂輪的要求也相應(yīng)提高。電鍍金剛石砂輪結(jié)合力強、硬度高，可提供高效高精度的磨削加工，且制備簡單、成本低[2]。燒結(jié)金剛石砂輪硬度高、耐磨損、耐高溫，適用于高強度、高精度、高效率的磨削，但成本較高、制備周期長[22]。由于兩者的制備方式和性能不同，對SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料表面質(zhì)量影響也會有所區(qū)別[23]。目前，干式磨削是SiCr/SiC 陶瓷基復(fù)合材料加工的普遍選擇，以避免冷卻液污染導(dǎo)致的性能下降。然而，僅用水冷卻液輔助磨削對材料表面質(zhì)量的影響仍待明確。因此，使用電鍍金剛石砂輪和燒結(jié)金剛石砂輪，進(jìn)行干式及水冷卻液輔助平面磨削加工SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料，并采用正交試驗探究砂輪種類及冷卻方式對磨削加工SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料質(zhì)量的影響。

1試驗設(shè)計

1.1試驗材料及砂輪

試驗工件采用正交編織結(jié)構(gòu)的SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料屬性如表1所示[24]。試驗用電鍍金剛石砂輪的外徑為 20mm ，長度為 95mm ，金剛石粒度標(biāo)記為80/100，金剛石濃度為100% ；鎳基結(jié)合劑燒結(jié)金剛石砂輪參數(shù)與電鍍金剛石砂輪的相同。2種砂輪如圖2所示。

1.2試驗條件

試驗裝置如圖3所示。將KISTLER9257B三向壓電陶瓷測力儀用壓板固定在VMC850B機床的工作平臺上，虎鉗與測力儀之間通過轉(zhuǎn)接板用螺栓和壓板連接；將SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料用金剛石線鋸切割成15mm×15mm×4mm 的薄板，再固定在白色石蠟板上，并用虎鉗將石蠟板夾緊。試驗前為了使SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料表面平整，使用圖2a的電鍍金剛石砂輪對SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料表面進(jìn)行磨削，磨削深度為0.3mm ，以避免其對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

1.3 試驗方案

使用圖2的電鍍金剛石砂輪和燒結(jié)金剛石砂輪進(jìn)行試驗。根據(jù)文獻(xiàn)[25]確定的SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料實際磨削加工參數(shù)是機床主軸轉(zhuǎn)速 n=3600r/min 磨削時進(jìn)給速度 u_f=35mm/min ，磨削深度 a_p=0.2mm 0為此，在表2的試驗參數(shù)下分別進(jìn)行9組干式磨削試驗，再分別進(jìn)行9組冷卻液輔助磨削試驗，磨削時冷卻液為純凈水，純凈水流量為 8.33m³/s ，研究砂輪種類及冷卻方式對磨削力、磨削力比及復(fù)合材料表面粗糙度的影響。

磨削過程中，使用KISTLER9257B測力儀測量切向和徑向磨削力。磨削結(jié)束后，利用ZYGO9000白光干涉儀對磨削加工后的材料表面粗糙度 S_a 進(jìn)行測量，每個樣品表面取3個區(qū)域測量然后取平均值；利用VHX2000c超景深三維顯微鏡對砂輪的磨損情況進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1砂輪種類對磨削力的影響

砂輪與工件接觸導(dǎo)致的彈塑性形變、磨屑形成和砂輪與工件之間的摩擦作用是磨削力產(chǎn)生的主要原因，摩擦力的變化影響了磨削加工中的物理現(xiàn)象以及磨削效果[2]。磨削力比（切向磨削力 F_x 與徑向磨削力 F_y 的比值）一方面可以反映被加工材料去除的難易程度，另一方面可以反映砂輪加工時的鋒利程度。干式磨削下2種砂輪的徑向磨削力如圖4所示。圖5為干式磨削下2種砂輪的磨削力比。

通過圖4和圖5可以看出：在干式磨削條件下，采用相同的試驗參數(shù)，電鍍砂輪的磨削力總體上大于燒結(jié)砂輪的；燒結(jié)砂輪的磨削力比為 1.00～1.98 ，電鍍砂輪的磨削力比為 1.00～1.96 。證明使用燒結(jié)砂輪時切向磨削力的變化幅度要大于徑向磨削力的變化幅度。這意味著使用燒結(jié)砂輪磨削SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料時，磨粒更為鋒利，材料去除過程更省力。

