戴檳，李曉舟，許金凱，王晶東，陳廣俊，王茂旬，王深

振幅對(duì)超聲輔助磨削C/SiC復(fù)合材料表面形貌的影響

戴檳，李曉舟，許金凱，王晶東，陳廣俊，王茂旬，王深

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 跨尺度微納制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130012）

通過(guò)超聲振動(dòng)輔助磨削加工技術(shù)加工C/SiC復(fù)合材料可以改變材料的去除方式，通過(guò)改變超聲振幅能夠提高材料去除率并獲得較好的表面質(zhì)量，從而成為C/SiC復(fù)合材料的新型加工方式。采用超聲輔助磨削技術(shù)對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行加工，通過(guò)改變超聲振幅，觀察C/SiC復(fù)合材料在不同切削角度下的纖維去除機(jī)理、纖維斷裂形式，測(cè)量不同切削角度下工件表面粗糙度a。磨削過(guò)程中C/SiC復(fù)合材料的去除方式以脆性去除為主，纖維損傷形式以纖維斷裂、纖維破碎為主。增大超聲振幅后，纖維斷裂形式增大并伴隨出現(xiàn)基體破碎現(xiàn)象。隨著超聲振幅的增大，不同切削角度（0°、45°、90°、135°）下測(cè)得的表面粗糙度a顯著減小，降低約15%～41%。由于超聲振動(dòng)的作用，C/SiC復(fù)合材料在不同切削角度（0°、45°、90°、135°）下的材料去除方式發(fā)生改變，相比于常規(guī)磨削的纖維斷裂形式，施加超聲振動(dòng)后，磨削過(guò)程中產(chǎn)生的纖維折斷和基體破碎被去除，在提高材料去除率的同時(shí)，表面質(zhì)量明顯提高。隨著超聲振幅的增大，不同切削角度（0°、45°、90°、135°）下的表面粗糙度a都減小，且減小程度也不同，減小程度由大到小的順序?yàn)?5°>135°>90° >0°。

C/SiC復(fù)合材料；超聲輔助加工；表面質(zhì)量；表面粗糙度

C/SiC復(fù)合材料是一種新型復(fù)合材料，既克服了單向陶瓷材料敏感性高、韌性低、可靠性差的缺點(diǎn)，又具備高強(qiáng)度、高硬度、低密度、優(yōu)異的耐磨性、良好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗氧化性等性能[1-3]。C/SiC復(fù)合材料被認(rèn)為是眾多高溫工程應(yīng)用中最有前途的材料，包括空間推進(jìn)系統(tǒng)、航空航天熱保護(hù)結(jié)構(gòu)、高性能摩擦系統(tǒng)和用于金屬熱處理的充電裝置[4-5]。

由于C/SiC復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，普遍認(rèn)為C/SiC復(fù)合材料的主要材料去除方式以脆性斷裂去除為主。在加工過(guò)程中容易發(fā)生纖維破碎、纖維脫黏、基體脫落等加工損傷，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量差[6-7]。

磨削加工是獲得高尺寸精度和表面質(zhì)量最通用的加工工藝，也是加工C/SiC復(fù)合材料必不可少的加工方式[8]。然而，由于C/SiC復(fù)合材料的復(fù)雜性，常規(guī)磨削時(shí)，容易在材料表面產(chǎn)生凹坑、毛刺等缺陷，嚴(yán)重制約了加工質(zhì)量與加工效率。超聲輔助磨削技術(shù)是將普通磨削加工與超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)制造方法，與常規(guī)磨削相比，在加工硬脆材料時(shí)，超聲輔助磨削技術(shù)可以改變材料的去除方式，提高材料去除率，減少表面缺陷，被認(rèn)為是一種有效的加工硬脆材料的方法[9-11]。因此，研究C/SiC復(fù)合材料的超聲振動(dòng)輔助磨削機(jī)理，對(duì)提高C/SiC復(fù)合材料的加工質(zhì)量與加工效率至關(guān)重要[12-14]。

近年來(lái)，研究人員對(duì)C/SiC復(fù)合材料的超聲輔助磨削進(jìn)行了大量研究并取得了一定的成果。Uhlman等[15]對(duì)超聲輔助磨削先進(jìn)陶瓷的加工表面機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于施加超聲振動(dòng)，材料的去除率大大提高，且不會(huì)對(duì)工件表層造成損傷。Lu等[16]通過(guò)超聲輔助磨削試驗(yàn)，對(duì)材料的去除機(jī)理、工件表面形貌、工件材料的表面粗糙度等進(jìn)行了一系列研究，結(jié)果顯示，超聲的高頻振動(dòng)大大提高了磨削效率與工件質(zhì)量。

