（机械工程专业论文）纤维增强复合材料的磨削及基于声发射信号砂轮磨损状态识别研究.pdf

中文摘要 纤维增强陶瓷基复合材料由于其良好的物理力学性能在现代工业、国防和航 空航天等许多领域有着广泛的应用。由于纤维增强陶瓷基复合材料属于难加工材 料，使得其加工特别是成形加工非常困难。在加工中很容易产生基体破碎、分层、 纤维拔出、纤维基体脱粘等缺陷，如何提高其加工质量是目前研究的重点和难点。 本文通过磨削实验研究纤维增强陶瓷基复合材料的磨削机理，表面成型和表 面损伤，发现纤维增强复合材料磨削过程中磨削机理、表面形貌的不同取决于磨 削方向与纤维方向之间的关系。研究了磨削过程中不同磨削参数对磨削力的影 响，不同磨削方向对磨削力的影响。 通过声发射在线监测系统检测磨削过程中的声发射信号，分析声发射信号特 征参数与磨削加工参数之间的关系，利用小波分析方法结合支持向量机技术能很 好的对砂轮的不同磨损时期的状态进行监测。 本论文的研究成果对纤维增强陶瓷基复合材料的磨削技术和磨削过程中的 砂轮磨损状态的检测技术有很好的指导作用。 关糊：纤维增强陶瓷基复合材料 磨削加工声发射砂轮磨损 a b s t r a c t b e c a u s eo f1 t s s u p e r i o rp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f i b e rr e i n f o r c e d c e r 锄1 cm a t r i xc o m p o s i t eh a sb e e n w i d e l yu s e di nm o d e mi n d u s t r y , n a t i o n a ld e f e n s e a v l a t l o na l l d a e r o s p a c ea n ds oo n b e c a u s ef i b e rr e i n f o r c e dc e r a m i c m a t r i xc o m p o s i t e 1 sc o n s i d e r e dt ob ed i f f i c u l t t om a c h i n em a t e r i a l ，i t s m a c h i n i n ge s p e c i a l l yf o 衄i i l g m c h i n i n gi sv e r yd i f f i c u l t i nt h ep r o c e s s i n g ，i ti s v e r ye a s yt op r o d u c em 撕x 打a g m e n t a t l o n ，d e l a m i n a t i o n ，f i b e rp u l l o u t ，f i b e r - m a t r i xd e b o n d i n ga n do t l l e rd e f e c t s h o wt oi m p r o v et h e p r o c e s s i n gq u a l i t yi sad i f f i c u l tp r o b l e m i nt i f f sa r t i c l e ，g r i n d i n g e x p e r i m e n t a ls t u d yo ff i b e rr e i n f - o r c e dc e r 锄i cm a t r i x c o m p o s l t ew a sc o n d u c t e df o c u so ng r i n d i n gm e c h a n i s m ，s u r f a c ef o 肋i 1 1 9 缸l ds u t f - a c e d 锄a g 己i ti sf o u n dt h a tg r i n d i n gm e c h a n i s ma n ds u r f a c em o r p h o l o g ya r em 砌v d 印e n d e n to nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r i n d i n gd k e c f i o na n d 邱e ro r i e n t a t i o n t h e m t l u e n c eo fg r i n d i n gp a r a m e t e r sa n dd i f f e r e n tg r i n d i n gd i r e c t i o no n 鳓d i n g f o r c e s w a sr e s e a r c h e d 1h r o u g nt h ea c o u s t i ce m i s s i o no n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m ，a c o u s t i ce m i s s i o n s l g n a lmt h eg r i n d i n gp r o c e s sw a sa c q u i r e d t h er e l a t i o n s h i p b 咖e e na c o u s t i c e m l s s l o ns l 口a lp