1 前言

      以炭（tàn）/炭複合材料是一種高性能的複合材料,強度高、重量輕、熱膨脹係數小、熱導率高、高溫性（xìng）能穩（wěn）定、摩擦係數大（dà）、磨損性能好, 是一種優良的高溫結構材料。在航空、航天的熱構件和刹車材料中應用前景廣闊, 在地麵（miàn）交通工具( 如汽車、火車及機（jī）械製造、核（hé）能、體育用品等) 領域也開始有許多應用[1- 3]。

      炭/炭複合（hé）材料內在結（jié）構和金屬完全不同, *不同場合（hé）使用的炭/炭材料也不同。機械加工方法有很大區別, 下麵以炭/炭複合材料飛機（jī）機輪刹（shā）車盤為例（lì）, 討論炭/炭複合材料磨（mó）削加工工藝。

      2 炭（tàn）/炭複（fù）合材（cái）料刹車盤材料特性和表麵質量要

      2.1 炭/炭複合（hé）材料（liào）結構（gòu）和特性（xìng）

      炭/炭複合材（cái）料（liào）毛坯是用炭纖維（wéi）無緯（wěi）布和炭纖維網胎層鋪設（shè）後針（zhēn）刺形成的氈體。通過反複多次的化學氣相沉積( 簡稱CVD) 、石（shí）墨化（huà）、浸（jìn）漬等增密工藝和性（xìng）能處理工（gōng）藝, 使氈體的（de）密度和（hé）性能達到使用要求。材料的（de）截麵結構如圖1所示, 從圖1 可看（kàn）出, 不同的毛坯基（jī）體所形（xíng）成最終產品（pǐn）截麵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（xìng）要求才能（néng）出廠。如摩擦材料, 不管用什麽樣形式（shì）毛坯基體, 采用什麽樣的增密工藝, 最後材料的特性（xìng）要滿足產品使用要求。以炭/炭複合材料機輪刹車盤為例, 材（cái）料的密度、導熱性、抗（kàng）剪、抗（kàng）彎（wān）、抗壓強度, 動摩擦係數與靜（jìng）摩（mó）擦係數等參數（shù）都要達到規定的範圍[4- 7]。

      2.2 炭/炭複合材料機（jī）輪刹車盤（pán）表麵質量要求

      新裝機的炭（tàn）/炭複合（hé）材料飛機（jī）刹車盤的摩擦磨損主要以粘（zhān）著和機械摩擦為主, 能否迅速在表麵形成摩擦膜, 是能不能迅速完全磨合的關鍵。表麵形成（chéng）摩擦膜, 使兩固體表麵接近, 靠表麵力和相互作用, 改變其微觀幾何形貌和物理、機械性能, 兩表麵相對滑（huá）動時, 使界麵上（shàng）建（jiàn）立粘著摩擦磨損— 氧化磨（mó）損的動態能量平衡狀態。表麵（miàn）形成足夠的磨粒是形成摩擦膜的先決（jué）條件。磨削加工是炭/炭（tàn）複（fù）合材（cái）料機輪刹車（chē）盤的最終機（jī）加工。為此, 對炭/炭（tàn）刹車盤（pán）的磨削加（jiā）工（gōng）質量提出了一（yī）定要求, 為保證刹車盤表麵均勻接觸, 兩端麵要有較高（gāo）平麵（miàn）度、平行度和合適的表麵粗糙度, 以促使（shǐ）刹車盤摩擦麵迅（xùn）速形成摩（mó）擦膜, 使刹車盤盡快完（wán）成磨合過程[8]。

      3 磨削方案（àn）的確定

      3.1 磨削設備的選用

      炭/炭（tàn）複合材料（liào）機輪刹車盤外徑在（zài）300 ～520mm 範圍內, 個別品種外徑達到550 mm, 這樣大的平麵（miàn）外形尺寸, 用一般的平麵磨床很難一次磨（mó）削完整個（gè）平麵, 需選用特（tè）大的平麵磨床,設備（bèi）投資大。通過比較（jiào）采用立軸圓（yuán）台平麵磨床,這種磨（mó）床電（diàn）磁工作台尺寸!750 mm, 磨削工件高度300 mm, 升降（jiàng）最大行程（chéng）330 mm; 磁盤工作台的磁力是80 N/cm2; 頻率為50 Hz, 轉速為13 ～20 r /min; 60 Hz, 16 ～24 r /min, 工作台移動速度4 ～4.8 m/min。

      3.2 砂（shā）輪的選用

      砂（shā）輪的結構如圖（tú）2 所示, 為筒形（xíng）金屬件鑲嵌（qiàn）金剛石磨削層組合砂輪, 直徑450 mm, 高度（dù）150 mm, 磨削層（céng）截麵10 mm ×3 mm, 磨削層的磨料（liào）為人造金剛石。其特性（xìng）適合高硬度無（wú）機非（fēi）金屬材料的磨削加工, 由於金剛石的高硬（yìng）度,磨（mó）削（xuē）性能比較優越。主要（yào）優點是: 磨削力小、加工工件的表麵質量好、無工件（jiàn）燒傷現象、使（shǐ）用壽命長, 適用（yòng）於較高的磨削線速度, 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（tàn）複合材料不能用Al2O3 基陶（táo）瓷作磨削材料, 因Al2O3 基（jī）材料在高溫易與炭發生反應, 生成炭素氧化物, 磨削時由於（yú）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（tàn）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（liào）是非磁性材（cái）料, 磨削時（shí）不能象磁性材料一樣直接固定在（zài）磁盤工作台上, 磁盤工作台對（duì）非磁性材料炭/炭盤沒有吸（xī）力作用。如用機械卡盤（pán）定位來固定炭/炭（tàn）盤, 一是結構複雜, 各種（zhǒng）機輪刹車盤外形尺寸差別大, 需作多種規格的定位（wèi）卡盤, 安裝很費時間。定位卡盤搬上搬下非常不方便, 很容易（yì）碰壞工作（zuò）台麵;二是（shì）通過定位卡盤來定位（wèi）, 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（dù）也（yě）有一定的影響, 這種用（yòng）卡盤定位的方法（fǎ）使用起來問題（tí）較多。通過幾種方案的比較（jiào）和試驗, 采用（yòng）了炭/炭盤外沿定位的方法, 如圖3 所示。