針對(duì)材料不同切削角度的加工特性，Koplev等[17]對(duì)材料的不同切削角度進(jìn)行磨削加工，得出纖維取向是影響工件加工表面質(zhì)量的重要因素。Madhavan等[18]認(rèn)為纖維方向角的變化對(duì)磨削碳纖維復(fù)合材料表面質(zhì)量有重要影響，證實(shí)了切削角度為0°和90°時(shí)工件纖維的斷裂方式不同，而且不同切削角度的表面質(zhì)量有所差異。

Tashiro等[19]研究了在常規(guī)磨削和超聲輔助磨削下C/SiC復(fù)合材料的表面形貌，并測(cè)量了表面粗糙度的值，得出與普通磨削相比，超聲輔助磨削加工的工件表面質(zhì)量更好，測(cè)量的表面粗糙度值也明顯減小。Khoran等[20]對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了超聲輔助磨削和普通磨削的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，與普通磨削相比，超聲輔助磨削使表面粗糙度降低30%。

綜上所述，超聲輔助磨削C/SiC復(fù)合材料是一種有效的加工手段，通過(guò)改變材料去除方式可以明顯提高材料去除率，降低表面粗糙度。Chen等[21]研究了超聲振幅對(duì)C/SiC復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響，得出了與常規(guī)磨削相比，超聲輔助磨削能夠降低工件表面粗糙度，有效提高加工表面質(zhì)量，并且超聲輔助磨削技術(shù)對(duì)提高加工表面質(zhì)量的影響隨著振幅的增加而增加。然而，目前針對(duì)超聲振動(dòng)磨削C/SiC復(fù)合材料的研究大多集中于加工參數(shù)（磨削速度、深度等）對(duì)加工質(zhì)量的影響以及加工工藝優(yōu)化等方面，針對(duì)超聲振幅對(duì)C/SiC復(fù)合材料去除特性影響的研究較少。

本文結(jié)合理論分析與試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)，研究不同超聲振幅下磨粒對(duì)不同切削角度材料的去除機(jī)理與纖維斷裂方式的影響，并分析了表面微觀形貌以及振幅對(duì)表面粗糙度a的影響規(guī)律。

1 超聲振動(dòng)輔助磨削不同切削角度下纖維的斷裂機(jī)理分析

1.1 超聲振幅對(duì)材料去除方式分析

與常規(guī)磨削相比，超聲輔助磨削加工中磨粒具有更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。常規(guī)磨削時(shí)，磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線，而在超聲輔助磨削加工過(guò)程中，由于超聲振動(dòng)的作用，刀具上磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡為正弦曲線[22]。常規(guī)磨削過(guò)程中磨粒的軌跡方程見式（1），超聲輔助磨削過(guò)程中磨粒的軌跡方程見式（2）。

式中：為時(shí)間，s；為刀具半徑，mm；為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；為超聲振幅，mm；為超聲振動(dòng)頻率，Hz。

刀具上的金剛石磨粒同時(shí)以高轉(zhuǎn)速高頻率振動(dòng)，也就是說(shuō)，超聲輔助去除過(guò)程不僅僅是在某一點(diǎn)發(fā)生，而是在磨粒的整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡上發(fā)生。常規(guī)磨削和超聲輔助磨削過(guò)程中磨粒的磨削軌跡示意圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，相同時(shí)間內(nèi)，單顆磨粒在超聲輔助磨削過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡要比常規(guī)磨削下的運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)。同時(shí)，相鄰磨粒之間還會(huì)形成一種軌跡疊加機(jī)制，從而有利于材料的去除，降低工件表面粗糙度，提升工件表面質(zhì)量。

如圖2所示，由于超聲振動(dòng)的作用，在加工過(guò)程中，刀具上的金剛石磨粒與工件間歇性接觸。因此，工件被磨粒周期性地?cái)D壓破碎，切除的碎屑隨著刀具的運(yùn)動(dòng)而被去除。如圖2中的Ⅰ所示，當(dāng)金剛石磨粒切入工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形區(qū)，該區(qū)隨著金剛石磨粒的深入而擴(kuò)展。因此，每個(gè)金剛石磨粒下方都會(huì)出現(xiàn)徑向裂紋。由圖2中的Ⅱ、Ⅲ所示，隨著金剛石磨粒切出，徑向裂紋將閉合，同時(shí)出現(xiàn)橫向裂紋，橫向裂紋將擴(kuò)散并相互影響，最終導(dǎo)致材料以脆性斷裂的方式去除。

