碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的磨削加工研究進(jìn)展

陳 冰 王 健 焦浩文 蘇 飛

（湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201）

文 摘 綜述了磨削參數(shù)、纖維方向、不同加工方式以及其他因素對(duì)磨削力和表面質(zhì)量的影響規(guī)律；總結(jié)了不同加工方式下的碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的磨削機(jī)理；展望了碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削加工的研究方向。

0 引言

碳纖維樹脂基復(fù)合材料具備了碳纖維材料的模量高、質(zhì)量輕、韌性好等特性，同時(shí)也兼具了樹脂的質(zhì)軟、減震、消音效果，主要應(yīng)用于大型飛機(jī)的機(jī)翼、筒段等關(guān)鍵構(gòu)件及汽車的車身、底盤等零部件，以達(dá)到飛機(jī)、汽車等輕量化目的［1-2］。目前針對(duì)碳纖維樹脂基復(fù)合材料的加工方法相對(duì)成熟和有效，主要有車削［3］、鉆削［4］、銑削［5］、激光加工［6］、水射流［7］、磨料流［8］等加工方法。而碳纖維陶瓷基復(fù)合材料除了具備碳纖維材料的優(yōu)良性能外，又兼具陶瓷材料的高硬度、高抗疲勞、耐高溫等特點(diǎn)［9］，因此被廣泛應(yīng)用于耐磨、抗高溫等場合，比如航天飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)和熱防護(hù)面板、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片和噴管等熱結(jié)構(gòu)件［10-12］，汽車制造領(lǐng)域中車身結(jié)構(gòu)某些關(guān)鍵部位以及剎車片［13］，空間的基板以及光學(xué)鏡的基片等［14］。目前碳纖維陶瓷基復(fù)合材料加工方法主要有傳統(tǒng)的機(jī)械加工（鉆削、磨削、銑削）、超聲振動(dòng)加工、脈沖激光燒蝕、電火花加工和磨料水射流加工等［15］。

針對(duì)碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝簡單、應(yīng)用范圍廣、加工效率高，但是加工過程中會(huì)出現(xiàn)分層、毛刺、纖維斷裂和纖維拔出等加工缺陷，并且刀具的磨損較嚴(yán)重，難以加工形狀復(fù)雜的部件［16］。與傳統(tǒng)加工相比，超聲振動(dòng)加工可以降低磨削力和表面粗糙度，提高工件材料的加工精度和效率，同時(shí)克服了切削力過大、刀具磨損嚴(yán)重的問題，但是不可避免地出現(xiàn)崩邊、毛刺等缺陷［17］。激光加工的加工效率高，不存在砂輪磨損的問題，同時(shí)也能夠避免崩邊、毛刺等缺陷的產(chǎn)生，但加工過程中的去除量難以控制，燒蝕氧化層難以避免［18］。電火花加工屬于能量加工，會(huì)造成復(fù)合材料層的損傷，電極磨損嚴(yán)重；此外，局部積聚電流易導(dǎo)致刀具磨損，這些都是使用電火花方法加工材料的限制因素［15］。高壓水射流加工通常用于碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的型孔加工，同時(shí)加工表面因受到高壓水流沖擊而出現(xiàn)崩邊、分層等缺陷［19］。

精密磨削加工因其在陶瓷［20］、玻璃［21］、藍(lán)寶石［22］等硬脆材料加工中表現(xiàn)出加工成型精度高、表面質(zhì)量好、損傷小、加工效率高等特點(diǎn)，被國內(nèi)外學(xué)者作為加工碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的主要技術(shù)手段。然而，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料作為一種新型的復(fù)合材料，特別是新型的2.5 維或3 維碳纖維陶瓷基復(fù)合材料，目前針對(duì)碳纖維陶瓷基材料精密磨削理論和工藝的研究尚不明晰。本文首先綜述了磨削參數(shù)、纖維方向和超聲振動(dòng)輔助以及其他因素分別對(duì)磨削力和表面質(zhì)量的影響規(guī)律；然后分別對(duì)單顆磨粒、砂輪和超聲振動(dòng)輔助磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的磨削機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)與對(duì)比；最后展望了關(guān)于碳纖維陶瓷基復(fù)合材料高效精密加工的未來研究方向。

1 磨削過程中磨削力的研究

碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削加工過程中磨削力的大小、變化情況等可以動(dòng)態(tài)反映出砂輪的磨損程度、磨削性能以及磨削后的表面質(zhì)量等狀況，且鑒于碳纖維陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)部獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，與勻質(zhì)材料或其他復(fù)合材料相比，在磨削過程中磨削力的大小、影響因素等有其獨(dú)特的特征［23］。因此，國內(nèi)外學(xué)者研究了磨削參數(shù)、纖維方向、超聲輔助磨削以及其他因素對(duì)碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削過程中磨削力的影響。

