单向陶瓷基复合材料C/SiC变角度顺逆磨的对比试验

张立峰 王梓旭 张旺通 邓云飞 隋翯 郭志永

摘要 ：通过正十二边形磨削轨迹测试方法研究了单向C/SiC的磨削力和加工表面质量的影响机制。研究发现，相较于顺磨，逆磨的切向磨削力减小10%～25%，法向磨削力减小30%～50%，表面粗糙度减小25%～65%;纤维磨削角对磨削特性具有显著影响，顺纤维磨削时，磨削力由大到小的纤维磨削角排序为60°、30°、90°、0°，逆纤维磨削时的排序为120°、90°、150°、180°;加工表面粗糙度 Sa 由大到小的纤维磨削角排序为0°、150°、120°、30°、60°、90°;C/SiC磨削加工时，材料的变形回弹效应较明显。对比了不同纤维磨削角下的表面微观形貌，提出了磨削材料去除模型。

关键词 ：复合材料；磨削角度；顺/逆磨；材料去除模型

中图分类号 ：TB332

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

开放科学（资源服务）标识码（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

复合材料在航空航天等领域具有广阔的应用 前景  ［1］ ，其中，陶瓷基复合材料C/SiC凭借其高强度、高硬度、耐高温、抗氧化及卓越的抗腐蚀性能，正成为航空器热结构部件中不可或缺的材料  ［2-3］ 。当前，C/SiC的制备工艺主要有化学气相渗透法、反应熔体渗透法、浆料浸渍热压法、前驱体浸渍热解法、化学液气相沉积法等  ［2］ 。陶瓷基复合材料构件一般采用近净成形方式，但为满足构件装配及使役性能的要求，往往需要对材料进一步加工，以符合形状和表面精度的要求  ［4］ 。

C/SiC属于典型的難加工材料，在加工中易出现刀具磨损严重、损伤不易控制等问题  ［5-6］ ，影响其表面完整性与力学性能，这些问题严重制约了C/SiC的工程应用  ［4］ 。相较于其他工艺，磨削加工制得的零部件尺寸精度高、表面完整性好，是C/SiC的主导加工方式  ［7］ 。不同于常规金属材料和碳纤维增强树脂基复合材料（carbon fiber reinforced polymer， CFRP），陶瓷基复合材料的磨削加工是一个跨尺度、非线性耦合的复杂过程，因此要提高C/SiC的加工质量、降低刀具磨损，需要对其机械加工性能进行深入探究。

磨削过程中的磨削力是C/SiC机械加工性能的重要表征。工艺参数和砂轮性能影响磨削力，复合材料的纤维取向也影响磨削力。GUO等  ［8］ 通过理论和磨削试验对加工工艺参数进行了优化。在磨削力的研究方面，ZHOU等  ［9］ 研究了磨削工艺参数对磨削力的影响。ZHANG等  ［10］ 对单向C/SiC进行了法向、横向、纵向的磨削试验，初步揭示了纤维磨削角的影响机制。LI等  ［11］ 研究了C/SiC的激光热辅助磨削特性，结果显示，相较于传统磨削，激光热辅助磨削的法向磨削力、切向磨削力分别减小了35.6%和43.6%。GARCIA等  ［12］ 通过脉冲激光烧蚀方法精确控制磨粒的形状、大小和间距，探究了不同形状磨粒的磨削力变化。王林建等  ［13］ 研究了复合材料切削加工时纤维方向角对切削力的影响。刘杰等  ［14］ 通过 2D-C/SiC 复合材料的高速深磨试验提出了 2D-C/SiC 磨削力的理论公式。

