1 前言(yán)
以(yǐ)炭/炭複合材(cái)料是一種(zhǒng)高性(xìng)能的複合材料,強度高、重量輕、熱(rè)膨脹係數小(xiǎo)、熱導率高、高溫性能穩定、摩擦係數大、磨損性能好, 是一種優良的高溫結構材料。在航空、航天(tiān)的熱構件(jiàn)和(hé)刹車材(cái)料中應用前景廣闊(kuò), 在地(dì)麵交通工具( 如汽車、火車及機械製造、核能(néng)、體育用品等) 領域也開始有許多應用[1- 3]。
炭/炭複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(liào)也不同。機械加工方法有很(hěn)大區別, 下麵以炭/炭複合(hé)材(cái)料飛機機(jī)輪(lún)刹(shā)車盤為例, 討論炭/炭(tàn)複合材(cái)料磨削加(jiā)工工藝。
2 炭/炭複(fù)合材料刹車盤材料特(tè)性和表麵(miàn)質量(liàng)要
2.1 炭/炭複合材料結構和特性
炭/炭複合材料毛坯是用炭纖維無緯布和炭纖維網胎層鋪設後針刺形成的氈體。通過反複多次的化學氣相(xiàng)沉積( 簡稱CVD) 、石墨化、浸漬等增密工藝和性(xìng)能處理工藝, 使(shǐ)氈體的密度和性能達到使用要求。材料的截麵(miàn)結構如圖1所示, 從(cóng)圖1 可看出, 不同的毛坯基體所形成(chéng)最(zuì)終產品截麵(miàn)結構形狀是有區別的。但使用性能基本(běn)相(xiàng)同, 都要達到產品所(suǒ)需的特性要求才能出廠。如摩擦材料, 不管用什麽樣形式毛坯基體(tǐ), 采用什麽樣(yàng)的增密工藝, 最後(hòu)材料的(de)特性要滿足產品使用要求。以炭/炭複合材料機輪刹(shā)車盤為例, 材料的密度(dù)、導熱(rè)性、抗剪、抗彎、抗壓強度, 動摩擦係數與靜摩擦(cā)係數等參數都(dōu)要達到規(guī)定的範圍[4- 7]。
2.2 炭/炭複合(hé)材料機輪刹車(chē)盤(pán)表麵質量(liàng)要(yào)求
新裝機的炭/炭複合材料飛機(jī)刹車盤的摩擦磨損主要以粘著和機械摩擦為主, 能否迅速在表麵形成摩擦膜, 是能(néng)不能迅速(sù)完全磨合(hé)的關鍵。表麵形成摩(mó)擦(cā)膜, 使兩固體表麵接近, 靠表麵力和相互作用, 改變其微觀幾(jǐ)何形貌和物理、機械性能, 兩表麵相對滑(huá)動時, 使(shǐ)界麵上(shàng)建立粘著摩擦磨(mó)損— 氧化(huà)磨損的動態能量平衡狀態(tài)。表麵形成足夠的磨粒是形成摩擦膜的先決條件。磨削加工是炭/炭複合材料機輪刹車盤的最終機加工。為此, 對炭/炭刹車盤的磨削加工質量提出了一定要(yào)求, 為保證刹車盤表麵均勻接(jiē)觸, 兩端麵要有較高平麵度、平行度和合適的表麵(miàn)粗糙度, 以促(cù)使刹車盤摩擦麵迅速形成摩擦膜, 使刹車盤盡快完成磨合過程(chéng)[8]。
3 磨削方案(àn)的確定
3.1 磨削設備的選用
炭/炭複合材料機輪刹車盤外徑在300 ~520mm 範圍內, 個別品種外(wài)徑達(dá)到550 mm, 這樣大的平(píng)麵外形尺寸, 用一般的平麵磨床(chuáng)很難一次磨削完整個平(píng)麵(miàn), 需選用特大的平(píng)麵磨床,設備投資大。通過比較采用立軸圓台平(píng)麵磨床,這種磨床電磁工作台尺寸!750 mm, 磨削工件高度300 mm, 升降最大行程330 mm; 磁盤工作台的磁力是(shì)80 N/cm2; 頻率為50 Hz, 轉速為13 ~20 r /min; 60 Hz, 16 ~24 r /min, 工作台移動速度4 ~4.8 m/min。
