, 杨玉莹, 蔡明 东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2018-10-14
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51775100)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N180306001)。
作者简介：屈硕硕(1991-)，男，山东济南人，东北大学博士研究生;
巩亚东(1958-)，男，辽宁本溪人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：为考察单向碳纤维增强陶瓷基复合材料(Cf/SiC)的磨削表面质量, 使用树脂结合剂金刚石砂轮完成正交试验研究.通过极差分析获得砂轮线速度vs、磨削深度ap和进给速度vw对表面质量影响的主次顺序.正交试验结果表明:磨削深度对磨削表面粗糙度影响最大; 随着磨削深度ap的增大, 表面粗糙度显著增大; 随着砂轮线速度vs的增大, 表面粗糙度不断减小; 随着进给速度vw的增大, 表面粗糙度增大.最终根据试验结果及表面微观形貌对单向碳纤维增强陶瓷基复合材料的磨削机理进行深入的分析, 对单向Cf/SiC磨削加工理论的机理揭示具有指导意义.
关键词：单向碳纤维增强陶瓷基复合材料(Cf/SiC)磨削表面质量正交试验磨削机理
Study on Grinding Surface Quality of Unidirection Carbon Fiber-Reinforced Ceramic Matrix Composites
QU Shuo-shuo, GONG Ya-dong
, YANG Yu-ying, CAI Ming School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: GONG Ya-dong, E-mail: gongyd@mail.neu.edu.cn
Abstract: To investigate the grinding surface quality of unidirection carbon fiber-reinforced ceramic matrix composites(Cf/SiC), the orthogonal experiments were carried out by using resin-bonded diamond grinding wheel. In order to achieve the influence order of grinding wheel linear speed, grinding depth and feed speed on grinding surface quality, range analysis was adopted in this paper. The results indicate that: the grinding depth has maximum impact on the machining surface roughness; as the raises of grinding depth, the grinding surface roughness increases; as the raises of grinding wheel linear speed, the grinding surface roughness decreases; as the raises of feed speed, the grinding surface roughness increases. According to the result of orthogonal experiments, the best combination of grinding parameters was achieved. Based on the experiment results and surface topography, the grinding mechanisms of unidirection Cf/SiC were further analyzed, which supplies some useful technical reference for revaling the grinding mechanisms of unidirection Cf/SiC.
Key words: unidirection carbon fiber-reinforced ceramic matrix composites(Cf/SiC)grindingsurface qualityorthogonal experimentgrinding mechanism
陶瓷材料拥有良好的耐高温、耐腐蚀及低密度的性能, 广泛应用于航空航天及交通等工业中.但由于高脆性及裂纹扩展性, 在已加工表面极易出现的表面及亚表面损伤, 降低了陶瓷材料的应用可靠性[1-2].碳纤维增强陶瓷基复合材料(Cf/SiC)在保留陶瓷材料的各项优良性能的前提下, 显著地提高了可加工性.相比于电火花、激光及水射流加工, 磨削能够获得最好的表面质量.Cf/SiC首先将直径约为5~10 μm的碳纤维增强相顺序排列形成预制体, 并通过气相沉积和气相渗透的方法制备而成[3].因此, 相比于陶瓷材料, Cf/SiC材料具有显著的各向异性和非均质性, 材料的磨削去除机理发生显著的变化，需要进行深入的研究.
国内外的学者对Cf/SiC材料的磨削加工工艺进行了研究, 如:池宪等[4]探讨了磨削参数对内锥体Cf/SiC表面粗糙度的影响规律, 优化出内锥体Cf/SiC加工的工艺参数组合; 丁凯等[5]对比分析了SiC和Cf/SiC平面磨削试验, 考察了两种材料的磨削力与表面质量的变化趋势; Tashiro等[6]在无磨削液的条件下, 采用不同类型的砂轮对C/C-SiC材料进行磨削试验, 结果表明金刚石砂轮的磨削效果要明显优于K10和WA砂轮; Tawakoli等[7]采用分段式和传统金刚石砂轮磨削陶瓷基复合材料(CMCs), 对比分析了磨削力与表面粗糙度差异性的原因; Liu等[8]对2D编织Cf/SiC材料的磨削力及表面质量进行研究, 得到磨削参数对不同结构的表面形貌、表面粗糙度及磨削力的影响规律; Cao等[9]探究了2.5D编织SiO2/SiO2材料中增强相纤维方向对磨削质量和磨削力的影响规律; Du等[10]采用电镀金刚石磨棒对2D Cf/SiC材料进行磨削试验, 对磨削机理进行了初步探索.