a r a m e t e r sa n dg r i n d i n gm a c h i n i n g p a r a m e t e r sw a sa n a l y z e d u s i n g w a v e i e t8 n a l y s i sm e t h o dc o m b i n i n gw i t hs u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ( s v m ) t e c h 1 0 9 v c 8 nb eav c r yg o o df o r m o n i t o r i n gt h ed i f f e r e n tw e a rs t a t eo fg 血妇gw h e e l 1 nt h i 8p a p e 。r e s e a r c h e so nt h eg r i n d i n gt e c h n o l o g yo ff i b e rr e i n f o r c e dc e m m i c m a 恤xc o m p o s l t ea n dw h e e lw e a l s t a t ed e t e c t i o n t e c h n i q u e si nt h ep r o c e s so f 嘶1 d 咄 h a v eag o o dg u i d a n c ef u n c t i o n 。 k e yw o r d s ：f i b e r r e i n f o r c e dc e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e ，g 血d i n g ，a c 。u s t i c e m i s s i o n ，w h e e lw e a r 第一章绪论 1 1 选题的背景与意义 第一章绪论弟一早瑁叱 纤维增强陶瓷基复合材料由于具有低密度、高强度、耐高温、高耐磨性、耐 腐蚀性等特性，目前己在空间技术( 如弹道导弹的端头、航空发动机部件、航天 飞机隔热层等) 、能源工程、汽车工业以及生物医学工程等领域得到广泛应用， 己成为现代工业、国防和航空航天等高技术领域中不可缺少的新型材料【l 引。 对于纤维增强陶瓷基复合材料，通常由正交编织、溶胶浸泡和烧结成型等多 道工序成型。这样形成的陶瓷制品表面和边缘往往存在缺陷，这样会大大降低零 件本身的强度。另外，在复合材料毛坯烧结的过程中会有一定的收缩率，而陶瓷 结构部件需要一定的尺寸与形状精度，因此都需要经过的械加工。目前对于纤维 增强陶瓷基复合材料的研究主要集中在材料制备和性能方面，而对于机械加工， 如钻孔、切割、磨削等研究工作比较少。由于纤维增强陶瓷基复合材料属于难加 工材料，使得其加工特别是成形加工非常困难，在加工中很容易产生基体破碎、 分层、纤维拔出、基体脱粘等缺陷 3 - 4 ，这对于高可靠性、高精度要求的航天、 航空和电亏等产品是决不允许的。 本课题是国家8 6 3 计划重点项目“工程陶瓷复杂型面高效精密磨削技术的研 究”的子课题，旨在研究纤维增强陶瓷基复合材料的高精度、高效率、无损伤磨 削加工技术。通过磨削实验深入研究纤维增强陶瓷基复合材料磨削过程中的磨削 加工机理和磨削工艺，并在精密磨削材料去除、表面成形和表面损伤等基础研究 上取得一定成果。通过声发射在线监测系统检测磨削过程中的声发射信号，研究 纤维增强陶瓷基复合材料在磨削过程中产生声发射信号的机制，分析磨削参数与 声发射信号的特征参数之问的映射关系，利用声发射技术检测砂轮在加工中的磨 损状态，降低因砂轮故障引起的零件的不合格率，这对于企业提高生产效率、降 低生产成本和保证加工质量有着重要的意义。 本课题的研究成果推动纤维增强陶瓷基复合材料在汽车制造、能源、航空航 天等空间技术装备及国民经济各部门的应用，为企业降低产品生产成本，具有重 要的意义和广阔的市场前景。 第一章绪论 1 2 纤维增强陶瓷基复合材料加工技术发展与现状 1 2 1 纤维增强陶瓷基复合材料介绍 纤维增强陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体，陶瓷纤维为增强体，通过 适当工艺制备的一类新型材料。纤维增强陶瓷基复合材料具有陶瓷材料耐高温、 耐腐蚀、高耐磨性等优点，同时由于纤维增强体的加入可以改善材料的脆性【5 j 。 用连续纤维增强陶瓷基复合材料，纤维在基体中的取向、各方向的纤维配置 与含量，决定着复合材料的机械性能( 如强度、模量等) 和其他性能( 如电导率、 热导率等) 。通过对纤维配置方向与含量的设计，可以对这些性能进行调节，是 它们在指定方向上具有能够满足特殊要求的某项性能水平。在复合材料制备中借 鉴和发展了纺织技术。在与基体原料相混合之前，将纤维编织成布、带、管( 二 维编织) 和编织物( 三维织物) ，或将二维织物叠层，再沿与层面垂直的方向穿 刺纤维束形成三维增强体预成型坯。纤维编织可以更好地实现复合材料设计要求 的方向性，避免存在某一方向过弱的弊病。 本课题研究的石英纤维织物增强二氧化硅基复合材料能同时满足防热、透 波、承载等三项功能，是一种新型多功能材料。石英纤维织物增强二氧化硅基复 合材料在军事、国防、航空、航天工业中有重要用途，可用于制造如火箭喷火口， 航天热防护装置等。此外，还可以作为先进战机和导弹的天线罩等。 