1.1 磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響

磨削加工是通過砂輪與工件間的接觸運(yùn)動(dòng)而去除工件材料的一種加工方法，砂輪與工件的接觸運(yùn)動(dòng)受磨削加工參數(shù)影響，因此，磨削參數(shù)影響著磨削加工過程中磨削力的大小和變化情況。LI等［24］通過對(duì)C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行了單顆磨粒刻劃實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切向和法向磨削力均與磨削深度呈正相關(guān)，與主軸轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)。WANG 等［25］磨削了石英纖維增強(qiáng)二氧化硅復(fù)合材料，結(jié)果表明當(dāng)磨削深度從40 μm 增加到300 μm，法向磨削力從16 N 增加至56 N，切向磨削力從12 N 增加至30 N，其原因是磨削深度的增加導(dǎo)致磨粒切削厚度、未變形切屑厚度、接觸弧長和有效磨?？倲?shù)增加，從而出現(xiàn)上述規(guī)律。屈碩碩等［26］也在磨削2.5 維Cf/SiC 復(fù)合材料的過程中發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律（圖1），并表明其原因在磨削深度和進(jìn)給速度增加時(shí)，未變形的切削厚度增大，同時(shí)參與磨削的磨粒數(shù)也增多，導(dǎo)致磨削力增大；當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速提高時(shí)，磨粒切入工件的深度減小，使磨削力降低。LIN等［27］采用單顆磨粒和砂輪分別對(duì)SiO2/SiO2復(fù)合材料進(jìn)行了磨削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單顆磨粒磨削SiO2/SiO2復(fù)合材料過程中的磨削力的大小與磨削深度呈正相關(guān)，磨粒速度對(duì)磨削力的影響規(guī)律與磨削深度對(duì)其影響規(guī)律相反，但在砂輪磨削時(shí)，磨削深度和砂輪轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力的影響呈現(xiàn)出波動(dòng)變化，這是由于磨粒和砂輪與加工表面之間的相互作用方式不同導(dǎo)致磨削力不呈現(xiàn)出線性相關(guān)性。

圖1 磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響［26］Fig.1 Effect of grinding parameters on grinding forces［26］

綜上，與勻質(zhì)材料相比，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料在單顆磨粒磨削時(shí)，磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響規(guī)律與勻質(zhì)材料相似，磨削力與磨削深度和進(jìn)給速度均呈正相關(guān)性，與砂輪轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)性；與單顆磨粒磨削不同的是，在砂輪磨削時(shí)，在一定范圍內(nèi)磨削力隨著砂輪轉(zhuǎn)速和磨削深度的增加而波動(dòng)，沒有呈現(xiàn)出線性相關(guān)性。

1.2 纖維方向?qū)δハ髁Φ挠绊?/h3>

碳纖維作為碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的增韌材料，在材料制備過程中有多種鋪設(shè)方法，而碳纖維的鋪設(shè)方向使得制備后的碳纖維陶瓷基復(fù)合材料在不同的方向上具備不同的物理力學(xué)性能，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的各向異性，使其在不同的方向上磨削性能出現(xiàn)一定的差異，磨削過程中磨削力的特征也呈現(xiàn)一定的差異。CAO 等［28］研究了纖維方向?qū)iO2/SiO2復(fù)合材料磨削過程中的磨削力的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與沿0°纖維方向相比，沿90°纖維方向磨削SiO2/SiO2復(fù)合材料時(shí)所測的磨削力大。DU 等［29］通過對(duì)2D C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沿縱向方向磨削獲得的磨削力的波動(dòng)性比沿橫向方向獲得的磨削力的波動(dòng)性要大，主要是由于沿縱向加工時(shí)纖維不連續(xù)分布造成的。王濤等［30］利用Matlab 軟件求解出C/SiC 復(fù)合材料沿典型方向磨削的磨削力經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沿法向磨削的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)大于沿縱向、橫向磨削的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，即沿法向磨削時(shí)磨削力最大，與上述結(jié)論一致。而采用砂輪周向磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料分析纖維方向?qū)δハ髁Φ挠绊?，也得到相似的結(jié)論，張立峰等［31］對(duì)單向C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行了不同纖維方向的磨削，如圖2所示，研究表明沿不同方向磨削時(shí)所測的磨削力不同，無論是法向磨削力還是切向磨削力，沿法向纖維方向磨削時(shí)所測的力大于沿縱向纖維方向所測的力，沿橫向纖維方向磨削時(shí)所獲的力最小，同時(shí)沿三個(gè)方向磨削時(shí)所測的切向磨削力均明顯大于法向磨削力，這是由于碳纖維具有各向異性，纖維沿各個(gè)方向的強(qiáng)度和摩擦性不同，導(dǎo)致所受的阻力不同，進(jìn)而使得磨削力呈現(xiàn)上述規(guī)律。

圖2 纖維方向?qū)δハ髁Φ挠绊懀?1］Fig.2 Effect of fiber direction on grinding force［31］

綜上，在相同磨削參數(shù)條件下，沿不同纖維方向磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料過程中所測的磨削力不同，無論是法向磨削力還是切向磨削力，沿法向、縱向和橫向纖維方向磨削時(shí)所測的力在數(shù)值上呈遞減規(guī)律，同時(shí)沿3個(gè)纖維方向磨削時(shí)所測的切向磨削力均明顯大于法向磨削力，這是碳纖維陶瓷基復(fù)合材料在磨削加工中特有的屬性。

