劉 瓊, 黃國(guó)欽， 徐西鵬

(1. 華僑大學(xué)制造工程研究院， 福建 廈門 361021； 2. 福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

0 引言

C/SiC是一種以碳化硅為基體碳纖維為增強(qiáng)材料的陶瓷基復(fù)合材料， 其碳纖維有效改善了陶瓷基體(SiC)的脆性斷裂形態(tài)， 抑制了裂紋在陶瓷基體中的傳播與擴(kuò)展， 從而大幅度提高材料整體韌性. 該材料綜合了碳纖維優(yōu)異的高溫性能[1-3](在惰性氣氛中2 000 ℃時(shí)仍能保持強(qiáng)度基本不下降)和碳化硅基體高抗氧化性能[4-6](具有低密度、 耐高溫、 抗腐蝕、 強(qiáng)度和硬度高等優(yōu)異性能)， 廣泛應(yīng)用于航空航天中光機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、 交通工具中的制動(dòng)器材等領(lǐng)域[7-10].

磨削一直是C/SiC復(fù)合材料成形加工的主要手段. 受該材料高硬度、 各向異性、 非均質(zhì)等特性的影響， 如何提高其加工質(zhì)量一直都是業(yè)界研究難題. 盡管已有很多學(xué)者對(duì)單向C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了深入的研究[11]， 但是對(duì)二維編織C/SiC復(fù)合材料的加工研究目前主要集中于銑削、 鉆孔和力學(xué)性能測(cè)試方面， 磨削加工幾乎很少涉及. 本研究主要采用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì)2D-C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行磨削加工實(shí)驗(yàn)， 分析磨削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量及表面微觀形貌的影響， 并對(duì)磨削過程中表面形成機(jī)制及影響機(jī)理進(jìn)行了探討.

1 試驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)條件

主要材料為二維正交編織結(jié)構(gòu)C/SiC復(fù)合材料， 該材料的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 碳纖維按照0°和90°方向交錯(cuò)編織并疊加而成. 該材料主要成分為碳纖維、 碳化硅基體以及裂解碳 (PhC) 界面. 受制備工藝影響， 會(huì)有一些孔隙存在于纖維與纖維或纖維與基體之間. 磨削方向示意圖如圖2所示， 磨削方向平行于0°纖維而垂直于90°纖維， 前者定義為0°纖維磨削區(qū)， 后者定義為90°纖維磨削區(qū). 磨削樣品尺寸為26 mm×10 mm×5 mm， 其中磨削面尺寸為26 mm×10 mm.

圖1 2D-C/SiC復(fù)合材料SEM形貌圖 Fig.1 SEM micrographs of the 2D-C/SiC composites

圖2 磨削方向示意圖Fig.2 Schematic diagram of grinding direction

磨削試驗(yàn)在德國(guó)BLOHM公司的HP-408高速數(shù)控成型平面磨床上進(jìn)行. 砂輪為樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪， 磨粒粒度為61 μm， 砂輪直徑和寬度分別為400和12 mm. 磨削方式采用干式順磨. 具體磨削參數(shù)分別設(shè)置為： 砂輪線速度vs分別為30, 60, 90, 120 m·s-1； 切削深度ap分別為20, 30, 40, 50 μm； 工作臺(tái)進(jìn)給速度vw分別為1 000, 1 500, 2 000, 2 500, 3 000 mm·min-1.

