1 前言（yán）

      以（yǐ）炭/炭複合材料是一種高性能的複合材料,強度高、重（chóng）量輕、熱膨脹係數小、熱導率高、高溫性能穩定、摩擦係數大、磨損性能好, 是一種（zhǒng）優良的高溫結（jié）構材料。在航空、航天的熱構件和（hé）刹（shā）車（chē）材料中應用前景廣闊, 在地麵交通工具（jù）( 如汽車、火車及機械製造、核能（néng）、體（tǐ）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（tóng）場合使用的炭/炭材料也不同。機械加工方法有很大區別, 下麵以炭/炭複合材料飛機機輪刹車（chē）盤為例, 討論炭（tàn）/炭複合材料磨削（xuē）加工工藝。

      2 炭/炭複（fù）合材料刹車盤材料特性和表麵質量要

      2.1 炭（tàn）/炭複合材料結構和特性

      炭/炭複合（hé）材料毛坯是用（yòng）炭纖維無緯布和（hé）炭纖維網胎層鋪設後針刺形成的氈體。通過反複（fù）多次的化學氣相沉積( 簡稱CVD) 、石墨化（huà）、浸漬（zì）等增密工藝和性能處理（lǐ）工藝（yì）, 使氈體的密度和性能達到使用要求。材（cái）料的截麵結構如圖1所示, 從圖1 可看出, 不同的毛坯基體（tǐ）所形成最終產品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要求（qiú）才能出廠（chǎng）。如摩擦（cā）材料, 不管用什麽樣形式毛坯基體, 采用什（shí）麽樣的增密（mì）工藝, 最後材料的特性要滿足產品使用要求。以炭/炭複合材料機輪刹車盤為例, 材料的密（mì）度、導熱性、抗剪、抗彎、抗壓強度, 動摩擦係數（shù）與靜摩擦係數等參數都要達到規定的範圍[4- 7]。

      2.2 炭/炭（tàn）複合（hé）材（cái）料機輪刹車盤表麵質量要求

      新裝機（jī）的炭/炭複合（hé）材料飛機刹車盤的摩擦磨損主要以（yǐ）粘著和（hé）機械摩擦（cā）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。表麵形成摩擦膜, 使兩固體表（biǎo）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, 兩表麵相對滑動時, 使界麵上建立粘著摩（mó）擦磨損— 氧化磨損（sǔn）的動態能量平衡狀（zhuàng）態。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（hé）材料機輪刹車盤（pán）的最終機加工（gōng）。為此, 對炭/炭刹車盤的磨削加工質量提出了一定要求, 為保證刹車盤表麵（miàn）均（jun1）勻接觸, 兩端麵要有較高平麵度、平行（háng）度和合適的表麵粗糙度, 以促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[8]。

      3 磨削方案的確（què）定

      3.1 磨削設（shè）備（bèi）的選用

      炭/炭複合材料（liào）機輪刹（shā）車盤外徑在300 ～520mm 範圍內, 個別（bié）品種外徑達到550 mm, 這樣大的平麵外形尺寸, 用一般的平（píng）麵（miàn）磨床很難一次磨削完整個平麵, 需選用特大的平麵磨（mó）床,設備投資（zī）大。通過比較采用立軸圓台平（píng）麵磨床（chuáng）,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（dà）行程330 mm; 磁盤工作台的磁力是80 N/cm2; 頻率為50 Hz, 轉速（sù）為13 ～20 r /min; 60 Hz, 16 ～24 r /min, 工作台（tái）移動速度（dù）4 ～4.8 m/min。

      3.2 砂輪的選用（yòng）

      砂輪的結構如圖（tú）2 所示, 為筒形金屬件（jiàn）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（wéi）人（rén）造金剛石。其特性適合高硬度無機非金屬材（cái）料的磨削加工, 由於金剛石的高（gāo）硬度（dù）,磨削性能（néng）比較優越。主要優點是: 磨削（xuē）力小、加工工（gōng）件的表麵質（zhì）量好、無工件燒傷現象、使用壽命長, 適用於較高的磨削線速度, 但不能過（guò）度（dù）加壓, 過度加壓會（huì）損壞（huài）金（jīn）剛石磨削層。注意（yì）: 磨削（xuē）炭/炭複合材料（liào）不能用Al2O3 基陶（táo）瓷作磨削（xuē）材料, 因Al2O3 基材料在高（gāo）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（jiàn）接觸部分溫度比較高, 如用Al2O3 基的陶瓷磨削料（liào）, 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（jiàn）固定方法

      炭/炭複合材料是非磁性材料, 磨削時不能象磁性材料一樣直接固定在磁盤（pán）工作台上, 磁（cí）盤工作台對非（fēi）磁性材料炭/炭盤沒有吸力作用。如用機械卡盤定位來固定炭/炭盤, 一是結構複雜, 各種機輪刹車（chē）盤外形尺寸差別大, 需（xū）作多種規格的（de）定位卡盤, 安裝很費時間。定位卡盤搬上搬下非常不方便, 很容易碰壞工作台麵;二是通過定位卡盤來定（dìng）位, 炭/炭盤的（de）定位精度又多了一個環節, 卡盤的（de）加工精度要求高, 加工難度也大, 多（duō）一個定位環節對定（dìng）位精度也（yě）有一定的影響, 這種用卡盤定位的方法使用起來（lái）問（wèn）題較（jiào）多。通過幾種方案的比較和試驗, 采用了炭/炭盤外沿定（dìng）位的方（fāng）法, 如圖3 所示。