1.3 超聲振動(dòng)輔助磨削對(duì)磨削力的影響

超聲振動(dòng)輔助磨削因其在光學(xué)玻璃、剛玉等硬脆材料加工中表現(xiàn)出磨削力小、表面質(zhì)量好、損傷小、加工效率高等優(yōu)勢［32-33］，因此，超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)同樣也被國內(nèi)外學(xué)者用來加工碳纖維陶瓷基復(fù)合材料，研究其對(duì)碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削性能的影響。項(xiàng)超等［34］對(duì)2.5維C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助和普通磨削兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與普通磨削相比，超聲振動(dòng)輔助磨削可降低35%～40%的磨削力。DING 等［35］對(duì)比分析了超聲輔助磨削和普通磨削兩種工藝條件下磨削C/SiC 復(fù)合材料過程中的磨削力，發(fā)現(xiàn)超聲加工方式可降低7%～21%的法向磨削力和9.7%～19.4%的切向磨削力，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在超聲振動(dòng)的條件下磨削速度對(duì)磨削力的影響程度大于其他磨削參數(shù)。黃博［36］等同樣在用砂輪磨削加工SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料過程中，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助磨削相比于普通磨削的磨削力降低了10%～20%，并表明其原因是在超聲振動(dòng)的條件下，刀具斷續(xù)磨削待加工表面，同時(shí)超聲振動(dòng)具有自潤效應(yīng)，在接觸面產(chǎn)生一種類似油膜的物質(zhì)，使摩擦力降低。湛青波等［37］研究了超聲振動(dòng)方向和工藝參數(shù)對(duì)磨削3 維針刺C/SiC 復(fù)合材料過程中磨削力的影響，研究發(fā)現(xiàn)無論是施加橫向超聲振動(dòng)還是縱向超聲振動(dòng)，所測的三向磨削力均小于普通銑磨加工后的三向磨削力。當(dāng)施加橫向超聲振動(dòng)后，在沖擊的作用下，切入材料的速度增加，磨粒與工件的摩擦力減小，同時(shí)刀具沖擊待加工表面，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)裂紋，降低了磨削力；而在施加縱向振動(dòng)后，材料在邊撞擊邊磨削加工的條件下去除，磨屑易于排出，減少磨屑與加工面之間的摩擦，使磨削力降低；此外，發(fā)現(xiàn)振幅大小從左右趨近于8 μm 時(shí)有利于降低磨削力，當(dāng)振幅逐漸增加至8 μm 時(shí)，由于刀具的錘擊作用增強(qiáng)，導(dǎo)致材料表面裂紋和破碎現(xiàn)象增加，使磨削力降低，當(dāng)振幅過大時(shí)，刀具的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致磨削力增大。

綜上，在磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，可以得出超聲振動(dòng)輔助磨削可以降低磨削力，與磨削光學(xué)玻璃、剛玉等硬脆材料的影響規(guī)律相似。

1.4 其他因素對(duì)磨削力的影響

除了磨削參數(shù)、纖維方向、超聲振動(dòng)加工方式對(duì)磨削加工碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的磨削力有影響之外，砂輪表面的形貌和碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的組織也會(huì)影響磨削過程中的磨削力。LI 等［38］綜述了T型變形砂輪（TGWs）對(duì)磨削力的影響，發(fā)現(xiàn)開槽、開槽的幾何形狀、分段會(huì)影響砂輪磨粒與工件的接觸面積和接觸時(shí)間，進(jìn)而降低平均磨削力和切削區(qū)溫度，提高被加工工件的表面質(zhì)量。TAWAKOLI 等［39］通過分割砂輪來減少靜態(tài)切削刃的方法開發(fā)了一種分段砂輪（T形刀具輪廓），發(fā)現(xiàn)使用分段砂輪磨削陶瓷基復(fù)合材料過程中的磨削力約為普通砂輪磨削過程中的磨削力的50%。丁凱等［40］分別磨削了C/SiC復(fù)合材料和SiC 陶瓷，發(fā)現(xiàn)在相同磨削參數(shù)下，磨削SiC 陶瓷材料的磨削力要大于磨削C/SiC 復(fù)合材料的磨削力，這是由于它們組織不同造成的，SiC 陶瓷材料致密性強(qiáng)于C/SiC 復(fù)合材料，抗彎強(qiáng)度和基體相維氏硬度顯著高于C/SiC 復(fù)合材料，這就導(dǎo)致了磨粒切入SiC 的難度大，故導(dǎo)致磨削SiC 的磨削力遠(yuǎn)大于磨削C/SiC復(fù)合材料的磨削力。

綜上，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料在單顆磨粒磨削時(shí)，磨削力與磨削深度和進(jìn)給速度均呈正相關(guān)性，與砂輪轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)性，而在砂輪磨削時(shí)，磨削力與砂輪轉(zhuǎn)速和磨削深度均沒有線性相關(guān)性；與沿90°方向磨削相比，沿0°纖維方向磨削時(shí)所測的磨削力要小，沿纖維法向、縱向和橫向磨削材料時(shí)所測的磨削力在數(shù)值上呈遞減規(guī)律；超聲振動(dòng)輔助磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料時(shí)可以降低磨削力，存在一個(gè)合適的超聲振幅使獲得的磨削力最??；此外，砂輪的表面輪廓和材料的組成成分也影響著磨削過程中所測的磨削力。

2 磨削加工后材料表面質(zhì)量研究

表面質(zhì)量作為評(píng)價(jià)磨削加工后工件質(zhì)量的重要指標(biāo)，會(huì)影響工件后續(xù)使用過程中的裝配精度、疲勞強(qiáng)度、接觸剛度以及使用壽命等，同樣因?yàn)樘祭w維陶瓷基復(fù)合材料獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)，使得其對(duì)磨削后的表面質(zhì)量有獨(dú)特的影響，因此，國內(nèi)外學(xué)者研究了磨削參數(shù)、纖維方向、超聲輔助磨削以及其他因素對(duì)碳纖維陶瓷基材料磨削后表面質(zhì)量的影響。

