單向陶瓷基復合材料C/SiC變角度順逆磨的對比試驗

張立峰 王梓旭 張旺通 鄧云飛 隋翯 郭志永

摘要 ：通過正十二邊形磨削軌跡測試方法研究了單向C/SiC的磨削力和加工表面質量的影響機制。研究發現，相較于順磨，逆磨的切向磨削力減小10%～25%，法向磨削力減小30%～50%，表面粗糙度減小25%～65%;纖維磨削角對磨削特性具有顯著影響，順纖維磨削時，磨削力由大到小的纖維磨削角排序為60°、30°、90°、0°，逆纖維磨削時的排序為120°、90°、150°、180°;加工表面粗糙度 Sa 由大到小的纖維磨削角排序為0°、150°、120°、30°、60°、90°;C/SiC磨削加工時，材料的變形回彈效應較明顯。對比了不同纖維磨削角下的表面微觀形貌，提出了磨削材料去除模型。

關鍵詞 ：復合材料；磨削角度；順/逆磨；材料去除模型

中圖分類號 ：TB332

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.007

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Contrastive Experiments on Up and Down Grinding of Unidirectional

Ceramic Matrix Composite C/SiC with Variable Angle

ZHANG Lifeng WANG Zixu ZHANG Wangtong DENG Yunfei SUI He GUO Zhiyong

College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin，300300

Abstract ： This paper investigated the impact mechanism of grinding forces and machined surface quality on unidirectional C/SiC by a regular dodecagon-based grinding track method. Comparative ?analysis ?reveal that up grinding reduces tangential forces by 10%～25%， normal forces by 30%～50%， and surface roughness by 25%～65%， compared to down grinding. Moreover， the fiber grinding angle has a pronounced impact on the grinding characteristics. When the fiber grinding angle is as 0°～90°， the magnitude ranking of grinding force from large to small is as 60°， 30°， 90°， 0°. When the fiber grinding angle is as 90°～180°， the magnitude ranking of grinding force from large to small is as 120°， 90°， 150°， 180°. The order of surface roughness ?Sa ?on the machined surface aligns with the grinding force magnitude ranking as 0°， 150°， 120°， 30°， 60°， 90°. A pronounced material deformation rebound effectiveness is observed in C/SiC grinding. A comparative analysis of surface microstructures at diverse fiber grinding angles， and a grinding material removal model was introduced.

Key words ： composite; grinding angle; up and down grinding; material removal model

0 引言

復合材料在航空航天等領域具有廣闊的應用 前景 ?［1］ ，其中，陶瓷基復合材料C/SiC憑借其高強度、高硬度、耐高溫、抗氧化及卓越的抗腐蝕性能，正成為航空器熱結構部件中不可或缺的材料 ?［2-3］ 。當前，C/SiC的制備工藝主要有化學氣相滲透法、反應熔體滲透法、漿料浸漬熱壓法、前驅體浸漬熱解法、化學液氣相沉積法等 ?［2］ 。陶瓷基復合材料構件一般采用近凈成形方式，但為滿足構件裝配及使役性能的要求，往往需要對材料進一步加工，以符合形狀和表面精度的要求 ?［4］ 。

C/SiC屬于典型的難加工材料，在加工中易出現刀具磨損嚴重、損傷不易控制等問題 ?［5-6］ ，影響其表面完整性與力學性能，這些問題嚴重制約了C/SiC的工程應用 ?［4］ 。相較于其他工藝，磨削加工制得的零部件尺寸精度高、表面完整性好，是C/SiC的主導加工方式 ?［7］ 。不同于常規金屬材料和碳纖維增強樹脂基復合材料（carbon fiber reinforced polymer， CFRP），陶瓷基復合材料的磨削加工是一個跨尺度、非線性耦合的復雜過程，因此要提高C/SiC的加工質量、降低刀具磨損，需要對其機械加工性能進行深入探究。

磨削過程中的磨削力是C/SiC機械加工性能的重要表征。工藝參數和砂輪性能影響磨削力，復合材料的纖維取向也影響磨削力。GUO等 ?［8］ 通過理論和磨削試驗對加工工藝參數進行了優化。在磨削力的研究方面，ZHOU等 ?［9］ 研究了磨削工藝參數對磨削力的影響。ZHANG等 ?［10］ 對單向C/SiC進行了法向、橫向、縱向的磨削試驗，初步揭示了纖維磨削角的影響機制。LI等 ?［11］ 研究了C/SiC的激光熱輔助磨削特性，結果顯示，相較于傳統磨削，激光熱輔助磨削的法向磨削力、切向磨削力分別減小了35.6%和43.6%。GARCIA等 ?［12］ 通過脈沖激光燒蝕方法精確控制磨粒的形狀、大小和間距，探究了不同形狀磨粒的磨削力變化。王林建等 ?［13］ 研究了復合材料切削加工時纖維方向角對切削力的影響。劉杰等 ?［14］ 通過 2D-C/SiC 復合材料的高速深磨試驗提出了 2D-C/SiC 磨削力的理論公式。

