[作者] 许文昊1, 高腾1, 刘德伟1, 徐培明2, 安庆龙3, 王一奇4, 丁文锋5, 李长河1.
[单位] 1.教育部工业流体节能与污染控制重点实验室; 2.泰山体育产业集团有限公司; 3.上海交通大学机械与动力工程学院; 4.大连理工大学机械工程学院; 5.南京航空航天大学机电学院。
[摘要] 纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(FRCMC)因其高比强度和比模量、以及优异的耐高温、耐腐蚀等性能已成为航空航天、轨道交通以及核能工业等领域的优选材料。尽管FRCMC是由成型技术制备，但一些加工工艺，例如磨削对于提升尺寸精度和表面完整性是必要的，在FRCMC结构件的高性能制造中不可或缺。然而，高硬度和脆性的材料属性及其结构上的不均质性和力学性能上的各向异性等特点是高效低损伤磨削加工的技术难点。磨削力作为反馈和控制生产过程质量和精度的关键信号，受磨削过程砂轮与工件几何学与运动学等多参数协同作用的影响，解析磨粒与工件的微观力学行为并建立磨削力预测模型，对深度理解材料去除机制、指导高性能制造至关重要。基于此，首先分析了磨削过程中材料特性及磨削参数对磨粒与FRCMC相互作用的影响规律，揭示了FRCMC磨削过程的材料去除机制。其次，系统回顾了FRCMC磨削力预测模型的研究现状，从单颗磨粒磨削力、磨粒几何学、纤维随机分布几何特性以及材料去除阶段判定准则分析推导了磨削力的建模过程。进一步的，从磨屑的成形机制、未变形切屑厚度、磨粒运动学等角度，分析了超声振动辅助磨削FRCMC的材料去除机制及磨削力力学行为的特殊性。最后，针对FRCMC材料去除机制和磨削力模型，分析了当前研究的潜在问题与研究热点。目标是为FRCMC制定可行的低损伤磨削准则，并建立溯源递进的理论框架以推动FRCMC磨削力模型的发展。
关键词：陶瓷基复合材料；磨削；材料去除机制；磨削力模型
DOI:10.13801/j.cnki.fhclxb.20240923.001
基金项目: 国家自然科学基金(52375447)；山东省自然科学基金(ZR2023QE057; ZR2022QE028)
图 不同纤维取向的FRCMC磨削材料去除机制
1 材料去除机制
2 磨削力模型
图 磨粒与不同取向纤维接触产生的裂纹系统
(1) 磨粒-FRCMC之间基本的相互作用机制在微观及宏观实验条件下进行了研究，材料去除机制不仅受材料特性的影响，还受磨粒几何参数、磨削参数、润滑条件等因素影响。受尺寸效应的影响，纤维的脆性断裂行为可分为微脆性及宏观脆性断裂。微脆性断裂去除存在亚表面裂纹损伤但其整体表面完整性较宏观脆性去除高，优化工艺参数以降低未变形切屑厚度、提供合理的润滑条件能够提升表面完整性。
(2) 磨削周期内磨粒与FRCMC干涉的物理行为是跨尺度且多样的，磨粒对纤维存在接触、挤压、剪切、弯曲等多种物理行为。时域建模中砂轮与工件的几何重构与瞬时未变形切屑厚度的建立是判定干涉状态的前提，解析不同干涉行为下，考虑FRCMC力学特性的力学行为是建立力学模型的关键。现有基于材料去除率等效、磨粒与纤维干涉的“归一化”处理的磨削力模型建立的关键前提是建立准确的材料力学特性等效模型。
(3) 超声振动辅助磨削通过降低未变形切屑厚度、间歇性的锤击效应来控制磨削力及磨削损伤并抑制界面裂纹。该工况的磨削力建模受实际物理过程复杂性的影响，主要基于材料去除体积等效与冲量定理两个基本理论，尚未有时域建模方案。
来源：复合材料学报
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