2.1 磨削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響

如1.1節(jié)所述，磨削參數(shù)影響著磨削加工過程中砂輪與工件之間的接觸、摩擦和去除行為，進(jìn)而影響著磨削力的大小和變化情況，并在一定范圍內(nèi)決定著碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削后的表面質(zhì)量。LIU等［41］采用樹脂基金剛石砂輪對(duì)C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行平面磨削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨著磨削深度和進(jìn)給速度的增加而增加，隨砂輪轉(zhuǎn)速的增加而減小。李金錠等［42］通過利用Abaqus軟件對(duì)單顆磨粒平面磨削C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面粗糙度與磨削深度呈正相關(guān)性。DU 等［29］對(duì)2D 編織C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行了磨削加工，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨進(jìn)給速度的增加而減小，與前面的結(jié)論不同，這是由于使用的C/SiC復(fù)合材料的編織結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的。

針對(duì)磨削參數(shù)對(duì)表面形貌的影響，劉瓊等［43］磨削了C/SiC 復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨削深度為20 μm 時(shí)，相鄰斷裂的兩纖維層的距離較大；當(dāng)磨削深度為50 μm 時(shí)，纖維斷裂程度劇烈，相鄰斷裂的兩纖維層的距離減小。屈碩碩等［44］進(jìn)行了Cf/SiC 復(fù)合材料磨削實(shí)驗(yàn)（圖3），結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨削深度為10 μm 時(shí)，表面裂紋較短，纖維拔出和纖維露頭比較均勻，表面質(zhì)量較好；當(dāng)磨削深度為50 μm 時(shí)，表面裂紋長且寬，纖維露頭長度增加，表面質(zhì)量變差。GONG［45］等通過磨削2.5 維Cf/SiC 復(fù)合材料來研究磨削參數(shù)對(duì)表面形貌的影響（圖4），結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨削深度增加時(shí)，纖維大量斷裂，這是因?yàn)槟ハ魃疃容^小時(shí)，基體先開始斷裂，纖維受到剪切作用，但剪切力不足以使纖維斷裂，當(dāng)磨削深度進(jìn)一步增大時(shí)，基體完全斷裂，纖維露出，纖維受到剪切作用以及砂輪的滑擦，纖維大量斷裂；當(dāng)進(jìn)給速度增加時(shí)，表面形貌變差；當(dāng)砂輪速度增加時(shí)，裂紋深度減小，纖維磨損嚴(yán)重，這是由于單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的有效磨粒數(shù)增加的緣故。

圖3 不同磨削深度下的針刺纖維掃描電鏡圖［44］Fig.3 SEM photos of needled punched fiber with different grinding depth of cut［44］

圖4 不同磨削參數(shù)下平行纖維束掃描電鏡圖［45］Fig.4 SEM photos of parallel fiber with different grinding parameters［45］

綜上，與磨削硬脆材料相比，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削加工后的表面質(zhì)量與磨削參數(shù)關(guān)系的相同之處是，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加，表面粗糙度減小，表面形貌得到改善；隨著磨削深度和進(jìn)給速度增大，表面粗糙度增大，纖維斷裂現(xiàn)象明顯，裂紋增加，加工形貌差。不同之處是，由于2D C/SiC 復(fù)合材料特殊的纖維編織方式，導(dǎo)致表面粗糙度隨著進(jìn)給速度的增加反而減小。

2.2 纖維方向?qū)Ρ砻尜|(zhì)量的影響

碳纖維陶瓷基復(fù)合材料作為一種新型復(fù)合材料，其在制備過程中纖維鋪設(shè)方向多種多樣，不同的纖維鋪設(shè)方向?qū)е缕湫阅芤膊煌?，為了探究纖維方向?qū)δハ骱蟊砻尜|(zhì)量的影響，LIU等［46］比較分析了在不同纖維方向（0°和90°）的條件下磨削2D C/SiC 復(fù)合材料后對(duì)表面粗糙度的影響，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)在砂輪轉(zhuǎn)速一定的條件下，沿0°纖維方向磨削的表面粗糙度大于沿90°纖維方向磨削的表面粗糙度。為了研究沿典型方向（法向、縱向和橫向）磨削后對(duì)表面粗糙度的影響，劉謙等［47］使用砂輪端面磨削了C/SiC 復(fù)合材料，結(jié)果表明沿縱向、橫向、法向磨削C/SiC 復(fù)合材料后表面粗糙度的值呈現(xiàn)出依次遞減的規(guī)律，這是由于碳纖維沿SiC 基體鋪設(shè)的方向多種多樣，使材料的摩擦系數(shù)不同，當(dāng)沿不同方向磨削時(shí)，對(duì)表面粗糙度的影響也不同。然而對(duì)于單向碳纖維陶瓷基復(fù)合材料來說，由于結(jié)構(gòu)不同，沿典型方向磨削對(duì)表面粗糙度的影響也不同，對(duì)此，ZHANG 等［48］沿3 個(gè)方向磨削了單向C/SiC 復(fù)合材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維方向?qū)Ρ砻娲植诘挠绊懪c上述規(guī)律不同，沿纖維橫向方向磨削后的表面粗糙度最小，而不是沿法向磨削最小，這是由于單向C/SiC 復(fù)合材料在制備過程中纖維被解耦，避免了磨削時(shí)纖維之間的相互作用。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下沿0°和90°纖維方向磨削后的表面粗糙度及三維微觀形貌［46］Fig.5 Surface roughness and 3D micromorphology of surfaces ground along 0°and 90°fiber direction with different grinding depth of cut［46］