磨削力是影響復合材料表面加工損傷的重要因素，復合材料磨削加工過程中的材料去除和表面創成機理也是復合材料加工性能研究的重要內容。在加工表面質量的研究方面，XIONG等 ?［15］ 提出一種針對復合材料SiC/SiC 的銑磨加工表面質量評價方法。LI等 ?［16］ 通過對單顆金剛石磨削C/SiC加工過程進行仿真發現，隨著砂輪轉速的增大表面質量提高，隨著磨削深度的增大裂紋變大，影響材料去除和加工表面創成。GUO等 ?［17］ 通過理論模型分析發現，縱向磨削的表面質量優于法向和橫向磨削的表面質量。WANG等 ?［18］ 通過研究發現，根據纖維的取向選擇磨削方向可優化磨削應力，減輕加工損傷，提高砂輪壽命，提高表面質量。殷景飛等 ?［19］ 通過C/SiC單顆粒磨削試驗發現，材料損傷隨纖維方向角的增大而增大，提高磨削速度可在一定程度上減小材料側邊的崩壞程度。張秀麗等 ?［20］ 在不同纖維方向下對玻璃纖維復合材料進行了切削實驗，發現纖維方向角小于90°時單向纖維復合材料的加工質量較好。曹曉燕 ?［21］ 建立了2.5D編織陶瓷基復合材料SiO 2/SiO 2的磨削力模型，并采用正交試驗法研究了磨削參數對復合材料加工表面質量與微觀結構的影響。全燕鳴等 ?［22］ 在研究中發現纖維切削角對加工表面缺陷和表面粗糙度有直接影響，正向角切削加工的表面質量最好。

與傳統金屬材料和CFRP不同，陶瓷基復合材料在磨削過程中存在砂輪磨損嚴重、加工損傷不易控制等問題。YAO等 ?［23］ 建立了2.5D陶瓷基復合材料的磨削力理論預測模型，并利用該預測模型解釋了工藝參數對材料橫向、縱向磨削力的影響機理。GONG等 ?［24］ 通過對比分析SiC陶瓷和2.5D編織C/SiC的磨削過程揭示了兩類材料去除形式的差異。丁凱等 ?［25］ 認為C/SiC磨削過程中的碳纖維及基體皆以脆性斷裂方式去除，并發現碳纖維的層狀斷裂、拔出導致磨削加工表面的粗糙度大于SiC陶瓷磨削加工表面的粗糙度。YIN等 ?［26］ 探究了單顆磨粒磨削下的磨削速度對SiC/SiC陶瓷基復合材料去除機理的影響，發現隨著磨削速度的提高，材料的去除形式由耕犁去除逐漸變為脆性去除。LI等 ?［16］ 通過實驗發現脆性斷裂是C/SiC復合材料磨削的主要材料去除方式，材料的去除機制以基體脆性損傷、纖維斷裂、纖維拉拔和界面脫粘為主。LIU等 ?［27］ 發現纖維方向角對材料加工表面形貌和損傷具有顯著影響，且從大到小的磨削力和表面粗糙度對應的纖維方向角為45°、30°、0°。ZHANG等 ?［28］ 發現相較于常規磨削，2D ?C/SiC 超聲振動磨削的磨削力和加工表面粗糙度有所改善，但材料的去除方式仍為脆性破壞。

文獻對比分析發現，當前研究主要涉及特殊纖維編織結構的陶瓷基復合材料磨削性能的實驗性研究、加工參數優化和新工藝方法探索，并未系統揭示纖維磨削角對C/SiC磨削性能的影響，且缺乏一種精確有效的方法全面測試并評價C/SiC的磨削加工性能，對陶瓷基復合材料順逆磨加工后的材料性能及纖維磨削角對材料去除和表面創成機理影響的研究鮮有報道。本文通過正十二邊形磨削軌跡測試方法對單向C/SiC試樣進行變角度磨削試驗，研究了順/逆磨、纖維磨削角、磨削參數等對C/SiC磨削力和表面質量的影響機制。

