碳/碳復(fù)合材料密封環(huán)的研磨技術(shù)研究

張忠偉　郝剛

摘要：針對(duì)碳/碳復(fù)合材料的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)研具、研磨劑、工裝、運(yùn)動(dòng)軌跡等的研究和應(yīng)用，文章初步總結(jié)出了一套切實(shí)可行的雙密封面密封環(huán)的研磨方法，零件研磨表面質(zhì)量有了很大提高，且相對(duì)穩(wěn)定，滿足了設(shè)計(jì)圖紙要求，解決了大徑、薄壁、雙密封面的碳/碳復(fù)合材料密封環(huán)平面研磨難題。

關(guān)鍵詞：碳/碳復(fù)合材料；密封環(huán)研磨；雙端面密封

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）13-0033-03

碳石墨材料是適用范圍最廣的磨擦材料，與多種金屬、非金屬及其涂層具有好的組對(duì)性能，是多數(shù)干摩擦情況唯一適用的密封對(duì)偶材料之一。碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維及其織物為增強(qiáng)材料，以碳為基體，通過(guò)加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料。其特點(diǎn)顯著：比重不到2.0g/cm3；高溫力學(xué)性能極佳；抗燒蝕性能良好；具有其他復(fù)合材料的特性，如高強(qiáng)度、高模量、高疲勞度和蠕變性能等；摩擦磨損性能優(yōu)異，其摩擦系數(shù)小，性能穩(wěn)定，是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料。

碳/碳復(fù)合材料密封環(huán)（以下簡(jiǎn)稱密封環(huán)）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(huán)的最后加工工序，是密封環(huán)加工的關(guān)鍵，使用合適的研具、研磨劑、工裝很重要，同時(shí)對(duì)研磨方法要求較高，對(duì)研磨環(huán)境要求也較為嚴(yán)格。

針對(duì)碳/碳復(fù)合材料的特點(diǎn)，本文從研具、研磨劑、工裝、運(yùn)動(dòng)軌跡等方面對(duì)雙密封面密封環(huán)的平面研磨技術(shù)進(jìn)行了摸索研究。

1 密封環(huán)分析

1.1 密封環(huán)結(jié)構(gòu)分析

密封環(huán)為薄壁環(huán)形件，直徑大（近Φ180）、厚度?。ń?0mm）、寬度窄（近10mm），其主要有以下幾種結(jié)構(gòu)特征：端面環(huán)槽、外圓環(huán)槽、內(nèi)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(nèi)孔、外圓垂直度不大于0.01mm。

1.2 材料特點(diǎn)

碳/碳復(fù)合材料毛坯如圖1所示，碳纖維交錯(cuò)疊加呈致密的網(wǎng)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(qiáng)度高，密度1.8～2.0g/cm3，肖氏硬度≤70。

碳/碳復(fù)合材料是新材料領(lǐng)域中重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)的一種新型超高溫材料，它具有以下顯著特點(diǎn)：

（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(xué)性能極佳。溫度升高至2200℃，其強(qiáng)度不僅不會(huì)降低，甚至比室溫還高，這是其他結(jié)構(gòu)材料無(wú)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(shí)間燒蝕的環(huán)境中。

（4）摩擦磨損性能優(yōu)異，其摩擦系數(shù)小、性能穩(wěn)定，是各種耐磨和摩擦部件的最佳候選材料。

（5）具有其他復(fù)合材料的特性，如高強(qiáng)度、高模量、高疲勞度和蠕變性能等。

1.3 平面研磨難點(diǎn)

研磨有諸多優(yōu)點(diǎn)：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(qiáng)度提高。研磨是密封環(huán)加工工藝的最后工序，研磨的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到成品零件的合格與否，其重要性不言而喻。密封環(huán)研磨有以下難點(diǎn)：（1）密封環(huán)直徑大，薄壁，雙密封端面研磨難度大；（2）密封環(huán)表面暗淡，光度差，光學(xué)平晶檢測(cè)難。

2 平面研磨技術(shù)研究

針對(duì)碳/碳復(fù)合材料密封環(huán)研磨難點(diǎn)，在以下七個(gè)方面進(jìn)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(fā)揮切削作用；同時(shí)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(duì)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(nèi)，破壞加工表面質(zhì)量；太軟造成磨粒過(guò)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(shí)被支撐，也能迅速地改變位置，使每個(gè)磨粒都有新的棱角陸續(xù)參加切削。