      炭（tàn）/炭盤外沿定位是先將磨（mó）床電磁工（gōng）作台清理幹淨, 炭/炭盤平（píng）放在工作台（tái）合適位置（zhì）, 工件周圍均分三塊（kuài）定位條緊靠（kào）著工件邊緣, 調節調磁（cí）按鈕, 將（jiāng）工作台的吸力調到一定（dìng）值, 使定位條有（yǒu）一定的吸力, 然後用外力推動, 使三塊定位條對炭/炭盤有一（yī）定的夾緊力, 再把工作台磁力調至最大, 固定定位條位置, 使（shǐ）待（dài）磨炭/炭盤與定位條緊夾在一起, 以防磨削時鬆動。

      3.4 電磁工作台對定位條的吸力

      以外徑!1 = 450 mm, 內徑!2 = 250 mm 的（de）工件為例, 設計（jì）定位條（tiáo）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（shòu）力狀態見（jiàn）圖4。

      式中S 為定位條受力麵積; P 為工作（zuò）台單位麵積的（de）吸力= 80 N/cm2; C 為定位條缺（quē）口部分, 占定位條受力麵積的10%。

      3.5 每根定位條與電（diàn）磁工作台之間的摩擦力F2F2 的計算（suàn）式如（rú）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（zuò）台的靜（jìng）摩擦係（xì）數,取u1 = 0.15。

      3.6 定位條對工件中心（xīn）的最大力矩（jǔ）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（dìng）位條與工件的壓緊力, 根據實際測定取300 N; u2 為（wéi）炭（tàn）/炭複合（hé）材料與定（dìng）位條之間（jiān）的靜摩擦係數, 取u2 = 0.2; L 為工件回轉半徑。

      如圖4 所示, 三根定位條（tiáo）在正壓力N 的作用下緊靠著炭/炭盤。定位（wèi）條通過正壓力N 與工件結合麵間產生摩擦力, 從而對工件產生一個與切削力矩相反的摩擦力矩（jǔ）, 使（shǐ）磨削過程中固定工件不能轉動。電磁工作台與定位條的摩擦力, 平衡切削力（lì）在（zài）平麵X、Y 方（fāng）向的分力（lì）, 在磨削加工（gōng）中定位的力矩要大於磨削產生的力矩,每條定位條與電磁工作台摩擦力要大於磨削產生的切削力, 工件才能固定不動。炭/炭（tàn）複合材料經高溫石墨化處理後硬度是比較低, 增密過程生成結構炭都是脆性材料, 磨削力不大, 通過試驗（yàn）, 電磁工（gōng）作台的吸力從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（yào）把電磁力調（diào）到最大值（zhí）。

      4 磨削產品表麵質量評價

      炭/炭複合材（cái）料機輪刹車盤用周邊固定法磨削, 在保證磨床（chuáng）本身精度的情況（kuàng）下（xià）, 磨削產品質量主要決定三個因素。

      ( 1) 電磁（cí）工作台表麵質量, 因工件直接擺放在（zài）工作台（tái）麵上, 工作台如（rú）果有歪斜的（de）情況,工件也隨之歪斜, 所以工作台麵的水平度和平麵（miàn）度要定期檢查, 發現缺陷（xiàn）及時修複, 保證工（gōng）作台麵處在要求的精度範圍內。

      ( 2) 定（dìng）位條加工精度要（yào）求工件（jiàn）能緊（jǐn）貼（tiē）在工作台麵上, 定位條與工（gōng）件也要貼（tiē）合較好要（yào）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（xuē）用砂輪處於完好狀態, 砂輪表麵如有凸出明顯（xiǎn）顆粒就容易劃傷工件表麵, 粗（cū）糙度就很難（nán）達到要（yào）求。

      幾種機型, 不同批次炭/炭盤磨削加工表麵參（cān）數抽樣檢查結果見附表（biǎo）。這幾批炭/炭盤設（shè）計表麵要求: 厚度（dù）公差在±0.05 mm 以內, 兩端麵平行度、平（píng）麵度（dù）公差值要少於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（bǐ）較低, 根（gēn）據（jù）使用要求,炭/炭盤兩端麵的粗糙度Ra 在1.25 ～12.5 μm 之間（jiān）較為合適[8]。由附表可見, 抽樣的產（chǎn）品全部滿足設計（jì）要求。

       5 結語

      炭/炭（tàn）複合材（cái）料在我國開始（shǐ）應（yīng）用在航空、航天及其它多項領域, 不但（dàn）對（duì）該材料的製備技術（shù）要加強研究, 對該材（cái）料的（de）機加工技術也是一個新的課題, 這幾年筆者們成（chéng）功地生產了多批次（cì）航空（kōng）刹車材料（liào）, 但對於炭/炭複合材料的機加工技術, 還有待於進一步探索。特別是如何優化加工（gōng）方法, 正確使用刀具, 節（jiē）約成本等（děng）方麵還要進一步做工作（zuò）。