沿不同纖維方向磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料所測的磨削力和表面粗糙度有差異，因此，不同纖維方向也影響著碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削后的表面形貌。WANG 等［25］進(jìn)行了2D C/SiC 復(fù)合材料的磨削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明沿不同纖維方向加工所得到的表面形貌不同，這是由于沿不同纖維方向加工時(shí)纖維斷裂機(jī)理不同造成的。為了研究沿典型方向磨削后對(duì)表面形貌的影響，張立峰等［49］分別沿纖維法向、縱向和橫向磨削了C/SiC復(fù)合材料，如圖6所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)沿纖維法向磨削時(shí)，纖維被拔出的位置留下凹坑，凹坑的斷口參差不齊，這是由于陶瓷基體的強(qiáng)度和碳纖維的強(qiáng)度不同導(dǎo)致的；當(dāng)沿纖維縱向磨削時(shí)，部分纖維從基體中分離出來，使加工表面出現(xiàn)類似于圓柱體的凹槽；當(dāng)沿纖維橫向磨削時(shí)，由于碳纖維抗剪切能力比SiC 基體弱，在磨削C/SiC 復(fù)合材料時(shí)，碳纖維被切斷去除，加工表面出現(xiàn)溝槽。

圖6 沿典型方向磨削加工的微觀形貌圖［49］Fig.6 Micromorphology of ground surfaces in typical direction［49］

綜上，沿不同方向磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，其方向?qū)Ρ砻尜|(zhì)量的影響有顯著的不同，沿90°纖維方向磨削后的表面粗糙度要小于沿0°纖維磨削后的表面粗糙度；沿纖維法向、橫向和縱向磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料后的表面粗糙度在數(shù)值上呈現(xiàn)出遞增的規(guī)律；沿法向纖維方向磨削時(shí)，可以獲得質(zhì)量好的表面形貌；沿橫向纖維磨削時(shí)，加工表面纖維剝離，剝離處出現(xiàn)溝痕；沿縱向纖維方向磨削時(shí)，纖維出現(xiàn)大面積缺失。但對(duì)于磨削單向C/SiC 復(fù)合材料時(shí)，卻得到不同的結(jié)論，不是沿纖維法向方向磨削后獲得表面粗糙度最小，而是沿纖維橫向方向磨削后獲得的表面粗糙度最小。

2.3 超聲振動(dòng)輔助磨削對(duì)表面質(zhì)量的影響

為了獲得更高的表面質(zhì)量和加工效率，一些學(xué)者將超聲振動(dòng)引入碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的磨削加工中，并探討了超聲振動(dòng)對(duì)表面質(zhì)量的影響情況。AZARHOUSHANG 等［50］進(jìn)行了有限元建模和實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助磨削C/SiC 復(fù)合材料可以有效降低表面粗糙度。DING 等［51］對(duì)C/SiC 復(fù)合材料分別進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助磨削和普通磨削，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲振動(dòng)輔助和普通磨削后的表面粗糙度分別在2.67～3.84、2.82～4.15 μm 范圍內(nèi)，磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度影響的幅度不大。趙凡等［52］進(jìn)行了SiCf/SiC復(fù)合材料的超聲輔助和普通磨削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，見圖7，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨超聲振幅的增加而減小，當(dāng)振幅增加至某個(gè)值后，磨削后的表面粗糙度隨著振幅的繼續(xù)增大而增大，這是由于刀具在大振幅磨削時(shí)，沖擊作用大，使材料表面破損，從而降低表面質(zhì)量；在超聲振動(dòng)輔助磨削下，進(jìn)給速度和磨削速度對(duì)表面粗糙度的影響程度要大于磨削深度，磨削深度對(duì)表面粗糙度影響不明顯的原因在于SiCf/SiC 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)致密性差，纖維和基體的結(jié)合強(qiáng)度弱等。

圖7 不同加工方式下磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響［52］Fig.7 Effect of grinding parameters on surface roughness in different processing methods［52］

WANG 等［53］對(duì)2D C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助磨削，發(fā)現(xiàn)當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速相對(duì)較低時(shí)，超聲振幅的增加有助于表面質(zhì)量提高；當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速相對(duì)較高時(shí)，隨著超聲振幅增加表面質(zhì)量的改善并不顯著。FU 等［54］分別進(jìn)行了C/SiC 復(fù)合材料的超聲輔助磨削和普通磨削實(shí)驗(yàn)（圖8），發(fā)現(xiàn)了超聲輔助磨削和普通磨削加工后纖維的斷裂尺寸近似相等，但由于超聲振動(dòng)往復(fù)錘擊加工表面，使碳纖維出現(xiàn)大面積斷裂；此外，還發(fā)現(xiàn)在超聲振動(dòng)輔助磨削的條件下，磨削速度和進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響并不呈現(xiàn)出穩(wěn)定的規(guī)律，而Ra隨著磨削深度的增大而增大。

圖8 不同加工方式對(duì)纖維斷裂尺寸的影響［54］Fig.8 Effect of fiber fracture scale in different processing methods［54］

