張忠偉 郝（hǎo）剛
（沈（shěn）陽發動機設計研究所）
摘 要：針對碳/碳複合材料的特點，通過對研具、研（yán）磨劑、工裝、運動軌跡等的研究（jiū）和應用，文章初步總結出（chū）了一套切實可行的雙密（mì）封麵密封環的研磨方法，零件研磨表麵質量有了很大提高，且相對穩定，滿足了設（shè）計圖紙要求，解決了大徑、薄壁、雙密封麵的碳/碳複合材料密封環平麵研磨難題。
關鍵詞：碳/碳複合材料；密封環研磨；雙端麵密封
碳石墨材料是適用（yòng）範圍Z廣的磨擦材料，與多種金屬、非金屬及其塗層具有好的組對性（xìng）能（néng），是多數幹摩擦（cā）情（qíng）況適用的（de）密封對偶材料之一（yī）。碳/碳複合材（cái）料是以碳（tàn）纖維及其織物為增強材料，以碳為基體，通過加（jiā）工處（chù）理和碳化處理製成的全碳質複合材料。其特點顯著：比重不（bú）到2.0g/cm3；高溫力學（xué）性能極佳；抗燒蝕性能良好；具有（yǒu）其（qí）他複合材料的特性，如高強度、高模量（liàng）、高疲勞度和蠕變性能等；摩擦磨損（sǔn）性（xìng）能優異，其摩擦係數（shù）小，性能（néng）穩定，是各種（zhǒng）耐磨和摩擦部件的（de）Z佳候（hòu）選材料（liào）。
碳/碳複合材料密封環（以下簡（jiǎn）稱密封環）為雙端麵密封零件，直徑尺寸大，兩（liǎng）端麵的尺寸精度高、形狀精度高、表麵粗糙度低，加工難度非常大。平麵研磨為密封環的Z後（hòu）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（huán）境要求也較為（wéi）嚴格。
針對碳（tàn）/碳複合材料的特點，本文從研具、研磨劑、工裝、運（yùn）動軌（guǐ）跡（jì）等方麵對雙密封麵密（mì）封環的平（píng）麵研磨技（jì）術進（jìn）行了摸索研究（jiū）。
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（dù）薄（近10mm）、寬度窄（近10mm），其（qí）主要有以下幾種結構特征：端麵環槽、外（wài）圓環槽、內外圓（yuán）花邊、端（duān）麵凹槽以及軸向孔、徑向孔等；左、右兩端麵是密封表麵，具有較高的尺寸精度、粗糙（cāo）度和形狀位置要求，粗糙度不大於Ra0.2μm，平麵度0.0009mm，平（píng）行度不大於0.005mm，與內孔、外圓垂（chuí）直度不大於0.01mm。
1.2 材料特點
碳/碳複合材料毛坯如圖1所（suǒ）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（pǔ）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/碳複合（hé）材料是新材料領（lǐng）域中重點研究和開發的一種新（xīn）型超（chāo）高溫材料，它具有以下顯著特點（diǎn）：
（1）密度（dù）小（<2.0g/cm3），僅為鎳基高溫合（hé）金的1/4，陶瓷材料（liào）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（wēn）還高，這是其他結（jié）構材料無法（fǎ）比（bǐ）擬的（de）。
（3）抗燒蝕性能良好，燒（shāo）蝕均勻，可以用於3000℃以（yǐ）上高溫短時間燒蝕的環境中。
（4）摩擦磨損（sǔn）性能優異，其摩擦係數小、性能穩定，是各種耐磨和摩擦（cā）部（bù）件的Z佳候（hòu）選材料。
（5）具有其他複合材料的特性，如高強度、高模量（liàng）、高疲勞度（dù）和蠕變性能等。
1.3平麵研磨難點
研磨有諸多優點：尺寸精度（dù）高、形狀精度高、表麵粗糙（cāo）度（dù）低、零（líng）件表麵耐磨性提高、零件表麵疲勞強度提高。研磨是密封環加（jiā）工工藝的Z後工序，研磨的質（zhì）量好壞直接關係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（mì）封環直徑大，薄壁，雙（shuāng）密封端（duān）麵研（yán）磨難度大；（2）密封環表麵暗淡，光度差，光學平（píng）晶檢測難。
2 平麵研磨技術研究
針對碳（tàn）/碳複合材料密封環研磨難點，在（zài）以下七個方麵進行了初步摸索研究（jiū）。
2.1研（yán）具
研具是研磨劑的載體，用以塗敷（fū）和鑲嵌磨（mó）料，使遊離磨粒嵌（qiàn）入研具發揮切削作用（yòng）；同時又是研磨成形的工具（jù），把本（běn）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（yìng）度選擇特別重要，太硬造成磨粒迅速破碎與磨耗，甚至（zhì）有些磨粒（lì）被擠入零件內，破壞加工表麵質量；太軟造成磨粒過深地被擠入研具材料中。正確（què）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（léng）角陸續參加切削。
我單位一（yī）直以（yǐ）來研磨碳（tàn）石（shí）墨類密封件常選用常溫變形較小的金屬材（cái）料――灰（huī）鑄鐵作為研具材料（liào）。其具有組織（zhī）致（zhì）密、硬度均勻，有適當的（de）被（bèi）嵌入性，有良好的（de）耐磨（mó）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（tiáo）件。