2.2冷卻方式對磨削力的影響

為了提高 SiC_f/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的磨削表面質(zhì)量，采用水冷卻液輔助磨削的方式進(jìn)行磨削并將其與干式磨削時的對比，以得到最佳的加工策略。2種砂輪2種方式下的徑向磨削力 F_y 如圖6和圖7所示。

通過圖6和圖7可以看出，采用水冷卻液輔助磨削能夠顯著降低磨削力。相較于干式磨削，采用電鍍砂輪水冷卻液輔助磨削時，磨削力平均降低 47.2% ；采用燒結(jié)砂輪水冷卻液輔助磨削時，磨削力平均降低41.6% 。圖7中的第4組和第6組出現(xiàn)水冷時磨削力較大的情況，這可能是由于該組工藝參數(shù)的合理性欠佳，但對磨削力的整體結(jié)果并無較大影響。證明采用水冷卻液輔助磨削能夠顯著降低磨削力，同時可延長砂輪

2.3砂輪種類及冷卻方式對材料表面粗糙度的影響

表面粗糙度是判斷零件表面加工質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，也是表面完整性評價體系中至關(guān)重要的一環(huán)，無論在表面完整性中如何建立評價體系，都無法繞開表面粗糙度這一評價指標(biāo)。在實際應(yīng)用中，零件常常承受著較大載荷，當(dāng)表面粗糙度過高時，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致裂紋萌生并不斷延伸擴(kuò)展，影響材料的使用壽命[27]。因此，選取表面粗糙度這一評價指標(biāo)進(jìn)行深入研究。

在選擇表面粗糙度測量位置時，一般選取加工表面中心線附近的位置。因為在加工過程中，中心線處的切削方向與進(jìn)給方向垂直，中心線附近的材料在受到切削力作用的同時，也受到刀具對工件表面施加的擠壓力的作用，導(dǎo)致此處表面與兩側(cè)相比更為平整，也能更好地反映加工情況。利用ZYGO9000白光干涉儀對試件表面中心處的表面粗糙度進(jìn)行檢測；同時，為了全面了解砂輪磨損情況，利用VHX2000c超景深三維顯微鏡觀察砂輪的磨損狀態(tài)。通過高精度和高分辨率的圖像捕獲技術(shù)，使砂輪磨損部分的磨粒磨損面積得到了詳細(xì)記錄。隨后，應(yīng)用圖像分析軟件對這些圖像進(jìn)行處理，通過邊緣檢測和面積測量技術(shù)，對磨粒的磨損面積進(jìn)行量化分析。

在表2的第1組參數(shù)中，分別采用電鍍金剛石砂輪與燒結(jié)金剛石砂輪，在干式磨削和水冷卻液輔助磨削2種工況下對復(fù)合材料進(jìn)行磨削加工。其中，電鍍金剛石砂輪在干式磨削條件下獲得的復(fù)合材料表面粗糙度 S_a 值如圖8所示（為保證數(shù)據(jù)精度，每組檢測3次并取平均值）。表3為電鍍金剛石砂輪和燒結(jié)金剛石砂輪水冷卻液輔助磨削SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料后測得的表面粗糙度 S_a 值，并與干式磨削加工的結(jié)果進(jìn)行對比，其中實驗前工件的表面粗糙度 S_a 值為 9.671μm 圖9為不同種類砂輪及不同冷卻方式下的工件表面粗糙度 S_a 綜合對比。

從表3和圖9可知：不論是干式磨削還是水冷卻液輔助磨削，燒結(jié)金剛石砂輪得到的 S_a 均比電鍍金剛石砂輪的小。這是因為電鍍金剛石砂輪磨粒受到較大磨削力時容易脫落，甚至其金屬鍍層連帶著金剛石磨粒與砂輪基體脫粘并成片剝落，導(dǎo)致砂輪失效，磨削質(zhì)量降低，工件表面粗糙度增大。此外，電鍍金剛石砂輪在采用水冷卻液輔助磨削加工時得到的 S_a 相比十式磨削時的明顯增大，原因可能為水冷卻液與磨削過程中產(chǎn)生的碎屑或磨粒混合，形成較大的顆粒，增加了磨削過程中的摩擦和磨損，從而導(dǎo)致工件表面粗糙度增大，

