王 明 董 海 王柏何 王 峥 王加威

大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室,大连,116081

0 引言

碳纤维增强陶瓷基复合刹车材料(carbon fiber reinforced ceramic matrix composite brake material,Cf/SiC)具有轻质、耐磨、耐高温和稳定的摩擦性能等优点,在汽车、高铁和飞机等交通工具的刹车制动领域具有广阔的应用前景[1]。Cf/SiC构件在制备成形后,需进行二次加工以满足表面质量和形位精度要求,其精加工通常采用磨削方式。但是由于Cf/SiC构件易产生微裂纹和界面脱粘等加工缺陷,影响表面质量和使用寿命,限制了Cf/SiC的推广应用[2]。

相较于传统的1D和2D结构,2.5D针刺结构Cf/SiC性能更优异,应用前景更广阔,但其加工难度也更高[3]。目前,国内外研究人员对复合材料的磨削加工性能进行了一定的研究。张立峰等[4]对单向Cf/SiC进行磨削加工,发现材料以脆性断裂方式去除。QU等[5]研究了单向Cf/SiC的磨削机理,观察到加工表面损伤形式主要是基体裂纹、纤维露出、纤维断裂和界面脱粘。DU等[6]对2D Cf/SiC进行外圆磨削,发现纤维方向影响磨削力和表面质量。LIU等[7]对2D Cf/SiC进行外圆磨削,考察了磨削参数对磨削力及表面质量的影响规律。TAWAKOLI等[8]开发了一种分段式砂轮,减小了磨削过程所需要的磨削力和比磨削能。常岩军等[9]对2.5D Cf/SiC进行了面内拉伸损伤研究,将损伤演化过程分为初始损伤、损伤加速及损伤减缓三个重要阶段。屈硕硕等[10]对2.5D Cf/SiC进行了外圆磨削,研究了磨削参数对表面粗糙度和表面形貌的影响。

总体而言,上述研究大多采用金刚石砂轮对2.5D Cf/SiC进行外圆磨削加工,但该加工方式表面质量不稳定,加工效率偏低。而浮动磨削对解决加工效率低、加工质量不稳定等问题是一种有效的措施,但目前国内外关于该领域的研究报道很少。因此,研究2.5D Cf/SiC的浮动磨削工艺,对提高Cf/SiC构件加工质量和加工效率具有重要意义。

针对2.5D Cf/SiC在刹车制动领域的应用需求,本文采用单因素试验法对2.5D Cf/SiC进行浮动磨削加工,考察磨削参数(砂轮转速、工作台调定压力和磨削深度)对磨削力、表面粗糙度和表面形貌的影响规律,并根据试验结果,深入分析材料的磨削加工机理。

1 试验条件

试验采用浮动磨削方式进行加工。浮动磨削加工原理如图1所示,其中A是压力控制装置,B是工作台与机床基座间的阻尼装置。通过装置A使试件与砂轮充分接触,并通过装置B来降低磨粒对工件的冲击。其目的是使工件在磨削过程中随着砂轮的振动而左右浮动,从而使材料能够平稳去除,实现精密加工。

图1 浮动磨削加工原理

本试验选取的材料为2.5D针刺结构Cf/SiC刹车材料,其微观结构模型见图2,材料物理和机械性能见表1。工件尺寸为25 mm×25 mm×10 mm,试件层间微观形貌及其实物图见图3。

表1 2.5D Cf/SiC的性能参数

图2 材料微观结构模型

(a)层间微观形貌 (b)实物图

本试验选用瑞士EWAG公司RS12磨床对试件端(A面)进行浮动磨削加工,磨床如图4所示。图5为工件磨削示意图,浮动磨削方式为平面磨削,其中Fa为工作台调定压力,Fn为法向磨削力,Ft为切向磨削力,Fr为径向磨削力,①为砂轮进给方向,②为砂轮旋转方向。试验选用树脂结合剂金刚石砂轮,砂轮直径150 mm,粒度600,浓度120%,宽度15 mm,厚度5 mm,采用TSM-1磨削液进行冷却。

图4 RS12磨床

图5 磨削示意图

采用单因素试验法进行试验,具体磨削参数分别设置为:砂轮转速分别为1500,1800,2100,2400,2700 r/min;工作台调定压力分别为83.5,138.5,181.0,231.1,284.5 N;磨削深度分别为10,20,30,40,50 μm。