1 試驗原理及測試方案

1.1 磨削試驗材料與試樣制備

航空工程領域中，C/SiC結構件通常具有復雜的纖維編織結構，以滿足各方向苛刻的力學性能要求。為研究陶瓷基復合材料多向磨削的材料去除機理，通常需要將復合材料復雜的纖維編織體結構解耦 ?［10］ 。單向C/SiC解耦編織模型避免了多向編織結構固有的復雜界面和纖維方向問題，可作為研究復合材料磨削加工性能較為理想的模型化復合材料。

本文采用單向C/SiC復合材料進行變角度磨削試驗。C/SiC材料的基體相為SiC陶瓷，增韌纖維采用碳纖維（T300-3K型，東麗公司生產，力學性能參數如表1所示 ?［7］ ）。參照文獻［10］，采用化學氣相沉積（chemical vapor infiltration， CVI）工藝制備了單向C/SiC復合材料。

1.2 磨削試驗方案

圖1所示為單向陶瓷基復合材料變角度磨削的試驗平臺。單向陶瓷基復合材料C/SiC的多角度磨削試驗在MAKINO-V77型數控加工中心上進行，將單向復合材料預先切割成直徑50 mm、厚度10 mm的圓形試樣（通過定位孔定位），并利用夾具固定在切削測力儀上。試驗過程中，首先利用金剛石立銑刀采用側銑工藝將試樣切削為正十二邊形。然后使用金剛石砂輪沿正十二邊形試樣的各個側面進行磨削。平面磨削過程中，通過測力儀（Kistler 9257B）采集各方向的磨削力信號。信號經電荷放大器放大后，由數據采集卡傳遞至切削測力軟件（Kistler-DynoWare）。最終，通過濾波后的信號提取各個方向的磨削力。

如圖2所示，試驗過程中，試樣固定不動，金剛石砂輪沿試樣的每個側面進行磨削。每次磨削測試前，對各個側面采用相同的磨削參數進行 光整。

采用正十二邊形試樣，不僅可以實現固定增量（等差數列）磨削角度下的磨削力測量，而且固定磨削角度下的加工表面信息也能得以保留，便于對加工表面質量進行精確測試。通過磨削測試的組合，減小了試驗過程中的反復定位、裝夾、對刀等隨機誤差，有效提高了測試的精度和效率。

表2所示為單向陶瓷基復合材料磨削試驗參數，C/SiC變角度磨削試驗采用單因素試驗方法，在等差為30°的纖維磨削角度下，采用順逆磨削研究C/SiC磨削過程中磨削力和表面質量的影響機制。

1.3 磨削力數據分析

磨削試驗過程中，測力儀獲取X、Y、Z三個方向的磨削力信號。這些信號需經數據濾波和計算才能轉化為砂輪的切向磨削力和法向（徑向）磨削力的數值。金剛石砂輪沒有沿Z向（豎直方向）的進給，因此在整個磨削過程中，Z向的磨削力可以忽略不計。根據磨削力的矢量分解和等效理論得到

F ?t =|F y sin ?θ-F x cos ?θ| ?（1）

F ?n =|F y cos ?θ+F x sin ?θ| ?（2）

式中，F ?t 為砂輪的切向磨削力；F x、F y分別為測力儀獲取的X向和Y向的原始磨削力；θ為纖維磨削角；F ?n 為砂輪的法向磨削力。

圖3為正十二邊形磨削軌跡典型的磨削力信號圖。為獲取X向、Y向準確的磨削力信號，需對原始磨削力信號進行濾波處理，從而獲得X向和Y向的原始磨削力。

2 試驗結果與分析

2.1 纖維磨削角度對磨削力的影響

圖4為纖維磨削角對法向磨削力 F ?n和切向磨削力 F ?t的影響示意圖。試驗結果顯示，沿纖維各方向磨削時，法向磨削力均大于切向磨削力。隨著磨削角度的增大，磨削力出現顯著的變化規律。沿纖維各方向磨削測試，順纖維磨削時，由大到小的磨削力對應的纖維磨削角為60°、30°、90°、0°；逆纖維磨削時，由大到小的磨削力對應的纖維磨削角為120°、90°、150°、180°。相較于0°～90°的順纖維磨削，90°～180°的逆纖維磨削的磨削力較小。試驗還顯示，隨著磨削速度的提高，法向和切向的磨削力顯著減小。砂輪磨削速度由5 m/s提高至30 m/s時，法向和切向的磨削力減小約40%～55%。這主要是因為，隨著磨削速度的提高，單顆磨粒的最大未變形切屑厚度減小 ?［10］ ，導致宏觀磨削力的減小。此外，隨著磨削速度的增大，單顆磨粒的切削和沖擊作用加強，材料的應變率增大。碳纖維的應變率強化雖然會在一定程度上導致磨削力增大， 但隨著應變率增大，材料的斷裂能減小 ?［29］ ，磨粒的去除能力增強，磨削抗力減小，這可能是導致磨削力降低的另一原因。