1 2 2 纤维增强陶瓷基复合材料机械加工方法 复合材料成型后大都需要后加工来达到我们需要的结构尺寸，因此需要机械 加工。机械加工工艺是复合材料制品的最后一道工序，它直接影响着制品的质量。 复合材料的机械加工分为常规和特种加工两种方法。 常规机械加工工艺基本沿用了金属的加工工艺和设备，同时又结合了复合材 料的力学性能。常规机械加工主要有以下几种，如图所示。 图l - 1常规机械加工工艺 第一章绪论 常规机械加工工艺优点是投资小，适用性强，目前工艺比较成熟。但难以加 工形状比较复杂的工件，刀具磨损快，加工质量不高。但目前使用最多的还是常 规机械加工方法6 1 。 特种机械加工工艺主要指非传统的加工方法，主要有以下几种方法，见下图。 图1 - 2 特种机械加工工艺 特种加工方法采用刀具几乎不与工件接触或者根本不接触的方式，刀具磨 损小，容易监控，且有利于自动化的操作，但由于复合材料不同种类的特性，特种 加工不具有通用性7 1 。 1 2 3 纤维增强陶瓷基复合材料加工技术研究现状 国内外从事纤维复合材料车削、钻削、磨削研究的机构不是很多。在国外， 主要是一些先进国家从事纤维增强陶瓷基复合材料加工机理、实验及仿真的研 究。由于纤维增强陶瓷基复合材料主要应用于航天和国防工业，所以美国、俄罗 斯、日本等都把纤维增强陶瓷基复合材料的加工及应用作为关键技术而加以保 密，所以有关纤维增强陶瓷基复合材料的报道很少，能够查阅的文献资料很有限。 国内主要有北京航空航天大学，北京航天工艺研究所和国防科技大学等单位从事 此方面的研究，因此相关资料在国内很难查到。 由于复合材料成型加工一体化的特点，大部分研究仅限于复合材料的制备工 艺，力学性能设计和失效机理方面的研究，关于复合材料机械加工机理和加工损 伤评价的报道极少。a k o p l e v 等在1 9 8 3 年利用快速落刀法对碳纤维复合材料进 行了试验，证明了c f r p 的切屑是一系列的脆性断裂形成的小段，这一结论目前 得到了普遍的认可和应用 8 】。目本大阪大学花崎伸作等人利用有限元法对c f r p 切削机理进行了解析计算，得到结论：纤维被切断的原因都是由于刀具切削力引 起的垂直于纤维自身轴线的剪切应力超过了纤维的剪切强度极限【9 。北京航天航 空大学的张厚江把复合材料的切削细分为纤维劈裂型，纤维切断型和弯曲剪切型 3 种形式，并分析了不同类型下的切屑形成和表面粗糙度的关系【l 。美国空军材 第一章绪论 料研究所d h w a n g 等人利用直角自由切削的方法对单向和多向复合材料的切 削机理进行了研究，探讨了纤维方向与切削方向夹角对加工表面粗糙度的影响 】。大连理工大学赵福令教授等对高硅氧纤维复合材料的切削加工进行了研究， 认为该复合材料最适宜用超硬c b n 工具切削，并提出了用三维形貌观察方法对 表面粗糙度进行评定，指出切削表面损伤包括纤维拔出留下的凹坑、纤维切断留 下的毛刺以及脱层缺陷 12 1 。北京航天航空大学齐锁龙等人对碳纤维复合材料进行 磨削切边实验，得到磨削力、磨削长度和表面加工质量的数据，证明了磨削加工 在碳纤维复合材料的切边加工的可行性f l3 1 。南京理工大学袁军堂教授对纤维复合 材料的钻孔机理进行了研究，纤维复合材料磨削钻孔的实质是使增强纤维在磨粒 锋利刃口的作用下被剪切、拉伸或者弯曲破坏而断裂l l 4 j 。 1 3 声发射技术的发展与现状 1 3 1 声发射技术简介 声发射是指材料内部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。声发射也 称应力波发射。声发射是一种常见的物理现象，从微观的位错运动到大规模宏观 断裂，都有声发射现象产生川。 大部分声发射信号很弱小，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器 探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射 技术。声发射技术是一种新兴的动态无损检测技术，基本原理如图所示。 图1 3声发射技术基本原理 现代声发射技术起源于上世纪5 0 年代k a i s e r 在德国研究中所做的大量工作 1 6 。随后声发射技术在美国和日本兴起了研究，许多学者对声发射技术做了大量 的实验工作，为声发射技术生产现场的应用奠定了基础。到了上世纪8 0 年代， 随着计算机技术的引入声发射技术得到了广泛而深入的发展，一些公司开发出来 更加高端的声发射检测设备，除了能实时测量声发射信号还能对信号进行观察、 记录和分析处理工作【1 7 1 。 4 第一章绪论 1 。3 2 声发射技术在磨削过程和纤维增强复合材料方面的应用 1 3 2 1 声发射技术在磨削过程中的应用 自从声发射技术引进磨削研究领域以来，得到了很快的发展。国内外学者在 监测磨削过程中表面粗糙度、磨削烧伤、砂轮与工件的接触、砂轮钝化、磨削参 数与声发射的对应关系等方面取得了很大的成果。 中国海洋大学刘贵杰等提出采用声发射传感器探头与磨削表面摩擦产生的 声发射信号特征可以对磨削表面粗糙度进行评价，研究结果表明，探针与工件表 面摩擦声发射的f f t 和r m s 特征与磨削粗糙度有着很好的对应关系，可用于磨 削表面粗糙度在线检测【l8 1 。装甲兵工程学院的呼小元等设计了一种监测砂轮与工 件接触状态的接触检测仪。通过对声发射信号的时频信号分析，可及时准确地检 测出砂轮与工件接触的特性【l9 】。