結(jié)合磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和超聲輔助磨削對(duì)材料的去除，可以獲得C/SiC復(fù)合材料的去除過(guò)程。在該過(guò)程中，磨粒的運(yùn)動(dòng)包括接觸階段和分離階段，并且這2個(gè)階段是交替進(jìn)行的。磨粒僅在與工件接觸時(shí)才起切削作用。圖3是金剛石磨粒沿超聲加工軌跡的移動(dòng)過(guò)程。

圖1 超聲輔助磨削加工與常規(guī)磨削加工單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖2 超聲輔助加工硬脆材料的去除模型

圖3 單顆磨粒切削過(guò)程

結(jié)合磨粒的運(yùn)動(dòng)和超聲輔助加工去除材料的方式，可以得到C/SiC復(fù)合材料的去除過(guò)程，磨粒只有在與工件接觸時(shí)才起切削作用，在該加工過(guò)程中，磨粒的運(yùn)動(dòng)包括進(jìn)入階段和分離階段，這2個(gè)階段交替進(jìn)行。如圖3所示，當(dāng)磨粒剛剛開始與工件表面接觸時(shí)，刀具切入材料的深度相對(duì)較小，材料開始被刮擦和變形。當(dāng)磨粒進(jìn)入接觸階段時(shí)，隨著磨粒的運(yùn)動(dòng)，磨粒的滲透變得更深，這時(shí)工件在金剛石磨粒的作用下會(huì)產(chǎn)生徑向裂紋，隨著磨粒繼續(xù)向前滑動(dòng)，橫向裂紋將出現(xiàn)，隨著磨粒的不斷運(yùn)動(dòng)，橫向裂紋不斷地產(chǎn)生、擴(kuò)展、相互疊加，最終橫向裂紋上方的材料隨著磨粒的運(yùn)動(dòng)從工件脫落。當(dāng)磨粒從工件中切出時(shí)，接觸階段完成，分離階段開始。在分離階段，磨粒將不再與材料接觸，此時(shí)切屑隨著刀具與材料的分離而去除。分離階段完成后，磨粒將再次進(jìn)入接觸階段，重復(fù)此過(guò)程。

1.2 纖維切削角度定義

C/SiC復(fù)合材料的磨削表面質(zhì)量不僅與磨削參數(shù)有關(guān)，而且與材料的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于C/SiC復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，切削角度嚴(yán)重影響其斷裂形式，不同切削角度下纖維的斷裂形式有很大差異，工件表面形貌也不同。如圖4所示，表示纖維與磨粒切削方向的夾角。

圖4 纖維切削角度的表示

2 試驗(yàn)

2.1 材料及加工設(shè)備

試驗(yàn)材料選用C/SiC復(fù)合材料，磨削樣件的尺寸為5 mm×5 mm×3 mm。由于材料各向異性的特點(diǎn)，樣件材料由中走絲線切割設(shè)備分別加工成如圖5a（表面包括0°纖維層、90°纖維層、短纖維層以及針刺纖維）和圖5b（表面包括45°纖維層、135°纖維層、短纖維層以及針刺纖維）所示的樣件。從圖5中可觀察到材料表面的纖維與基體間存在大量的空隙，這進(jìn)一步加劇了材料的復(fù)雜性和不均勻性。

試驗(yàn)裝置及磨削示意圖如圖6所示。文中的超聲加工系統(tǒng)由超聲電源、換能器、變幅桿和切削刀具組成，可以通過(guò)CNC軟件控制主軸沿、、軸移動(dòng)。換能器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并傳遞給變幅桿使工件產(chǎn)生微振動(dòng)。由超聲電源提供振動(dòng)，振動(dòng)頻率為20 kHz，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸出功率來(lái)調(diào)節(jié)振幅，可調(diào)節(jié)振幅范圍為0～12 μm。

圖5 C/SiC復(fù)合材料

圖6 試驗(yàn)裝置及磨削示意圖

2.2 方案

為了研究超聲振幅對(duì)C/SiC復(fù)合材料表面加工質(zhì)量的影響，采用單因素試驗(yàn)法，通過(guò)改變超聲振幅對(duì)不同切削角度（0°、45°、90°、135°）的樣件進(jìn)行磨削加工，觀察不同切削角度下的纖維斷裂形式、材料去除機(jī)理以及表面粗糙度a。利用掃描電子顯微鏡觀察纖維表面形貌，使用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量工件表面粗糙度a。測(cè)量表面粗糙度a時(shí)，每個(gè)磨削表面選取3個(gè)測(cè)量區(qū)域，計(jì)算3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為該磨削平面的表面粗糙度a值。磨削過(guò)程為干式切削。按照表1給定的工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