本文针对Cf/SiC材料在高新领域越来越广泛的应用前景, 对单向Cf/SiC材料的磨削表面质量、磨削机理进行了深入研究.首先利用正交试验的方法对单向Cf/SiC材料进行磨削加工, 分析磨削参数对其表面质量的影响规律, 优选出合理的磨削工艺方案, 然后深入分析了砂轮线速度、磨削深度、进给速度对磨削表面质量的影响规律.
1 单向Cf/SiC材料磨削试验1.1 试验条件磨削加工试验机床为M7120A卧轴矩台平面磨床, 加工示意图如图 1所示.试验的检测设备采用VHX-1000E超景深显微镜、Micromeasure三维轮廓仪, 以及Ultra Plus场发射扫描电镜; 试验的砂轮采用直径为200 mm的金刚石砂轮, 其粒度为120#, 砂轮宽度为5 mm; 试验的材料为单向Cf/SiC材料, 密度为2.3 cm3/g, 纤维体积分数为36%~39%, 其微观组织形貌如图 2a, 2b所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 磨削试验示意图Fig.1 Schematic diagram of the grinding experiment setup |
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 Cf/SiC的扫描电镜图片Fig.2 SEM images of the Cf/SiC composites (a)—平行纤维; (b)—垂直纤维. |
1.2 试验方案本文选取对磨削过程有重要影响的砂轮线速度vs、磨削深度ap和进给速度vw三个因素五个水平在垂直纤维(束)平面上进行正交磨削试验L25(53), 分别探究其对单向Cf/SiC材料磨削表面质量的影响规律.正交试验设计方案如表 1所示.本文采用对特定大小的扫描区域进行逐次扫描并最终统计获得的面粗糙度Sa对磨削质量进行评价[3, 9], 相比于评价参数线粗糙度Ra扫描范围由线转为面, 更有参考意义.
表 1(Table 1)
 表 1 单向Cf/SiC材料平面磨削正交试验L25(53)方案设计Table 1 Orthogonal plane L25(53)of unidirectional Cf/SiC grinding experiment
| 表 1 单向Cf/SiC材料平面磨削正交试验L25(53)方案设计 Table 1 Orthogonal plane L25(53)of unidirectional Cf/SiC grinding experiment |
2 试验结果与讨论2.1 极差及方差结果分析单向Cf/SiC材料表面粗糙度值极差及方差分析结果如表 2所示.Kij表示i因素在同一参数j水平下所对应的Sa之和;Xij表示i因素在同一参数j水平下所对应的平均值; R表示磨削参数在同一水平下的极差; V表示磨削参数在同一水平下的方差.根据表 2正交试验极差、方差结果绘制单向Cf/SiC材料在三磨削参数下的极差方差图, 如图 3所示.
表 2(Table 2)
表 2 单向Cf/SiC材料表面粗糙度正交试验结果Table 2 Orthogonal experiment results of surface roughness for unidirectional Cf/SiC
| 表 2 单向Cf/SiC材料表面粗糙度正交试验结果 Table 2 Orthogonal experiment results of surface roughness for unidirectional Cf/SiC | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 磨削参数正交试验的极差图和方差图Fig.3 Range and variance diagram of grinding parameters in the orthogonal experiment (a)—极差图；(b)—方差图. |
从图中可知, 磨削深度的极差、方差最大, 进给速度最小.因此, 单向Cf/SiC材料在磨削加工过程中, 磨削参数对表面粗糙度的影响由大至小的顺序为:磨削深度>砂轮线速度>进给速度.在三因素五水平的正交试验中, 合理地选择磨削深度能够显著地控制单向Cf/SiC材料磨削表面粗糙度.
