摘要
综述了磨削参数、纤维方向、不同加工方式以及其他因素对磨削力和表面质量的影响规律；总结了不同加工方式下的碳纤维陶瓷基复合材料的磨削机理；展望了碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工的研究方向。
碳纤维树脂基复合材料具备了碳纤维材料的模量高、质量轻、韧性好等特性，同时也兼具了树脂的质软、减震、消音效果，主要应用于大型飞机的机翼、筒段等关键构件及汽车的车身、底盘等零部件，以达到飞机、汽车等轻量化目
针对碳纤维陶瓷基复合材料的传统机械加工工艺简单、应用范围广、加工效率高，但是加工过程中会出现分层、毛刺、纤维断裂和纤维拔出等加工缺陷，并且刀具的磨损较严重，难以加工形状复杂的部
精密磨削加工因其在陶
碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工过程中磨削力的大小、变化情况等可以动态反映出砂轮的磨损程度、磨削性能以及磨削后的表面质量等状况，且鉴于碳纤维陶瓷基复合材料内部独特的结构特性，与匀质材料或其他复合材料相比，在磨削过程中磨削力的大小、影响因素等有其独特的特
磨削加工是通过砂轮与工件间的接触运动而去除工件材料的一种加工方法，砂轮与工件的接触运动受磨削加工参数影响，因此，磨削参数影响着磨削加工过程中磨削力的大小和变化情况。LI
（a） 磨削深度与磨削力的关系
（b） 砂轮转速与磨削力关系
图1 磨削参数对磨削力的影
Fig.1 Effect of grinding parameters on grinding force
综上，与匀质材料相比，碳纤维陶瓷基复合材料在单颗磨粒磨削时，磨削参数对磨削力的影响规律与匀质材料相似，磨削力与磨削深度和进给速度均呈正相关性，与砂轮转速呈负相关性；与单颗磨粒磨削不同的是，在砂轮磨削时，在一定范围内磨削力随着砂轮转速和磨削深度的增加而波动，没有呈现出线性相关性。
碳纤维作为碳纤维陶瓷基复合材料的增韧材料，在材料制备过程中有多种铺设方法，而碳纤维的铺设方向使得制备后的碳纤维陶瓷基复合材料在不同的方向上具备不同的物理力学性能，呈现强烈的各向异性，使其在不同的方向上磨削性能出现一定的差异，磨削过程中磨削力的特征也呈现一定的差异。CAO
（a） 法向磨削力
（b） 切向磨削力
图2 纤维方向对磨削力的影
Fig.2 Effect of fiber direction on grinding forc
综上，在相同磨削参数条件下，沿不同纤维方向磨削碳纤维陶瓷基复合材料过程中所测的磨削力不同，无论是法向磨削力还是切向磨削力，沿法向、纵向和横向纤维方向磨削时所测的力在数值上呈递减规律，同时沿3个纤维方向磨削时所测的切向磨削力均明显大于法向磨削力，这是碳纤维陶瓷基复合材料在磨削加工中特有的属性。
超声振动辅助磨削因其在光学玻璃、刚玉等硬脆材料加工中表现出磨削力小、表面质量好、损伤小、加工效率高等优
综上，在磨削碳纤维陶瓷基复合材料时，可以得出超声振动辅助磨削可以降低磨削力，与磨削光学玻璃、刚玉等硬脆材料的影响规律相似。
除了磨削参数、纤维方向、超声振动加工方式对磨削加工碳纤维陶瓷基复合材料的磨削力有影响之外，砂轮表面的形貌和碳纤维陶瓷基复合材料的组织也会影响磨削过程中的磨削力。LI
综上，碳纤维陶瓷基复合材料在单颗磨粒磨削时，磨削力与磨削深度和进给速度均呈正相关性，与砂轮转速呈负相关性，而在砂轮磨削时，磨削力与砂轮转速和磨削深度均没有线性相关性；与沿90°方向磨削相比，沿0°纤维方向磨削时所测的磨削力要小，沿纤维法向、纵向和横向磨削材料时所测的磨削力在数值上呈递减规律；超声振动辅助磨削碳纤维陶瓷基复合材料时可以降低磨削力，存在一个合适的超声振幅使获得的磨削力最小；此外，砂轮的表面轮廓和材料的组成成分也影响着磨削过程中所测的磨削力。