3.2 砂輪的選用
砂輪的結構如圖2 所示(shì), 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, 磨削層截麵10 mm ×3 mm, 磨削層的磨料為人造(zào)金剛石。其特性適合高(gāo)硬度無機非金屬材料的(de)磨(mó)削加工, 由於金剛石的高硬度,磨削性能比較優越。主要優點是: 磨削力小、加工工件的(de)表麵質量好、無工件燒傷現象、使用壽命長(zhǎng), 適用於較高的磨削線速度, 但不能過(guò)度加壓, 過度加壓會損(sǔn)壞金剛(gāng)石磨削層。注意: 磨削炭/炭(tàn)複合材料不(bú)能用Al2O3 基陶瓷作磨削(xuē)材料, 因Al2O3 基材料(liào)在高溫易與炭發生反應, 生成炭素氧化物, 磨削時由於磨削線速度大, 磨頭與工件接觸部分溫度比較高, 如用Al2O3 基(jī)的陶瓷磨削料, 容易與炭/炭盤的表麵發生氧化反應, 影響表麵質量。
3.3 工件固定方法
炭/炭複合材料是非磁性材料, 磨削時不(bú)能象磁性材料一樣直(zhí)接(jiē)固定在磁盤工作(zuò)台上, 磁盤工作台對非磁性材料炭/炭盤沒有吸力作用。如用機(jī)械卡盤定位來固定炭/炭盤, 一是結(jié)構複雜, 各種機輪刹車盤外形尺寸差別大, 需作多種規格(gé)的定位卡盤, 安裝很費時間。定位卡(kǎ)盤搬上搬下非常不方便, 很容(róng)易碰壞工作台麵;二是通過定位卡盤來定位, 炭/炭盤的定位精度又多(duō)了一個環節, 卡(kǎ)盤的(de)加工精度(dù)要求高, 加工難度也(yě)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(fāng)法使用起來問題較多。通過幾種(zhǒng)方案的比較和試驗, 采用了炭/炭盤(pán)外沿定位的方法, 如圖3 所示(shì)。
炭/炭盤外沿定位是先將磨床電磁工作台清理幹淨, 炭/炭盤平放在工作台合適位置, 工件周圍均分三塊定位條緊靠著工件(jiàn)邊緣, 調節(jiē)調磁按鈕, 將工作台的吸力調到一定值, 使定位條有一定(dìng)的吸(xī)力, 然後用外力推動, 使三(sān)塊定位條對炭/炭盤有(yǒu)一定的夾緊力, 再把工作台磁力調至最(zuì)大, 固定(dìng)定位條位置, 使待磨炭(tàn)/炭(tàn)盤與定位條緊夾在(zài)一起, 以防磨削時鬆動。
3.4 電磁(cí)工作台對定位條的吸力
以外(wài)徑!1 = 450 mm, 內徑!2 = 250 mm 的工件為(wéi)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(wài)徑!1 大0.5 mm, 主要是使工件更加的貼(tiē)緊定位條, 因工件外徑有一定公差值。受(shòu)力狀態見圖4。
式中S 為(wéi)定位條受力麵積(jī); P 為工作(zuò)台單位麵積的吸力= 80 N/cm2; C 為定位條缺口部分, 占定位條受力麵(miàn)積的10%。
3.5 每根定位條與電磁工作台之間的摩擦力F2F2 的計算式(shì)如下:
F2 = 1 /3F1u1 = 1 /3 ×56 520 ×0.15 = 2 826 (N)
式中u1 為定位條與(yǔ)電磁工作台的靜摩擦係數,取u1 = 0.15。
3.6 定位條對(duì)工件(jiàn)中(zhōng)心的最大力矩Mf