Tab.1 Experimental parameters

3 結(jié)果與討論

3.1 振幅對(duì)不同切削角度下表面形貌的影響

圖7是不同振幅時(shí)0°切削角度下的纖維形貌。從圖7a中可以看出，常規(guī)磨削獲得的纖維形貌中，在磨粒切削的作用下，部分纖維脫黏并從基體分離，復(fù)合材料加工表面形成明顯的凹坑。這是由于纖維在磨粒的擠壓下發(fā)生彎折斷裂，使纖維以彎曲失效的方式沿著纖維方向發(fā)生斷裂去除。纖維斷裂示意圖如圖8a所示。施加超聲振動(dòng)后，當(dāng)振幅增大到3 μm時(shí)，如圖7b所示，可以看出工件表面的纖維破碎增多，并出現(xiàn)基體破碎的現(xiàn)象。這是由于工件上附加了超聲振動(dòng)，刀具對(duì)工件所產(chǎn)生的沖擊作用可以迅速將纖維切斷，纖維呈現(xiàn)出破碎現(xiàn)象，纖維斷裂形貌呈現(xiàn)出不規(guī)則的斷口，纖維斷裂方式如圖8b所示。從圖7c—d中可以看出，隨著振幅增大到6 μm和9 μm，纖維和基體會(huì)因?yàn)槟チ５臎_擊作用而呈現(xiàn)出更多的折斷和破碎現(xiàn)象，這有利于刀具對(duì)材料的去除。纖維斷裂示意圖如圖8c所示。

圖9是不同振幅時(shí)90°切削角度下的纖維形貌。常規(guī)磨削時(shí)，如圖9a所示，C/SiC復(fù)合材料的去除方式以脆性斷裂去除為主，纖維斷口高低不平，材料基體破碎嚴(yán)重，而且部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)基體脫落現(xiàn)象。這是由于纖維沿著切削方向發(fā)生橫向剪切折斷，并伴隨著基體破碎，纖維斷裂示意圖如圖10a所示。當(dāng)振幅增大到3 μm時(shí)，如圖9b所示，施加超聲振動(dòng)后，纖維沿切削方向發(fā)生橫向截?cái)?，并出現(xiàn)少量基體破碎的現(xiàn)象。由于超聲振動(dòng)的作用，材料去除率提高，獲得的表面形貌平整。纖維斷裂示意圖如圖10b所示。如圖9c—d所示，隨著超聲振幅的增大，纖維斷口更加整齊，基體脫落現(xiàn)象明顯減少，材料去除方式主要表現(xiàn)為基體破碎去除為主。纖維斷裂示意圖如圖10b—c所示。

圖7 不同振幅時(shí)0°切削角度下的纖維形貌

圖8 0°切削角度下的纖維斷裂示意圖

圖9 不同振幅時(shí)90°切削角度下的纖維形貌

圖10 90°切削角度下的纖維斷裂示意圖

圖11是不同振幅時(shí)45°切削角度下的纖維表面形貌。從圖11a中可以看出，在常規(guī)磨削獲得的纖維形貌中，45°切削角度下工件表面呈現(xiàn)出與切削方向相同角度的高低不平的斷面，纖維斷面高低不平，出現(xiàn)纖維拔出的現(xiàn)象，基體破碎嚴(yán)重，表面形貌相對(duì)比較粗糙，纖維斷裂示意圖如圖12a所示。

從圖11b可以看出，當(dāng)振幅增大到3 μm時(shí)，由于施加了超聲振動(dòng)，磨粒對(duì)工件的沖擊作用導(dǎo)致纖維與基體出現(xiàn)明顯的破碎現(xiàn)象，材料表面出現(xiàn)高低不平的纖維斷口，纖維斷裂示意圖如圖12b所示。從圖11c—d中可以看出，隨著超聲振幅的增大，纖維折斷和基體破碎現(xiàn)象更明顯，但是由于超聲振動(dòng)的作用，材料表面殘留的基體破碎減少，材料去除率明顯提高，當(dāng)振幅達(dá)到9 μm時(shí)表面最平整，纖維斷裂示意圖如圖12b—c所示。

