碳碳復合材料密封環的研磨技術研究 zund G3 XL-3200-Keyboard foil台中雷射切割雕刻代工－陳燦慈焦點新聞熱搜

　　摘　要：針對碳/碳復合材料的特點，通過對研具、研磨劑、工裝、運動軌跡等的研究和應用，文章初步總結出了一套切實可行的雙密封面密封環的研磨方法，零件研磨表面質量有了很大提高，且相對穩定，滿足了設計圖紙要求，解決了大徑、薄壁、雙密封面的碳/碳復合材料密封環平面研磨難題。
　　關鍵詞：碳/碳復合材料；密封環研磨；雙端面密封
　　碳石墨材料是適用范圍廣的磨擦材料，與多種金屬、非金屬及其涂層具有好的組對性能，是多數干摩擦情況唯一適用的密封對偶材料之一。碳/碳復合材料是以碳纖維及其織物為增強材料，以碳為基體，通過加工處理和碳化處理制成的全碳質復合材料。其特點顯著：比重不到2.0g/cm3；高溫力學性能極佳；抗燒蝕性能良好；具有其他復合材料的特性，如高強度、高模量、高疲勞度和蠕變性能等；摩擦磨損性能優異，其摩擦系數小，性能穩定，是各種耐磨和摩擦部件的佳候選材料。
　　碳/碳復合材料密封環（以下簡稱密封環）為雙端面密封零件，直徑尺寸大，兩端面的尺寸精度高、形狀精度高、表面粗糙度低，加工難度非常大。平面研磨為密封環的后加工工序，是密封環加工的關鍵，使用合適的研具、研磨劑、工裝很重要，同時對研磨方法要求較高，對研磨環境要求也較為嚴格。
　　針對碳/碳復合材料的特點，本文從研具、研磨劑、工裝、運動軌跡等方面對雙密封面密封環的平面研磨技術進行了摸索研究。
　　1 密封環分析
　　1.1 密封環結構分析
　　密封環為薄壁環形件，直徑大（近Φ180）、厚度薄（近10mm）、寬度窄（近10mm），其主要有以下幾種結構特征：端面環槽、外圓環槽、內外圓花邊、端面凹槽以及軸向孔、徑向孔等；左、右兩端面是密封表面，具有較高的尺寸精度、粗糙度和形狀位置要求，粗糙度不大于Ra0.2μm，平面度0.0009mm，平行度不大于0.005mm，與內孔、外圓垂直度不大于0.01mm。
　　1.2 材料特點
　　碳/碳復合材料毛坯如圖1所示，碳纖維交錯疊加呈致密的網紋狀，且碳纖維縫隙之間填充著碳顆粒，與普通石墨材料相比剛性好、強度高，密度1.8～2.0g/cm3，肖氏硬度≤70。
　　碳/碳復合材料是新材料領域中重點研究和開發的一種新型超高溫材料，它具有以下顯著特點：
　　（1）密度小（<2.0g/cm3），僅為鎳基高溫合金的1/4，陶瓷材料的1/2。
　　（2）高溫力學性能極佳。溫度升高至2200℃，其強度不僅不會降低，甚至比室溫還高，這是其他結構材料無法比擬的。
　　（3）抗燒蝕性能良好，燒蝕均勻，可以用于3000℃以上高溫短時間燒蝕的環境中。
　　（4）摩擦磨損性能優異，其摩擦系數小、性能穩定，是各種耐磨和摩擦部件的佳候選材料。
　　（5）具有其他復合材料的特性，如高強度、高模量、高疲勞度和蠕變性能等。
　　1.3 平面研磨難點
　　研磨有諸多優點：尺寸精度高、形狀精度高、表面粗糙度低、零件表面耐磨性提高、零件表面疲勞強度提高。研磨是密封環加工工藝的后工序，研磨的質量好壞直接關系到成品零件的合格與否，其重要性不言而喻。密封環研磨有以下難點：（1）密封環直徑大，薄壁，雙密封端面研磨難度大；（2）密封環表面暗淡，光度差，光學平晶檢測難。
　　2 平面研磨技術研究
　　針對碳/碳復合材料密封環研磨難點，在以下七個方面進行了初步摸索研究。
　　2.1 研具