试验选取磨削力、表面粗糙度和表面形貌作为磨削加工性能评价参数。采用YDGB-Ⅲ05压电三相测力仪采集磨削过程中的磨削力,并将获得的数据通过Coinv DASP V10软件进行处理。试验完成后,通过3D表面光学轮廓仪(Zygo 9000)测量磨削表面粗糙度,对磨削表面4个不同位置进行测量,结果取平均值。通过场发射扫描电镜7610 Plus观察磨削表面微观形貌。其中表面粗糙度为面粗糙度Sa。与线粗糙度Ra相比,面粗糙度Sa扫描检测区域由线扩展成面,检测结果更具有代表性。

2 试验结果与分析

2.1 磨削参数对磨削力的影响

2.1.1砂轮转速对磨削力的影响

图6所示为砂轮转速对磨削力的影响规律(工作台调定压力为181.0 N,磨削深度为30 μm)。结果表明,当砂轮转速从1500 r/min升高到2100 r/min时,法向磨削力Fn和切向磨削力Ft都呈下降趋势,Fn和Ft下降幅度分别为70.5%和89.2%。这是因为在加工同等体积材料时,砂轮转速的增大使得参与磨削的磨粒数量显著增多,材料未变形切屑厚度减小,即单颗磨粒的磨削深度和切削面积减小,导致Fn和Ft明显减小。

图6 砂轮转速对磨削力的影响

当砂轮转速由2100 r/min增至2400 r/min时,Fn和Ft都呈增大趋势,其中Fn和Ft增加幅度分别为77.6%和414.5%。这是因为此时材料的应变率强化效应起主导作用,导致Fn和Ft增大。

当砂轮转速由2400 r/min增至2700 r/min时,Fn和Ft都呈减小趋势,Fn和Ft降低幅度分别为65.5%和90.9%。这是因为随着砂轮转速的提高,磨削温度升高,材料温度效应增强,导致Fn和Ft减小。

2.1.2工作台调定压力对磨削力的影响

图7所示为工作台调定压力对磨削力的影响规律(砂轮转速为2100 r/min,磨削深度为30 μm)。结果表明,随着工作台调定压力的增大,法向磨削力Fn增大,但趋势先慢后快;切向磨削力Ft基本保持不变(在0.3 N以内)。这是因为随着工作台调定压力的增大,砂轮与材料实际接触面积增大,即磨粒实际切入深度增大,导致Fn增大。另一方面材料的温度效应会一定程度上减小磨削力,而随工作台调定压力增大,材料的温度效应先逐渐增强,后受限制。两方面综合作用使得Fn增长趋势先慢后快。由于工作台调定压力方向垂直于切向且材料与砂轮间的摩擦作用较弱,导致Ft基本保持不变。

图7 工作台调定压力对磨削力的影响

2.1.3磨削深度对磨削力的影响

图8所示为磨削深度对磨削力的影响规律(砂轮转速为2100 r/min,工作台调定压力为181.0 N)。结果表明,当磨削深度由10 μm增至30 μm时,法向磨削力Fn和切向磨削力Ft都呈下降趋势,Fn和Ft下降幅度分别为48.8%和39.7%。这是因为随着磨削深度的增大,磨粒切削厚度增大,且磨削区散热条件变差,导致磨削温度升高,材料的温度效应增强;另一方面,由于砂轮转速和工作台调定压力不变,磨削过程中材料应变率基本保持不变,从而使得Fn和Ft减小。

图8 磨削深度对磨削力的影响

当磨削深度从30 μm增至50 μm时,Fn增大,增幅为29.6%,Ft变化很小。这是因为随着磨削深度的进一步增加,砂轮与试件的磨削接触弧长增长,材料未变形切屑厚度增大,即材料去除所需磨削力增大,而此时材料的温度效应受限制,从而导致Fn增大。

2.2 磨削参数对表面粗糙度的影响

2.2.1砂轮转速对表面粗糙度的影响

图9所示为磨削表面粗糙度Sa随砂轮转速变化的特征曲线(工作台调定压力为181.0 N,磨削深度为30 μm)。结果表明,当砂轮转速由1500 r/min增至2100 r/min时,Sa呈减小趋势,减小幅度为34.4%。这是由于砂轮转速的增大会使参与磨削的有效磨粒数量大幅增加,减小单颗磨粒与工件的接触弧长,使材料应变率强化作用的影响降低,导致Sa逐渐减小。