圖5所示為單向C/SiC沿相同路徑重復磨削時的磨削力。試驗過程中，對正十二邊形試樣的每一側面進行重復磨削。重復磨削時，砂輪沿相同路徑進給，對每一側面進行沒有切深的光磨。結果顯示，沿各纖維磨削角光磨時，法向磨削力顯著大于切向磨削力。相較于初次磨削（ v ?c=25 m/min， v ?f=3 mm/min， a ?p=30 μm），第2次砂輪走刀（空切）的法向磨削力減小38%～77%，切向磨削力也大幅度減小，可見，材料力學性能的各向異性對磨削力有顯著影響。不同于金屬材料磨削，碳纖維的高硬度（約為金剛石的1/10）致使砂輪一次走刀時金剛石磨粒的去除能力和材料的去除規模受限。排除工藝系統剛度的影響，未完全去除的材料及材料的彈性恢復可能是光磨時存在磨削力的主要原因。第3次走刀后，材料基本完成去除，但此時仍存在由材料的彈性恢復所造成的較小法向磨削力。不同于金屬材料，C/SiC復合材料磨削加工時的材料變形回彈效應較明顯，導致空切時仍殘留一定的磨削力，可見材料是較難徹底去除的。

圖6為磨削深度對C/SiC復合材料磨削力的影響示意圖，可知，隨著磨削深度的增加， F ?t、 F ?n增大。這主要是因為磨削深度越大，去除材料的體積增大，單顆磨粒的切屑厚度增大，導致磨削力的增大。

磨削過程中，磨粒需將碳纖維、基體材料切削和剝離下來，因此磨削力與被切削材料的體積正相關。磨削深度增大時，磨削區域的材料體積也增大， 導致磨削力增大。試驗結果（圖7）還顯示，逆磨的法向和切向的磨削力明顯小于順磨的法向和切向的磨削力。順磨時，切削區材料受到砂輪的壓力（指向材料內部），這需要更大的能量才能發生材料失效。然而在逆磨時，材料受到指向材料外側的磨削合力，切削區材料去除更為容易，可見采用逆磨工藝可明顯減小 C/SiC 的磨削力。相較于順磨，逆磨時的切向磨削力減小10%～25%，法向磨削力減小30%～50%。因此對于陶瓷基復合材料C/SiC，采用逆磨工藝更利于材料去除，同時可提高砂輪的耐 用度。

2.2 纖維切削角對加工表面質量的影響

圖8a所示為單向C/SiC復合材料沿纖維橫截面拋光后的顯微形貌，圖8b所示為順磨加工后的材料表面形貌。增韌碳纖維與SiC基體材料的力學性能不同，因此磨粒作用下的材料去除不同步，但均以脆性破壞方式去除。纖維的徑向強度遠小于軸向強度，因此在磨粒切削和沖擊載荷作用下，纖維更易發生徑向斷裂。磨粒加工后，加工表面的纖維斷口呈現凹坑狀，纖維 基體界面脫粘且裂紋沿界面向材料內部傳播。陶瓷基復合材料的磨削加工過程中，纖維、基體、界面和孔隙的破壞形式不同。 陶瓷基復合材料的表面具有與金屬和陶瓷不同的微結構特征——具有“纖維 界面 基體”的代表性體積單元。圖8c所示為逆磨加工后的表面形貌，相較于順磨，逆磨的纖維斷口更為整齊，加工表面更加平整。

材料加工表面微觀特征的差異必然會導致加工表面粗糙度的不同。圖9所示為纖維磨削角對加工表面粗糙度的影響。試驗結果顯示，纖維磨削角對加工表面粗糙度 Sa 具有顯著影響。纖維磨削角為90°時，表面粗糙度 Sa 最??；纖維磨削角為0°時，表面粗糙度最大。此外，順纖維磨削的加工表面粗糙度優于逆纖維磨削。沿纖維方向磨削時，相較于順磨，逆磨可使表面粗糙度減小約25%～65%?？梢?，逆磨更易獲取較小的表面粗糙度，且逆磨工藝的改善效果更為顯著?？紤]到使役中陶瓷基復合材料的纖維結構多向編織問題，采用逆磨較為合適。