磨削力是影响复合材料表面加工损伤的重要因素，复合材料磨削加工过程中的材料去除和表面创成机理也是复合材料加工性能研究的重要内容。在加工表面质量的研究方面，XIONG等  ［15］ 提出一种针对复合材料SiC/SiC 的铣磨加工表面质量评价方法。LI等  ［16］ 通过对单颗金刚石磨削C/SiC加工过程进行仿真发现，随着砂轮转速的增大表面质量提高，随着磨削深度的增大裂纹变大，影響材料去除和加工表面创成。GUO等  ［17］ 通过理论模型分析发现，纵向磨削的表面质量优于法向和横向磨削的表面质量。WANG等  ［18］ 通过研究发现，根据纤维的取向选择磨削方向可优化磨削应力，减轻加工损伤，提高砂轮寿命，提高表面质量。殷景飞等  ［19］ 通过C/SiC单颗粒磨削试验发现，材料损伤随纤维方向角的增大而增大，提高磨削速度可在一定程度上减小材料侧边的崩坏程度。张秀丽等  ［20］ 在不同纤维方向下对玻璃纤维复合材料进行了切削实验，发现纤维方向角小于90°时单向纤维复合材料的加工质量较好。曹晓燕  ［21］ 建立了2.5D编织陶瓷基复合材料SiO 2/SiO 2的磨削力模型，并采用正交试验法研究了磨削参数对复合材料加工表面质量与微观结构的影响。全燕鸣等  ［22］ 在研究中发现纤维切削角对加工表面缺陷和表面粗糙度有直接影响，正向角切削加工的表面质量最好。

与传统金属材料和CFRP不同，陶瓷基复合材料在磨削过程中存在砂轮磨损严重、加工损伤不易控制等问题。YAO等  ［23］ 建立了2.5D陶瓷基复合材料的磨削力理论预测模型，并利用该预测模型解释了工艺参数对材料横向、纵向磨削力的影响机理。GONG等  ［24］ 通过对比分析SiC陶瓷和2.5D编织C/SiC的磨削过程揭示了两类材料去除形式的差异。丁凯等  ［25］ 认为C/SiC磨削过程中的碳纤维及基体皆以脆性断裂方式去除，并发现碳纤维的层状断裂、拔出导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］ 探究了单颗磨粒磨削下的磨削速度对SiC/SiC陶瓷基复合材料去除机理的影响，发现随着磨削速度的提高，材料的去除形式由耕犁去除逐渐变为脆性去除。LI等  ［16］ 通过实验发现脆性断裂是C/SiC复合材料磨削的主要材料去除方式，材料的去除机制以基体脆性损伤、纤维断裂、纤维拉拔和界面脱粘为主。LIU等  ［27］ 发现纤维方向角对材料加工表面形貌和损伤具有显著影响，且从大到小的磨削力和表面粗糙度对应的纤维方向角为45°、30°、0°。ZHANG等  ［28］ 发现相较于常规磨削，2D  C/SiC 超声振动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为脆性破坏。

文献对比分析发现，当前研究主要涉及特殊纤维编织结构的陶瓷基复合材料磨削性能的实验性研究、加工参数优化和新工艺方法探索，并未系统揭示纤维磨削角对C/SiC磨削性能的影响，且缺乏一种精确有效的方法全面测试并评价C/SiC的磨削加工性能，对陶瓷基复合材料顺逆磨加工后的材料性能及纤维磨削角对材料去除和表面创成机理影响的研究鲜有报道。本文通过正十二边形磨削轨迹测试方法对单向C/SiC试样进行变角度磨削试验，研究了顺/逆磨、纤维磨削角、磨削参数等对C/SiC磨削力和表面质量的影响机制。

1 试验原理及测试方案

1.1 磨削试验材料与试样制备

航空工程领域中，C/SiC结构件通常具有复杂的纤维编织结构，以满足各方向苛刻的力学性能要求。为研究陶瓷基复合材料多向磨削的材料去除机理，通常需要将复合材料复杂的纤维编织体结构解耦  ［10］ 。单向C/SiC解耦编织模型避免了多向编织结构固有的复杂界面和纤维方向问题，可作为研究复合材料磨削加工性能较为理想的模型化复合材料。

本文采用单向C/SiC复合材料进行变角度磨削试验。C/SiC材料的基体相为SiC陶瓷，增韧纤维采用碳纤维（T300-3K型，东丽公司生产，力学性能参数如表1所示  ［7］ ）。参照文献［10］，采用化学气相沉积（chemical vapor infiltration， CVI）工艺制备了单向C/SiC复合材料。