2.2 磨削参数对表面质量的影响为深入考察磨削参数对单向Cf/SiC材料表面质量的影响规律, 根据表 2正交试验的结果, 绘制出磨削参数对表面粗糙度的影响曲线, 如图 4所示.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 磨削参数对表面粗糙度Sa的影响Fig.4 Influence of grinding parameters on surface roughness (a)—vs；(b)—ap；(c)—vw. |
从图 4中可以看出, 随着砂轮线速度的逐渐增加, 表面粗糙度Sa显著降低.线速度的增加会提高单位时间内参与磨削的有效磨刃数.因此, 单颗金刚石磨粒的未变形层厚度和磨削凹槽深度显著降低, 表面质量获得提高, 表面粗糙度Sa降低; 当磨削深度不断增加时, 表面粗糙度Sa增加.逐渐增大的磨削深度会显著增加单颗磨粒切削厚度和磨削力.作为一种脆性材料, 较大的磨削力产生的正压力会加剧材料去除过程中裂纹的产生和延伸.磨削深度的增加会显著降低磨削表面质量, 增大表面粗糙度.逐渐增大进给速度时, 表面粗糙度Sa增加.在实际磨削加工过程中, 砂轮线速度远远大于进给速度, 当砂轮线速度和磨削深度一致时, 参与磨削的磨粒数变化不大.但逐渐增大的进给速度会提高单颗磨粒切削厚度和磨削力, 从而导致加工质量的降低, 表面粗糙度的增加.从图 4也可得出, 磨削深度对表面粗糙度影响最大, 进给速度对表面粗糙度影响最小.
2.3 Cf/SiC磨削表面形貌分析Cf/SiC材料不同磨削深度下垂直纤维(束)加工表面如图 5所示, 其中左侧为磨削表面形貌, 右侧为对应的粗糙度云图.从图中可以看出, 较小的磨削深度可以获得较好的磨削表面质量.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 Cf/SiC材料在不同磨削深度下的加工表面Fig.5 Surface of Cf/SiC with different grinding depth (a)—ap=10 μm, vs=26 m/s, vw=3 m/min； (b)—ap=30 μm, vs=26 m/s, vw=3 m/min； (c)—ap=50 μm, vs=26 m/s, vw=3 m/min. |
为进一步考察磨削表面形貌, 分析单向Cf/SiC材料的磨削机理, 磨削深度为10 μm和50 μm垂直纤维(束)的磨削表面扫描电镜图片如图 6所示.纤维露头、纤维拔除和基体裂纹是Cf/SiC材料磨削加工的基本缺陷, 同时在纤维与基体结合界面处易出现界面脱粘.磨削深度为10 μm的表面裂纹较短, 纤维露头、拔除现象比较均匀, 能够获得良好的表面质量; 但随着磨削深度的逐渐增加, 表面缺陷显著增加, 磨削深度为50 μm的表面裂纹长且宽, 纤维露头的长度及纤维拔除的深度较大, 表面质量明显恶化.因此, 在单向Cf/SiC材料磨削加工中, 为获得较好的表面质量, 须严格控制磨削深度的大小.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 单向Cf/SiC材料在vs=26 m/s, vw=3 m/min下的扫描电镜形貌Fig.6 SEM images of unidirection Cf/SiC with different grinding depth at vs=26 m/s, vw=3 m/min (a)—10 μm；(b)—50 μm. |
根据单向Cf/SiC材料关于表面质量的正交试验L25(53)结果, 优化出单向Cf/SiC材料在正交试验参数表中的最佳参数组合：砂轮线速度为32 m/s, 磨削深度为10 μm, 进给速度为5 m/min.经试验验证, 此时的磨削表面质量最好.