Mf 的(de)計算(suàn)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(zhī)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(tàn)/炭(tàn)複合材料與定位條之間的靜摩(mó)擦係(xì)數, 取u2 = 0.2; L 為工件回轉半徑。
如圖4 所示, 三根定位條(tiáo)在正壓(yā)力N 的作用下(xià)緊(jǐn)靠著炭/炭盤。定位條通過正壓力N 與工件結(jié)合麵間產生摩擦力, 從而對(duì)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(dìng)工(gōng)件不能轉動。電(diàn)磁(cí)工作台與定位條的摩擦力, 平衡切削力(lì)在平麵X、Y 方向的分力, 在磨削加工中定位的力矩要大於磨(mó)削(xuē)產(chǎn)生的力矩,每條定位條與電磁工作台摩(mó)擦力要大於磨削(xuē)產生的切削(xuē)力, 工件才能固定不動。炭/炭(tàn)複合材料經高溫石墨化處理(lǐ)後(hòu)硬度(dù)是比較低, 增(zēng)密過程(chéng)生成結構炭都(dōu)是脆性材料(liào), 磨削力不大, 通過(guò)試驗, 電磁工作台的吸力從80 N/cm2 降到50N/cm2, 使用上述(shù)定位條在磨削時能(néng)固定工件不動。為安全起見(jiàn), 磨削加工時還是要把電磁(cí)力調到最大值。
4 磨削產品表麵質量評價
炭/炭(tàn)複合材料機輪刹車盤用周(zhōu)邊固定法磨削, 在保證(zhèng)磨床本身精度的情況下, 磨削產品質量主要(yào)決定三個因素。
( 1) 電磁工作台表麵(miàn)質量, 因工件直接擺放在工作台麵上, 工作台如果有歪斜的情況,工件也(yě)隨之歪斜, 所以工作台麵的水平度(dù)和平麵度要定期檢查, 發現缺陷及時修複, 保證工作台麵處在要求的精度範圍內。
( 2) 定位條加(jiā)工精度要求工件能緊貼在工作台麵上, 定位條與工(gōng)件也要貼(tiē)合較好要有足夠的寬度, 保(bǎo)證足夠的固定力, 才能(néng)防止工件在磨削時產生移動和轉動。
( 3) 磨削用砂輪處於完(wán)好狀態, 砂輪表麵如有凸(tū)出(chū)明顯顆粒就容易劃傷工(gōng)件表麵, 粗糙度就很難達到要求。
幾種機型, 不同批次炭/炭盤磨削加工表麵參數抽樣檢查結(jié)果見附表。這幾批炭/炭盤設計表(biǎo)麵(miàn)要求: 厚度公差在±0.05 mm 以內(nèi), 兩端麵平(píng)行度、平麵度公(gōng)差(chà)值要(yào)少於0.05 mm, 表麵粗糙度在12.5 μm 以下, 炭/炭複合材料是多孔材料, 密度相對金屬也比較低, 根據使用要求,炭/炭盤兩端麵的粗糙度Ra 在1.25 ~12.5 μm 之間較為合適[8]。由(yóu)附表(biǎo)可見, 抽樣的產品全部滿足設計要求。
5 結語
炭/炭複合材料在我國開始應(yīng)用在航(háng)空、航天及其它多項領域, 不但對該材料的製備技(jì)術要加(jiā)強(qiáng)研究, 對該材料的機(jī)加工技術(shù)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刹車材料(liào), 但對於炭/炭複合材料的(de)機加工技術, 還有待於進一步探索。特別是如(rú)何優化加工方(fāng)法, 正(zhèng)確使用刀具, 節約成(chéng)本等(děng)方麵還要(yào)進一步做工作。
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