表面质量作为评价磨削加工后工件质量的重要指标，会影响工件后续使用过程中的装配精度、疲劳强度、接触刚度以及使用寿命等，同样因为碳纤维陶瓷基复合材料独特的组织结构，使得其对磨削后的表面质量有独特的影响，因此，国内外学者研究了磨削参数、纤维方向、超声辅助磨削以及其他因素对碳纤维陶瓷基材料磨削后表面质量的影响。
如1.1节所述，磨削参数影响着磨削加工过程中砂轮与工件之间的接触、摩擦和去除行为，进而影响着磨削力的大小和变化情况，并在一定范围内决定着碳纤维陶瓷基复合材料磨削后的表面质量。LIU
针对磨削参数对表面形貌的影响，刘琼
（a） 磨削深度为10 μm
（b） 磨削深度为50 μm
图3 不同磨削深度下的针刺纤维扫描电镜
Fig.3 SEM photos of needled punched fiber with different grinding depth of cut
（a） 磨削深度为30 μm
（b） 磨削深度为50 μm
（c） 砂轮转速为20 m/s
（d） 砂轮转速为30 m/s
图4 不同磨削参数下平行纤维束扫描电镜
Fig.4 SEM photos of parallel fiber with
different grinding parameter
综上，与磨削硬脆材料相比，碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工后的表面质量与磨削参数关系的相同之处是，随着砂轮转速的增加，表面粗糙度减小，表面形貌得到改善；随着磨削深度和进给速度增大，表面粗糙度增大，纤维断裂现象明显，裂纹增加，加工形貌差。不同之处是，由于2D C/SiC复合材料特殊的纤维编织方式，导致表面粗糙度随着进给速度的增加反而减小。
碳纤维陶瓷基复合材料作为一种新型复合材料，其在制备过程中纤维铺设方向多种多样，不同的纤维铺设方向导致其性能也不同，为了探究纤维方向对磨削后表面质量的影响，LIU
图5 不同转速下沿0°和90°纤维方向磨削后的
Fig.5 Surface roughness and 3D micromorphology of
表面粗糙度及三维微观形
surfaces ground along 0°and 90°fiber direction with
;different grinding depth of cu
沿不同纤维方向磨削碳纤维陶瓷基复合材料所测的磨削力和表面粗糙度有差异，因此，不同纤维方向也影响着碳纤维陶瓷基复合材料磨削后的表面形貌。WANG
图6 沿典型方向磨削加工的微观形貌
Fig.6 Micromorphology of ground surfaces in typical direction
综上，沿不同方向磨削碳纤维陶瓷基复合材料时，其方向对表面质量的影响有显著的不同，沿90°纤维方向磨削后的表面粗糙度要小于沿0°纤维磨削后的表面粗糙度；沿纤维法向、横向和纵向磨削碳纤维陶瓷基复合材料后的表面粗糙度在数值上呈现出递增的规律；沿法向纤维方向磨削时，可以获得质量好的表面形貌；沿横向纤维磨削时，加工表面纤维剥离，剥离处出现沟痕；沿纵向纤维方向磨削时，纤维出现大面积缺失。但对于磨削单向C/SiC复合材料时，却得到不同的结论，不是沿纤维法向方向磨削后获得表面粗糙度最小，而是沿纤维横向方向磨削后获得的表面粗糙度最小。
为了获得更高的表面质量和加工效率，一些学者将超声振动引入碳纤维陶瓷基复合材料的磨削加工中，并探讨了超声振动对表面质量的影响情况。AZARHOUSHANG
（a） 超声振幅A与Ra的关系
（b） 磨削深度ap与Ra的关系
（c） 进给速度vf与Ra的关系
