1 前言
以炭/炭復合材料是一種高性能的復合材料,強度高、重量輕、熱膨脹系數小、熱導率高、高溫性能穩定、摩擦系數大、磨損性能好, 是一種優良的高溫結構材料。在航空、航天的熱構件和剎車材料中應用前景廣闊, 在地面交通工具( 如汽車、火車及機械制造、核能、體育用品等) 領域也開始有許多應用[1- 3]。
炭/炭復合材料內在結構和金屬完全不同, *不同場合使用的炭/炭材料也不同。機械加工方法有很大區別, 下面以炭/炭復合材料飛機機輪剎車盤為例, 討論炭/炭復合材料磨削加工工藝。
2 炭/炭復合材料剎車盤材料特性和表面質量要
2.1 炭/炭復合材料結構和特性
炭/炭復合材料毛坯是用炭纖維無緯布和炭纖維網胎層鋪設后針刺形成的氈體。通過反復多次的化學氣相沉積( 簡稱CVD) 、石墨化、浸漬等增密工藝和性能處理工藝, 使氈體的密度和性能達到使用要求。材料的截面結構如圖1所示, 從圖1 可看出, 不同的毛坯基體所形成最終產品截面結構形狀是有區別的。但使用性能基本相同, 都要達到產品所需的特性要求才能出廠。如摩擦材料, 不管用什么樣形式毛坯基體, 采用什么樣的增密工藝, 最后材料的特性要滿足產品使用要求。以炭/炭復合材料機輪剎車盤為例, 材料的密度、導熱性、抗剪、抗彎、抗壓強度, 動摩擦系數與靜摩擦系數等參數都要達到規定的范圍[4- 7]。
2.2 炭/炭復合材料機輪剎車盤表面質量要求
新裝機的炭/炭復合材料飛機剎車盤的摩擦磨損主要以粘著和機械摩擦為主, 能否迅速在表面形成摩擦膜, 是能不能迅速完全磨合的關鍵。表面形成摩擦膜, 使兩固體表面接近, 靠表面力和相互作用, 改變其微觀幾何形貌和物理、機械性能, 兩表面相對滑動時, 使界面上建立粘著摩擦磨損— 氧化磨損的動態能量平衡狀態。表面形成足夠的磨粒是形成摩擦膜的先決條件。磨削加工是炭/炭復合材料機輪剎車盤的最終機加工。為此, 對炭/炭剎車盤的磨削加工質量提出了一定要求, 為保證剎車盤表面均勻接觸, 兩端面要有較高平面度、平行度和合適的表面粗糙度, 以促使剎車盤摩擦面迅速形成摩擦膜, 使剎車盤盡快完成磨合過程[8]。
3 磨削方案的確定
3.1 磨削設備的選用
炭/炭復合材料機輪剎車盤外徑在300 ～520mm 范圍內, 個別品種外徑達到550 mm, 這樣大的平面外形尺寸, 用一般的平面磨床很難一次磨削完整個平面, 需選用特大的平面磨床,設備投資大。通過比較采用立軸圓臺平面磨床,這種磨床電磁工作臺尺寸!750 mm, 磨削工件高度300 mm, 升降最大行程330 mm; 磁盤工作臺的磁力是80 N/cm2; 頻率為50 Hz, 轉速為13 ～20 r /min; 60 Hz, 16 ～24 r /min, 工作臺移動速度4 ～4.8 m/min。
3.2 砂輪的選用
砂輪的結構如圖2 所示, 為筒形金屬件鑲嵌金剛石磨削層組合砂輪, 直徑450 mm, 高度150 mm, 磨削層截面10 mm ×3 mm, 磨削層的磨料為人造金剛石。其特性適合高硬度無機非金屬材料的磨削加工, 由于金剛石的高硬度,磨削性能比較優越。主要優點是: 磨削力小、加工工件的表面質量好、無工件燒傷現象、使用壽命長, 適用于較高的磨削線速度, 但不能過度加壓, 過度加壓會損壞金剛石磨削層。注意: 磨削炭/炭復合材料不能用Al2O3 基陶瓷作磨削材料, 因Al2O3 基材料在高溫易與炭發生反應, 生成炭素氧化物, 磨削時由于磨削線速度大, 磨頭與工件接觸部分溫度比較高, 如用Al2O3 基的陶瓷磨削料, 容易與炭/炭盤的表面發生氧化反應, 影響表面質量。
3.3 工件固定方法
炭/炭復合材料是非磁性材料, 磨削時不能象磁性材料一樣直接固定在磁盤工作臺上, 磁盤工作臺對非磁性材料炭/炭盤沒有吸力作用。如用機械卡盤定位來固定炭/炭盤, 一是結構復雜, 各種機輪剎車盤外形尺寸差別大, 需作多種規格的定位卡盤, 安裝很費時間。定位卡盤搬上搬下非常不方便, 很容易碰壞工作臺面;二是通過定位卡盤來定位, 炭/炭盤的定位精度又多了一個環節, 卡盤的加工精度要求高, 加工難度也大, 多一個定位環節對定位精度也有一定的影響, 這種用卡盤定位的方法使用起來問題較多。通過幾種方案的比較和試驗, 采用了炭/炭盤外沿定位的方法, 如圖3 所示。