图9 砂轮转速对表面粗糙度Sa的影响

当砂轮转速由2100 r/min增至2700 r/min时,Sa呈增大趋势,增幅增至89.9%。这是由于随着砂轮转速的增大,材料的应变率强化效应持续增强,使得纤维层状断裂和纤维剥离等缺陷增多,导致表面损伤加剧,从而使得Sa增大。

2.2.2工作台调定压力对表面粗糙度的影响

图10所示为磨削表面粗糙度Sa随工作台调定压力变化的特征曲线(砂轮转速为2100 r/min,磨削深度为30 μm)。结果表明,当工作台调定压力由81.5 N增至181.0 N时,Sa呈减小趋势,下降幅度为60.0%。这是由于在实际端面磨削中,磨具与试件接触刚度小,两者间的实际接触面积比理论接触面积小很多。当工作台调定压力增大时,磨具与试件间实际接触面积增大,即参与切削的磨粒数量增多,单磨粒平均切削厚度减小,使得Sa减小。

图10 工作台调定压力对表面粗糙度Sa的影响

当工作台调定压力从181.0 N增至284.5 N时,Sa增大,增幅为106.8%。这是因为工作台调定压力过大会使得加工表面微裂纹增多,导致纤维破碎、基体破碎和界面脱粘等加工缺陷增多,从而使得Sa增大。

2.2.3磨削深度对表面粗糙度的影响

图11所示为磨削表面粗糙度Sa随磨削深度变化的特征曲线(砂轮转速为2100 r/min,工作台调定压力为181.0 N)。结果表明,当磨削深度由10 μm增至30 μm时,Sa缓慢减小,减小幅度为17.6%。这是因为随磨削深度的增大,磨削温度升高,材料的温度效应逐渐增强,导致Sa缓慢减小。

图11 磨削深度对表面粗糙度Sa的影响

当磨削深度由30 μm增至50 μm时,Sa快速增大,增幅为36.8%。这是因为随着磨削深度的增大,单颗磨粒的切削厚度增大,且切削路径延长,使得产生的正压力也增大,加剧裂纹扩展,导致裂纹增多,从而使Sa增大。

2.3 磨削参数对磨削表面微观形貌的影响

试验采用纤维断裂尺寸ΔL表示纤维断裂时相邻的两个断层之间的距离。其中,ΔL越小,纤维层状断裂越密集,表面加工质量越差。

2.3.1砂轮转速对表面形貌的影响

图12所示为固定磨削深度为30 μm、工作台调定压力为181.0 N时,砂轮转速的改变对磨削表面微观形貌的影响。随砂轮转速的增大,加工表面纤维断裂尺度ΔL均值分别为92.15,135.59,90.59 μm。

(a)砂轮转速1500 r/min

如图12a所示,当砂轮转速为1500 r/min时,ΔL均值为92.15 μm。磨削表面纤维断裂较密集,纤维层状断裂明显。此时表面缺陷以纤维层状断裂主,伴随着明显的纤维剥离、纤维和基体破碎。这是由于材料的应变率强化效应随转速的提高而增强,导致纤维在压应力下发生纤维剥离和破碎。

如图12b所示,当砂轮转速为2100 r/min时,ΔL均值增大,为135.59 μm,即磨削表面纤维断裂密集程度降低。此时纤维层状断裂区域明显减小,伴随着少量的基体和纤维破碎。这是由于随着转速提高,切削有效磨粒数量大幅增加,降低单颗磨粒与工件的接触弧长,使材料应变率强化作用的影响降低,导致磨削加工质量显著提高。

如图12c所示,当砂轮转速为2700 r/min时,ΔL均值减小,为90.59 μm,即磨削表面纤维断裂密集程度增加。此时纤维层状断裂加剧,缺陷区域明显增多,存在着纤维与基体破碎、界面脱粘和纤维分层等缺陷。这是由于随着砂轮转速的增大,材料的应变率强化效应继续增强,纤维层状脆断和纤维破碎等加工缺陷增多,导致损伤加剧。

