炭/ 炭復(fù)合材料是一種新型非金屬材料, 該材料高溫性能穩(wěn)定, 熱導(dǎo)性高, 熱膨脹系數(shù)小, 摩擦系數(shù)大, 摩擦性能好, 強(qiáng)度好, 重量輕, 是一種優(yōu)質(zhì)的剎車材料[ 1~ 3] , 現(xiàn)國(guó)內(nèi)外廣泛使用炭/ 炭復(fù)合材料作為飛機(jī)機(jī)輪的剎車材料。但炭/ 炭復(fù)合材料生產(chǎn)周期長(zhǎng),制造成本高, 炭/ 炭復(fù)合材料的內(nèi)在結(jié)構(gòu)與金屬材料完全不同, 性能差別也相當(dāng)大, 不同場(chǎng)合使用的炭/炭復(fù)合材料也不同, 對(duì)其機(jī)加工的方法有很大區(qū)別,對(duì)刀具的要求非常嚴(yán)格。
1 炭/ 炭復(fù)合材料剎車盤坯體制備和材料特性
炭/ 炭復(fù)合材料毛坯是用炭纖維無緯布和炭纖維網(wǎng)胎逐層鋪放后針刺形成炭氈體, 毛坯氈體的密度一般在0155~ 016 g/ cm3 之間。然后通過反復(fù)多次化學(xué)氣相沉積( 簡(jiǎn)稱CVD) 、石墨化、浸漬等增密工藝和性能處理工藝, 使氈體的密度和性能達(dá)到使用要求。為了提高增密工藝的效果, 在增密過程中要多次進(jìn)行機(jī)械加工, 去掉坯體外部的比較致密的硬皮涂層, 進(jìn)一步打開坯體的孔隙。不同的產(chǎn)品增密工藝略有不同。一般要求炭/ 炭坯體的密度達(dá)到1175~ 1185 g/ cm3 之間才認(rèn)為是合格的剎車盤產(chǎn)品[ 4~ 7] 。
坯體制成后, 炭纖維層與層之間的連接除了垂直方向的針刺纖維外, 主要是依靠CVD、浸漬增密工藝后生成的結(jié)構(gòu)炭來連接, 增密后生成新的結(jié)構(gòu)炭,這種新的結(jié)構(gòu)炭把炭纖維層與層緊密地結(jié)合在一起。兩種不同的炭纖維毛坯在增密過程完成后, 其截面結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 從
圖1 兩種不同炭纖維毛坯經(jīng)致密后的截面圖增密工藝和性能處理工藝完成后, 材料的機(jī)械強(qiáng)度和性能才能達(dá)到使用要求, 一般機(jī)輪炭/ 炭復(fù)合材料剎車盤縱向抗壓強(qiáng)度150~ 200 MPa, 抗彎強(qiáng)度80~ 100 MPa, 抗剪強(qiáng)度8 ~ 12 MPa, 靜摩擦系數(shù)0112~ 0115 左右, 動(dòng)摩擦系數(shù)013~ 014 左右。炭/炭復(fù)合材料的剛性較好, 材質(zhì)表現(xiàn)硬而脆, 不能承受硬物碰撞, 硬物一碰就會(huì)出現(xiàn)碎裂與缺口, 一不小心, 很容易碰壞工件, 引起產(chǎn)品報(bào)廢。
2 機(jī)輪對(duì)炭/ 炭剎車盤的嚙合要求
飛機(jī)機(jī)輪的輪轂和傳力筒分別與剎車盤的動(dòng)盤與靜盤相嚙合, 飛機(jī)在降落時(shí)的動(dòng)能通過機(jī)輪傳遞給動(dòng)盤, 在側(cè)向力的作用下動(dòng)盤壓緊靜盤, 通過動(dòng)盤與靜盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力矩, 從而慢慢消耗飛機(jī)著陸時(shí)的慣性動(dòng)能, 運(yùn)行規(guī)定的距離后消耗完飛機(jī)的動(dòng)能而使飛機(jī)停下來。飛機(jī)的動(dòng)能傳遞完全依靠動(dòng)盤和靜盤的嚙合齒來完成的。炭/ 炭材料剎車盤的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)金屬剎車盤來說要低得多, 一般來說, 金屬剎車盤的機(jī)械強(qiáng)度很容易滿足剎車力矩的要求, 炭/ 炭復(fù)合材料剎車盤對(duì)剎車力矩要通過嚴(yán)格的計(jì)算, 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精密的機(jī)加工, 才能保證足夠機(jī)械強(qiáng)度。