（d） 磨削速度vs与Ra的关系
图7 不同加工方式下磨削参数对表面粗糙度的影
Fig.7 Effect of grinding parameters on surface roughness in different processing method
WANG
（a） 普通磨削
（b） 超声辅助磨削
图8 不同加工方式对纤维断裂尺寸的影
Fig.8 Effect of fiber fracture scale in different processing methods
湛青坡
（a） 普通磨削
（b） 沿进给方向施加振动
（c） 沿纵向方向施加振动
图9 不同加工方式下C/SiC复合材料的表面微观形
Fig.9 Micromorphology of C/SiC composite surfaces ground with different processing method
综上，从实验的角度探究了超声振动辅助方式对磨削碳纤维陶瓷基复合材料后表面质量的影响规律，与普通磨削相比，超声振动辅助磨削可以降低表面粗糙度，改善表面形貌，施加纵向超声振动辅助磨削后的表面质量要优于施加横向超声振动辅助磨削；存在一个最优超声振幅可使表面粗糙度最小；进给速度和砂轮速度对表面粗糙度影响程度大于磨削深度。
除了磨削参数、纤维方向、不同加工方式对碳纤维陶瓷基复合材料磨削后的表面粗糙度有影响之外，砂轮的钝化和磨粒的粒度、陶瓷基的组织以及加工工艺也影响着表面质量。WANG
综上所述，碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工后表面质量与磨削参数、纤维方向、加工方式等因素有关，通常表面质量变化的趋势与磨削深度和进给速度变化的趋势相同，与砂轮转速变化的趋势相反，但对于磨削2D编织C/SiC复合材料，表面粗糙度的变化趋势与进给速度变化趋势相反；沿纤维法向磨削时，纤维被拔出，加工表面出现孔洞；沿纤维纵向磨削时，部分纤维从材料中剥离，使加工表面出现圆柱体凹槽；沿纤维横向磨削时，一部分加工表面出现断续沟槽；沿纤维法向、横向和纵向磨削碳纤维陶瓷基复合材料后测的表面粗糙度在数值上呈现出递增的规律，然而磨削单向C/SiC复合材料时，沿纤维横向方向磨削后测的表面粗糙度要比沿其他两个方向磨削小；与传统磨削碳纤维陶瓷基复合材料相比，超声振动辅助磨削可以提高加工表面的精度和改善表面形貌；此外，砂轮的钝化和磨粒的粒度、陶瓷基的组织以及磨削的方式也影响着碳纤维陶瓷基复合材料的加工质量。
碳纤维陶瓷基复合材料由于其独特的制备方式、纤维排布方式、材料分布等特点，使其磨削去除机理有别于匀质材料和其他复合材料，目前，国内外关于碳纤维陶瓷基复合材料磨削机理研究，主要集中于单颗粒磨削、砂轮磨削和超声辅助磨削机理等方面。
砂轮的磨削加工是依靠砂轮表面上的磨粒磨削而使材料去除的过程，因此，为了研究砂轮磨削碳纤维陶瓷基复合材料的去除机理，首先需要从单颗磨粒磨削碳纤维陶瓷基复合材料的去除机理入手。LIU
（a） 沿横向刻划
（b） 沿纵向刻划
（c） 沿法向刻划
图10 刻划过程中的界面失效机制原理
Fig.10 Failure mechanism of the interface in the process of nanoscratc
（a） 沿横向刻划
（b） 沿纵向刻划
（c） 沿法向刻划
图11 沿不同方向刻划形貌
Fig.11 Micromorphology test result of scratching in the different directio
综上，碳纤维陶瓷基复合材料在单颗磨粒磨削时，其去除方式以脆性断裂为主，界面失效模式分别是剥离、剪切和综合失效，界面的损伤形式包括纤维断裂与分层、SiC基体微裂纹、界面层失粘等。