湖南大学的李波等通过对部分稳定氧化锆( p s z ) 和a 1 2 0 3 两种工程陶瓷材料进行高效深磨声发射实验研究，分析了两种材料在 高效深磨过程中随不同的磨削参数声发射信号变化的规律，实验研究发现声发射 信号与磨削过程有很好的映射关系【2 0 1 。南京理工大学的陈明等声发射信号特性进 行探讨高温合金磨削过程中磨削烧伤的在线监测和预报：研究结果表明，声发射 信号功率谱结构变化能真正反映磨削烧伤发生与否，自回归时序模型参数及残差 方差对工件表面状态变化敏感，均可作为特征参量进行磨削烧伤在线预报【2 1 1 。天 津大学张世昌等利用声发射信号归原处理法对砂轮磨钝程度进行监测，在此基础 上开发了砂轮磨钝监测及自动修整系统。该系统可以对小批量、多品种工件磨削 过程中砂轮钝化进行有效的监测 2 2 1 。东北大学巩亚东等通过b p 神经网络将磨削 过程中声发射、磨削力和功率传感器信号合理融合，实现了砂轮钝化状态识别【2 3 1 。 e g o ns u s i c 等利用人工神经网络分析磨削过程中的声发射信号实现了对磨削表 面形貌的在线识别【2 4 。d r a m i na m o k b e l 等用声发射技术来监测金刚石砂轮的 表面情况，结果显示a e 频谱幅值和表面粗糙度的变化都能反映砂轮的表面形貌 的变化【2 5 。 1 3 2 2 声发射技术在纤维增强复合材料方面的应用 纤维增强陶瓷基复合材料在加工过程或破坏中会产生大量的声发射，其主要 来源包括基体开裂、纤维断裂、纤维基体分离、分层扩展、纤维抽出及界面分离 等。通过对纤维增强陶瓷基复合材料磨削过程中声发射信号的监测，对纤维增强 陶瓷基复合材料磨削机理与磨削质量的研究有重要作用。 中国科技大学李兰等分析了玻璃纤维复合材料在拉伸过程中的声发射幅度 分布特点。基体断裂的声发射信号幅度较小；界面剪切破坏声发射信号幅度分布 第一章绪论 较宽：分层破坏信号幅度分布较集中；纤维断裂时声发射信号幅度较大等特点 2 6 | 。 第二炮兵工程学院龙宪海等对碳纤维增强环氧树脂复合材料三点弯曲过程中利 用声发射仪检测试样损伤断裂过程中产生的声发射信号。实验结果表明，声发射 信号的累计撞击数可有效地描述复合材料试样三点弯曲的损伤演化过程，重复加 载复合材料的费利西蒂效应非常明显【27 1 。航天材料及工艺研究所王健等对c e 复合材料三点弯曲试验中声发射信号进行了分析，通过对比实验给出了纤维断 裂、基体开裂、界面分离、分层以及界面摩擦劈裂等损失的不同模式的声发射参 数特征【2 8 1 。西北工业大学潘文革等通过对c s i c 复合材料拉伸实验，利用声发射 信号的累积能量的变化趋势，可区分材料的不同损伤阶段，并与材料应力应变有对 应关系【2 9 】。铃木惠等人利用声发射频率参量分析了碳纤维强化层板的破坏机理， 借助于电子显微镜和光学显微镜观察，得到了基体开裂、纤维与基体界面剥离、 纤维与基体界面摩擦、纤维断裂和分层对应的不同声发射信号频率范围【3 。 1 4 本文的主要研究内容 ( 1 ) 搭建了磨削实验平台，对石英纤维增强二氧化硅复合材料的磨削机理 进行了研究，通过扫描电镜分析了复合材料磨削表面形貌与磨屑。分析了复合材 料磨削力随磨削参数的变化规律，不同磨削方向磨削力的变化；锋利砂轮与钝化 砂轮磨削力与表面形貌的对比。 ( 2 ) 构建了声发射实验监测系统，概述了声发射技术的基本原理与信号的 处理方法并分析了磨削参数与声发射信号有效值的映射关系，分析了复合材料磨 削过程中不同磨削方向对声发射有效值和频谱的影响。 ( 3 ) 通过声发射信号的小波分析定义了小波能谱系数，提出了基于小波能 谱系数法的声发射信号特征分析方法，将不同砂轮磨损状态的声发射信号的小波 能量系数分别提取并且将其作为输入参数，以进行砂轮磨损状态的识别。 ( 4 ) 利用神经网络和支持向量机来识别砂轮磨损状态。介绍两种方法的基 本理论，并通过两种方法对识别砂轮磨损状态的研究比较，得出支持向量机是比 较适合砂轮磨损状态识别的方法。 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 磨削加工是指使用磨料颗粒或者其他磨具来切除工件多余材料的一种工艺 方法，它的应用范围十分广泛，是一种具有高效率、高磨削精度的加工工艺。本 章着重分析了石英纤维增强二氧化硅复合材料的磨削机理，并结合扫描电镜分析 磨削后工件的表面形貌。通过对石英纤维增强二氧化硅复合材料磨削研究，探讨 复合材料磨削力随磨削参数的变化和不同磨削方向的变化，最后探讨了钝化砂轮 对工件磨削后表面形貌的影响。 2 1 磨削实验装置 2 1 1 数控光学曲线磨床 实验中所用机床是由上海第三机床厂生产的m k 9 0 2 5 型数控光学曲线磨床， 它由多自由度的磨头、工作台和精密投影仪组成。该机床采用c n c 四轴控制， 其中两轴为数字全闭环插补控制轴，分别控制机床工作台的纵向与横向进给；另 两轴为半闭环控制轴，分别控制磨头滑座的纵向与横向进给。砂轮旋转、滑板往 复得速度采用调频控制3 1 1 。主要技术参数如下表所示。 表2 1m k 9 0 2 5 型数控光学曲线磨床主要工作参数 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 = 蕊熟 嬲8 孵t7 - 嗡 2 1 2 磨削力测量装置 图2 - 1m k 9 0 2 5 型数控光学曲线磨床 测力系统由k i s t l e r 压电陶瓷三向测力仪，k i s t l e r5 0 7 0 型电荷放大器， 数据采集卡，计算机组成。