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      1 前言

      以炭/炭復(fù)合材料是一種高性能的復(fù)合材料,強(qiáng)度高、重量輕、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高、高溫性能穩(wěn)定、摩擦系數(shù)大、磨損性能好, 是一種優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料。在航空、航天的熱構(gòu)件和剎車材料中應(yīng)用前景廣闊, 在地面交通工具( 如汽車、火車及機(jī)械制造、核能、體育用品等) 領(lǐng)域也開(kāi)始有許多應(yīng)用[1- 3]。

      炭/炭復(fù)合材料內(nèi)在結(jié)構(gòu)和金屬完全不同, *不同場(chǎng)合使用的炭/炭材料也不同。機(jī)械加工方法有很大區(qū)別, 下面以炭/炭復(fù)合材料飛機(jī)機(jī)輪剎車盤(pán)為例, 討論炭/炭復(fù)合材料磨削加工工藝。

      2 炭/炭復(fù)合材料剎車盤(pán)材料特性和表面質(zhì)量要

      2.1 炭/炭復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和特性

      炭/炭復(fù)合材料毛坯是用炭纖維無(wú)緯布和炭纖維網(wǎng)胎層鋪設(shè)后針刺形成的氈體。通過(guò)反復(fù)多次的化學(xué)氣相沉積( 簡(jiǎn)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(dá)到使用要求。材料的截面結(jié)構(gòu)如圖1所示, 從圖1 可看出, 不同的毛坯基體所形成最終產(chǎn)品截面結(jié)構(gòu)形狀是有區(qū)別的。但使用性能基本相同, 都要達(dá)到產(chǎn)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(chǎn)品使用要求。以炭/炭復(fù)合材料機(jī)輪剎車盤(pán)為例, 材料的密度、導(dǎo)熱性、抗剪、抗彎、抗壓強(qiáng)度, 動(dòng)摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)等參數(shù)都要達(dá)到規(guī)定的范圍[4- 7]。

      2.2 炭/炭復(fù)合材料機(jī)輪剎車盤(pán)表面質(zhì)量要求

      新裝機(jī)的炭/炭復(fù)合材料飛機(jī)剎車盤(pán)的摩擦磨損主要以粘著和機(jī)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(guān)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(jī)械性能, 兩表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí), 使界面上建立粘著摩擦磨損— 氧化磨損的動(dòng)態(tài)能量平衡狀態(tài)。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(fù)合材料機(jī)輪剎車盤(pán)的最終機(jī)加工。為此, 對(duì)炭/炭剎車盤(pán)的磨削加工質(zhì)量提出了一定要求, 為保證剎車盤(pán)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(pán)摩擦面迅速形成摩擦膜, 使剎車盤(pán)盡快完成磨合過(guò)程[8]。

      3 磨削方案的確定

      3.1 磨削設(shè)備的選用

      炭/炭復(fù)合材料機(jī)輪剎車盤(pán)外徑在300 ～520mm 范圍內(nèi), 個(gè)別品種外徑達(dá)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(gè)平面, 需選用特大的平面磨床,設(shè)備投資大。通過(guò)比較采用立軸圓臺(tái)平面磨床,這種磨床電磁工作臺(tái)尺寸!750 mm, 磨削工件高度300 mm, 升降最大行程330 mm; 磁盤(pán)工作臺(tái)的磁力是80 N/cm2; 頻率為50 Hz, 轉(zhuǎn)速為13 ～20 r /min; 60 Hz, 16 ～24 r /min, 工作臺(tái)移動(dòng)速度4 ～4.8 m/min。

      3.2 砂輪的選用

      砂輪的結(jié)構(gòu)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(wú)機(jī)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(yōu)越。主要優(yōu)點(diǎn)是: 磨削力小、加工工件的表面質(zhì)量好、無(wú)工件燒傷現(xiàn)象、使用壽命長(zhǎng), 適用于較高的磨削線速度, 但不能過(guò)度加壓, 過(guò)度加壓會(huì)損壞金剛石磨削層。注意: 磨削炭/炭復(fù)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(fā)生反應(yīng), 生成炭素氧化物, 磨削時(shí)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(pán)的表面發(fā)生氧化反應(yīng), 影響表面質(zhì)量。

      3.3 工件固定方法

      炭/炭復(fù)合材料是非磁性材料, 磨削時(shí)不能象磁性材料一樣直接固定在磁盤(pán)工作臺(tái)上, 磁盤(pán)工作臺(tái)對(duì)非磁性材料炭/炭盤(pán)沒(méi)有吸力作用。如用機(jī)械卡盤(pán)定位來(lái)固定炭/炭盤(pán), 一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 各種機(jī)輪剎車盤(pán)外形尺寸差別大, 需作多種規(guī)格的定位卡盤(pán), 安裝很費(fèi)時(shí)間。定位卡盤(pán)搬上搬下非常不方便, 很容易碰壞工作臺(tái)面;二是通過(guò)定位卡盤(pán)來(lái)定位, 炭/炭盤(pán)的定位精度又多了一個(gè)環(huán)節(jié), 卡盤(pán)的加工精度要求高, 加工難度也大, 多一個(gè)定位環(huán)節(jié)對(duì)定位精度也有一定的影響, 這種用卡盤(pán)定位的方法使用起來(lái)問(wèn)題較多。通過(guò)幾種方案的比較和試驗(yàn), 采用了炭/炭盤(pán)外沿定位的方法, 如圖3 所示。

