RB-SiC材料的磨削加工表面层质量研究

摘要

随着现代空间光学技术的发展，对大口径空间反射镜的需求日益显现。碳化硅陶瓷作为第三代空间反射镜材料，具有密度低、比刚度大、热膨胀系数小、导热性好等优异的物理和机械性能，在空间光学领域具有重要应用。其中反应烧结碳化硅(ReactionBonded Silicon Carbide，RB-SiC)具有可制备复杂结构镜体的优点，已开始用于制备空间光学反射镜。目前普遍采用金刚石砂轮磨削方法加工陶瓷材料，磨削加工不可避免地会在工件表面引入微裂纹、微破碎等损伤。反应烧结碳化硅是由SiC和Si构成的两相材料，其损伤机理不同于其他陶瓷材料，研究磨削加工RB-SiC时的材料去除机理和有效的评估加工参数对磨削质量的影响十分必要。本文利用单颗粒金刚石划痕试验研究RB-SiC材料在单颗金刚石磨粒作用下的材料变形机制，通过磨削试验研究了两相材料的磨削表面层损伤特征，分析了磨削材料去除机理，探索了加工参数对表面质量的影响规律。论文主要研究内容如下:
　　(1)对RB-SiC材料进行了一系列的单颗粒金刚石划痕测试试验，研究了材料在单颗磨粒作用下的微观变形和损伤特征。试验结果表明:根据轴向加载条件的不同，RB-SiC材料会发生如下的变形过程:微观塑性变形、微裂纹、微破碎和大面积破碎。
　　(2)对RB-SiC材料进行磨削试验，分别使用光学显微镜和截面显微观测法对磨削后的表面形貌和亚表面损伤进行检测，分析了RB-SiC磨削的材料去除机制及表面层质量特性。试验结果表明:磨削加工时，RB-SiC材料去除以脆性断裂模式为主，大颗粒SiC材料去除的主要机制是横向裂纹扩展至表面或微裂纹相交形成的材料剥落，SiC小颗粒与Si混合相内材料去除的主要机制是大量密集的短小横向裂纹扩展至表面或相交形成的微破碎。
　　(3)对RB-SiC材料进行了系统的磨削试验，分别研究了表面粗糙度和亚表面损伤深度随磨削深度、进给速度和主轴转速三个工艺参数改变的变化规律。试验结果表明:表面粗糙度和亚表面损伤深度随工艺参数改变而变化的趋势一致，当磨削深度和进给速度增大、主轴转速减小时，表面粗糙度和亚表面损伤深度增大。