实验中磨削力( 切向力与法向力) 通过k i s t l e r 动 态测力仪测试，测力仪平台通过夹具与材料刚性连接。在磨削过程中，测力仪将 磨削力信号转换成电信号，经过电荷放大器放大，通过数据采集系统对磨削力信 号进行采集和记录，并传入计算机进行后续处理。 图2 - 2 磨削力测量装置 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 2 1 3 实验材料 该复合材料基体为二氧化硅，增强体为石英纤维，通过非反应性液相烧结的 方式形成。具体形成过程是将石英纤维通过三维正交编织织成块状编织体，在放 入液态的氧化硅溶胶混合物中浸泡，浸泡完全后烧结成固态陶瓷材料【3 2 。 下图为本实验所采用的石英纤维增强二氧化硅复合材料。 图2 3 石英纤维增强二氧化硅复合材料 因为是三维编织体，在每个面上同时有几个方向的纤维，从图中可以看出长 度方向为经向纤维，宽度方向为纬向纤维，这两种纤维占有的比例最多。还有一 种是法向纤维，垂直于编织平面即经向与纬向纤维，此类纤维占有比例很少。因 为每个面上各个纤维结构不同造成了各向力学性能不同。 2 1 4 实验方案 为了研究磨削参数对磨削力与声发射信号的影响规律，通过单因素实验分别 研究磨削深度、进给速度和砂轮线速度对磨削力与声发射信号的变化规律，实验 中采用电镀金刚石砂轮，粒度为8 0 # ，直径为l o o m m 。实验方案1 如下表。 表2 - 2 实验方案1 由于纤维增强陶瓷基复合材料在磨削不同方向时，其纤维和基体的去除方式 和断裂程度不同，导致磨削力与声发射信号的性质与大小程度不同，为了更有效 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 研究纤维增强陶瓷基复合材料的加工特性，我们将沿着材料不同方向磨削，更有 效的研究材料的去除机理。在磨削参数为砂轮线速度为2 0 m s ，进给速度为 4 m r a i n ，磨削深度为0 1 m m 的条件下，将沿着复合材料的三个磨削方向进行磨 削，分别为( 1 ) 垂直纬向方向纤维束并沿法向纤维方向；( 2 ) 垂直纬向方向纤 维束并沿经向纤维方向；( 3 ) 垂直于经向纤维束方向。 2 2 纤维增强陶瓷基复合材料磨削机理研究 磨削过程是大量磨粒切削刃进行统计切削的过程，因而加工过程，同一束纤 维可能受到多颗磨粒的切削作用而断裂。在磨削过程中材料不断受到磨粒饿挤 压、拉伸、弯曲、剪切的综合作用，切屑的形成为基体的破坏和纤维的断裂的结 果。由于纤维增强陶瓷基复合材料是有两种不同的成分材料组成，基体和纤维的 物理、力学性能相差较大，其磨削过程中的各种问题如纤维拔出、基体脱离等问 题很大程度上取决于磨削方向与纤维方向之间的关系。 ( 1 ) 当磨削方向垂直于纤维方向进行磨削，首先磨粒会接触到复合材料表 面的基体，基体首先发生弹性退让，然后基体承受磨粒的挤压作用而产生径向裂 纹，由于纤维的阻碍作用，裂纹主要沿着基体与纤维的界面进行扩展，造成了磨 痕附近的基体脆断、剥落较严重。磨粒切开基体接触到纤维，纤维在磨粒的挤 压下，发生弯曲变形，但是受到周围材料的限制。在磨粒磨削区域内，靠近磨粒 刀尖处的纤维，受力最大，当剪切应力达到纤维的剪切强度极限时，纤维被剪断， 端口一般成平直状。在磨粒磨削区外两侧，由于受到磨粒切入而使纤维受到压迫 作用而产生弯曲，当弯曲应力达到纤维的抗弯强度极限时，纤维受到弯曲作用而 发生断裂，此时断口一般成斜面状，此时当纤维与基体界面结合较弱时，纤维被 从基体中拔出。 磨削方向 磨粒 1 i。 图2 _ 4 磨粒垂直于纤维方向磨削示意图 1 0 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 ( 2 ) 当磨削方向沿着纤维长度方向进行磨削时，磨削过程是磨粒不断的将 磨削层的纤维与基体分离而实现的，沿纤维方向产生剥层破坏。随着磨粒的前进， 处于磨削部分的基体不断承受磨粒的挤压，基体由于承受磨粒的挤压作用产生裂 纹，裂纹沿着纤维与基体的界面进行扩展，由于基体裂纹扩展方向与磨削方向一 致，故基体裂纹更易扩展，从而形成了很长的基体裂纹，进而造成纤维与基体界 面脱粘。纤维被掀开，然后纤维沿着磨粒运动方向产生了一种类似于悬臂梁的弯 曲变形，产生的弯曲应力随着磨粒的运动弯曲应力逐渐增大，当达到纤维的弯曲 强度时，纤维断裂。 图2 5 磨粒磨削方向平行于纤维方向磨削示意图 ( 3 ) 当磨削方向垂直于纤维端面时，首先磨粒接触到基体，基体受到磨粒 的挤压和剪切，当压缩应力超过基体的抗压强度时，基体发生破坏。此时，沿着 受力方向产生裂纹并扩展到纤维。当磨粒接触到纤维时，由于受到磨粒的挤压与 剪切作用，在纤维内部产生垂直于纤维轴线的应力。随着磨粒的向前推移，剪切 应力逐渐增大，当剪切应力超过纤维的抗剪切强度时，纤维被切断。被切断纤维 在磨粒先前推移的过程中被压缩，与基体产生滑移，最终与基体分离。 磨削方向 图2 - 6 磨粒磨削方向垂直于纤维端面磨削示意图 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 2 3 纤维增强陶瓷基复合材料磨削表面形貌与磨屑分析 ( c ) 1 0 0 0 倍( d ) 1 0 0 倍 图2 7 垂直于纤维长度方向磨削时纤维复合陶瓷磨削表面及切屑形貌 其中，图2 7 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为1 0 0 倍、3 5 0 倍、1 0 0 0 倍下的磨削 表面s e m 照片，( d ) 为1 0 0 倍下切屑的s e m 照片。