2.5D Cf/SiC复合材料与SiC陶瓷微磨削性能对比试验研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230206

摘要/Abstract

摘要：

为探究2.5D C_f/SiC复合材料与SiC陶瓷的微尺度磨削过程，对比2种材料在同一工艺参数下表面显微形貌、表面粗糙度与磨削力的差异，并分析工艺参数变化对磨削性能评价参数的影响；采用直径为0.9 mm的500 #电镀金刚石微磨具对2种材料分别进行单因素微磨削试验.结果表明，2.5D C_f/SiC复合材料去除过程不同于SiC陶瓷，这是因为复合材料增强纤维的存在，有效抑制了微磨削过程中裂纹的扩展；在同一工艺参数下，2.5D C_f/SiC复合材料表面微观形貌较好、缺陷少、表面粗糙度小，而无纤维增强的SiC陶瓷表面微观形貌较差、缺陷多、表面粗糙度大；SiC陶瓷的平均磨削力大于2.5D C_f/SiC，并且在微磨削过程中，2.5D C_f/SiC的实时磨削力信号较平稳，而SiC陶瓷的实时磨削力信号存在尖刺.

关键词: 2.5D C_f/SiC复合材料, SiC陶瓷, 微磨削过程, 表面微观形貌, 表面粗糙度, 磨削力

Abstract:

In order to explore the micro‑grinding process of 2.5D C_f/SiC composites and SiC ceramics， the differences of surface morphology， surface roughness and grinding force between the two materials under the same process parameters were compared， and the influence of process parameters on grinding performance evaluation parameters was analyzed. Single‑factor micro‑grinding experiments were carried out on the two materials by using 500# electroplated diamond micro‑grinding tools with the diameter of 0.9 mm. The results showed that the removal process of 2.5D C_f/SiC composites is different from that of SiC ceramics because the composites effectively inhibit the propagation of cracks during micro‑grinding. Under the same process parameters， 2.5D C_f/SiC composites have better surface micro‑morphology， fewer defects and less surface roughness， while SiC ceramics without fiber reinforcement have worse surface micro‑morphology， more defects and greater surface roughness. The average grinding force of SiC ceramics is more than 2.5D C_f/SiC， and the real‑time grinding force signal of 2.5D C_f/SiC is relatively stable during micro‑grinding， while the real‑time grinding force signal of SiC ceramics has spikes.

Key words: 2.5D C_f/SiC composite, SiC ceramics, micro?grinding process, surface morphology, surface roughness, grinding force

中图分类号:

TH 161

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图/表 14

表1 2.5D Cf/SiC复合材料与SiC陶瓷性能参数 (composites and SiC ceramics)

Table 1 Performance parameters of 2.5D Cf/SiC

参数	2.5D C_f/SiC	SiC陶瓷
抗拉强度/MPa	280	441
抗弯强度/MPa	220	500
断裂韧性/(MPa·m^1/2)	20.2~31.0	3.0~3.5
密度/(g·cm^-3)	2.0	3.1
纤维直径/μm	7	—
纤维体积分数/%	37	—

图1 2.5D Cf/SiC复合材料与SiC陶瓷截面显微形貌（a）—2.5D Cf/SiC复合材料；（b）—SiC陶瓷.

Fig.1 Cross‑sectional micro‑structure of 2.5D Cf/SiC composites and SiC ceramics

表2 单因素微磨削试验方案

Table 2 Process parameters in the single‑factor experiment

因素	水平
因素	1	2	3
磨削速度v_s/（m·s^-1）	0.471，0.942，1.414，1.885，2.356	1.414	1.414
磨削深度a_p/μm	9	3，6，9，12，15	9
进给速度v_w/（μm·s^-1）	120	120	20，70，120，170，220

图2 微磨削试验台

Fig.2 Micro‑grinding test bench

图3 SiC陶瓷与2.5D Cf/SiC复合材料微磨削后表面微观形貌（a）—SiC陶瓷；（b）—2.5D Cf/SiC复合材料.

Fig.3 Micro‑morphology of 2.5D Cf/SiC composites and SiC ceramics after micro‑grinding

图4 SiC陶瓷微磨削后表面显微形貌与去除过程原理图

Fig.4 Surface morphology of SiC ceramics and schematic diagram of the removal process

图5 2.5D Cf/SiC复合材料纬向纤维层微磨削后表面显微形貌与去除过程原理图

Fig.5 Surface morphology of weft fiber layer of 2.5D Cf/SiC composites and schematic diagram of the removal process

图6 2.5D Cf/SiC复合材料经向纤维层微磨削后表面显微形貌与去除过程原理图

Fig.6 Surface morphology of warp fiber layer of 2.5D Cf/SiC composites and schematic diagram of the removal process

表3 单因素微磨削实验结果

Table 3 Experimental results of single‑factor micro‑grinding

试验序号	工艺参数			2.5D C_f/SiC			SiC陶瓷
试验序号	v_s/(m·s^-1)	a_p/μm	v_w/(μm·s^-1)	F_n/N	F_t/N	R_a/μm	F_n/N	F_t/N	R_a/μm
1	0.471	9	120	1.223	0.980	1.004	1.407	1.146	1.235
2	0.942	9	120	0.958	0.778	0.921	1.219	0.967	1.074
3	1.414	9	120	0.627	0.511	0.805	0.984	0.839	0.927
4	1.885	9	120	0.496	0.366	0.663	0.767	0.657	0.846
5	2.356	9	120	0.385	0.294	0.587	0.619	0.526	0.690
6	1.414	3	120	0.293	0.222	0.501	0.525	0.411	0.638
7	1.414	6	120	0.394	0.303	0.622	0.748	0.634	0.792
8	1.414	9	120	0.627	0.511	0.805	0.984	0.839	0.927
9	1.414	12	120	0.873	0.657	0.916	1.289	1.046	1.106
10	1.414	15	120	1.122	0.888	1.102	1.513	1.206	1.356
11	1.414	9	20	0.337	0.269	0.632	0.594	0.475	0.747
12	1.414	9	70	0.428	0.382	0.729	0.767	0.642	0.852
13	1.414	9	120	0.627	0.511	0.805	0.984	0.839	0.927
14	1.414	9	170	0.756	0.597	0.922	1.094	0.956	0.989
15	1.414	9	220	0.852	0.685	0.985	1.209	1.035	1.020

图7 磨削参数对表面粗糙度的影响趋势（a）—微磨削速度vs；（b）—磨削深度ap；（c）—进给速度vw.

Fig.7 Effect trend of grinding parameterson surface roughness

图8 磨削速度vs对磨削力的影响趋势

Fig.8 Effect of grinding speed vs on grinding force

图9 磨削深度 ap对磨削力的影响趋势

Fig.9 Effect of grinding depth ap on grinding force

图10 进给速度vw对磨削力的影响趋势

Fig.10 Effect of feed speed vw on grinding force

图11 2种材料微磨削力信号（a）—2.5D Cf/SiC复合材料；（b）—SiC陶瓷.

Fig.11 Micro‑grinding force signals of two materials

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