圖13是不同振幅時(shí)135°切削角度下的纖維表面形貌。從圖13a中可以看出，135°切削角度下纖維受磨粒強(qiáng)烈的擠壓彎曲而折斷，表面形貌與45°切削角度下的纖維形貌類似，表面留有大量的纖維與基體碎屑，而且出現(xiàn)纖維拔出的現(xiàn)象，表面不平整，纖維斷裂示意圖如圖14a所示。

從圖13b可以看出，當(dāng)超聲振幅增大到3 μm時(shí)，纖維仍然會(huì)出現(xiàn)反向彎曲狀態(tài)，但是由于施加了超聲振動(dòng)，磨粒對(duì)工件的沖擊作用導(dǎo)致纖維與基體出現(xiàn)微破碎，工件表面較常規(guī)磨削時(shí)有所提高，纖維斷口不平整，出現(xiàn)少量纖維拔出現(xiàn)象，纖維斷裂示意圖如圖14b所示。從圖13c和圖13d中可以看出，隨著超聲振幅的增大，纖維和基體破碎減小，由于超聲振動(dòng)的作用，材料去除率明顯提高，當(dāng)振幅達(dá)到9 μm時(shí)工件表面相對(duì)平整，纖維斷裂示意圖如圖14b和圖14c所示。

圖11 不同振幅時(shí)45°切削角度下的纖維形貌

圖12 45°切削角度下的纖維斷裂示意圖

圖13 不同振幅時(shí)135°切削角度下的纖維形貌

圖14 135°切削角度下的纖維斷裂示意圖

綜合上述，通過(guò)觀察不同切削角度工件表面形貌可以發(fā)現(xiàn)，C/SiC復(fù)合材料的超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中，材料整體去除方式表現(xiàn)為脆性去除，是纖維拉斷、纖維剝離及橫向斷裂、基體壓潰破碎去除方式的結(jié)合，常規(guī)磨削加工時(shí)工件表面形貌最粗糙，由于超聲振動(dòng)的作用，隨著超聲振幅的增大，材料去除率不斷提高，工件表面纖維折斷和基體破碎被去除，表面更平整。通過(guò)不同切削角度的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，90°切削角度下的表面更平整，135°切削角度下的工件表面最粗糙，這是因?yàn)椴煌邢鹘嵌鹊睦w維斷裂方式不同，這也是造成不同切削角度下表面差異的重要體現(xiàn)。

3.2 超聲振幅對(duì)表面粗糙度（Sa）的影響

圖15是在激光共聚焦顯微鏡下觀察的不同振幅時(shí)0°切削角度下的纖維表面形貌。從0°切削角度下可以看到一束束纖維橫向排列，常規(guī)磨削時(shí)纖維分布無(wú)序，由于纖維的斷裂形式是橫向彎折破碎，工件表面殘留大量的纖維碎屑，工件表面不平整。當(dāng)超聲振幅增加到3 μm時(shí)，由于超聲振動(dòng)的作用導(dǎo)致纖維折斷產(chǎn)生的碎屑被去除，纖維表面凹坑逐漸減少。當(dāng)超聲振幅從3 μm增加到9 μm時(shí)，纖維表面逐漸變得規(guī)整，并且表面微觀形態(tài)趨于水平。

如圖16所示，常規(guī)磨削時(shí)45°切削角度下的纖維發(fā)生橫向彎曲折斷，磨削加工后纖維斷裂和基體破碎的碎屑涂覆在工件表面，造成工件表面不平整。而隨著超聲振幅增大至3 μm時(shí)，由于超聲振動(dòng)的作用，纖維斷裂和基體破碎的碎屑被去除，工件表面質(zhì)量明顯提高，表面粗糙度a隨之降低。當(dāng)振幅增大到9 μm時(shí)，纖維斷裂和基體碎屑幾乎都被去除，此時(shí)表面質(zhì)量達(dá)到最佳。

圖15 0°切削角度下的纖維形貌

圖16 45°切削角度下的纖維形貌

如圖17所示，當(dāng)切削角度為90°、常規(guī)磨削時(shí)，由于C/SiC復(fù)合材料的纖維斷裂形式為橫向剪切截?cái)?，切削過(guò)程中產(chǎn)生的纖維碎屑與基體破碎涂覆于工件表面，導(dǎo)致表面不規(guī)整。當(dāng)超聲振幅增大到3 μm時(shí)，由于超聲振動(dòng)的作用，纖維碎屑被去除，但是仍有少量纖維留在工件表面，表面形貌略顯平坦。當(dāng)超聲振幅從3 μm增加到9 μm時(shí)，纖維表面逐漸變得規(guī)則，已加工表面由于超聲振動(dòng)的作用，纖維破碎產(chǎn)生的切屑被去除，工件表面趨于水平。在常規(guī)磨削加工之后，纖維斷裂和基體破碎黏附到工件表面。在加工過(guò)程中，纖維被拔出和折斷，但是隨著振幅的增加，纖維斷裂和基體碎屑被去除，工件表面相對(duì)平坦。