2.3.2工作台调定压力对表面形貌的影响

图13所示为固定砂轮转速为2100 r/min、磨削深度为30 μm时,工作台调定压力改变对试件加工表面微观形貌的影响。随着工作台调定压力的增大,磨削表面纤维断裂尺度ΔL均值分别为112.27,135.59,113.15 μm。

(a)工作台调定压力138.5 N

如图13a所示,当工作台调定压力为138.5 N时,ΔL均值为112.27 μm。此时纤维层状断裂明显,存在着明显的基体破碎和纤维分层缺陷,伴随着纤维剥离现象。

如图13b所示,当调定压力为181.0N时,ΔL均值增大,为135.59 μm。即磨削表面纤维断裂密集程度降低,纤维层状断裂区域减少,伴随着程度较轻的基体破碎。当工作台调定压力小于181.0 N时,ΔL持续增大,即磨削表面纤维断裂密集程度持续下降。这是由于随着工作台调定压力的增大,磨具与工件间实际接触面积增大,即同时参与磨削的磨粒数量增多,每个磨粒平均切削厚度减小,使得材料应变率强化作用减小。此外随着工作台调定压力的增大,磨削温度升高,材料的温度效应增强。两方面综合作用会导致磨削表面加工缺陷减少,加工质量提高。

如图13c所示,当工作台调定压力为231.1 N时,ΔL均值减小,为113.15 μm,即磨削表面纤维断裂密集程度增强。此时纤维分层断裂缺陷区域明显增加,纤维微裂纹、基体破碎和纤维破碎等加工损伤增多。这是因为调定压力过大会加剧磨削表面微裂纹扩展,导致了微裂纹增多,损伤加剧。

2.3.3磨削深度对表面形貌的影响

图14所示为固定砂轮转速为2100 r/min、工作台调定压力为181.0 N时,磨削深度改变对试件加工表面微观形貌的影响。随着磨削深度的增大,磨削表面的纤维断裂尺度ΔL均值分别为103.02,135.59,93.99 μm。

(a)磨削深度10 μm

如图14a所示,当磨削深度为10 μm时,ΔL均值为114.23 μm。此时纤维层状断裂明显,界面脱粘、纤维分层和纤维破碎现象增多。

如图14b所示,当磨削深度为30 μm时,ΔL均值为135.59 μm。此时纤维分层等缺陷较少,伴随着程度较轻的基体破碎。当磨削深度小于30 μm时,ΔL均值持续增大,即磨削表面纤维断裂密集程度持续降低。这是因为磨削温度随着磨削深度的增加逐渐升高,即材料的温度效应逐渐增强,导致加工缺陷逐渐减少。

如图14c所示,当磨削深度为50 μm时,ΔL均值减小,为117.07 μm,即磨削表面纤维断裂密集程度增强。此时磨削表面纤维分层断裂、纤维剥离、基体和纤维破碎等加工缺陷增多。这是因为磨削深度的增大使得材料受到的压力增大,导致试件脆性破坏加剧,表面质量恶化,而此时试件的温度效应已不能有效抵消其加工损伤。

试验结果表明:在砂轮转速为2100 r/min时,工作台调定压力为181.0 N下,磨削深度为30 μm时,加工表面较为平整,缺陷区域较少。此时,磨削表面纤维断裂尺度ΔL均值在135.59 μm左右,即纤维阶梯状脆性断裂加工损伤很小,伴随较少的纤维剥离现象,几乎不存在明显的纤维分层和纤维裂纹。SiC区域以基体破碎为主,伴随程度较轻的微裂纹,几乎不存在基体脱落和界面分层等缺陷。总体而言,Cf/SiC构件可通过浮动磨削方式进行精加工。

3 2. 5D Cf/SiC磨削过程分析

如图15所示,材料磨削过程大致分为三个阶段:弹性滑擦阶段、塑性耕犁阶段和脆性切削阶段。在弹性滑擦阶段,磨粒不起切削作用,仅在工件表面滑擦,此时磨粒刚刚接触材料表面;在塑性耕犁阶段,随着磨粒的不断切入,材料发生微小塑性变形,材料内部产生原始微裂纹;在脆性切削阶段,随着磨粒的拉压作用,材料内部微裂纹累积扩展成宏观裂纹,导致材料脆性去除。