這也間接證明電鍍砂輪的磨損程度更劇烈；而燒結(jié)金剛石砂輪采用水冷卻液輔助磨削加工時工件的表面粗糙度 S_a 比干式磨削時的普遍要小，這是因為水冷卻液能夠在磨削過程中與工件表面始終接觸，有效地將磨削熱量帶走，避免加工表面過熱，進(jìn)而保證了磨粒的磨削作用。同時，由于水的潤滑作用，水冷卻方式能夠減少砂輪與加工表面之間的摩擦力，進(jìn)一步降低工件加工表面的粗糙度。

圖10～圖12為干式磨削下主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度對工件表面粗糙度的影響。從圖10可見：主軸轉(zhuǎn)速的變化對工件表面粗糙度產(chǎn)生顯著影響，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在低轉(zhuǎn)速下，2種砂輪與材料的摩擦作用較弱，磨削效率低，導(dǎo)致工件有較高的表面粗糙度。隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦作用和熱量的增加可使材料表面局部軟化或產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而優(yōu)化了

從圖11可見：對于電鍍金剛石砂輪，在低進(jìn)給速度下，磨削作用較弱，金剛石磨粒與工件的長時間接觸有利于精細(xì)去除材料，降低工件表面粗糙度。然而，隨著進(jìn)給速度增加，接觸時間縮短，盡管磨削效率提升，但可能因磨削作用不足而導(dǎo)致工件表面粗糙度增加[29]。此外，砂輪的快速磨損也可能迅速降低磨粒鋒利度，進(jìn)一步影響磨削效果，使表面粗糙度升高。相比之下，燒結(jié)金剛石砂輪加工后工件的表面粗糙度是先升高后下降。在低進(jìn)給速度時，磨粒的磨削作用較弱、效率較低，工件的表面粗糙度較高；隨著進(jìn)給速度增加，磨削作用增強和材料去除率提升，有助于降低工件表面粗糙度。且燒結(jié)金剛石砂輪由于其高耐磨性、硬度和耐高溫性能，在磨削過程中展現(xiàn)出自銳化現(xiàn)象，有效地維持磨粒的鋒利度，從而實現(xiàn)了更低的表面粗糙度[30-31]。

從圖12可見：隨著磨削深度增加，2種砂輪磨削后的工件表面粗糙度都逐漸降低。這是因為增大的磨削深度擴(kuò)大了金剛石磨粒與工件的接觸面積，使得切削力更均勻地分布，減少了切削力集中導(dǎo)致的表面質(zhì)量下降[32]。此外，電鍍和燒結(jié)金剛石砂輪良好的散熱性能在磨削深度增加時有效地帶走磨削熱，避免了磨削熱可能導(dǎo)致的工件表面熱損傷和變形，保持了工件表面的完整性，使工件的表面粗糙度降低。

圖13～圖15為水冷條件下主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度對工件表面粗糙度的影響。由圖13可知：在水冷條件下，在主軸轉(zhuǎn)速為 3200～3600r/min 時，電鍍金剛石砂輪得益于水冷系統(tǒng)的有效降溫，工件的表面粗糙度降低；然而，隨著轉(zhuǎn)速增加，磨削熱和機械應(yīng)力相應(yīng)增加，這導(dǎo)致砂輪的磨損加劇，表面粗糙度上升[28]。相比之下，燒結(jié)金剛石砂輪由于其更堅固的結(jié)構(gòu)，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)維持了較好的磨粒鋒利度，但在水冷條件下，主軸轉(zhuǎn)速的提高雖然增加了砂輪與工件的接觸點數(shù)量[33]，理論上應(yīng)提升磨削效率，但實際上也引起了磨削區(qū)域溫度的升高。在冷卻不充分的情況下，這種溫度上升可能加速砂輪磨損，進(jìn)而惡化工件表面粗糙度。

由圖14可知：當(dāng)進(jìn)給速度增加時，使用2種金剛石砂輪磨削工件的表面粗糙度均上升，這主要是材料去除率的提高導(dǎo)致磨削力和磨削熱增加所致。此外，水冷系統(tǒng)通過控制局部溫度和增強潤滑效果，有助于有效改善工件表面質(zhì)量[34]