      炭/炭盤(pán)外沿定位是先將磨床電磁工作臺(tái)清理干凈, 炭/炭盤(pán)平放在工作臺(tái)合適位置, 工件周圍均分三塊定位條緊靠著工件邊緣, 調(diào)節(jié)調(diào)磁按鈕, 將工作臺(tái)的吸力調(diào)到一定值, 使定位條有一定的吸力, 然后用外力推動(dòng), 使三塊定位條對(duì)炭/炭盤(pán)有一定的夾緊力, 再把工作臺(tái)磁力調(diào)至最大, 固定定位條位置, 使待磨炭/炭盤(pán)與定位條緊夾在一起, 以防磨削時(shí)松動(dòng)。

      3.4 電磁工作臺(tái)對(duì)定位條的吸力

      以外徑!1 = 450 mm, 內(nèi)徑!2 = 250 mm 的工件為例, 設(shè)計(jì)定位條的結(jié)構(gòu), 定位條的外徑!4 = 550 mm, 內(nèi)徑!3 = 450.5 mm, 定位條的內(nèi)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(tài)見(jiàn)圖4。

      式中S 為定位條受力面積; P 為工作臺(tái)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(tái)之間的摩擦力F2F2 的計(jì)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(tái)的靜摩擦系數(shù),取u1 = 0.15。

      3.6 定位條對(duì)工件中心的最大力矩Mf

      Mf 的計(jì)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(jù)實(shí)際測(cè)定取300 N; u2 為炭/炭復(fù)合材料與定位條之間的靜摩擦系數(shù), 取u2 = 0.2; L 為工件回轉(zhuǎn)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(pán)。定位條通過(guò)正壓力N 與工件結(jié)合面間產(chǎn)生摩擦力, 從而對(duì)工件產(chǎn)生一個(gè)與切削力矩相反的摩擦力矩, 使磨削過(guò)程中固定工件不能轉(zhuǎn)動(dòng)。電磁工作臺(tái)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(chǎn)生的力矩,每條定位條與電磁工作臺(tái)摩擦力要大于磨削產(chǎn)生的切削力, 工件才能固定不動(dòng)。炭/炭復(fù)合材料經(jīng)高溫石墨化處理后硬度是比較低, 增密過(guò)程生成結(jié)構(gòu)炭都是脆性材料, 磨削力不大, 通過(guò)試驗(yàn), 電磁工作臺(tái)的吸力從80 N/cm2 降到50N/cm2, 使用上述定位條在磨削時(shí)能固定工件不動(dòng)。為安全起見(jiàn), 磨削加工時(shí)還是要把電磁力調(diào)到最大值。

      4 磨削產(chǎn)品表面質(zhì)量評(píng)價(jià)

      炭/炭復(fù)合材料機(jī)輪剎車盤(pán)用周邊固定法磨削, 在保證磨床本身精度的情況下, 磨削產(chǎn)品質(zhì)量主要決定三個(gè)因素。

      ( 1) 電磁工作臺(tái)表面質(zhì)量, 因工件直接擺放在工作臺(tái)面上, 工作臺(tái)如果有歪斜的情況,工件也隨之歪斜, 所以工作臺(tái)面的水平度和平面度要定期檢查, 發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)修復(fù), 保證工作臺(tái)面處在要求的精度范圍內(nèi)。

      ( 2) 定位條加工精度要求工件能緊貼在工作臺(tái)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(shí)產(chǎn)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

      ( 3) 磨削用砂輪處于完好狀態(tài), 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(dá)到要求。

      幾種機(jī)型, 不同批次炭/炭盤(pán)磨削加工表面參數(shù)抽樣檢查結(jié)果見(jiàn)附表。這幾批炭/炭盤(pán)設(shè)計(jì)表面要求: 厚度公差在±0.05 mm 以內(nèi), 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(fù)合材料是多孔材料, 密度相對(duì)金屬也比較低, 根據(jù)使用要求,炭/炭盤(pán)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(jiàn), 抽樣的產(chǎn)品全部滿足設(shè)計(jì)要求。

       5 結(jié)語(yǔ)

      炭/炭復(fù)合材料在我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用在航空、航天及其它多項(xiàng)領(lǐng)域, 不但對(duì)該材料的制備技術(shù)要加強(qiáng)研究, 對(duì)該材料的機(jī)加工技術(shù)也是一個(gè)新的課題, 這幾年筆者們成功地生產(chǎn)了多批次航空剎車材料, 但對(duì)于炭/炭復(fù)合材料的機(jī)加工技術(shù), 還有待于進(jìn)一步探索。特別是如何優(yōu)化加工方法, 正確使用刀具, 節(jié)約成本等方面還要進(jìn)一步做工作。