磨削表面形貌采用Hitachi S-3400N 掃描電鏡( SEM)進(jìn)行觀察， 觀察前需要對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理. 采用ZYGO 3D 輪廓儀 (NEWVIEW 7300) 觀察磨削表面三維形貌并測(cè)量其三維表面粗糙度值Sa. 由于材料內(nèi)部的孔隙尺寸可達(dá)到毫米級(jí)， 若測(cè)量時(shí)將其涵蓋在內(nèi)， 測(cè)量值很難反映出該材料的加工特征. 故盡量避開孔隙區(qū)域， 只選取編織方向相互垂直的纖維區(qū)域[12]. 對(duì)于每一試樣， 在相互垂直的0°和90°纖維區(qū)域內(nèi)各選取6個(gè)采樣區(qū)域(尺寸為280 μm×210 μm)， 測(cè)量出12組Sa值后取平均值作為最終表面粗糙度值.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 2D-C/SiC復(fù)合材料磨削加工表面粗糙度

綜上所述， 磨削后纖維區(qū)域的表面粗糙度受磨削參數(shù)影響明顯. 隨著磨削深度及工件進(jìn)給速度的增大而增大， 但砂輪線速度的提高表面粗糙度值反而降低了. 在相同參數(shù)下， 0°纖維區(qū)域Sa值要大于90°纖維區(qū)域Sa值.

圖3 不同磨削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響Fig.3 Effect of different grinding parameters on surface quality

2.2 2D-C/SiC 復(fù)合材料磨削加工表面形貌分析

2.2.1 磨削表面形貌

2D-C/SiC復(fù)合材料磨削表面掃描電鏡圖如圖4所示. 圖4(a)為磨削表面整體形貌， 從圖中可以看出， 這種復(fù)合材料磨削后的表面形貌主要為相互垂直的碳纖維和孔隙組成. 由于C/SiC復(fù)合材料在制備過程中， 碳纖維預(yù)制體采用二維正交編織結(jié)構(gòu)， 材料的面內(nèi)結(jié)構(gòu)成十字形波浪起伏狀[13]. 因而磨削表面也呈這種纖維交錯(cuò)結(jié)構(gòu)， 為不連續(xù)的平面. 在磨削時(shí)， 磨削表面形貌隨纖維編織結(jié)構(gòu)的變化而變化， 被磨削纖維束呈層狀脆裂分布. 圖4(b)和(c)分別為0°纖維區(qū)域和90°纖維區(qū)域局部放大圖， 不難看出磨削時(shí)碳纖維發(fā)生了明顯的斷裂和脫落， 且斷裂的碳纖維斷口并不整齊， 這可能與碳纖維有多個(gè)解理面[14]有關(guān). 圖4(d)是0°和90°纖維交叉處的局部放大圖， 從圖中可以看出， 在交叉處， SiC基體并沒有完全被去除， 0°纖維和90°纖維在交叉處斷裂嚴(yán)重. 由此可見， 在磨削過程中， 砂輪磨粒最先接觸到表層SiC基體， 基體首先發(fā)生開裂， 隨著磨削的繼續(xù)， 表層基體材料在磨粒的作用下被逐步去除. 表層基體材料遭到破壞后， 纖維被暴露出來(lái)， 纖維受到砂輪磨粒的剪切和摩擦作用， 以及基體對(duì)其進(jìn)行的局部擠壓， 造成纖維大量斷裂.

從圖4還可以看出， 磨削加工時(shí)2D-C/SiC材料的去除方式主要以碳纖維的脆性斷裂和碳化硅基體的破碎為主. 0°和90°的碳纖維均發(fā)生層狀脆性斷裂. 而交叉部分表層碳化硅基體雖發(fā)生破碎但并沒有完全被去除. 由此可見， 分析磨削參數(shù)對(duì)表面微觀形貌的影響時(shí)， 只需對(duì)磨削后碳纖維區(qū)域磨削表面特征進(jìn)行分析， 即0°和90°的碳纖維區(qū)域進(jìn)行分析. 其中0°纖維方向?yàn)樯拜喣ハ鞣较?

圖4 2D-C/SiC復(fù)合材料磨削表面Fig.4 SEM micrographs of ground surface of the 2D-C/SiC

2.2.2 磨削參數(shù)對(duì)磨削表面微觀形貌的影響

圖5 纖維斷裂尺度定義Fig.5 Definition scale of fiber fracture

為了量化加工參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響， 定義相鄰兩層斷裂輪廓線之間的距離為斷裂尺寸(ΔL)[12]， 如圖5所示.