从( a ) 中可以看出，垂直 于纤维方向进行磨削，纤维束出现成束断裂，在磨削表面留下了明显的磨痕；在 图( b ) 中可以看出，磨削表面存在很多的基体碎屑，并存在着大量的基体裂纹， 纤维束断口附近，纤维表面的基体脱落较为严重，出现了基体与纤维的分离，而 远离断v i 的地方，基体与纤维的界面粘结较好；同时结合图( c ) 可以看出，纤 维断口呈现出不同的断口形貌，有平直的，也有成斜面状的；观察图( d ) ，切 削中存在着大量的长纤维断头，最长的约为6 0 0 9 m ，且有大块的基体碎屑，最大 的直径约为2 0 0 “m 。 这是由于，垂直于纤维方向进行磨削，基体裂纹主要沿着基体与纤维的界面 进行扩展，造成了磨痕附近的基体脆断、剥落较严重，同时纤维和基体出现了分 离：纤维束主要承受来自磨粒的剪切和弯曲的复合作用，断口呈平直状的为剪切 应力所致，断口呈斜面状为弯曲应力所致：在切屑中的大量纤维断头正是由于纤 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 维的断裂所致。垂直纤维磨削时，磨削表面损伤主要以纤维的断裂为主，同时伴 随大量的基体破碎。 图2 8 为沿纤维长度方向磨削时纤维 ( c ) 1 0 0 0 倍( d ) 1 0 0 倍 图2 8 沿纤维长度方向磨削时纤维复合陶瓷磨削表面及切屑形貌 其中，图2 8 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为1 0 0 倍、3 5 0 倍、1 0 0 0 倍下的磨削 表面s e m 照片，( d ) 为1 0 0 倍下切屑的s e m 照片。从( a ) 中可以看出，纤维 束没有呈现成束的断裂，纤维断裂较少，且存在于不同的位置，出现了长短不一、 参差不齐的纤维断头；从( b ) 、( c ) 中可以看出纤维有拔出现象，并留下凹槽， 并存在着比较长的基体裂纹，且裂纹沿着纤维长度方向延伸，磨削表面残留着大 量的基体碎屑；结合( d ) 可以看出，基体碎屑主要残留于磨削表面，切屑粉末 主要以断裂或者拔出的纤维断头为主，长度约为6 0 0 9 m ，其中的一些基体碎屑很 少且小，直径约为5 0 9 m 。 这是由于，沿纤维长度方向进行磨削，裂纹沿着纤维与基体的界面进行扩展， 由于基体裂纹扩展方向与磨削方向一致，故基体裂纹更易扩展，从而形成了很长 的基体裂纹，进而造成纤维与基体界面脱粘，甚至造成了有些纤维拔出，并且在 纤维束内部纤维之间的基体更易破碎。同时由于纤维受到磨粒的挤压、弯曲的复 合作用，纤维断口随机分布。因此沿着纤维方向磨削时，磨削表面损伤主要以纤 维的少量断裂、拔出以及大量的基体破碎和裂纹为主，表面质量较好。 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 图 ( c ) 1 0 0 0 倍 ( d ) 1 0 0 倍 图2 - 9 磨削纤维束端面时纤维复合陶瓷磨削表面及切屑形貌 其中，图2 - 9 ( a ) 、 ( b ) 、 ( c ) 分别为1 0 0 倍、3 5 0 倍、1 0 0 0 倍下的磨削 表面s e m 照片，( d ) 为1 0 0 倍下切屑的s e m 照片。从( a ) 中可以看出，磨削 纤维束端面，可以看到明显的磨痕，但磨削表面较为平整，没有大量纤维断裂； ( b ) 中可以看到小的基体碎屑和凹坑，而在( c ) 就可以看到大量的纤维断头和 基体碎屑，以及一些纤维断头拔出留下的圆形凹坑，纤维端面呈平整型、阶梯型， 且纤维断头高低不平；结合( d ) 可以看出，切屑主要以短的纤维断头为主，最 长纤维断头长度约为1 5 0 9 m ，基体碎屑也较小，最大直径约为5 0 9 m 。 这是由于纤维束端面存在大量的纤维端面，基体受到磨粒挤压产生裂纹，但 裂纹受到各方的纤维的阻碍作用而难以扩展，因而产生了大量的小的基体碎屑； 而纤维端头受到来自砂轮不同部位的磨粒的剪切作用或者挤压弯曲作用，受剪切 作用而断裂的断头端面呈平整型，而受挤压弯曲作用的破坏的断头呈阶梯型，或 者是由于纤维端面受剪切从中间劈裂而呈阶梯型，大量的纤维端头受到剪切、弯 曲、挤压的复合作用而断裂、拔出，因此切屑中有大量的短纤维断头，并在磨削 表面留下了一些圆形凹坑? 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 2 4 纤维增强陶瓷基复合材料磨削力特征分析 2 4 1 磨削力随磨削参数的变化规律 在纤维增强陶瓷基复合材料磨削过程中，磨削参数是影响磨削过程的主要因 素之一，改变磨削用量可使磨削力发生显著变化。磨削过程中的磨削力的评价对 于考虑磨削加工中用的机床的刚度、功率和动态性能以及砂轮的耐用度有着重要 的作用。 ( 1 ) 磨削深度对磨削力的影响 下图为在砂轮线速度为2 0 m s 、工件进给速度为4 m m i n 为磨削条件法向力 和切向力与磨削深度的曲线。 磨蟓度u r n 图2 1 0 磨削力随磨削深度的变化曲线 从图中可以看出随着磨削深度的增加，法向磨削力合切向磨削力都增大。