同时，一些学者在单颗磨粒刻划实验的基础上，研究了砂轮磨削碳纤维陶瓷基复合材料的去除机理。GONG
（a） 沿纵向方向磨削
（b） 沿横向纤维磨削
（c） 沿法向方向磨削
图12 典型纤维方向磨削损伤示意
Fig.12 Diagram of grinding damage in typical directio
综上，在砂轮磨削碳纤维陶瓷基复合材料过程中材料的去除形式包括基体破碎和纤维断裂，其界面失效模式与单颗磨粒磨削的界面失效模式相同，但由于砂轮磨削碳纤维陶瓷基复合材料是多磨粒共同磨削作用的结果，界面的损伤形式往往是界面脱粘、纤维磨损、基体裂纹、纤维拔出和纤维露头等多种形式共存。
鉴于超声振动辅助磨削碳纤维陶瓷基复合材料时的优越性，国内外学者探究了超声振动辅助磨削碳纤维陶瓷基复合材料的去除机理。DING
图13 SiCf/SiC复合材料磨削的去除过
Fig.13 The grinding removal process of SiCf/SiC composite
综上所述，单颗磨粒磨削、砂轮磨削和超声辅助磨削碳纤维陶瓷基复合材料的去除方式主要是基体和碳纤维的断裂破碎，但经过超声振动辅助磨削后的去除方式是以短纤维破碎的形式去除；单颗磨粒磨削碳纤维陶瓷基复合材料的界面损伤形式包括纤维断裂和分层、SiC基体微裂纹以及界面层失粘等，但碳纤维陶瓷基复合材料经过砂轮磨削后界面的损伤形式通常是界面脱粘、纤维磨损、基体裂纹、纤维拔出和纤维露头等共存。
目前，关于碳纤维陶瓷基复合材料的磨削加工主要集中在磨削力、表面质量以及磨削机理方面，主要得到以下结论：
（1）与磨削匀质材料相比，磨削加工参数对碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工的磨削力、表面质量的影响大致相似；
（2）磨削方向与纤维方向的夹角是碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工的磨削力、表面质量等变化的重要因素，磨削加工时需重点考虑磨削方向对磨削效果的影响；
（3）超声振动辅助磨削是碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工的一种重要手段，它可以有效降低磨削力、表面粗糙度和纤维破碎等情况；
（4）碳纤维陶瓷基复合材料磨削时去除方式主要是基体和碳纤维的断裂破碎；超声振动辅助磨削以短纤维破碎去除为主；碳纤维陶瓷基复合材料的界面损伤形式包括纤维断裂和分层、SiC基体微裂纹、界面层失粘、纤维磨损、纤维拔出和纤维露头等。
虽然，碳纤维陶瓷基复合材料的磨削加工已经开展了一定阶段的研究进展，但是还存在以下需要进一步深入研究的方面：
（1）针对碳纤维陶瓷基复合材料独特的特性，研究具有针对性的专用砂轮、磨削液等来提高磨削后的表面质量；
（2）目前，碳纤维陶瓷基复合材料磨削加工后的表面多以破碎、分层和纤维拔出等不稳定的去除特征为主，碳纤维陶瓷基复合材料精密磨削甚至塑性域磨削的研究有待开展；
（3）热量在碳纤维复合材料中主要沿着纤维方向传递，并影响其加工性能和服役性能，而关于碳纤维陶瓷基复合材料磨削过程中的磨削热对工件性能和表面质量的影响机理等研究有待开展；
（4）碳纤维陶瓷基复合材料的磨削加工多针对平面磨削的磨削力、表面质量和磨削机理研究，而关于其型孔、自由曲面、沟槽等特征表面的研究较少；
（5）碳纤维陶瓷基复合材料的辅助磨削加工主要采用超声振动辅助磨削，可探究其他复合加工方法，如激光辅助磨削、电火花辅助磨削等，以实现碳纤维陶瓷基复合材料的高效、精密加工。
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