图15 材料磨削加工过程

采用扫描电镜观察加工表面微观形貌,结果如图16所示。由图16可以看出:试件加工表面主要损伤形式为基体破碎、微裂纹、纤维层状断裂、界面脱粘、纤维剥离和破碎等。

(a)纤维法向微观形貌

图16a纤维法向微观形貌表明:当磨削方向垂直与纤维时,由于纤维层间结合力较弱,使得部分纤维/纤维、纤维/基体间发生界面脱粘,导致微裂纹形成及基体破碎脱落。此外由于纤维抗剪强度弱于基体,导致纤维去除规模大于基体,因此破碎后基体高于纤维截面。

图16b纤维纵向微观形貌表明:在磨粒的拉压作用下,纤维发生层状脆性断裂。这是由于纤维/纤维和纤维/基体间界面结合力不同,使得纤维不能同步去除,导致部分纤维去除后形成了界面脱粘现象,严重时产生了纤维分层。此外,部分纤维和基体发生破碎而去除。

图16c纤维横向微观形貌表明:纤维发生剥离,并留下条状痕迹。这是由于纤维径向强度远小于轴向强度,当磨削方向垂直于纤维轴向时,纤维沿径向断裂。在磨粒的拉压作用下,断裂纤维发生界面脱粘而剥离,留下条状痕迹。故纤维区域主要以纤维层状脆断方式去除,损伤形式主要为界面脱粘、纤维剥离和破碎。

图16d 基体区域微观形貌表明:在磨粒的压剪应力下,基体破碎形成微裂纹,裂纹扩展导致其呈块状脱落。故SiC基体主要以脆性断裂方式去除,其损伤形式主要为基体破碎和微裂纹。

综上所述,在Cf/SiC刹车材料的磨削过程中,磨粒先接触SiC基体。由于基体脆性比碳纤维大,且抗拉强度比碳纤维低,故基体在变形前就发生脆性破坏,产生了裂纹。遵循压痕断裂力学准则,磨粒进一步前进,裂纹会沿着纤维/基体界面的方向扩展。当接触到纤维/基体界面时,裂纹会出现偏转、暂停或桥连等现象。但由于材料内部存在孔隙缺陷,使得部分纤维/基体界面结合较弱,在磨粒冲击作用及纤维与基体非同步去除的影响下,裂纹重新产生并进一步扩展。在抗拉强度较低处,部分纤维开始发生脆性断裂。纤维在受到剪切与挤压作用时,会先在界面处发生脱离,即界面脱粘。随着磨粒进一步前进,纤维大规模脆性断裂或破碎,使得纤维出现层状断裂。此外,由于纤维和基体的强度不同,导致了材料不同的损伤程度及材料的不同步去除,故磨削表面纤维与基体很难持平,且存在着较多的纤维剥离和纤维破碎等加工缺陷。综上分析,磨削表面碳纤维及SiC基体主要以脆性断裂方式去除,其主要损伤形式为:纤维层状脆性断裂、基体破碎及裂纹、界面脱粘、纤维剥离和破碎。

4 结论

(1)随着砂轮转速的提高,法向磨削力Fn和切向磨削力Ft呈现先减小后增大再减小的趋势;随着工作台调定压力的增大,Fn持续增大,趋势先慢后快,Ft基本保持不变;随着磨削深度的增大,Fn先减小后增大,Ft变化幅度较小。

(2)随着砂轮转速、工作台调定压力和磨削深度的增大,表面粗糙度Sa呈现先减小后增大的趋势,其中工作台调定压力对Sa的影响最为明显。试验磨削表面粗糙度Sa可达到0.6 μm左右。

(3)随着砂轮转速、工作台调定压力和磨削深度的逐渐增大,磨削表面纤维断裂尺度ΔL均值呈现先增大后减小的趋势,与表面粗糙度Sa的变化趋势一致;在砂轮转速为2100 r/min,工作台调定压力为181.0 N下,磨削深度为30 μm时,ΔL均值最大,为135.59 μm,此时磨削表面缺陷区域少。试验表明Cf/SiC刹车材料可通过浮动磨削方式抑制加工缺陷。

(4)在2.5D Cf/SiC刹车材料的浮动磨削过程中,碳纤维及SiC基体主要以脆性断裂的方式去除,其主要损伤形式为:纤维层状脆性断裂、基体破碎及裂纹、界面脱粘、纤维剥离和破碎。