由圖15可知：當(dāng)磨削深度增加時，電鍍金剛石砂輪磨削工件表現(xiàn)出表面粗糙度逐漸減小的趨勢；而對于燒結(jié)金剛石砂輪，在磨削深度增加的初期，由于磨粒承受的負(fù)載增加，表面粗糙度相應(yīng)增加;然而，隨著磨削深度繼續(xù)增加，砂輪的磨削效率提高使得磨削過程更為高效，減輕了磨粒對工件的壓力，同時水冷系統(tǒng)在此過程中起到關(guān)鍵作用，通過控制磨削區(qū)的溫度并提供潤滑，有助于提高砂輪的清潔和切削效率。特別是在較大的磨削深度下，這種效果更為顯著，有助于在磨削深度進(jìn)一步增加時降低工件表面粗糙度。這些發(fā)現(xiàn)突顯了水冷系統(tǒng)在維持優(yōu)化磨削條件中的重要性，為提高磨削效率并改善工件表面質(zhì)量提供了有效途徑[35]。

2.4砂輪磨損

2.4.1電鍍金剛石砂輪磨損

使用超景深三維顯微鏡對電鍍金剛石砂輪在表2第9組條件及干式磨削前后的磨粒進(jìn)行追蹤觀測，并對磨粒磨損平面的面積進(jìn)行測量。圖16為電鍍金剛石砂輪中磨粒的平面磨損及面積。從圖16可以看出：4顆金剛石磨粒發(fā)生了損耗現(xiàn)象，1號金剛石磨粒平面的面積由磨損前的 7902μm² 增加到磨損后的8483μm²，2 號金剛石磨粒由 12042μm² 增加到 12490μm² 3號金剛石磨粒由 10320μm² 增加到 10416μm² ，4號金剛石磨粒由 7497μm² 增加到 。此外，磨損后的砂輪表面還發(fā)生了磨屑堵塞現(xiàn)象（如圖16b的5號、6號區(qū)域所示）。

圖17為電鍍金剛石砂輪在表2第9組條件及干式磨削加工后的表面形貌及磨損現(xiàn)象。從圖17可以發(fā)現(xiàn)：隨著磨削長度增加，大量金剛石磨粒發(fā)生損耗現(xiàn)象，磨粒表面形狀呈扁平狀。同時，在SiC/SiC磨削加工中，當(dāng)磨削溫度升高時，金剛石的強度會降低。尖銳的磨屑或纖維會對金剛石磨粒的表面產(chǎn)生擠壓摩擦，從而形成許多壓痕，這使得磨粒迅速變鈍，并且其鋒利度大大降低。除此之外，電鍍金剛石砂輪表面還發(fā)生了磨粒燒傷，鍍層金屬連帶著金剛石磨粒成片脫落的現(xiàn)象。

2.4.2 燒結(jié)金剛石砂輪磨損

對燒結(jié)金剛石砂輪在表2第9組條件及干式磨削前后的磨粒進(jìn)行追蹤觀測，圖18為燒結(jié)金剛石砂輪中磨粒的平面磨損及面積。從圖18可以發(fā)現(xiàn)：燒結(jié)金剛石砂輪磨粒同樣發(fā)生了損耗現(xiàn)象，1號金剛石磨粒平面的面積由磨損前的 26600μm² 增加到磨損后的 56769μm² 2號金剛石磨粒由 19998μm² 增加到 41445μm² 。

一方面，由于燒結(jié)金剛石砂輪是由金剛石顆粒與金屬粉末通過高溫?zé)Y(jié)而成，其具有較高的硬度和耐磨性。相比之下，電鍍金剛石砂輪是將金剛石顆粒通過電鍍技術(shù)固定在砂輪表面，金剛石的附著力較低。因此，燒結(jié)金剛石砂輪在磨削過程中能夠更好地保持砂輪表面的金剛石磨粒，減少了磨粒的脫落和損失。另一方面，在磨削過程中，砂輪中的金剛石磨粒與被磨削材料表面發(fā)生相互作用，產(chǎn)生切削和刮擦作用。根據(jù)磨削機理，燒結(jié)金剛石砂輪具有較高的硬度，可以更好地抵抗材料的切削和刮擦，進(jìn)而減少砂輪表面的磨損。此外，燒結(jié)金剛石砂輪具有較好的導(dǎo)熱性，可以更好地散發(fā)磨削過程中產(chǎn)生的熱量，減少砂輪的溫度升高和熱膨脹，從而降低砂輪的磨損。所以磨削加工時燒結(jié)金剛石砂輪更耐磨，砂輪壽命較長。