1.2 磨削试验方案

图1所示为单向陶瓷基复合材料变角度磨削的试验平台。单向陶瓷基复合材料C/SiC的多角度磨削试验在MAKINO-V77型数控加工中心上进行，将单向复合材料预先切割成直径50 mm、厚度10 mm的圆形试样（通过定位孔定位），并利用夹具固定在切削测力仪上。试验过程中，首先利用金刚石立铣刀采用侧铣工艺将试样切削为正十二边形。然后使用金刚石砂轮沿正十二边形试样的各个侧面进行磨削。平面磨削过程中，通过测力仪（Kistler 9257B）采集各方向的磨削力信号。信号经电荷放大器放大后，由数据采集卡传递至切削测力软件（Kistler-DynoWare）。最终，通过滤波后的信号提取各个方向的磨削力。

如图2所示，试验过程中，试样固定不动，金刚石砂轮沿试样的每个侧面进行磨削。每次磨削测试前，对各个侧面采用相同的磨削参数进行 光整。

采用正十二边形试样，不仅可以实现固定增量（等差数列）磨削角度下的磨削力测量，而且固定磨削角度下的加工表面信息也能得以保留，便于对加工表面质量进行精确测试。通过磨削测试的组合，减小了试验过程中的反复定位、装夹、对刀等随机误差，有效提高了测试的精度和效率。

表2所示为单向陶瓷基复合材料磨削试验参数，C/SiC变角度磨削试验采用单因素试验方法，在等差为30°的纤维磨削角度下，采用顺逆磨削研究C/SiC磨削过程中磨削力和表面质量的影响机制。

1.3 磨削力数据分析

磨削试验过程中，测力仪获取X、Y、Z三个方向的磨削力信号。这些信号需经数据滤波和计算才能转化为砂轮的切向磨削力和法向（径向）磨削力的数值。金刚石砂轮没有沿Z向（竖直方向）的进给，因此在整个磨削过程中，Z向的磨削力可以忽略不计。根据磨削力的矢量分解和等效理论得到

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 为砂轮的切向磨削力；F x、F y分别为测力仪获取的X向和Y向的原始磨削力；θ为纤维磨削角；F  n 为砂轮的法向磨削力。

图3为正十二边形磨削轨迹典型的磨削力信号图。为获取X向、Y向准确的磨削力信号，需对原始磨削力信号进行滤波处理，从而获得X向和Y向的原始磨削力。

2 试验结果与分析

2.1 纤维磨削角度对磨削力的影响

图4为纤维磨削角对法向磨削力 F  n和切向磨削力 F  t的影响示意图。试验结果显示，沿纤维各方向磨削时，法向磨削力均大于切向磨削力。随着磨削角度的增大，磨削力出现显著的变化规律。沿纤维各方向磨削测试，顺纤维磨削时，由大到小的磨削力对应的纤维磨削角为60°、30°、90°、0°；逆纤维磨削时，由大到小的磨削力对应的纤维磨削角为120°、90°、150°、180°。相较于0°～90°的顺纤维磨削，90°～180°的逆纤维磨削的磨削力较小。试验还显示，随着磨削速度的提高，法向和切向的磨削力显著减小。砂轮磨削速度由5 m/s提高至30 m/s时，法向和切向的磨削力减小约40%～55%。这主要是因为，随着磨削速度的提高，单颗磨粒的最大未变形切屑厚度减小  ［10］ ，导致宏观磨削力的减小。此外，随着磨削速度的增大，单颗磨粒的切削和冲击作用加强，材料的应变率增大。碳纤维的应变率强化虽然会在一定程度上导致磨削力增大， 但随着应变率增大，材料的断裂能减小  ［29］ ，磨粒的去除能力增强，磨削抗力减小，这可能是导致磨削力降低的另一原因。