圖6～圖8主要探討不同磨削參數(shù)下， 2D-C/SiC復(fù)合材料磨削加工表面形貌的變化. 不難看出， 0°和90°兩種編織方向的碳纖維在磨削加工中均為階梯狀脆性斷裂. 在圖6～圖8中， 將對(duì)各組參數(shù)任意選取10個(gè)斷裂尺度取其平均斷裂尺度進(jìn)行柱狀圖比較. 不同磨削深度下斷裂尺度的變化如圖6所示. 從圖中可以看出， 當(dāng)vs=60 m·s-1,vw=2 000 mm·min-1， 磨削深度在ap=20 μm 時(shí)， 0° 和90° 纖維區(qū)域?qū)訝顢嗔殉叨容^大. 當(dāng)ap=50 μm時(shí)， 0°和90°纖維區(qū)域， 纖維斷裂非常明顯， 層狀斷裂較密集， 纖維層狀斷裂尺度明顯降低. 這是因?yàn)樵诘偷哪ハ魃疃葧r(shí)， 最初纖維表面的基體因磨削作用發(fā)生開裂， 同時(shí)纖維也受到剪切作用， 而此時(shí)剪切力還不能使纖維斷裂， 因此斷裂尺度較大. 但隨著磨削深度的增大， 基體材料完全去除， 纖維被暴露出來(lái)， 纖維受到剪切及砂輪的滑擦， 發(fā)生大量層狀斷裂.

在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立中，采用拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程以及牛頓力學(xué)定律.由于兩輪自平衡底盤本質(zhì)是不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，因此建模必須考慮線性化問題.

圖6 磨削深度對(duì)表面微觀形貌的影響Fig.6 Effect of depth of cut on surface micro topography

圖7 工件進(jìn)給速度對(duì)表面微觀形貌的影響Fig.7 Effect of feed speed on surface micro topography

工件進(jìn)給速度對(duì)2D-C/SiC復(fù)合材料磨削加工表面形貌的影響如圖7所示. 從圖中可以看出， 當(dāng)vs=90 m·s-1,ap=20 μm， 砂輪進(jìn)給速度在vw=1 500 mm·min-1時(shí)， 0°纖維及90°纖維區(qū)域纖維層狀斷裂明顯， 0°纖維區(qū)域纖維層狀斷裂尺度要大于90°纖維區(qū)域?qū)訝顢嗔殉叨? 當(dāng)vw=3 000 mm·min-1時(shí)， 0°纖維區(qū)域纖維層狀斷裂尺度變小， 90°纖維區(qū)域纖維層狀斷裂不明顯， 除階梯狀脆性斷裂外， 90°纖維區(qū)域還出現(xiàn)了纖維拔出現(xiàn)象. 隨著進(jìn)給速度的增加， 0°纖維受到剪切增大， 纖維斷裂更加明顯. 而90°纖維在砂輪磨粒的擠壓下， 會(huì)受到彎曲應(yīng)力的作用， 從而發(fā)生“剝離”既纖維拔出， 在高的進(jìn)給速度下， 纖維來(lái)不及發(fā)生斷裂就受到砂輪對(duì)它的剝離作用了.