圖19為燒結(jié)金剛石砂輪在表2第9組條件及干式磨削加工后的表面形貌。從圖19可以發(fā)現(xiàn)：隨著磨削長度增加，燒結(jié)金剛石砂輪大量金剛石磨粒發(fā)生損耗現(xiàn)象，磨粒表面形狀趨于扁平狀，但與電鍍金剛石砂輪磨粒相比更鋒利。這是因為燒結(jié)金剛石砂輪金剛石磨粒的裸露高度較高，所以磨削加工時不易發(fā)生磨削堵塞的情況，因而更耐磨，使用壽命較長。

3結(jié)論

采用電鍍金剛石砂輪和燒結(jié)金剛石砂輪對SiCr/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行磨削加工，探究了砂輪種類、磨削參數(shù)及冷卻方式對加工后材料表面粗糙度 S_a 的影響。為了全面評估砂輪性能及其對磨削過程的影響，詳細(xì)分析了砂輪種類及冷卻方式對磨削力的影響。此外，對2種砂輪的表面形貌進(jìn)行了細(xì)致觀察，追蹤了其金剛石磨粒的磨損情況，并深入探討了砂輪的磨損形式。得出如下結(jié)論：

（1）與電鍍金剛石砂輪相比，在磨削過程中燒結(jié)金剛石砂輪的磨削力較小，但磨削力比較大。說明燒結(jié)金剛石砂輪在磨削SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料時更鋒利，材料的去除過程也更省力。

（2）在相同磨削參數(shù)下，燒結(jié)金剛石砂輪相比電鍍金剛石砂輪能獲得更低的SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料表面粗糙度。使用電鍍金剛石砂輪并采用水冷卻液輔助方式會增大復(fù)合材料的表面粗糙度，而燒結(jié)金剛石砂輪輔以水冷卻液則有助于降低復(fù)合材料的表面粗糙度。

（3）2種砂輪的磨損形式都包括金剛石磨粒的損耗，此外電鍍金剛石砂輪的磨損形式還包括金剛石磨粒的燒傷和脫落、金屬鍍層的成片脫落等。

（4）在實際生產(chǎn)中，當(dāng)SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的加工余量大、加工精度要求不高、需粗加工時，使用電鍍金剛石砂輪進(jìn)行干式磨削加工，并選擇高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速度、磨削深度小的磨削參數(shù)，可延長磨具壽命，提高加工效率；當(dāng)復(fù)合材料的加工余量小、加工精度要求較高、需精加工時，可以采用燒結(jié)金剛石砂輪并輔以水冷方式進(jìn)行加工。

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作者簡介

王奔，男，1984年生，博士、教授。主要研究方向：復(fù)合材料、鈦合金、高溫合金等航空難加工材料的先進(jìn)加工技術(shù)。E-mail：wangben211@163.com

（編輯：周萬里）

Effect of grinding wheel type and cooling method on grinding quality of SiCf/SiC ceramic matrix composites

WANG Ben， TANG Jiajie， CHU Hongdi， ZHANG Qi （School ofMechanical and Electrical Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110l36， China）