湛青坡等［37］采用超聲振動(dòng)輔助和普通磨削的方法加工了C/SiC復(fù)合材料，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)施加進(jìn)給或縱向方向的超聲振動(dòng)，均可以降低表面粗糙度和改善表面形貌，兩種加工方式下的磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響趨勢同，加工過程中存在一個(gè)合適的超聲振幅可以使表面粗糙度最小，與趙凡所得的結(jié)論相同。當(dāng)普通銑磨加工時(shí)，碳纖維被拔出的現(xiàn)象嚴(yán)重，纖維拔出處出現(xiàn)孔洞，這是因?yàn)槔w維在剪切力和拉伸力的作用下，纖維開始出現(xiàn)裂紋并且擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到碳纖維和碳化硅基體的接觸處時(shí)，由于二者界面結(jié)合強(qiáng)度較弱，纖維會(huì)在砂輪磨粒的作用下被拔出，表面形貌變差，表面粗糙度增加；當(dāng)沿進(jìn)給方向施加超聲振動(dòng)銑磨時(shí)，纖維被拔出的數(shù)量變少，一方面是由于砂輪的磨粒切入工件速度會(huì)加快，使纖維易于斷裂和切除，另一方面，超聲振動(dòng)使砂輪沿進(jìn)給方向沖擊材料時(shí)，裂紋將會(huì)沿著材料內(nèi)部斷裂，部分纖維將會(huì)隨著砂輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)而被拔出，表面質(zhì)量得到改善；當(dāng)沿縱向施加超聲振動(dòng)銑磨時(shí)，纖維被拔出的現(xiàn)象明顯降低，這是因?yàn)榈毒叽怪闭駝?dòng)使碳纖維反復(fù)受到拉力和壓力，促使纖維斷裂，同時(shí)刀具往復(fù)振動(dòng)，使磨屑易于排出，磨粒不易變鈍，碳纖維被剪切去除，被拔出的纖維變少，表面質(zhì)量得到明顯地改善，表面粗糙度降低。

圖9 不同加工方式下C/SiC復(fù)合材料的表面微觀形貌［37］Fig.9 Micromorphology of C/SiC composite surfaces ground with different processing methods［37］

綜上，從實(shí)驗(yàn)的角度探究了超聲振動(dòng)輔助方式對(duì)磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料后表面質(zhì)量的影響規(guī)律，與普通磨削相比，超聲振動(dòng)輔助磨削可以降低表面粗糙度，改善表面形貌，施加縱向超聲振動(dòng)輔助磨削后的表面質(zhì)量要優(yōu)于施加橫向超聲振動(dòng)輔助磨削；存在一個(gè)最優(yōu)超聲振幅可使表面粗糙度最??；進(jìn)給速度和砂輪速度對(duì)表面粗糙度影響程度大于磨削深度。

2.4 其他因素對(duì)表面質(zhì)量的影響

除了磨削參數(shù)、纖維方向、不同加工方式對(duì)碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削后的表面粗糙度有影響之外，砂輪的鈍化和磨粒的粒度、陶瓷基的組織以及加工工藝也影響著表面質(zhì)量。WANG 等［25］研究了砂輪磨鈍后對(duì)加工質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)砂輪鈍化磨削后，基體表面有凹坑和裂紋，纖維損壞嚴(yán)重，大量纖維被拉出，表面粗糙度變大，這是由于砂輪鈍化，磨粒不再鋒利，磨粒難以切入工件表面造成的。LIN等［27］對(duì)比分析了使用240#和100#兩種型號(hào)的砂輪磨削SiO2/SiO2復(fù)合材料后的表面粗糙度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用240#砂輪磨削后的表面粗糙度Ra在8.0～10.1 μm 之間，100#砂輪磨削后的Ra在10.2～16.2 μm 之間。也有學(xué)者研究了砂輪的磨削方式（連續(xù)或間歇方式）對(duì)表面質(zhì)量的影響，如TAWAKOLI 等［39］以兩種不同的工藝對(duì)C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行磨削，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與間歇磨削（IG）后獲得的表面粗糙度相比，常規(guī)磨削后獲得的表面粗糙度在數(shù)值上降低了約2～4倍，表面形貌得到改善。丁凱等［40］磨削了C/SiC 復(fù)合材料和SiC陶瓷材料，發(fā)現(xiàn)磨削C/SiC 復(fù)合材料后測得Ra在0.8～1.0 μm 之間，磨削SiC 陶瓷材料后Ra在0.2～0.3 μm 之間，這是由于C/SiC 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)致密性差，磨削后空隙露出，致使表面粗糙度增大。

綜上所述，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削加工后表面質(zhì)量與磨削參數(shù)、纖維方向、加工方式等因素有關(guān)，通常表面質(zhì)量變化的趨勢與磨削深度和進(jìn)給速度變化的趨勢相同，與砂輪轉(zhuǎn)速變化的趨勢相反，但對(duì)于磨削2D 編織C/SiC 復(fù)合材料，表面粗糙度的變化趨勢與進(jìn)給速度變化趨勢相反；沿纖維法向磨削時(shí)，纖維被拔出，加工表面出現(xiàn)孔洞；沿纖維縱向磨削時(shí)，部分纖維從材料中剝離，使加工表面出現(xiàn)圓柱體凹槽；沿纖維橫向磨削時(shí)，一部分加工表面出現(xiàn)斷續(xù)溝槽；沿纖維法向、橫向和縱向磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料后測的表面粗糙度在數(shù)值上呈現(xiàn)出遞增的規(guī)律，然而磨削單向C/SiC 復(fù)合材料時(shí)，沿纖維橫向方向磨削后測的表面粗糙度要比沿其他兩個(gè)方向磨削小；與傳統(tǒng)磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料相比，超聲振動(dòng)輔助磨削可以提高加工表面的精度和改善表面形貌；此外，砂輪的鈍化和磨粒的粒度、陶瓷基的組織以及磨削的方式也影響著碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的加工質(zhì)量。