随 着磨削深度的增大，磨粒切削厚度增加，未变形切屑厚度增大：另外随着磨削深 度的增大，接触弧长增大，有效磨粒总数增多，因此磨削力有显著的增大。从图 中可以看出磨削深度增大对法向磨削力的影响程度要大于对切向磨削力的影响 程度。 ( 2 ) 进给速度对磨削力的影响 下图为在砂轮线速度为2 0 m s 、磨削深度为o 1 m m 为磨削条件法向力和切向 力与工件进给速度的曲线。 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 进给速度m m i n 图2 11 磨削力随工件进给速度的变化曲线 从图中可以看出随着工件进给速度的增加，法向磨削力和切向磨削力都增 大。因为保持磨削深度不变，随着进给速度的增加，去除率变大，单颗磨粒切削 厚度增大，而且参加磨削的有效磨粒数也会增加，故磨削力增大。从图中可以看 出进给速度增大对法向磨削力的影响程度要大于对切向磨削力的影响程度。 ( 3 ) 砂轮线速度对磨削力的影响 下图为在磨削深度为o 1 m m 、工件进给速度为4 m m i n 为磨削条件法向力和 切向力与砂轮线速度的曲线。 砂轮线速度m s 图2 1 2 磨削力随砂轮线速度的变化曲线 从图中可以看出法向磨削力和切向磨削力随着砂轮线速度的增大而减小。这 主要是因为磨削速度的增加使得磨粒切削厚度减小，所以磨削力都有减小的趋 势。 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 2 4 2 不同磨削方向对磨削力的影响 纤维增强陶瓷基复合材料是有两种不同的成分材料组成，基体和纤维的物 理、力学性能相差较大。各个方向中所含各个纤维比重不一样，结构也有所不同， 这就造成了不同磨削方向磨削力的差异。下表为磨削参数为砂轮线速度2 0 m s ， 进给速度4 m m i n ，磨削深度o 1 m m 的不同磨削方向法向力与切向力。 表2 - 3 不同磨削方向磨削力 当磨削方向沿垂直纬向方向纤维束并沿法向纤维方向时，此时材料的去除包 括了纬向纤维的纤维束的端面磨削，沿着法向线纤维磨削和垂直于经线方向纤维 磨削。三种纤维磨削方式的机理前面己叙述过。因为经线纤维与纬向纤维含量比 较多即垂直纤维长度方向磨削情况和纤维束端面磨削比较多，但和沿磨削方向沿 垂直纬向方向纤维束并沿经向纤维方向时，需要的法向力和切向力都较小，分别 为3 1 5 n 和1 3 5 n 。 当磨削方向沿垂直纬向方向纤维束并沿经向纤维方向时，此时材料的去除包 括了纬向纤维的纤维束的端面磨削，沿着经向线纤维磨削和垂直于法线方向纤维 磨削。因为经线纤维与纬向纤维含量比较多即沿着纤维长度方向磨削情况和纤维 束端面磨削比较多。和沿磨削方向沿垂直纬向方向纤维束并沿法向纤维方向时， 需要的法向力和切向力都较大，分别为3 5 8 n 和2 3 7 n 。可以看出切向力大的很 多，这是因为沿纤维方向磨削时纤维与基体受到弯曲和压缩作用发生变形。基体 出现裂纹并沿着纤维与基体之间界面扩展，当所受应力超过纤维的剪切强度时， 沿垂直纤维轴向方向发生断裂，需要的力大些。 当磨削方向沿垂直于经向纤维柬方向时，此时材料的去除主要是经向纤维的 纤维束的端面磨削，即磨削纤维束端面，此基体破坏机理同之前所述，纤维主要 承受不同位置的磨粒的剪切和挤压作用，但由于各方纤维端面的阻碍作用，基体 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 裂纹难以扩展，基体与纤维的界面粘结较好，故其破坏所需要的法向力和法向力 都较大，分别为5 2 6 n 和2 1 7 n 。可以看出法向力比前两种情况大很多。 2 5 钝化砂轮磨削力与工件表面形貌分析 在磨削过程中，由于磨削力和磨削温度的作用，砂轮工作表面上的磨粒会逐 渐的磨钝。砂轮钝化是由于磨粒顶部磨损成平面造成的，这样会使磨削力增大， 甚至产生颤振和磨削烧伤。磨钝后的砂轮将影响被磨工件的表面质量和几何精 度，严重影响着磨削表面的完整性【3 3 1 。目前我们一般根据磨削现象来判定砂轮是 否钝化，例如工件表面上产生的颤振痕迹、磨削噪声、磨削烧伤、磨削力急剧增 加或减小、加工精度降低等。 本次实验中使用的两种状态砂轮的表面形貌： ( a ) 锋利砂轮 ( b ) 钝化砂轮 图2 1 3 不同砂轮状态表面形貌 我们在磨削参数为砂轮线速度为2 0 m s ，进给速度为4 m m i n ，磨削深度为 0 1 m m 的条件下，分别对正常磨损期砂轮与钝化砂轮进行磨削力对比实验。 图2 1 4 不同砂轮状态磨削力对比图 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 从表中可以看出钝化砂轮磨削工件的法向力与切向力都比正常磨损期砂轮 的要大，其中法向力大两倍多，切向力大约两倍，法向力增大的比较多。 下面对钝化砂轮磨削工件表面形貌进行分析。 ( c ) 3 5 0 倍 ( d ) 1 0 0 0 倍 图2 1 5 钝化砂轮磨削石英纤维复合陶瓷磨削表面形魏 其中， ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 分别为1 0 0 倍、3 5 0 倍、3 5 0 倍和1 0 0 0 倍下的磨削表面s e m 照片，从图中可以看出钝化砂轮磨削情况下，基体表面出 现大的裂纹和凹坑，纤维破坏严重，断头较多，大量纤维被拔出留下凹坑，基体 破坏严重。