AbstractObjectives： SiC/SiC fiber-reinforced ceramic matrix composites have been widely used in aerospace， nuclearenergy，and high temperature structural parts due to theirexcellent high-temperature resistance，high specific strength，andoxidationresistance.However，duetothehighhardnessandbritlenessofthematerial，itsmachinabilityis poor，and the traditional machining methods tend tocause serious tool wear，workpiece surface damage，and processing defects.Therefore，optimizing the grinding process to improve processing quality and eficiency has becomeone of the keyissues in current research. Orthogonal grinding experimentsof SiC/SiCcomposites were cariedout using electroplated diamond grinding wheels and sintered diamond grinding whees， with or without coolant. Grinding force，surface roughness，and wear degree of grinding wheel were used as evaluation indexes to explore the efects of different grinding wheel types and cooling methods on the grinding qualityof the material.Methods： An orthogonal experimental design was used to systematically analyze the effects ofdiferent grinding wheel types （electroplated diamond grinding wheel，sintered diamond grinding whel）and cooling methods （dry grinding，water cooling）on the grinding performance of SiCf/SiC composites. The experiment was conducted on a VMC850B CNC machine using a diamond grinding wheel with a diameter of 20mm . Test parameters such as cutting speed， feed rate，and grinding depth were kept consistent to ensure comparabilityof resultsand scientific rigorof the experiment. During grinding，a KISTLER 9257B threecomponent dynamometer was used to measure tangential and radial grinding forces in real time to quantify the mechanicalresponseunder diferent grinding conditions.To evaluate the surface qualityof the processed material，a ZYGO9ooO white light interferometer was used to measure the surface roughness S_a of the workpiece.Three different regions of each sample were selected for measurement，and average values were taken to reduce the measurement error. Additionaly，to analyze the wear mechanism of the grinding wheels，the wear morphology of the grinding wheel surface after grinding was observed using a VHX20o0c ultra-depth-of-field thre-dimensional microscope，and the failure modes of diferent grinding whels under different grinding conditions were compared and analyzed. Results： Grnding wheetype and cooling method have a significant effect onthe grinding performance ofSiCf/SiCcomposites.The grinding force ofthe sintered diamond grinding wheel is lower than that of the electroplated diamond grinding wheel， which is atributed to thehigher abrasiveretentionand wearresistanceofthe sintered diamond grinding wheel. Compared with drygrinding，the grinding force is reduced under water-cooled conditions，indicating thatthecooantcan alleviate friction and heat accumulation during grinding to acertain extent，thereby reducing grinding force. At the same time，the sintered diamond grinding wheel can obtain lower surface roughness of the workpiece，the surface of the workpiece after procesing is smoother，andthe micro-defects such as cracks and tears are also significantly reduced.Furthermore， water-cooled assisted grinding can efectively reduce the surface roughness of workpiece and further improve the surface quality of workpiece，indicating that coolant positively influences surface integrity.The main wear form of the sintered diamond grinding wheelis the normal wear of abrasive particles，shweing strong abrasive retention and overall durability.Incontrast，the electroplated diamond grinding wheel tends to flakeoff under the action of large grinding force，leading torapid abrasive failure.Additionally，the electroplated diamond grinding wheel also hasabrasive burn andfaling offphenomenon，furtherreducing itsservice life.Therefore，from the perspective ofprocesing performance and durability，the sintered diamond grinding wheel in grinding SiC/SiCcomposite materials shows beter comprehensive performance，especially under water-cooledconditions，where processing qualityand stabilityare more advantageous.Discussion and optimization suggestions： Based on experimental data analysis，to optimize the grinding process of SiC/SiC composites，the grinding wheel type and coling method should be reasonably selected according to diferent procesing stages. In the rough machining stage，the electroplated diamond grinding wheel is prone to abrasive detachment under the action of higher grinding force，so it is suitable for dry grinding condition to reduce coolant impact on abrasive particles. At thesame time，itis recommended to use high speed，low feed speed and shallow grinding depth to reduce whel wear and improve processing eficiency. In contrast， during the precision machining stage，to achieve beter surface quality，it is recommendedto use a sintered diamond grinding wheel combined with water-cooled grindingmethod to reduce the surface roughnessofthe workpiece，minimize micro-defects，and thus improve the surface smoothnessand machining stabilityofthe workpiece.Conclusions：The sintereddiamond grinding whel exhibits lower grinding force and betersurface quality during grinding，especially under water-cooled conditions，where its advantages are more obvious.The electroplated diamond grinding wheelis suitable forrough machining，but there is a risk of abrasive peeling and burning，which affects itsservice life.Therefore，in practical applications，the grinding wheelsand cooling methods should be reasonably selected based on different processing requirements to improve the processing quality and the eficiencyof SiC/SiCcomposites.Future research can further optimize the grinding parameters and explorethe efects of different grinding environments （such as micro-lubrication）on machining performance to further enhance the controllability and applicability of grinding processes.

Key wordsSiC/SiC ceramic matrix composite; grinding; surface roughness; grinding wheel type; cooling method