3 单向Cf/SiC材料磨屑形态分析为进一步分析不同磨削深度时单向Cf/SiC材料的磨屑形态, 将磨削深度为10, 30, 50 μm的磨屑收集并观测, 如图 7所示.纤维增强相和SiC基体的磨屑形式完全不同:在磨粒的剪切和挤压作用下, 纤维受力模式类似于刚性地基悬臂梁类型.当其拉伸应力大于纤维拉伸强度时, 纤维出现断裂现象, 但不同纤维断裂面之间很难在同一平面, 因此在磨削表面反映出纤维露头及纤维拔除现象; 同时, 纤维也可能在磨粒的挤压作用下, 碎裂为短而小的磨屑, 但仍会保留部分纤维结构; 包裹在纤维外侧的SiC属于典型的脆性材料, 根据压痕断裂力学, 裂纹的萌生及延伸是其破坏的主要原因.裂纹在纤维的作用下发生偏转、暂停或桥连等现象, 由崩碎形成的磨屑极为细小, 形状无规则.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 单向Cf/SiC材料在vs=26 m/s, vw=3 m/min下磨屑形态Fig.7 Debris of Cf/SiC with different grinding depth at vs=26 m/s, vw=3 m/min (a)—ap=10 μm；(b)—ap=30 μm；(c)—ap=50 μm. |
当磨削深度为10 μm时, 由SiC和纤维形成的磨屑长度及体积最小, 多数纤维破碎为短小且不规则的棒状磨屑; 当磨削深度为50 μm时, 大量的长棒状磨屑出现, 很难看到短小棒状磨屑, 同时由SiC形成的不规则块状磨屑体积也显著增大.均匀分布的磨屑侧面反映了较高的磨削加工表面质量, 见图 7a; 长且大磨屑出现比例越高, 反映Cf/SiC材料断裂表面极不均匀, 磨削加工表面质量较差, 见图 7b.因此, 随着磨削深度的逐渐增加, 磨削加工表面质量逐渐降低.
4 单向Cf/SiC材料磨削机理由于单向Cf/SiC材料的复合性, 其材料去除方式与传统陶瓷脆性材料具有较大差异, 目前单向Cf/SiC材料磨削机理的研究仍存在较大空白.本文对单向Cf/SiC材料磨削机理进行详细讨论.
单向Cf/SiC材料磨削示意图如图 8所示, 纤维露头、纤维拔除、界面脱粘以及基体裂纹是Cf/SiC材料去除过程中基本的破坏方式.在磨削过程中, 磨粒首先接触典型脆性材料SiC基体; 随着磨粒的前进, 基体材料在未发生变形前就发生裂纹破坏, 遵循压痕断裂力学准则; 磨粒进一步前进, 开始接触碳纤维增强相, 此时可认为是一种特殊的刚性地基下的悬臂梁结构, 脆性基体正常的裂纹延伸方向此时发生偏转、暂停或桥连等现象.纤维在磨粒的剪切和挤压作用下, 纤维首先在结合面处发生脱离, 即产生界面脱粘现象; 磨粒进一步前进, 纤维发生断裂, 但由于纤维与基体的性能差异很大, 纤维断裂区域很难保证与基体加工面持平, 因此在磨削平面存在着大量的纤维拔除、纤维露头等缺陷.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 单向Cf/SiC材料磨削结构示意图Fig.8 Diagram of grinding unidirectional Cf/SiC composites |
5 结论1) 磨削深度对磨削表面粗糙度影响最大, 随着磨削深度的增大, 表面粗糙度不断增大; 随着砂轮线速度的增大, 表面粗糙度不断减小; 随着进给速度的增大, 表面粗糙度不断增大, 但影响程度最小.
2) 在本文的正交试验参数范围内, 砂轮线速度为32 m/s, 磨削深度为10 μm, 进给速度为1 m/min的磨削参数组合能够获得最好的表面质量.
3) 对单向Cf/SiC材料的磨削表面进行观察, 纤维露头、纤维拔除、界面脱粘以及基体裂纹是Cf/SiC材料去除过程中基本的破坏方式.
4) 在Cf/SiC材料加工过程中, 基体裂纹在增强相纤维的作用下发生偏转、暂停或桥连等现象, 提高了Cf/SiC材料的可加工性.
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