因为砂轮钝化后，磨粒顶部出现磨削平面，不再锋利，磨削时切刃难 以切入工件表面。因此磨削过程中需要比锋利砂轮大一倍的力。因此在磨削过程 中在基体和基体与纤维界面会出现更深更长的裂纹，并且纤维破坏的更严重，纤 维拔表面留下了一些圆形凹坑。 2 6 本章小结 本章介绍了实验设备，实验的材料和实验方案的设计过程，通过对石英纤维 增强二氧化硅复合材料的磨削实验，得到主要以下结论。 ( 1j 当磨削方向垂直于纤维方向进行磨削，纤维在磨粒的挤压下， 靠近磨 粒刀尖处的纤维受到剪切应力而被剪断。在磨粒磨削区外两侧，纤维受到弯曲作 第二章纤维增强陶瓷基复合材料磨削研究 用而发生断裂。当磨削方向沿着纤维长度方向进行磨削时，磨削过程是磨粒不断 的将磨削层的纤维与基体分离而实现的，沿纤维方向产生剥层破坏。当磨削方向 垂直于纤维端面时，纤维受到磨粒的挤压与剪切作用，在纤维内部产生垂直于纤 维轴线的应力。随着磨粒的向前推移，剪切应力逐渐增大，纤维被切断。 ( 2 ) 垂直纤维磨削时，磨削表面存在很多的基体碎屑，并存在着大量的基 体裂纹。磨削表面损伤主要以纤维的断裂为主，同时伴随大量的基体破碎。切屑 中存在着大量的长纤维断头且有大块的基体碎屑。沿着纤维方向磨削时，磨削表 面损伤主要以纤维的少量断裂、拔出以及大量的基体破碎和裂纹为主，表面质量 较好。切屑主要以断裂或者拔出的纤维断头为主。磨削纤维束端面，磨削表面较 为平整，没有大量纤维断裂。从微观上可以看到大量的纤维断头和基体碎屑，以 及一些纤维断头拔出留下的圆形凹坑：切屑主要以短的纤维断头为主。 ( 3 ) 磨削力随着砂轮线速度的增大而减小，随着磨削深度和进给速度的增 大而增大，并且磨削深度和进给速度增大对法向磨削力的影响程度要大于对切向 磨削力的影响程度。因为复合材料各个方向中所含各个纤维比重不一样，结构也 有所不同，这就造成了不同磨削方向磨削力的差异。在相同磨削参数情况下，磨 削方向垂直于经向纤维束方向时，法向力最大。 ( 4 ) 钝化砂轮磨削工件的磨削力都比正常磨损期砂轮的要大很多，钝化砂 轮磨削工件表面出现大的裂纹和凹坑，纤维破坏严重，断头较多，大量纤维被拔 出留下凹坑，基体破坏严重。 第三章磨削过程声发射特征分析 第三章磨削过程声发射特征分析 本章主要介绍了声发射技术的基础理论，包括声发射信号的来源和影响因 素，声发射技术的特点和声发射信号的处理方法，并搭建了声发射在线监测系统。 主要分析了磨削加工过程中磨削参数的变化对声发射有效值的影响规律，他们之 间有着良好的对应关系。最后对复合材料不同磨削方向的声发射有效值和频谱进 行了分析。 3 1 声发射基础理论 3 1 1 声发射信号的来源和影响因素 引发声发射的材料局部变化成为声发射事件，而声发射源，是指声发射事件 的物理源点或发生声发射波的机制源。在工程材料中，有许多损失和破坏机制可 以产生声发射源，主要包括材料的塑性变形、裂纹的形成与扩展和纤维增强复合 材料的纤维断裂、基体开裂、纤维基体分离、界面分离等。 声发射来自材料的变形与断裂机制，因而所有影响变形与断裂机制的因素均 构成影响声发射特性的因素，主要分为外部因素和内部因素。外部因素主要包括 工件的尺寸与形状、外部应力的加载方式、加工条件、环境因素等。内部因素主 要指材料本身的特性包括成分、组织与结构，如金属材料中的晶格类型、缺陷、 应力状态，复合材料中的基体、纤维方向等【3 4 1 。 3 1 2 声发射技术的特点 与其它检测技术相比，声发射技术主要有两个不同方面。一是检测动态缺陷， 二是缺陷信息来自缺陷本身而不需要对缺陷进行扫描。这两方面的区别导致声发 射技术有以下优缺点 3 4 , 3 5 1 。 声发射技术的优点主要有以下几个方面： ( 1 ) 声发射检测对构件的几何形状不敏感，因而较适用于结构复杂或大型 的构件。 ( 2 ) 声发射检测对被测构件的接近程度要求不高，比较适用于高、低温， 易燃易爆等恶劣条件下的场合。 第三章磨削过程声发射特征分析 ( 3 ) 声发射检测是一种动态无损检测方法，即可以在不破坏构件的条件下 在线监控工业过程，可以预报构件的疲劳和破坏。 声发射技术的主要局限性： ( 1 ) 声发射特性对材料比较敏感，容易受到机械、电磁等噪声的干扰。 ( 2 ) 声发射信号在传播过程中会产生衰减、折射等问题会给声发射源的识 别带来一定困难。 ( 3 ) 声发射检测到的数据可靠性与加载程序的是否合适有很大的关系，并 且声发射具有不可逆性，因此实验数据比较宝贵。 3 1 3 声发射信号处理方法 在磨削加工过程中产生的声发射信号有很多声发射源的信息，并且经过信号 的传播和衰减引入许多机电、环境噪声等。因此怎么选取比较好的声发射信号的 处理方法来分析声发射信号，从而正确判别声发射源的信息是目前的热点问题。 目前，声发射信号的处理方法主要分为三种：参数分析方法、波形分析方法和人 工神经网络。 3 1 3 3 参数分析 参数分析法【3 6 l 是处理声发射信号最普遍的时域分析方法，通过对获取的声发 射信号的时域图形进行初步分析与整理提取出声发射信号的特征参数。常用的声 发射特征参数有能量计数、振铃计数、有效值电压、持续时间、幅度、事件等， 如图3 1 所示。 上升时间 能量包络线 f 幅 【度 振铃计数 门槛 持续时问 rl卜 图3 - 1 声发射参数定义示意图 第三章磨削过程声发射特征分析 其中，有效值电压是采样时间内信号电平的均方根值，以v 表示。它与声 发射信号的强弱有直接关系，不受门槛的影响，是比较常用的声发射时域分析的 表征参数