3 碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削機(jī)理研究

碳纖維陶瓷基復(fù)合材料由于其獨(dú)特的制備方式、纖維排布方式、材料分布等特點(diǎn)，使其磨削去除機(jī)理有別于勻質(zhì)材料和其他復(fù)合材料，目前，國內(nèi)外關(guān)于碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削機(jī)理研究，主要集中于單顆粒磨削、砂輪磨削和超聲輔助磨削機(jī)理等方面。

3.1 單顆磨粒磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料去除機(jī)理

砂輪的磨削加工是依靠砂輪表面上的磨粒磨削而使材料去除的過程，因此，為了研究砂輪磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的去除機(jī)理，首先需要從單顆磨粒磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的去除機(jī)理入手。LIU等［41］使用單顆磨粒劃擦了2D Cf/SiC復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)Cf/SiC 復(fù)合材料的去除形式主要為脆性斷裂。LI等［24］通過對(duì)C/SiC 復(fù)合材料分別進(jìn)行了單顆磨粒橫向和縱向劃痕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明C/SiC 復(fù)合材料的去除方式是脆性斷裂，這是由于C/SiC 復(fù)合材料在磨削的過程中會(huì)發(fā)生SiC 基體開裂、纖維斷裂和纖維剝離等現(xiàn)象；此外，在C/SiC 復(fù)合材料刻劃溝槽的入口和出口處由于碳纖維的宏觀脆性斷裂，沒有形成延性去除模式，其根本原因是陶瓷基體不連續(xù)分布。張立峰等［49］對(duì)C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行了沿纖維法向、縱向和橫向的單顆磨粒刻劃實(shí)驗(yàn)，研究其界面的失效形式和材料的去除方式，如圖10和圖11所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨粒沿橫向刻劃時(shí)，由于界面處的纖維易于剝離，在磨粒的作用下，纖維以大規(guī)模剝落的形式去除，并且少量SiC 基體崩碎，此過程定義為界面的剝離；當(dāng)磨粒沿縱向刻劃時(shí)，纖維和基體受到剪切力的作用，由于纖維抗剪切性能較弱，纖維被切斷，此過程稱為界面的剪切；當(dāng)沿法向刻劃時(shí)，基體和纖維均崩碎斷裂，界面發(fā)生第三種失效模式，即綜合失效模式。

圖10 刻劃過程中的界面失效機(jī)制原理圖［49］Fig.10 Failure mechanism of the interface in the process of nanoscratch［49］

圖11 沿不同方向刻劃形貌圖［49］Fig.11 Micromorphology test result of scratching in the different direction［49］

綜上，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料在單顆磨粒磨削時(shí)，其去除方式以脆性斷裂為主，界面失效模式分別是剝離、剪切和綜合失效，界面的損傷形式包括纖維斷裂與分層、SiC基體微裂紋、界面層失粘等。

3.2 砂輪磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料去除機(jī)理

同時(shí)，一些學(xué)者在單顆磨?？虅潓?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了砂輪磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的去除機(jī)理。GONG 等［45］分別進(jìn)行了SiC 和2.5 維Cf/SiC 復(fù)合材料的磨削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SiC 的去除方式是裂紋擴(kuò)展，而Cf/SiC 復(fù)合材料的去除方式是基體開裂、纖維斷裂和界面脫粘。劉杰等［55］研究發(fā)現(xiàn)2D C/SiC 的磨削加工機(jī)理既不同于塑性金屬材料，也不同于普通脆性材料，指出碳纖維陶瓷基復(fù)合材料在磨削過程中，陶瓷基體材料首先被逐漸去除，使得纖維材料裸露出來，然后纖維除了受到剪切作用，還受到砂輪上磨粒的滑擦作用，磨粒切削刃壓入SiC 基體與碳纖維內(nèi)，陶瓷基體的連續(xù)性被破壞，纖維也發(fā)生了局部的擠壓作用，這些復(fù)合作用使纖維發(fā)生了斷裂。QU等［56］利用砂輪周向磨削了Cf/SiC復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)單向Cf/SiC 的基本損傷形式包括纖維斷裂、界面脫粘、纖維磨損、基體裂紋、纖維拔出和纖維露頭。為研究沿不同方向磨削的界面失效模式，ZHANG 等［48］沿3 個(gè)方向磨削了C/SiC 復(fù)合材料（圖12），結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂輪磨削C/SiC 復(fù)合材料的界面失效模式與單顆磨粒磨削的界面失效模式相同，即包括界面剝離、剪切和綜合失效模式；此外，與金屬基和樹脂基復(fù)合材料不同的是，由于纖維和陶瓷界面結(jié)合性能相對(duì)較弱，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削過程中，裂紋先在界面處出現(xiàn)并傳播；在沿纖維縱向磨削過程中，磨粒沖擊載荷作用下，纖維和陶瓷基體處的界面出現(xiàn)剪切失效現(xiàn)象，由于纖維和基體斷裂韌性及斷裂延伸率的不同，部分纖維首先被拉斷，導(dǎo)致復(fù)合材料出現(xiàn)層狀剝落。

圖12 典型纖維方向磨削損傷示意圖［48］Fig.12 Diagram of grinding damage in typical direction［48］

綜上，在砂輪磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料過程中材料的去除形式包括基體破碎和纖維斷裂，其界面失效模式與單顆磨粒磨削的界面失效模式相同，但由于砂輪磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料是多磨粒共同磨削作用的結(jié)果，界面的損傷形式往往是界面脫粘、纖維磨損、基體裂紋、纖維拔出和纖維露頭等多種形式共存。