　　研具是研磨劑的載體，用以涂敷和鑲嵌磨料，使游離磨粒嵌入研具發揮切削作用；同時又是研磨成形的工具，把本身的幾何形狀精度按一定的方式傳遞到工件上。對研具的要求有一條很重要：研具的硬度選擇特別重要，太硬造成磨粒迅速破碎與磨耗，甚至有些磨粒被擠入零件內，破壞加工表面質量；太軟造成磨粒過深地被擠入研具材料中。正確地選擇研具硬度，才能使磨粒暫時被支撐，也能迅速地改變位置，使每個磨粒都有新的棱角陸續參加切削。
　　我單位一直以來研磨碳石墨類密封件常選用常溫變形較小的金屬材料――灰鑄鐵作為研具材料。根據零件尺寸選用300mm×400mm研磨平板。其具有組織致密、硬度均勻，有適當的被嵌入性，有良好的耐磨性、變形小等特點，硬度適中，具備作為研具研磨碳石墨類材料的條件。
　　2.2 研磨劑
　　研磨劑是由磨粒、研磨液及輔料調配而成的混合物。制作研磨劑的磨粒一般采用微粉，常用綠碳化硅微粉粒度：W20、W14用于粗研，W14、W10用于半精研，W7以下用于精研。
　　在以前加工碳/碳復合材料密封環過程中一直采用煤油作為研磨液，在研磨過程中發現煤油不易揮發，研磨下來的屑末粘稠呈糨糊狀，不易清洗，研后需長時間等待煤油干透才能用光學平晶進行檢測，浪費時間多；并且碳/碳復合材料對煤油特別敏感，見油后光度下降，光帶顯示模糊，平晶檢測困難。
　　針對煤油研磨液的使用缺點，經過多次試驗，改用酒精做研磨液來進行研磨的效果顯著，酒精揮發速度快，密封環干凈，屑末不粘稠，酒精快速揮發后密封環即可用平晶檢測，且光度好，光帶清晰，大大提高了研磨速度，檢測非常方便。
　　2.3 研磨工裝
　　2.4 研磨步驟
　　2.5 運動軌跡
　　對研磨運動軌跡的要求：應能保證加工表面上各點均有相同的（或近似的）被切削條件；同時還要保證研具表面上各點有相同的（或近似的）切削條件，要求如下：（1）工件相對研磨盤平面作平行運動，保證工件上各點行程一樣，以獲得良好的平面性；（2）研磨運動力求平穩，盡量避免曲率較大的轉角；（3）工件運動遍及整個研具表面，以利研具均勻磨損；（4）工件上任意一點的運動軌跡，盡量不出現周期性重復情況。
　　經過試驗摸索，采用正弦曲線軌跡進行研磨比較合適，研磨一定時間后，將密封環調轉90°～180°，以防零件磨損不均勻。
　　2.6 研磨環境要求
　　研磨為終結加工，其結果決定了零件加工質量。密封環研磨環境要求比較高，操作間門、窗應密封良好，應保持操作間內清潔、無灰塵，溫度、濕度要嚴格控制，為檢測需要自然光線應充足。
　　碳/碳復合材料平面研磨過程中對灰塵、雜質等細小硬質顆粒非常敏感，灰塵、雜質等細小硬質顆粒易在材料表面留下劃痕，影響研磨質量，嚴重的甚至導致報廢。
　　2.7 注意事項
　　由于此零件壁薄、直徑大、要求精度高，在研磨過程中要特別注意以下四點：
　　（1）研磨壓力要低。由于手的力量掌握不均勻，極易造成零件變形，研出的表面平面度無法達到要求。在研磨時切記手不要給研磨工裝垂直方向施加壓力，要平行于研磨平板施加推力。
　　（2）研磨速度要低，粗研速度控制在20～50m/min之間，精研速度控制在10～30m/min之間，以免溫度過高使零件變形。
　　（3）精研時用干研法進行研磨，無需再在研磨平板上加研磨劑。
　　（4）在干研時，必須注意的是在研磨幾下后，平板會被研下的粉末粘死，從而平板失去了切削作用，等同于粘刀現象，所以必須用潔凈酒精經常清理干凈，反復研磨，終達到尺寸要求。
　　3 結語
　　通過對碳/碳復合材料密封環進行研磨試驗，初步總結出了一套切實可行的平面研磨方法，經過實際加工驗證，密封環研磨表面質量有了很大提高，滿足了設計圖紙要求，提升了我單位試制加工能力，為今后相關材料的加工奠定了堅實的基礎。

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