如圖18所示，常規(guī)磨削時(shí)135°切削角度下的纖維沿著切削方向反向彎曲折斷，脫落的纖維和基體碎屑黏結(jié)在刀具上，造成加工表面質(zhì)量較差，表面粗糙度值較高。而隨著超聲振幅增大至3 μm時(shí)，超聲振動(dòng)有利于纖維破碎和基體碎屑的去除，表面質(zhì)量有所提高。當(dāng)超聲振幅從3 μm增加到9 μm時(shí)，纖維表面逐漸變得平整，并且表面微觀形態(tài)趨于水平。

圖19顯示了在激光共聚焦顯微鏡下測(cè)得的隨著超聲振幅的增大，不同切削角度下的表面粗糙度a值。從圖19中可以看出，當(dāng)超聲振幅從0 μm增加到9 μm時(shí)，不同切削角度下的表面粗糙度a都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

與常規(guī)磨削相比，當(dāng)振幅從0 μm增加到9 μm時(shí)，不同切削角度下的表面粗糙度a均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。不同切削角度對(duì)表面粗糙度a的影響有所不同，影響大小的順序?yàn)?5°>135°>90°>0°。與其他切削角度相比，45°切削角度下的表面粗糙度a下降最明顯，降低約41%，其次是135°切削角度，下降約34%。這是由于不同切削角度下的纖維斷裂形式不同，45°切削角度下的纖維斷裂是在切削平面以上纖維發(fā)生橫向剪切斷裂，切屑會(huì)出現(xiàn)在切削平面以下，而相比于45°切削角度，135°切削角度下的切屑出現(xiàn)在切削平面以上，更利于材料的去除，表面粗糙度a也隨之減小。而90°與0°切削角度下的纖維斷裂形式為纖維橫向截?cái)嗪屠w維連續(xù)彎折破碎，切屑均出現(xiàn)在切削平面以上，切屑沿著切削方向被去除，所以表面粗糙度a降低較小，90°切削角度下的表面粗糙度降低約19%，0°切削角度下的表面粗糙度降低約15%。

圖17 90°切削角度下的纖維形貌

圖18 135°切削角度下的纖維形貌

圖19 不同切削角度下的表面粗糙度Sa

4 結(jié)論

1）超聲振動(dòng)輔助磨削C/SiC復(fù)合材料可以改變材料不同切削角度（0°、45°、90°、135°）下纖維的斷裂方式和去除形式。相比于常規(guī)磨削的纖維斷裂形式，施加超聲振動(dòng)后，磨削過(guò)程中產(chǎn)生的纖維折斷和基體破碎被去除，表面質(zhì)量提高。隨著超聲振幅的增大，纖維損傷減小，材料的去除方式主要以基體破碎去除為主，材料去除率提高，工件表面趨于平整。

2）試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著超聲振幅的增大，不同切削角度（0°、45°、90°、135°）下的表面粗糙度a都減小，不同切削角度下a的減小程度也不同，具體表現(xiàn)為45°>135°>90°>0°。切削角度為0°時(shí)，與常規(guī)磨削相比，當(dāng)超聲振幅增大到3 μm時(shí)，表面粗糙度a降低約8%，隨著振幅的增大，表面粗糙度逐漸減小，但下降趨勢(shì)平緩。切削角度為45°時(shí)，與常規(guī)磨削相比，當(dāng)振幅增大到3 μm時(shí)，表面粗糙度a下降約20%；當(dāng)振幅增大到9 μm時(shí)，由于材料去除率的提高，表面粗糙度達(dá)到最小值，與常規(guī)磨削相比降低約41%。切削角度為90°時(shí)，表面粗糙度a隨著振幅的增大而減小，而且超聲振幅越大，表面粗糙度a的下降趨勢(shì)越明顯。切削角度為135°時(shí)，與常規(guī)磨削相比，當(dāng)振幅增大到3 μm時(shí)，表面粗糙度a下降了約19%；當(dāng)超聲振幅增大到9 μm時(shí)，表面粗糙度降低約34%。所以在保證要求的表面粗糙度前提下，采用增大超聲振幅的磨削加工方式，可以獲得較高的加工效率以及較好的工件表面質(zhì)量。

[1] WEI Xi, PAN Wei, CHENG Lai-fei, et al. Modeling the Effects of Reactor Inlet Configuration on Isothermal CVI Process of C/SiC Composites[J]. International Journal of Applied Ceramic Technology, 2007, 4(6): 578-584.

