引用本文:王奔, 唐家杰, 楚閎迪, 張棋. 砂輪種類及冷卻方式對(duì)SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料磨削質(zhì)量的影響[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2025, 45(2): 163-175.
WANG Ben, TANG Jiajie, CHU Hongdi, ZHANG Qi. Effect of grinding wheel type and cooling method on grinding quality of SiCf/SiC ceramic matrix composites[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2025, 45(2): 163-175.
doi:10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0008
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研究背景
SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料(CMC)是由碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基體構(gòu)成的高性能材料,兼具優(yōu)異的機(jī)械性能與熱化學(xué)穩(wěn)定性。其特性包括低密度、高比強(qiáng)度/剛度、耐磨損、抗熱震和良好的斷裂韌性,已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件。然而,該材料的各向異性和加工難度導(dǎo)致制造成本較高,制約了其工業(yè)化應(yīng)用。
針對(duì)加工難題,特種加工技術(shù)展現(xiàn)出潛力:電火花加工存在導(dǎo)電性差和材料去除率低的問(wèn)題;激光加工易產(chǎn)生熱損傷和幾何缺陷;超聲輔助加工雖能改善表面質(zhì)量,但受臨界速度限制且作用機(jī)制尚不明確。目前傳統(tǒng)磨削仍是主流工藝,相關(guān)研究已揭示材料去除機(jī)理:主要呈現(xiàn)脆性斷裂特征,具體形式包括基體破碎、纖維斷裂及界面脫粘等金剛石砂輪(特別是電鍍和燒結(jié)型)被證明是最佳加工工具,其中電鍍砂輪性價(jià)比突出,燒結(jié)砂輪則適用于高精度加工。本研究采用電鍍/燒結(jié)金剛石砂輪,通過(guò)正交試驗(yàn)系統(tǒng)探究干式與水冷卻磨削對(duì)SiCf/SiC加工質(zhì)量的影響,為解決該材料精密加工難題提供新依據(jù)。
研究摘要
SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料由于其耐高溫和高比強(qiáng)度的特性,已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)用先進(jìn)材料之一。然而,作為一種難加工的硬脆材料,提高其加工質(zhì)量和效率是當(dāng)前研究的關(guān)鍵問(wèn)題。采用電鍍和燒結(jié)金剛石砂輪,在有無(wú)冷卻液的條件下進(jìn)行正交磨削試驗(yàn),以磨削力、工件表面粗糙度和砂輪磨損程度為評(píng)價(jià)指標(biāo),探究不同砂輪種類及冷卻方式對(duì)SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料磨削加工質(zhì)量的影響。
結(jié)果表明:采用燒結(jié)金剛石砂輪磨削加工復(fù)合材料可得到更好的表面質(zhì)量和較低的磨削力,同時(shí)采用冷卻液輔助磨削會(huì)降低工件表面粗糙度;由于電鍍金剛石砂輪在受到較大磨削力時(shí)其金剛石磨粒更易出現(xiàn)成片剝落現(xiàn)象,其使用結(jié)果與燒結(jié)金剛石砂輪的相反,且電鍍金剛石砂輪的磨損形式除磨粒損耗外還包括磨粒的燒傷、脫落等。當(dāng)粗加工SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料時(shí),應(yīng)在干式磨削條件下使用電鍍金剛石砂輪,并選取高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給速度及較小磨削深度的磨削參數(shù);當(dāng)精加工SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料時(shí),應(yīng)采用燒結(jié)金剛石砂輪,并采用水冷輔助方式來(lái)顯著提高工件加工表面質(zhì)量。
研究結(jié)論
本研究系統(tǒng)考察了電鍍與燒結(jié)金剛石砂輪對(duì)SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的磨削性能,結(jié)果表明:燒結(jié)砂輪具有更小的磨削力和更高的磨削力比,能獲得更優(yōu)的表面質(zhì)量,而電鍍砂輪在水冷條件下會(huì)增大表面粗糙度;砂輪磨損分析顯示電鍍砂輪主要表現(xiàn)為磨粒脫落和鍍層剝落,燒結(jié)砂輪則以磨粒損耗為主;基于加工需求,建議粗加工采用電鍍砂輪干式磨削(高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給、小切深),精加工選用燒結(jié)砂輪輔以水冷,為SiCf/SiC復(fù)合材料的精密加工提供了工藝優(yōu)化方案。
部分圖表