炭/炭盤外沿定位是先將磨床電磁工作臺清理干凈, 炭/炭盤平放在工作臺合適位置, 工件周圍均分三塊定位條緊靠著工件邊緣, 調節調磁按鈕, 將工作臺的吸力調到一定值, 使定位條有一定的吸力, 然后用外力推動, 使三塊定位條對炭/炭盤有一定的夾緊力, 再把工作臺磁力調至最大, 固定定位條位置, 使待磨炭/炭盤與定位條緊夾在一起, 以防磨削時松動。
3.4 電磁工作臺對定位條的吸力
以外徑!1 = 450 mm, 內徑!2 = 250 mm 的工件為例, 設計定位條的結構, 定位條的外徑!4 = 550 mm, 內徑!3 = 450.5 mm, 定位條的內徑!3 比工件外徑!1 大0.5 mm, 主要是使工件更加的貼緊定位條, 因工件外徑有一定公差值。受力狀態見圖4。
式中S 為定位條受力面積; P 為工作臺單位面積的吸力= 80 N/cm2; C 為定位條缺口部分, 占定位條受力面積的10%。
3.5 每根定位條與電磁工作臺之間的摩擦力F2F2 的計算式如下:
F2 = 1 /3F1u1 = 1 /3 ×56 520 ×0.15 = 2 826 (N)
式中u1 為定位條與電磁工作臺的靜摩擦系數,取u1 = 0.15。
3.6 定位條對工件中心的最大力矩Mf
Mf 的計算式如下:
Mf = 3F3·L = 3Nu2·L = 3 ×300 ×0.2 ×22.5= 4 050(N·cm)
式中F3 為定位條與工件之間的摩擦力; N 為定位條與工件的壓緊力, 根據實際測定取300 N; u2 為炭/炭復合材料與定位條之間的靜摩擦系數, 取u2 = 0.2; L 為工件回轉半徑。
如圖4 所示, 三根定位條在正壓力N 的作用下緊靠著炭/炭盤。定位條通過正壓力N 與工件結合面間產生摩擦力, 從而對工件產生一個與切削力矩相反的摩擦力矩, 使磨削過程中固定工件不能轉動。電磁工作臺與定位條的摩擦力, 平衡切削力在平面X、Y 方向的分力, 在磨削加工中定位的力矩要大于磨削產生的力矩,每條定位條與電磁工作臺摩擦力要大于磨削產生的切削力, 工件才能固定不動。炭/炭復合材料經高溫石墨化處理后硬度是比較低, 增密過程生成結構炭都是脆性材料, 磨削力不大, 通過試驗, 電磁工作臺的吸力從80 N/cm2 降到50N/cm2, 使用上述定位條在磨削時能固定工件不動。為安全起見, 磨削加工時還是要把電磁力調到最大值。
4 磨削產品表面質量評價
炭/炭復合材料機輪剎車盤用周邊固定法磨削, 在保證磨床本身精度的情況下, 磨削產品質量主要決定三個因素。
( 1) 電磁工作臺表面質量, 因工件直接擺放在工作臺面上, 工作臺如果有歪斜的情況,工件也隨之歪斜, 所以工作臺面的水平度和平面度要定期檢查, 發現缺陷及時修復, 保證工作臺面處在要求的精度范圍內。
( 2) 定位條加工精度要求工件能緊貼在工作臺面上, 定位條與工件也要貼合較好要有足夠的寬度, 保證足夠的固定力, 才能防止工件在磨削時產生移動和轉動。
( 3) 磨削用砂輪處于完好狀態, 砂輪表面如有凸出明顯顆粒就容易劃傷工件表面, 粗糙度就很難達到要求。
幾種機型, 不同批次炭/炭盤磨削加工表面參數抽樣檢查結果見附表。這幾批炭/炭盤設計表面要求: 厚度公差在±0.05 mm 以內, 兩端面平行度、平面度公差值要少于0.05 mm, 表面粗糙度在12.5 μm 以下, 炭/炭復合材料是多孔材料, 密度相對金屬也比較低, 根據使用要求,炭/炭盤兩端面的粗糙度Ra 在1.25 ～12.5 μm 之間較為合適[8]。由附表可見, 抽樣的產品全部滿足設計要求。
5 結語
炭/炭復合材料在我國開始應用在航空、航天及其它多項領域, 不但對該材料的制備技術要加強研究, 對該材料的機加工技術也是一個新的課題, 這幾年筆者們成功地生產了多批次航空剎車材料, 但對于炭/炭復合材料的機加工技術, 還有待于進一步探索。特別是如何優化加工方法, 正確使用刀具, 節約成本等方面還要進一步做工作。
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