图5所示为单向C/SiC沿相同路径重复磨削时的磨削力。试验过程中，对正十二边形试样的每一侧面进行重复磨削。重复磨削时，砂轮沿相同路径进给，对每一侧面进行没有切深的光磨。结果显示，沿各纤维磨削角光磨时，法向磨削力显著大于切向磨削力。相较于初次磨削（ v  c=25 m/min， v  f=3 mm/min， a  p=30 μm），第2次砂轮走刀（空切）的法向磨削力减小38%～77%，切向磨削力也大幅度减小，可见，材料力学性能的各向異性对磨削力有显著影响。不同于金属材料磨削，碳纤维的高硬度（约为金刚石的1/10）致使砂轮一次走刀时金刚石磨粒的去除能力和材料的去除规模受限。排除工艺系统刚度的影响，未完全去除的材料及材料的弹性恢复可能是光磨时存在磨削力的主要原因。第3次走刀后，材料基本完成去除，但此时仍存在由材料的弹性恢复所造成的较小法向磨削力。不同于金属材料，C/SiC复合材料磨削加工时的材料变形回弹效应较明显，导致空切时仍残留一定的磨削力，可见材料是较难彻底去除的。

图6为磨削深度对C/SiC复合材料磨削力的影响示意图，可知，随着磨削深度的增加， F  t、 F  n增大。这主要是因为磨削深度越大，去除材料的体积增大，单颗磨粒的切屑厚度增大，导致磨削力的增大。

磨削过程中，磨粒需将碳纤维、基体材料切削和剥离下来，因此磨削力与被切削材料的体积正相关。磨削深度增大时，磨削区域的材料体积也增大， 导致磨削力增大。试验结果（图7）还显示，逆磨的法向和切向的磨削力明显小于顺磨的法向和切向的磨削力。顺磨时，切削区材料受到砂轮的压力（指向材料内部），这需要更大的能量才能发生材料失效。然而在逆磨时，材料受到指向材料外侧的磨削合力，切削区材料去除更为容易，可见采用逆磨工艺可明显减小 C/SiC 的磨削力。相较于顺磨，逆磨时的切向磨削力减小10%～25%，法向磨削力减小30%～50%。因此对于陶瓷基复合材料C/SiC，采用逆磨工艺更利于材料去除，同时可提高砂轮的耐 用度。

2.2 纤维切削角对加工表面质量的影响

图8a所示为单向C/SiC复合材料沿纤维横截面抛光后的显微形貌，图8b所示为顺磨加工后的材料表面形貌。增韧碳纤维与SiC基体材料的力学性能不同，因此磨粒作用下的材料去除不同步，但均以脆性破坏方式去除。纤维的径向强度远小于轴向强度，因此在磨粒切削和冲击载荷作用下，纤维更易发生径向断裂。磨粒加工后，加工表面的纤维断口呈现凹坑状，纤维 基体界面脱粘且裂纹沿界面向材料内部传播。陶瓷基复合材料的磨削加工过程中，纤维、基体、界面和孔隙的破坏形式不同。 陶瓷基复合材料的表面具有与金属和陶瓷不同的微结构特征——具有“纤维 界面 基体”的代表性体积单元。图8c所示为逆磨加工后的表面形貌，相较于顺磨，逆磨的纤维断口更为整齐，加工表面更加平整。

材料加工表面微观特征的差异必然会导致加工表面粗糙度的不同。图9所示为纤维磨削角对加工表面粗糙度的影响。试验结果显示，纤维磨削角对加工表面粗糙度 Sa 具有显著影响。纤维磨削角为90°时，表面粗糙度 Sa 最小；纤维磨削角为0°时，表面粗糙度最大。此外，顺纤维磨削的加工表面粗糙度优于逆纤维磨削。沿纤维方向磨削时，相较于顺磨，逆磨可使表面粗糙度减小约25%～65%。可见，逆磨更易获取较小的表面粗糙度，且逆磨工艺的改善效果更为显著。考虑到使役中陶瓷基复合材料的纤维结构多向编织问题，采用逆磨较为合适。