[2] DU Jin-guang, MING Wu-yi, MA Jun, et al. New Obser-vations of the Fiber Orientations Effect on Machinability in Grinding of C/SiC Ceramic Matrix Composite[J]. Cera-mics International, 2018, 44(12): 13916-13928.

[3] YIN X W, CHENG L F, ZHANG L T, et al. Fibre- Reinforced Multifunctional SiC Matrix Composite Mate-rials[J]. International Materials Reviews, 2017, 62(3): 117-172.

[4] CHRISTIN F. Design, Fabrication, and Application of Thermostructural Composites (TSC) Like C/C, C/SiC, and SiC/SiC Composites[J]. Advanced Engineering Mate-rials, 2002, 4(12): 903-912.

[5] KRENKEL W, BERNDT F. C/C-SiC Composites for Space Applications and Advanced Friction Systems[J]. Materials Science and Engineering: A, 2005, 412(1-2): 177-181.

[6] NAKAI M E, AGUIAR P R, GUILLARDI H Jr, et al. Evaluation of Neural Models Applied to the Estimation of Tool Wear in the Grinding of Advanced Ceramics[J]. Ex-pert Systems With Applications, 2015, 42(20): 7026-7035.

[7] EGASHIRA Y, KOSAKA K, ENDO T, et al. Develop-ment of nonresonant ultrasonic motor with sub-nanometer resolution[C]//2002 IEEE Ultrasonics Symposium, 2002. Munich: IEEE, 2002: 637-640.

[8] PERVEEN A, RAHMAN M, WONG Y S. Modeling and Simulation of Cutting Forces Generated during Vertical Micro-Grinding[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 71(9): 1539-1548.

[9] ZHANG Jian-xin, FAN Shang-wu, ZHANG Li-tong, et al. Microstructure and Frictional Properties of 3D Need-led C/SiC Brake Materials Modified with Gra-phite [J]. Trans-actions of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20(12): 2289-2293.

[10] LIU Xiao-chong, CHENG Lai-fei, ZHANG Li-tong, et al. Tensile Properties and Damage Evolution in a 3D C/SiC Composite at Cryogenic Temperatures[J]. Materials Sci-ence and Engineering: A, 2011, 528(25-26): 7524-7528.

[11] BAO Yong-jie, BI Ming-zhi, GAO Hang, et al. Effect of Fiber Directions on the Surface Quality of Milling C/SiC Composites[J]. Advanced Materials Research, 2013, 797: 196-201.

[12] 李征, 劉飛, 文振華. 磨削加工硬脆材料的延性域研究進(jìn)展[J]. 機(jī)床與液壓, 2021, 49(9): 177-181.

LI Zheng, LIU Fei, WEN Zhen-hua. Research Progress on Ductility Domain of Grinding Hard and Brittle Mate-rials[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2021, 49(9): 177- 181.

[13] 丁凱, 李奇林, 蘇宏華, 等. 硬脆材料超聲輔助磨削技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2020, 40(1): 5-14.

DING Kai, LI Qi-lin, SU Hong-hua, et al. Study Status and Future Prospects on Ultrasonic Assisted Grinding of Hard and Brittle Materials[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2020, 40(1): 5-14.

[14] 丁凱, 傅玉燦, 蘇宏華, 等. C/SiC復(fù)合材料磨削的表面/亞表面損傷[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2014, 34(4): 36-40, 45.

DING Kai, FU Yu-can, SU Hong-hua, et al. Surface/ Subsurface Damage in C/SiC Composites Grinding[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2014, 34(4): 36-40, 45.

[15] UHLMANN E, SPUR G. Surface Formation in Creep Feed Grinding of Advanced Ceramics with and without Ultrasonic Assistance[J]. CIRP Annals, 1998, 47(1): 249- 252.

[16] LU Yi-lin, YUAN Song-mei, CHEN Yun-xia. A Cutting Force Model Based on Kinematic Analysis in Longitu-dinal and Torsional Ultrasonic Vibration Drilling[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Techno-logy, 2019, 104(1): 631-643.

[17] KOPLEV A, LYSTRUP A, VORM T. The Cutting Pro-cess, Chips, and Cutting Forces in Machining CFRP[J]. Composites, 1983, 14(4): 371-376.

