Cf/SiC复合材料铣削过程中由机械加工引起的损伤：机理与评估方法

《COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING》：Machining-induced damage in milling of C f/SiC composites: mechanisms and evaluation methods

碳纤维增强碳化硅复合材料加工损伤机制研究，采用工业CT对比分析建立损伤评估模型，揭示凹坑损伤的三种形成机理：轴向压缩导致的内在缺陷压碎、径向载荷引发的纤维束裂纹扩展、刀具作用产生的碎片飞溅。通过响应面法优化切削速度、进给量和径向切深参数，验证模型预测误差仅2.26%，为复合材料的精密加工提供量化评估依据。

　　碳纤维增强碳化硅（C_f/SiC）复合材料因其卓越的比强度和抗烧蚀性能，在航空航天领域得到了广泛应用。然而，这类材料由于其高硬度、脆性和各向异性，使得在加工过程中容易产生损伤。为了更深入地了解C_f/SiC复合材料在铣削加工中产生的损伤形成机制，并提高加工质量，本研究对铣削诱导的损伤进行了系统分析，并提出了一种新的损伤评估模型。

C_f/SiC复合材料是一种典型的纤维增强陶瓷基复合材料（CMC），其结构由碳纤维和碳化硅基体组成。这种材料在高温环境下仍能保持良好的性能，适用于制造高温部件，如发动机叶片、燃烧室衬板等。然而，其加工性能却存在较大挑战。一方面，材料的高硬度使得传统加工方式难以达到理想的表面质量；另一方面，材料内部的缺陷，如孔隙、纤维束交界处的不规则结构等，容易在加工过程中被暴露出来，形成表面损伤。

在实际加工中，由于C_f/SiC复合材料的结构特点，其加工损伤往往表现为多种形式，包括坑洞、纤维断裂、裂纹扩展等。这些损伤不仅影响材料的表面质量，还可能进一步降低其机械性能和使用寿命。因此，研究和控制这些加工损伤成为提高C_f/SiC复合材料加工质量的关键。

本研究采用工业CT技术对C_f/SiC复合材料进行加工前后的扫描，从而对材料内部的缺陷和加工损伤进行对比分析。通过图像处理和识别技术，对CT切片图像进行定量分析，揭示了铣削过程中不同类型的损伤形成机制。研究发现，坑洞损伤是最常见的铣削诱导损伤形式，其形成主要由三种机制驱动：一是轴向切削力导致的表面下固有缺陷的压缩破坏；二是径向切削力引起的纤维束裂纹扩展；三是刀具对材料内部缺陷中碎片的压缩和刮擦作用导致的碎片剥落。这些机制共同作用，使得坑洞损伤在加工过程中变得尤为突出。

基于对这些损伤机制的理解，本研究建立了一个新的损伤评估模型，该模型通过将最大损伤深度与新生成损伤面积与总加工面积的比值进行加权计算，从而实现对加工损伤的定量评估。此外，还开发了一个响应预测模型，用于评估损伤指数与三个关键工艺参数之间的关系：切削速度、每齿进给量和径向切削深度。通过对这些参数进行优化，研究团队在实验中验证了预测模型的可靠性，实验结果与预测结果之间的偏差仅为2.26%，表明该模型具有较高的准确性。

在当前的研究中，对于纤维增强陶瓷基复合材料（FRCMC）的加工损伤评估，大多数研究仍停留在定性分析阶段，缺乏对损伤类型的定量评估。现有的定量研究主要集中在钻孔工艺上，例如，钻孔过程中常见的损伤类型包括边缘崩缺、毛刺、纤维拔出和孔壁坑洞等。然而，对于铣削、车削和磨削等工艺，相关研究较少，且评估方法多依赖于表面粗糙度作为唯一指标。这种做法存在一定的局限性，因为表面粗糙度无法准确反映材料内部的损伤情况，特别是在存在固有缺陷的情况下，仅依靠表面粗糙度进行评估可能会掩盖真实的加工损伤。

为了克服这一问题，本研究提出了一种新的损伤评估方法，即通过工业CT对加工前后的材料进行扫描，从而区分出加工诱导的损伤和固有缺陷。这种方法不仅能够提供更精确的损伤信息，还能够实现对损伤类型的定量分析。通过对比加工前后CT图像，可以清晰地观察到损伤的分布和变化，为后续的工艺优化提供可靠的数据支持。

在实际应用中，C_f/SiC复合材料的加工质量直接影响其在航空航天等高端领域的使用效果。因此，如何在保证加工效率的同时，减少加工过程中产生的损伤，是当前研究的重点。现有的加工技术，如水射流切割，虽然在某些情况下可以满足加工需求，但由于其加工精度和轮廓保真度有限，难以满足C_f/SiC复合材料对高精度加工的要求。相比之下，传统的机械加工方法，如铣削、车削和磨削，虽然能够实现较高的加工精度，但由于材料的各向异性和非均质性，容易在加工过程中产生各种形式的损伤。

本研究通过系统分析铣削过程中产生的不同类型的损伤，并建立相应的评估模型，为优化加工参数提供了理论依据和实践指导。通过优化切削速度、每齿进给量和径向切削深度等参数，可以有效减少加工损伤的发生，提高材料的加工质量。此外，研究还发现，不同工艺参数对损伤形成的影响存在差异，因此需要根据具体的加工需求和材料特性进行参数调整。

在实际应用中，C_f/SiC复合材料的加工损伤不仅影响其表面质量，还可能对材料的机械性能和使用寿命产生负面影响。因此，建立一种能够准确评估加工损伤的方法，对于提高材料的加工质量具有重要意义。本研究提出的工业CT结合图像处理技术的方法，为实现这一目标提供了新的思路和手段。

总的来说，本研究通过工业CT技术对C_f/SiC复合材料的加工损伤进行了系统分析，揭示了坑洞损伤的主要形成机制，并建立了新的损伤评估模型。该模型不仅能够对加工损伤进行定量评估，还能够用于预测和优化加工参数，从而实现低损伤加工。研究结果表明，通过合理选择工艺参数，可以有效减少加工过程中产生的损伤，提高材料的加工质量和使用寿命。