我單位一直以來(lái)研磨碳石墨類(lèi)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(jù)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(dāng)?shù)谋磺度胄?，有良好的耐磨性、變形小等特點(diǎn)，硬度適中，具備作為研具研磨碳石墨類(lèi)材料的條件。

2.2 研磨劑

研磨劑是由磨粒、研磨液及輔料調(diào)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(fù)合材料密封環(huán)過(guò)程中一直采用煤油作為研磨液，在研磨過(guò)程中發(fā)現(xiàn)煤油不易揮發(fā)，研磨下來(lái)的屑末粘稠呈糨糊狀，不易清洗，研后需長(zhǎng)時(shí)間等待煤油干透才能用光學(xué)平晶進(jìn)行檢測(cè)，浪費(fèi)時(shí)間多；并且碳/碳復(fù)合材料對(duì)煤油特別敏感，見(jiàn)油后光度下降，光帶顯示模糊，平晶檢測(cè)困難。

針對(duì)煤油研磨液的使用缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，改用酒精做研磨液來(lái)進(jìn)行研磨的效果顯著，酒精揮發(fā)速度快，密封環(huán)干凈，屑末不粘稠，酒精快速揮發(fā)后密封環(huán)即可用平晶檢測(cè)，且光度好，光帶清晰，大大提高了研磨速度，檢測(cè)非常方便。

2.3 研磨工裝

2.4 研磨步驟

2.5 運(yùn)動(dòng)軌跡

對(duì)研磨運(yùn)動(dòng)軌跡的要求：應(yīng)能保證加工表面上各點(diǎn)均有相同的（或近似的）被切削條件；同時(shí)還要保證研具表面上各點(diǎn)有相同的（或近似的）切削條件，要求如下：（1）工件相對(duì)研磨盤(pán)平面作平行運(yùn)動(dòng)，保證工件上各點(diǎn)行程一樣，以獲得良好的平面性；（2）研磨運(yùn)動(dòng)力求平穩(wěn)，盡量避免曲率較大的轉(zhuǎn)角；（3）工件運(yùn)動(dòng)遍及整個(gè)研具表面，以利研具均勻磨損；（4）工件上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，盡量不出現(xiàn)周期性重復(fù)情況。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)摸索，采用正弦曲線軌跡進(jìn)行研磨比較合適，研磨一定時(shí)間后，將密封環(huán)調(diào)轉(zhuǎn)90°～180°，以防零件磨損不均勻。

2.6 研磨環(huán)境要求

研磨為終結(jié)加工，其結(jié)果決定了零件加工質(zhì)量。密封環(huán)研磨環(huán)境要求比較高，操作間門(mén)、窗應(yīng)密封良好，應(yīng)保持操作間內(nèi)清潔、無(wú)灰塵，溫度、濕度要嚴(yán)格控制，為檢測(cè)需要自然光線應(yīng)充足。

碳/碳復(fù)合材料平面研磨過(guò)程中對(duì)灰塵、雜質(zhì)等細(xì)小硬質(zhì)顆粒非常敏感，灰塵、雜質(zhì)等細(xì)小硬質(zhì)顆粒易在材料表面留下劃痕，影響研磨質(zhì)量，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致報(bào)廢。

2.7 注意事項(xiàng)

由于此零件壁薄、直徑大、要求精度高，在研磨過(guò)程中要特別注意以下四點(diǎn)：

（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(wú)法達(dá)到要求。在研磨時(shí)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(guò)高使零件變形。

（3）精研時(shí)用干研法進(jìn)行研磨，無(wú)需再在研磨平板上加研磨劑。

（4）在干研時(shí)，必須注意的是在研磨幾下后，平板會(huì)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(xiàn)象，所以必須用潔凈酒精經(jīng)常清理干凈，反復(fù)研磨，最終達(dá)到尺寸要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)碳/碳復(fù)合材料密封環(huán)進(jìn)行研磨試驗(yàn)，初步總結(jié)出了一套切實(shí)可行的平面研磨方法，經(jīng)過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證，密封環(huán)研磨表面質(zhì)量有了很大提高，滿足了設(shè)計(jì)圖紙要求，提升了我單位試制加工能力，為今后相關(guān)材料的加工奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 康永，柴秀娟.碳/碳復(fù)合材料的性能和應(yīng)用進(jìn)展[J].粘接，2010，（12）：74-76.

[2] 楊叔子.機(jī)械加工藝師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

作者簡(jiǎn)介：張忠偉（1979—），男，遼寧莊河人，沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所工程師，研究方向：機(jī)械加工生產(chǎn)管理。

（責(zé)任編輯：葉小堅(jiān)）