1、金屬基復(fù)合材料的磨削
顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料磨削加工是借助磨具的切削作用，除去工件表面的多余層，使工件表面質(zhì)量達(dá)到預(yù)定要求的加工方法。常見(jiàn)的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料磨削加工形式有外圓磨削、內(nèi)圓磨削、成形面磨削等。金屬基復(fù)合材料的磨削特性受增強(qiáng)相類(lèi)型和所用砂輪類(lèi)型的影響，增強(qiáng)顆粒的存在改善了材料的磨削性能，軟的基體金屬堵塞砂輪是砂輪失效的主要原因，磨削加工中的主要問(wèn)題是砂輪堵塞及磨削區(qū)的有效冷卻。在實(shí)驗(yàn)條件下，平面磨床磨削顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)，碳化硅砂輪在磨削力、表面粗糙度等方面優(yōu)于cbn和金剛石磨料砂輪。使用陶瓷基sic砂輪和樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì)氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行的磨削表明，sic砂輪可以用于粗磨，粗磨時(shí)工件的磨削表面上有基體金屬的涂敷現(xiàn)象，降低了表面粗糙度。
金剛石砂輪適合于精磨，精磨時(shí)基體材料沒(méi)有明顯的涂敷現(xiàn)象。使用細(xì)粒度金剛石砂輪在磨削深度為1um的情況下實(shí)現(xiàn)了材料的延性磨削，表面及亞表面上沒(méi)有裂紋和缺陷產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)相的延性去除。磨削是顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料加工中很有前途的一種加工方法，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損傷表面的加工。
采用電鍍金剛石砂輪平面磨削顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，工件材料為sic顆粒增強(qiáng)2024a1，其主要性能參數(shù)如表1所示。平面加工中采用普通的平頭圓柱砂輪，金剛石粒度為120目，砂輪直徑為20.6mm。
表 工件材料參數(shù)
質(zhì)量分?jǐn)?shù)
屈服應(yīng)力
顆粒尺寸
彈性模量
伸長(zhǎng)率
密度
50
271.3
10
199.8
0.431
2.90
主軸轉(zhuǎn)速取6000r/min，進(jìn)給速度為300mm/min，取磨削深度從0.001mm至0.05mm進(jìn)行磨削試驗(yàn)。加工表面形貌如圖1所示。
(a)削落瞪坑 (b)顆粒破碎 (c)界面脫落
圖1 平面磨削加工表面形貌
加工表面質(zhì)量具有如f特征：
①加工表面上有鋁基體的塑性劃痕，并且有鋁基體被熨壓現(xiàn)象；
②加工表面有材料剖落形成的凹坑、增強(qiáng)顆粒脫落和斷裂等缺陷；
③顆粒與基體結(jié)合的界面在已加工表面形成過(guò)程中發(fā)生破壞。由于顆粒移動(dòng)或被壓入加工表面，在顆粒周?chē)纬煽锥?。加工表面的形貌特點(diǎn)與材料本身特性和去除機(jī)理有關(guān)，在外載荷作用下增強(qiáng)顆粒承受更大的應(yīng)力及增強(qiáng)顆粒本身的缺陷，使得增強(qiáng)顆粒在加工過(guò)程中產(chǎn)生破碎和脫落；裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展在加工表面形成過(guò)程中起到重要作用，在增強(qiáng)顆粒富集區(qū)和顆粒的尖角處應(yīng)力集中更嚴(yán)重，在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，造成材料剖落形成非切出表面和界面脫黏；另外，在金剛石磨粒作用下增強(qiáng)顆粒會(huì)發(fā)生破碎、脫落、滑動(dòng)等行為。
保持主軸轉(zhuǎn)速為6000r/rain、進(jìn)給速度為300mm/min不變，測(cè)量了在不同磨削深度下已加工表面的粗糙度值，如圖11—8所示。可以看到，在實(shí)驗(yàn)所采用的加工參數(shù)下，表面粗糙度ra在0.85~0.82tzm之間。磨削深度在0.001~0.005mm范廚內(nèi)時(shí)表面粗糙度的變化不大，而當(dāng)磨削深度大于0.005ram之后表面粗糙度有較大的增加。
圖2磨削深度對(duì)表面粗糙度影響
2、碳纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(c/sic)的磨削
碳纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(c/sic)，具有密度低、抗氧化性好、耐腐蝕、摩擦磨損性能良好以及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足防熱——結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的需要，成為空天飛行器等關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)的重要候選材料，并已成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
工件材料為碳纖維體積分?jǐn)?shù)約為45%、密度約為2.0g/cm3的2d-c/sic復(fù)合材料。砂輪為樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪粒度120,砂輪直徑300mm，砂輪寬度20mm。金剛石砂輪修整采用普通sic砂輪與金剛石砂輪對(duì)磨的方法實(shí)現(xiàn)。磨削方式為順磨，冷卻液為普通水基冷卻液。磨削參數(shù)：進(jìn)給速度-20~50mm/s，磨削速度-60~90m/。，切削深度-0.1~0.3mm。為了觀察到工件的亞表面損傷，首先對(duì)垂直于磨削方向的面依次采用800#、1200#、1500#及2000#的金剛石研磨粉進(jìn)行研磨至鏡面，材料去除厚度大于200nm，然后采用*對(duì)試樣進(jìn)行清洗，再用烘箱烘干試樣，最后通過(guò)掃描電鏡(sem)對(duì)磨削表面和亞表面進(jìn)行觀察。磨削前、后的表面形貌見(jiàn)圖3，2d-c/sic的表面形貌掃描電鏡照片見(jiàn)圖，通過(guò)分析磨削結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
(a)磨削前 b)磨削后
圖3 2d-c/sic磨削前、后表面形貌的比較
①2d-c/sic復(fù)合材料的高速深磨材料去除機(jī)制與其自身的微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)，既不同子塑性材料，也不同于普通脆性材料，而是以脆性斷裂去除為主。
②磨削會(huì)使2d-c/sic復(fù)合材料表面部分被sic基體覆蓋的原始孔隙重新顯現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)再次氣相沉積sic基體能使其致密化和均質(zhì)化程度得到提高，從而達(dá)到改善材料綜合力學(xué)性能的目的。
圖4 2d-c/sic的表面形貌掃描電鏡照片
③由于sic陶瓷基體和碳纖維兩者導(dǎo)熱性和熱膨脹性的差異及2d—c/sic復(fù)合材料自身存在的孔隙缺陷，磨削加工后，產(chǎn)生了特殊的已加工表面結(jié)構(gòu)。2d-c/sic材料已加工表面并非全部由磨粒直接切出，因此，難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其已加工表面質(zhì)量。
④僅考慮磨削2d-c/sic復(fù)合材料表面摩擦層的情況下，磨床磨削力隨磨削深度和工件速度的增加而增加，隨砂輪線速度的增加而減小。磨削深度對(duì)磨削力的影響，砂輪線速度和工件速度對(duì)磨削力的影響大致相同，但作用相反。增加工件速度，降低砂輪速度有利于減小磨削力比；增加磨削深度對(duì)磨削力比的影響不顯著。