3.3 超聲振動(dòng)輔助磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的去除機(jī)理

鑒于超聲振動(dòng)輔助磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料時(shí)的優(yōu)越性，國內(nèi)外學(xué)者探究了超聲振動(dòng)輔助磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的去除機(jī)理。DING 等［50］在研究C/SiC 復(fù)合材料超聲輔助磨削表面/亞表面破損研究過程中發(fā)現(xiàn)不同角度的纖維具有不同的斷裂類型，0°纖維為層狀脆性斷裂，90°纖維為由于纖維斷裂和拔出而形成的凹坑；此外，由于陶瓷基體的脆性大于碳纖維，超聲振動(dòng)磨削過程中陶瓷基體上首先出現(xiàn)裂紋，并沿垂直于碳纖維與陶瓷基體界面的方向傳播，當(dāng)裂紋到達(dá)界面時(shí)，在陶瓷基體材料剪切應(yīng)力作用下，碳纖維與陶瓷基體發(fā)生非同步收縮，裂紋的擴(kuò)展被阻止同時(shí)裂紋擴(kuò)展的方向發(fā)生改變，向復(fù)合材料中薄弱部位延伸，在裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展過程中，部分纖維開始脆性斷裂，因此，纖維方向不同使得斷裂形式和程度也不同。王研等［57］對(duì)C/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行了超聲輔助磨削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)會(huì)使磨粒軌跡疊加，能減少纖維斷裂和基體脫落現(xiàn)象。為了探究超聲振動(dòng)輔助磨削和普通磨削對(duì)碳纖維陶瓷基復(fù)合材料去除機(jī)理的區(qū)別，康仁科等［58］進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助磨削SiCf/SiC 復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)，如圖13所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)普通磨削加工后，材料表面存在纖維階梯狀斷裂、凹槽及折斷的纖維；而超聲輔助磨削中，脫離陶瓷基體的纖維被完全去除，纖維剝落減少，陶瓷基體中不存在剝落凹槽，其表面質(zhì)量提高，同時(shí)，在超聲輔助磨削中，振幅增大時(shí)，超聲沖擊作用變大，纖維束的階梯狀脆性斷裂邊界曲線變得更加明顯。

圖13 SiCf/SiC復(fù)合材料磨削的去除過程［58］Fig.13 The grinding removal process of SiCf/SiC composites［58］

綜上所述，單顆磨粒磨削、砂輪磨削和超聲輔助磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的去除方式主要是基體和碳纖維的斷裂破碎，但經(jīng)過超聲振動(dòng)輔助磨削后的去除方式是以短纖維破碎的形式去除；單顆磨粒磨削碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的界面損傷形式包括纖維斷裂和分層、SiC 基體微裂紋以及界面層失粘等，但碳纖維陶瓷基復(fù)合材料經(jīng)過砂輪磨削后界面的損傷形式通常是界面脫粘、纖維磨損、基體裂紋、纖維拔出和纖維露頭等共存。

4 結(jié)語

目前，關(guān)于碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的磨削加工主要集中在磨削力、表面質(zhì)量以及磨削機(jī)理方面，主要得到以下結(jié)論：

（1）與磨削勻質(zhì)材料相比，磨削加工參數(shù)對(duì)碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削加工的磨削力、表面質(zhì)量的影響大致相似；

（2）磨削方向與纖維方向的夾角是碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削加工的磨削力、表面質(zhì)量等變化的重要因素，磨削加工時(shí)需重點(diǎn)考慮磨削方向?qū)δハ餍Ч挠绊懀?/p>

（3）超聲振動(dòng)輔助磨削是碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削加工的一種重要手段，它可以有效降低磨削力、表面粗糙度和纖維破碎等情況；

（4）碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削時(shí)去除方式主要是基體和碳纖維的斷裂破碎；超聲振動(dòng)輔助磨削以短纖維破碎去除為主；碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的界面損傷形式包括纖維斷裂和分層、SiC 基體微裂紋、界面層失粘、纖維磨損、纖維拔出和纖維露頭等。

雖然，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的磨削加工已經(jīng)開展了一定階段的研究進(jìn)展，但是還存在以下需要進(jìn)一步深入研究的方面：

（1）針對(duì)碳纖維陶瓷基復(fù)合材料獨(dú)特的特性，研究具有針對(duì)性的專用砂輪、磨削液等來提高磨削后的表面質(zhì)量；

（2）目前，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削加工后的表面多以破碎、分層和纖維拔出等不穩(wěn)定的去除特征為主，碳纖維陶瓷基復(fù)合材料精密磨削甚至塑性域磨削的研究有待開展；

（3）熱量在碳纖維復(fù)合材料中主要沿著纖維方向傳遞，并影響其加工性能和服役性能，而關(guān)于碳纖維陶瓷基復(fù)合材料磨削過程中的磨削熱對(duì)工件性能和表面質(zhì)量的影響機(jī)理等研究有待開展；

（4）碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的磨削加工多針對(duì)平面磨削的磨削力、表面質(zhì)量和磨削機(jī)理研究，而關(guān)于其型孔、自由曲面、溝槽等特征表面的研究較少；

（5）碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的輔助磨削加工主要采用超聲振動(dòng)輔助磨削，可探究其他復(fù)合加工方法，如激光輔助磨削、電火花輔助磨削等，以實(shí)現(xiàn)碳纖維陶瓷基復(fù)合材料的高效、精密加工。