2.3 典型纖維磨削角下的表面形貌

圖10展示了典型磨削角度下的加工表面形貌。 碳纖維的徑向強度相對其他方向較弱，纖維的磨削角度為0°時（圖10a），磨粒的切削和載荷會導致纖維容易發生徑向斷裂。

陶瓷基復合材料的界面作用相對較弱，磨粒在切削過程中容易使纖維從基體中剝離。因此，磨削角度為0°時，纖維斷裂后會出現層狀剝離，導致加工表面的質量較差。纖維的磨削角度為30°時（圖10b），材料的加工表面質量有所改善，但纖維斷口的平整性仍較差。加工表面微觀形貌顯示，C/SiC磨削時，材料以脆性破壞方式去除，加工表面可見明顯的脆性斷裂。磨削角度為90°時（圖10c），顯微形貌顯示纖維皆為橫向斷裂，斷裂切口相對整齊，表面較為平整，這印證了沿90°方向進行磨削時，表面粗糙度 Sa 最小。纖維的磨削角度為150°時（圖10d），磨削變為逆纖維方向的磨削，加工表面出現了纖維彎折斷裂形成的凹坑，纖維斷口的平整性比磨削角度為90°的差，這導致加工表面的不平整、質量較差，材料表面的粗糙度較大。

2.4 典型纖維磨削角下材料去除模型

圖11為變角度磨削時單向C/SiC磨削材料去除模型圖。陶瓷基復合材料中，纖維磨削角變化時，材料去除機理會出現顯著差異。

纖維磨削角為0°（平行于纖維方向）時（圖11a），主要的材料去除方式包括纖維斷裂和纖維剝離。碳纖維的軸向強度遠大于徑向，因此纖維磨削角為0°時，纖維在磨粒作用下發生徑向斷裂。此外，由于界面的剝離破壞，碳纖維會從基體中剝離，在材料加工表面形成凹坑。

纖維磨削角為45°時（圖11b），碳纖維的斷裂延伸率高于SiC陶瓷基體，因此加工過程中的材料去除不同步。纖維方向和磨削方向存在夾角，因此纖維既承受磨粒的切削力，也承受拉伸力。纖維的徑向強度較弱，更易發生徑向斷裂。此時，材料的去除形式涉及纖維切割、纖維斷裂和界面脫粘。

纖維磨削角為90°（垂直于纖維方向）時，如圖11c所示，纖維受到垂直于纖維方向的磨粒切削和沖擊載荷，更易發生橫向斷裂，此時的磨削力較小。磨粒作用下，界面處產生裂紋并沿纖維方向繼續向材料內部擴展。值得注意的是，纖維磨削角為90°時，纖維以橫向斷裂為主，不易出現脫粘拔出和表面剝離，表面質量最優。

纖維磨削角為135°時（圖11d），磨削為逆纖維磨削，因此磨粒作用下，纖維發生微觀的彎折型破壞。此時，纖維的斷裂點往往在加工表面以下，且由于斷裂的隨機性，加工表面易出現凹坑。

纖維的磨削角度對材料的破壞機制具有較大的影響。碳纖維材料力學性能的各向異性是不同纖維磨削角下的磨削力和表面質量差異的主要 原因。

3 結論

（1）相較于順磨，C/SiC逆磨時的切向磨削力減小10%～25%，法向磨削力減小30%～50%，表面粗糙度減小25%～65%。

（2）纖維磨削角對磨削力和加工后的表面質量具有顯著影響。沿不同纖維磨削角加工時，磨削力與粗糙度的大小符合特定規律。順纖維磨削時，由大到小的磨削力對應的纖維磨削角為60°、30°、90°、0°；逆纖維磨削時，由大到小的磨削力對應的纖維磨削角為120°、90°、150°、180°。由大到小的加工表面粗糙度 Sa 對應的纖維磨削角為0°、150°、120°、30°、60°、90°。

（3）不同于金屬材料，C/SiC磨削加工時，材料的變形回彈效應較明顯，這導致空磨時仍有較大的磨削力。

（4）纖維的磨削角度對材料的去除機制具有較大影響。碳纖維材料力學性能的各向異性是不同纖維磨削角下的磨削力和表面質量差異的主要原因。

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（ 編輯 張 洋 ）

作者簡介 ：

張立峰 ，男，1983年生，講師，碩士生導師。研究方向為航空材料精密加工技術、復合材料力學。發表論文30余篇。E-mail：zhanglifeng@tju.edu.cn。