2.2研磨劑
研磨劑（jì）是由（yóu）磨粒、研磨液及輔料調配而成的（de）混（hún）合物。製作研磨劑的磨粒一般采用微粉，常用綠碳化矽微粉粒度：W20、W14用於粗研，W14、W10用於半精研，W7以下用（yòng）於精研。
在以（yǐ）前加（jiā）工碳/碳複合材料（liào）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（bú）易（yì）揮發，研磨下來的屑末粘稠呈糨糊狀（zhuàng），不易清洗，研後需長時間等待煤油幹透才能用（yòng）光學平晶進行檢測，浪費時間多（duō）；並且碳/碳複合材料對煤油特別（bié）敏感，見油後光度下降，光帶顯示模糊（hú），平晶檢測困（kùn）難。
針對煤油研磨液的使用缺點，經過多次（cì）試驗，改用（yòng）酒精做研磨液來進行研磨的效果顯著，酒精揮發速度快，密（mì）封環幹（gàn）淨，屑末不粘稠，酒精快速揮發後（hòu）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
初始設計的研磨工裝為一（yī）體結構，如圖2左側所（suǒ）示。在研磨過（guò）程中發現：研完一個端麵後，翻轉並研磨完（wán）另一個端麵，平晶檢測後研的端麵平麵度要比先研的好，每次都如此，並且再次研磨個端（duān）麵時問題仍然得不到解決。
經過仔細（xì）分析，發現問題（tí）出在（zài）研磨工裝上。原（yuán）研磨工裝是一（yī）體式，和零件接觸的端麵是（shì）內（nèi）止口，不易（yì）進行研磨，普通機械（xiè）加工達（dá）不到研磨（mó）後的表麵質量精度，已研磨的密封環表麵與此（cǐ）表（biǎo）麵接觸摩擦實際（jì）上就是在磨損，導致與研磨工裝（zhuāng）接觸的端麵質量變差（chà）。
2.4研磨步（bù）驟
密封環在研磨前應先進行端麵平磨，保證端麵粗糙度不大於Ra0.8μm，兩端麵之間平行度不大於0.005mm。具（jù）體研磨步驟（zhòu）：（1）研磨研具：研磨密封環之前需對研磨平板進行鑲嵌磨料並研磨，使研磨平板（bǎn）達（dá）到粗糙度Ra0.1μm；（2）研（yán）磨零件：按一定運動軌跡在研磨（mó）平（píng）板上利用工裝進行（háng）研磨，雙手用（yòng）力平穩一致，並及時清理研磨（mó）平板，去除研屑（xiè）和汙（wū）物；（3）清潔（jié）零件：零件（jiàn）研完後（hòu），帶手套用幹淨（jìng）綢布或脫脂棉輕（qīng）輕擦去（qù）研屑和汙物。
2.5運動軌跡
對研磨運動軌跡的要求：應能保證加工表麵上各點均有相同的（或近似的）被切削（xuē）條（tiáo）件；同時還要保（bǎo）證研具表麵上各點有相（xiàng）同的（或近似的）切削條件，要求如下：（1）工件相對研磨盤平麵作平行運動，保（bǎo）證工件上各點行程一樣，以獲得良好的平麵性；（2）研磨運動力求平穩，盡量避免（miǎn）曲率較大（dà）的轉角；（3）工件運動遍及整個研具表麵，以利研具均（jun1）勻磨損；（4）工件上任意一（yī）點的運動（dòng）軌跡，盡量不出現周期性重複情況。
經過試驗摸索，采用正弦曲線軌跡（jì）進行研磨比較合適，研磨一（yī）定時間後，將密封環調（diào）轉90°～180°，以防零件磨損不均勻（yún）。
2.6研磨環境要（yào）求
研（yán）磨為終結加工（gōng），其結果決定（dìng）了零件加工質量。密封環研（yán）磨環境要求比較高，操作間門、窗（chuāng）應密封良好，應保持操作間內清潔、無灰塵，溫（wēn）度、濕度要嚴格控製，為檢測需要自然光線應充足。
碳/碳複合材料平麵研磨過程中對灰塵（chén）、雜質等細小硬質顆粒非常（cháng）敏感，灰塵、雜質等細小硬（yìng）質顆粒易在材（cái）料表麵留下劃痕，影（yǐng）響研磨質量，嚴重的甚至導致報廢。
2.7注意事項
由（yóu）於此零件壁（bì）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（mó）壓力要低。由於手的力量掌握不（bú）均勻，極易造成（chéng）零件變形，研出的表麵平麵度無法達到要（yào）求。在（zài）研磨（mó）時切記手（shǒu）不要給研磨（mó）工裝垂直方向施（shī）加壓力，要（yào）平行（háng）於研磨平板施加推力。
（3）精研時用幹研法進行研磨，無需再在研磨平（píng）板上加研磨劑。
（4）在幹研時，必須注（zhù）意的是在研磨幾（jǐ）下後，平板會被研下的粉末粘死，從而平板失去了切削作用（yòng），等同於粘刀現象，所以必須用潔淨酒（jiǔ）精經常清理幹淨（jìng），反複研磨，Z終達到（dào）尺（chǐ）寸要求（qiú）。
3 結語
通過對碳/碳複合材料密封環（huán）進行研磨試驗，初步（bù）總結出了一套切實可行的（de）平麵（miàn）研磨方法（fǎ），經過實際加工驗證，密封環研（yán）磨表（biǎo）麵質量有了很大提高，滿足了設計圖紙要求，提升了我單位試製加工能力，為今後相關材料的加工奠定了堅實的基礎。
參（cān）考文獻
[1]康永，柴秀娟.碳（tàn）/碳複合材料的性能和應用進（jìn）展[J].粘接，2010，（12）：74-76.
[2]楊叔子.機械加工藝師手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.
來源（yuán）：《中國高新技術企（qǐ）業（yè）》2013年13期