2.3 典型纤维磨削角下的表面形貌

图10展示了典型磨削角度下的加工表面形貌。 碳纤维的径向强度相对其他方向较弱，纤维的磨削角度为0°时（图10a），磨粒的切削和载荷会导致纤维容易发生径向断裂。

陶瓷基复合材料的界面作用相对较弱，磨粒在切削过程中容易使纤维从基体中剥离。因此，磨削角度为0°时，纤维断裂后会出现层状剥离，导致加工表面的质量较差。纤维的磨削角度为30°时（图10b），材料的加工表面质量有所改善，但纤维断口的平整性仍较差。加工表面微观形貌显示，C/SiC磨削时，材料以脆性破坏方式去除，加工表面可见明显的脆性断裂。磨削角度为90°时（图10c），显微形貌显示纤维皆为横向断裂，断裂切口相对整齐，表面较为平整，这印证了沿90°方向进行磨削时，表面粗糙度 Sa 最小。纤维的磨削角度为150°时（图10d），磨削变为逆纤维方向的磨削，加工表面出现了纤维弯折断裂形成的凹坑，纤维断口的平整性比磨削角度为90°的差，这导致加工表面的不平整、质量较差，材料表面的粗糙度较大。

2.4 典型纤维磨削角下材料去除模型

图11为变角度磨削时单向C/SiC磨削材料去除模型图。陶瓷基复合材料中，纤维磨削角变化时，材料去除机理会出现显著差异。

纤维磨削角为0°（平行于纤维方向）时（图11a），主要的材料去除方式包括纤维断裂和纤维剥离。碳纤维的轴向强度远大于径向，因此纤维磨削角为0°时，纤维在磨粒作用下发生径向断裂。此外，由于界面的剥离破坏，碳纤维会从基体中剥离，在材料加工表面形成凹坑。

纤维磨削角为45°时（图11b），碳纤维的断裂延伸率高于SiC陶瓷基体，因此加工过程中的材料去除不同步。纤维方向和磨削方向存在夹角，因此纤维既承受磨粒的切削力，也承受拉伸力。纤维的径向强度较弱，更易发生径向断裂。此时，材料的去除形式涉及纤维切割、纤维断裂和界面脱粘。

纤维磨削角为90°（垂直于纤维方向）时，如图11c所示，纤维受到垂直于纤维方向的磨粒切削和冲击载荷，更易发生横向断裂，此时的磨削力较小。磨粒作用下，界面处产生裂纹并沿纤维方向继续向材料内部扩展。值得注意的是，纤维磨削角为90°时，纤维以横向断裂为主，不易出现脱粘拔出和表面剥离，表面质量最优。

纤维磨削角为135°时（图11d），磨削为逆纤维磨削，因此磨粒作用下，纤维发生微观的弯折型破坏。此时，纤维的断裂点往往在加工表面以下，且由于断裂的随机性，加工表面易出现凹坑。

纤维的磨削角度对材料的破坏机制具有较大的影响。碳纤维材料力学性能的各向异性是不同纤维磨削角下的磨削力和表面质量差异的主要 原因。

3 结论

（1）相较于顺磨，C/SiC逆磨时的切向磨削力减小10%～25%，法向磨削力减小30%～50%，表面粗糙度减小25%～65%。

（2）纤维磨削角对磨削力和加工后的表面質量具有显著影响。沿不同纤维磨削角加工时，磨削力与粗糙度的大小符合特定规律。顺纤维磨削时，由大到小的磨削力对应的纤维磨削角为60°、30°、90°、0°；逆纤维磨削时，由大到小的磨削力对应的纤维磨削角为120°、90°、150°、180°。由大到小的加工表面粗糙度 Sa 对应的纤维磨削角为0°、150°、120°、30°、60°、90°。

（3）不同于金属材料，C/SiC磨削加工时，材料的变形回弹效应较明显，这导致空磨时仍有较大的磨削力。

（4）纤维的磨削角度对材料的去除机制具有较大影响。碳纤维材料力学性能的各向异性是不同纤维磨削角下的磨削力和表面质量差异的主要原因。

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（ 編辑 张 洋 ）

作者简介 ：

张立峰 ，男，1983年生，讲师，硕士生导师。研究方向为航空材料精密加工技术、复合材料力学。发表论文30余篇。E-mail：zhanglifeng@tju.edu.cn。