      炭/炭盤（pán）外沿定（dìng）位是先將磨床電磁工作台清理幹淨（jìng）, 炭/炭（tàn）盤平放在工作（zuò）台合適位置, 工件周圍均（jun1）分三塊定（dìng）位條緊靠著工件邊緣, 調節調磁按鈕, 將工（gōng）作台的吸（xī）力調到一定值, 使定位（wèi）條有一定的吸力, 然後用外力推動, 使三塊定位條對炭（tàn）/炭盤有一（yī）定的夾緊（jǐn）力, 再把工（gōng）作台磁力調至最大, 固定定位條位置（zhì）, 使待磨炭/炭盤（pán）與（yǔ）定位條緊夾在（zài）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（jìng）!2 = 250 mm 的工件為例, 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 比工件外徑!1 大0.5 mm, 主要是使工件更加的貼緊定位條, 因（yīn）工件外徑有一定公差值（zhí）。受力狀態見圖4。

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

      3.5 每根定位條與電磁工作台之間的摩擦力F2F2 的計算式如下:

       F2 = 1 /3F1u1 = 1 /3 ×56 520 ×0.15 = 2 826 (N)

      式中u1 為定位（wèi）條與電磁工作台的靜（jìng）摩擦係數,取u1 = 0.15。

      3.6 定位條對工件中心的最大力矩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（wéi）定位條（tiáo）與（yǔ）工件之間的摩擦力（lì）; N 為定位條與工件的壓緊力, 根據實際測定（dìng）取300 N; u2 為炭/炭複合材料與定位（wèi）條之間的靜摩擦係數, 取u2 = 0.2; L 為工（gōng）件回轉（zhuǎn）半徑（jìng）。

      如圖4 所示, 三根定位條在正（zhèng）壓力N 的作用下（xià）緊靠（kào）著炭/炭盤。定位條通過正壓力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, 使磨削過程中固定工件不能（néng）轉動。電磁工（gōng）作台與定位條的摩擦力, 平衡（héng）切削力在平麵X、Y 方向（xiàng）的分力, 在磨削加工中定（dìng）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（mó）擦力要大於磨削產生的切削力, 工件才能固定不動。炭/炭複合材料經高溫石墨化（huà）處理後硬度是比較低（dī）, 增密過程（chéng）生成（chéng）結構炭都是脆性材（cái）料（liào）, 磨削力不大, 通過試（shì）驗, 電磁工作（zuò）台的吸力從80 N/cm2 降到50N/cm2, 使用上述定位（wèi）條在磨削時能固定工（gōng）件不動。為安全起（qǐ）見, 磨削加工時（shí）還（hái）是要把電磁力調到最（zuì）大值。

      4 磨削產品表麵質量評價

      炭/炭（tàn）複合材料機（jī）輪刹車盤用周邊（biān）固定法磨削, 在保證磨床本身精度（dù）的情況下, 磨削產（chǎn）品（pǐn）質量主要決定三個因素。

      ( 1) 電磁工作台表麵質量, 因工件直接擺放在工作台（tái）麵上, 工作台如果有（yǒu）歪（wāi）斜的情況,工件也隨之歪斜, 所以工作台麵（miàn）的水平度和（hé）平麵度要定期檢查, 發現（xiàn）缺陷及時修複, 保證工作台麵處在要求的精度範（fàn）圍內。

      ( 2) 定位條加工精（jīng）度（dù）要求工件能緊貼在工作台麵上, 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產生移動和（hé）轉（zhuǎn）動。

      ( 3) 磨削用砂（shā）輪處於完好狀態, 砂（shā）輪表麵如有凸出明顯顆（kē）粒就容易劃傷工件表麵, 粗糙度（dù）就很難達到要求。

      幾種（zhǒng）機型, 不同批次炭/炭盤磨削加工表麵參數抽樣檢查結果見附表。這幾批炭/炭盤設計表麵要求: 厚度（dù）公差在±0.05 mm 以內, 兩端麵平行度、平麵度公差值要少於0.05 mm, 表麵粗糙（cāo）度（dù）在（zài）12.5 μm 以下, 炭/炭複合材料是多孔材料, 密度相對金屬也（yě）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]。由附表可見（jiàn）, 抽樣的產品全部滿足設計要求。

       5 結語（yǔ）

      炭/炭複合材料在我國開始應用在航（háng）空、航天及其它多項領域, 不但對該材料的製備（bèi）技術要加強研（yán）究（jiū）, 對該材料的機（jī）加（jiā）工技術也是一個（gè）新的課（kè）題, 這幾年筆者們成功地生產了多批次航空刹車材料, 但對於炭/炭複合材料的機加工技術, 還有待（dài）於進（jìn）一步探索。特別是如何優化加工方法, 正確（què）使用刀具（jù）, 節約成本等方麵還要進（jìn）一步做工作。