基于響應(yīng)曲面法的C/SiC磨削表面質(zhì)量預(yù)測

朱傳敏 庾貽清 陳 旭 葉子程

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.西安鑫垚陶瓷復(fù)合材料股份有限公司，西安 710000；3.長春工程學(xué)院，長春 130012）

碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料（C/SiC）具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕以及耐磨性好等特點(diǎn)[1]，可用于制造剎車盤、反射鏡、航天器襟翼及火箭發(fā)動機(jī)噴嘴等，在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[2-4]。C/SiC的制備方法有化學(xué)氣相滲透法、熱壓燒結(jié)法及先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法等。制成的毛坯需進(jìn)一步機(jī)械加工才能制造出符合尺寸和精度要求的材料。由于C/SiC具有硬度高、脆性大和各向異性的特點(diǎn)，加工難度大，易產(chǎn)生凹坑、裂紋等缺陷。二維編織C/SiC結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大，車削、銑削難以達(dá)到高精度要求，但磨削加工表面質(zhì)量好，可實(shí)現(xiàn)二維編織C/SiC材料的精加工[5]。磨削表面質(zhì)量包括表面粗糙度、表面燒傷和表面殘余應(yīng)力，其中對表面粗糙度的研究較為普遍。對于二維編織復(fù)合材料復(fù)雜的表面形貌，線粗糙度Ra難以準(zhǔn)確反映表面質(zhì)量的真實(shí)狀況，目前眾多學(xué)者以面粗糙度Sa作為表面粗糙度評價(jià)指標(biāo)。屈碩碩等研究了單向C/SiC的磨削表面質(zhì)量[6]，通過極差分析指出磨削深度對表面質(zhì)量影響最大，根據(jù)磨削表面掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）圖像，揭示了單向C/SiC材料的磨削機(jī)理。LIU等使用錐頂角為90°的單金剛石磨粒開展劃擦實(shí)驗(yàn)[7]，研究磨削纖維角度對2D-C/C-SiC磨削力、表面形貌及表面粗糙度的影響，結(jié)果表明磨削纖維角度對磨削表面粗糙度Sa具有顯著影響，磨削纖維角度為45°時(shí)表面粗糙度Sa最大。YANG等人研究了單向和2.5DC/SiCs材料的磨削性能[8]，兩種材料的磨削表面質(zhì)量均以磨削深度影響為主，由于針刺纖維的存在，2.5D-C/SiCs亞表面損傷深度小于單向C/SiC，表面粗糙度小。

1 材料

研究所用2D-C/SiC復(fù)合材料由西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，采用化學(xué)氣相滲透工藝制備而成。具體的制備流程為先將T300-1K碳纖維束正交編織成炭布，然后疊層成平板，表面沉積PyC界面層，最后經(jīng)化學(xué)氣相滲透工藝沉積SiC基體[9]。材料屬性如表1所示。

表1 二維編織C/SiC復(fù)合材料屬性

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

研究在斯來福臨K-P36平面磨床上進(jìn)行，使用325#的樹脂基金剛石砂輪。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

利用Design-Expert軟件進(jìn)行3因素3水平磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)，通過開展不同工藝參數(shù)的磨削實(shí)驗(yàn)，研究各參數(shù)對磨削表面質(zhì)量的影響。磨削工藝參數(shù)如表2所示。其中，ap為磨削深度，用A表示；vs為砂輪線速度，用B表示；vw為進(jìn)給速度，用C表示。

表2 磨削工藝參數(shù)

3 磨削后材料表面粗糙度

表面粗糙度Sa使用BRUKER Contour GT光學(xué)表面輪廓儀進(jìn)行測量。在磨削后的表面隨機(jī)選取6個(gè)區(qū)域測量并將結(jié)果取平均值，結(jié)果如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)水平及表面粗糙度Sa

4 表面粗糙度Sa預(yù)測

2D-C/SiC復(fù)合材料由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且材料成分性能存在差異，磨削后表面形貌復(fù)雜?；诰€輪廓法評定的線粗糙度Ra已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映其表面粗糙度的真實(shí)狀況，而面粗糙度Sa是基于區(qū)域形貌評定的，反映了整個(gè)檢測區(qū)域的粗糙度平均值。因此，面粗糙度Sa比線粗糙度Ra更加適合用于評價(jià)2D-C/SiC的表面粗糙度。目前，關(guān)于2D-C/SiC復(fù)合材料磨削表面粗糙度的預(yù)測研究較少，沒有較為準(zhǔn)確的預(yù)測公式。本文基于響應(yīng)曲面法提出一種2D-C/SiC材料磨削表面粗糙度指標(biāo)Sa的預(yù)測方法，具體流程如圖1所示。

圖1 粗糙度Sa預(yù)測方法具體流程

為揭示各磨削參數(shù)對磨削表面粗糙度的影響差異，需對表面粗糙度評價(jià)指標(biāo)Sa進(jìn)行方差分析。由表4可知，各磨削參數(shù)中，磨削深度對2D-C/SiC磨削表面粗糙度的影響最大，其次是砂輪線速度，而進(jìn)給速度影響最小。

表4 方差分析

在Design-Expert軟件擬合的表面粗糙度Sa預(yù)測公式為

圖2～圖4為磨削工藝參數(shù)與表面粗糙度響應(yīng)曲面?？梢钥闯?，磨削深度越小，進(jìn)給速度越小，砂輪線速度越大表面粗糙度Sa越小。

圖2 ap=10 μm時(shí)，表面粗糙度Sa與vw-vs關(guān)系圖

圖3 vs=26 m·s-1時(shí)，表面粗糙度Sa與ap-vw關(guān)系圖

圖4 vw=4 m·min-1時(shí)，表面粗糙度Sa與ap-vs關(guān)系圖

磨削加工中不僅要考慮磨削表面質(zhì)量，還要保證一定的加工效率。材料去除率的計(jì)算公式為

式中：b為砂輪寬度，mm。

根據(jù)所得2D-Cf/SiC復(fù)合材料磨削表面粗糙度Sa預(yù)測公式，在研究的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，以材料去除率不小于30b為約束條件，得到最優(yōu)表面粗糙度Sa結(jié)果為0.392 μm，對應(yīng)的磨削工藝參數(shù)為ap=10.55 μm、vs=32 m·s-1、vw=2.84 m·min-1。按照優(yōu)化后的磨削工藝參數(shù)進(jìn)行磨削加工，測得磨削后工件表面粗糙度Sa=0.423 mm，與預(yù)測值的誤差為7.9%，說明預(yù)測公式與測得的實(shí)際粗糙度較為吻合。

5 結(jié)語

基于響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)磨削工藝參數(shù)3因素3水平實(shí)驗(yàn)，開展2D-C/SiC復(fù)合材料平面磨削實(shí)驗(yàn)，并檢測了磨削后材料的表面粗糙度Sa。使用Design-Expert軟件對表面粗糙度Sa檢測結(jié)果進(jìn)行擬合，得到了2D-C/SiC復(fù)合材料磨削表面粗糙度Sa預(yù)測公式。以磨削加工材料去除率為約束條件優(yōu)化磨削工藝參數(shù)，根據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)開展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果較為吻合。