砂輪線速度對(duì)C/SiC 復(fù)合材料磨削加工表面形貌的影響如圖8所示. 從圖中可以看出， 當(dāng)vw=2 000 mm·min-1,ap=50 μm， 在低速vs=30 m·s-1時(shí)， 0°纖維區(qū)域纖維層狀斷裂不明顯， 斷裂尺度較大， 而90°纖維區(qū)域纖維層狀斷裂比較密集， 斷裂尺度較小. 但在高速vs=120 m·s-1時(shí)， 變化恰好相反， 0°纖維區(qū)域?qū)訝顢嗔衙黠@， 斷裂尺度較小. 而90°纖維區(qū)域纖維發(fā)生層狀斷裂不明顯， 除發(fā)生層狀斷裂外， 纖維同樣出現(xiàn)了拔出現(xiàn)象. 在低的磨削速度下， 0°纖維受到基體對(duì)其的剪切更大， 從而斷裂更加嚴(yán)重. 在高速情況下， 剪切力變小， 因此斷裂尺度增大. 90°纖維在低速下受到砂輪對(duì)其擠壓更加嚴(yán)重， 纖維斷裂也更加嚴(yán)重， 但在高速下， 纖維斷裂尺度相對(duì)增大， 剝離現(xiàn)象更加明顯， 因此出現(xiàn)纖維拔出.

圖8 砂輪線速度對(duì)表面微觀形貌的影響Fig.8 Effect of wheel speed on surface micro topography

2.3 表面形成機(jī)制及影響機(jī)理

C/SiC復(fù)合材料表層磨削去除過程模型示意圖如圖9所示， 其中圖9(a)為磨削前的形貌. 在磨削過程中， 當(dāng)砂輪磨粒接觸工件時(shí)， 彈性變形首先在材料接觸處產(chǎn)生. 材料的外表面SiC 基體會(huì)在剪應(yīng)力與拉應(yīng)力的雙重作用下， 產(chǎn)生裂紋. 通常情況下， SiC基體的脆性要比碳纖維大， 但抗拉強(qiáng)度比碳纖維低， 因此SiC基體受到拉應(yīng)力的作用首先出現(xiàn)裂紋， 并且裂紋會(huì)沿著纖維/基體界面的方向擴(kuò)展. 只有當(dāng)裂紋到達(dá)界面時(shí)， 裂紋才停止擴(kuò)展， 如圖9(b)所示. 由于材料內(nèi)部存在一些孔隙等缺陷， 纖維和基體的結(jié)合界面較弱， 在基體剪切和纖維、 基體的非同步橫向收縮作用下， 裂紋重新產(chǎn)生并進(jìn)一步擴(kuò)展， 在抗拉強(qiáng)度較低處部分纖維同樣開始出現(xiàn)斷裂[15]. 最終， 大面積的纖維出現(xiàn)層狀斷裂， 部分?jǐn)嗔训睦w維束克服界面對(duì)其的摩擦阻力， 將從基體中拔出， 如圖9(c)所示. 因此， 纖維層狀斷裂、 纖維拔出以及界面處的微裂紋決定了這種C/SiC 復(fù)合材料的磨削加工表面形狀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[3].

圖9 2D-C/SiC 復(fù)合材料表層磨削去除過程Fig.9 Material removal process of 2D-C/SiC composites

3 結(jié)語(yǔ)

1) 二維正交編織結(jié)構(gòu)的C/SiC復(fù)合材料因其編織結(jié)構(gòu)的特殊性， 在磨削過程中， 材料去除機(jī)理也有其自身的特殊性. 增強(qiáng)材料和基體材料均是以脆性斷裂的方式被去除. 其中， 碳纖維以纖維的層狀脆性斷裂為主， SiC基體的去除方式為破碎和脫落.

2) 磨削參數(shù)對(duì)纖維區(qū)域的表面粗糙度值及磨削表面纖維斷裂尺度影響較大. 表面粗糙度值隨著磨削深度和工件進(jìn)給速度的增加而增大， 但砂輪線速度的增加， 其值反而會(huì)降低. 0°纖維區(qū)域表面粗糙度值大于90°纖維區(qū)域表面粗糙度值. 0°纖維區(qū)域磨削表面纖維層狀斷裂明顯， 斷裂尺度較小， 90°纖維區(qū)域纖維除發(fā)生層狀斷裂外， 還出現(xiàn)了纖維拔出現(xiàn)象.

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