[18] MADHAVAN V, LIPCZYNSKI G, LANE B, et al. Fiber Orientation Angle Effects in Machining of Unidirectional CFRP Laminated Composites[J]. Journal of Manufactu-ring Processes, 2015, 20: 431-442.

[19] TASHIRO T, FUJIWARA J, TAKENAKA Y. Grinding of C/C-SiC Composite in Dry Method[M]. London: Sprin-ger, 2006: 351-352.

[20] KHORAN M, AZARHOUSHANG B, DANESHI A. Experimental Study of Single Grit Scratch Test on Carbon Fiber-Reinforced Polyether Ether Ketone[J]. Production Engineering, 2021, 15(5): 751-759.

[21] CHEN Jie, AN Qing-long, MING Wei-wei, et al. Investi-gation on Machined Surface Quality in Ultrasonic- Assisted Grinding of Cf/SiC Composites Based on Frac-ture Mechanism of Carbon Fibers[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 109(5): 1583-1599.

[22] 王艷鳳. 超聲輔助單顆磨粒高速磨削試驗(yàn)研究[D]. 焦作: 河南理工大學(xué), 2015.

WANG Yan-feng. The Experimental Study on High Speed Grinding of the Single Grain with Ultrasonic-Assisted[D]. Jiaozuo: Henan Polytechnic University, 2015.

Amplitude Effect on Surface Morphology by Ultrasonic-assisted Grinding of C/SiC Composite

,,,,,,

(Ministry of Education Key Laboratory for Cross-Scale Micro and Nano Manufacturing, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130012, China)

The machining of C/SiC composite is one of the most challenging problems in mechanical machining. Conventional machining methods for machining C/SiC composites may lead to difficulty to remove the chips, the surface of poor quality characteristics, machining accuracy is difficult to guarantee. By ultrasonic vibration assisted grinding machining technology C/SiC composite material removal mode may be varied by adjusting the ultrasonic amplitude, material removal rate can be increased, a better surface quality can be obtained, thus becoming the new processing C/SiC Composites the way.In this paper, ultrasonic-assisted grinding technology is used to grind C/SiC composite. By adjusting the ultrasonic amplitude, the mode of material removal and the fiber damage, and the surface roughnessaof the workpiece are measured at different cutting angles. The result shows: In the machining process, the C/SiC composite is removed mainly by brittleness, and the fiber is damaged in the mode of fiber fracture and fiber fragmentation. As the ultrasonic amplitude is increased, the material removal rate is significantly increased, and the surface quality is improved，and the surface roughnessameasured at different cutting angles (0°, 45°, 90°, 135°) is significantly reduced, about 15% to 41%. Due to the effect of ultrasonic vibration, the material removal method of different fiber angles (0°, 45°, 90°, 135°) of C/SiC composite material has changed. Due to the effect of ultrasonic vibration, in the machining process, the fiber breakage and matrix fragmentation are removed. While the material removal rate is increased, the surface quality is significantly improved. With the increase of the ultrasonic amplitude, the surface roughnessaof different fiber cutting angles (0°, 45°, 90°, 135°) is correspondingly reduced, and the degree of reduction of the different fiber cutting angleais also different, specifically: 45°>135°>90°>0°.

C/SiC composite; ultrasonic-assisted machining; surface quality; surface roughness

tg506.7

A

1001-3660(2022)07-0263-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.026

2021–07–05；

2021–10–16

2021-07-05；

2021-10-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（U19A20103）；裝備預(yù)研項(xiàng)目（61409230115）；“111”引智基地（D17017）

Supported by National Natural Science Foundation of China (U19A20103); Fund for Equipment Pre-research (61409230115); the “111” Project of China (D17017)

戴檳（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒓{制造技術(shù)。

DAI Bin (1993-), Male, Postgraduate, Research focus: micro-nano manufacturing.

李曉舟（1962—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榫艹苤圃旒夹g(shù)。

LI Xiao-zhou (1962-), Male, Doctor, Professor, Research focus: precision ultra-precision manufacturing technology.

戴檳，李曉舟，許金凱，等. 振幅對(duì)超聲輔助磨削C/SiC復(fù)合材料表面形貌的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(7): 263-273.

DAI Bin, LI Xiao-zhou, XU Jin-kai, et al. Amplitude Effect on Surface Morphology by Ultrasonic-assisted Grinding of C/SiC Composite[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 263-273.

責(zé)任編輯：萬(wàn)長(zhǎng)清