現(xiàn)以B757- 200 型剎車副為例, 根據(jù)使用要求,飛機(jī)最大剎車力矩為79 680 Nm, 整個(gè)的力矩分別由動(dòng)盤和靜盤嚙合齒來傳遞, 如圖2 所示, B757-200 型剎車機(jī)組共有8 套剎車副, 每套剎車副有4 個(gè)動(dòng)盤、5 個(gè)靜盤, 每個(gè)動(dòng)盤9 個(gè)嚙合齒, 每個(gè)靜盤有15 個(gè)嚙合齒。動(dòng)盤共有8 @ 4 @ 9= 288 個(gè)嚙合齒, 這288 個(gè)嚙合齒要傳遞全部的剎車力矩, 平均每個(gè)嚙合齒傳遞力矩是276 Nm, 如果加工誤差大, 所有嚙合齒不能同時(shí)與輪轂嚙合, 不是全部的嚙合齒受力, 所嚙合的部分齒同樣傳遞全部力矩, 如沒有足夠多的齒共同嚙合傳遞力矩的話, 加之炭/ 炭復(fù)合材料是硬脆性材料, 剛度大不易變形, 那么這部分傳遞扭矩的嚙合齒很可能就會(huì)承受不了負(fù)載而折斷或壓碎。所以對(duì)炭/ 炭剎車盤的嚙合要注意如下幾點(diǎn):
1．炭/ 炭剎車盤嚙合齒的分度和齒形加工一定要準(zhǔn)確, 盡量使更多的嚙合齒能處于工作狀態(tài)。
2． 動(dòng)盤與輪轂、靜盤與傳力筒嚙合齒之間的間隙要在一定范圍內(nèi), 間隙太小引起裝配困難, 太大又會(huì)引起沖擊, 不管動(dòng)盤還是靜盤, 齒嚙合槽一定要控制在一定精度范圍。
3． B757- 200 動(dòng)盤在傳扭時(shí), 為了使沖擊力不直接沖擊炭/ 炭材料本體, 采用了鋼夾作為襯墊, 鋼夾與炭/ 炭盤配合如圖3 所示, 鋼夾用兩鉚釘固定,齒槽寬、兩鉚釘孔的位置有一定精度要求, 否則鋼夾不易裝配或鋼夾與剎車盤本體間隙太大, 傳力時(shí)鉚釘直接受力容易折斷, 這都是運(yùn)行中不允許的。
3 齒形加工的可靠性分析
3．1 刀具的選用
炭/ 炭復(fù)合材料是磨擦性能很好的材料, 這在機(jī)輪剎車盤的使用上有很好的效果, 但在機(jī)加工過程中刀具磨損非常嚴(yán)重, 合理選用機(jī)加工刀具很重要,既要保證工件質(zhì)量, 又要提高加工效率, 幾種材料的刀具試用比較如下:
1． 高速鋼刀具。用高速鋼加工炭/ 炭復(fù)合材料很快就將刀具的刀鋒磨掉, 操作人員要頻繁磨刀, 工作效率太低。
2． 陶瓷刀具。陶瓷刀具的硬度、耐磨性能夠適應(yīng)加工炭/ 炭復(fù)合材料的要求, 但是由于陶瓷主要成分是Al2O3, 炭與Al2O3 在高溫易發(fā)生反應(yīng), 機(jī)加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部高溫, 特別是沒有經(jīng)過石墨化處理的炭/ 炭材料, 刀尖處溫度很高, 呈現(xiàn)紅色, 極易與Al2O3 發(fā)生反應(yīng), 影響炭/ 炭材料表面質(zhì)量。
3． 金鋼石刀具。金鋼石刀具硬度加工炭/ 炭復(fù)合材料比較合適, 所以車加工選用金剛石刀具, 金剛石的本體是炭元素, 與炭/ 炭材料在高溫下不會(huì)發(fā)生反應(yīng), 是一種比較理想的刀具材料。
4． 硬質(zhì)合金刀具。硬質(zhì)合金刀具加工炭/ 炭材料比不上金剛石, 但比鋒鋼刀具好很多, 如加工剎車盤的嚙合齒, 采用金剛石銑刀成本太高, 使用壽命也不長(zhǎng), 選用硬質(zhì)合金銑刀, 加工磨損后采用調(diào)整刀偏的方法保證嚙合齒的精度。
3．2 加工嚙合齒分度的要求
文章已對(duì)炭/ 炭復(fù)合材料的性能, 機(jī)輪與炭/ 炭剎車盤的嚙合要求作了介紹, 炭/ 炭復(fù)合材料剎車盤嚙合齒的加工, 主要是嚙合齒的分度與齒形加工, 齒的分度主要是靠機(jī)床本身的分度精度來保證。購(gòu)買、選用機(jī)床要考慮機(jī)床加工精度等級(jí), 一般情況下, 機(jī)床工作狀態(tài)正常, 能夠滿足剎車盤嚙合齒分度精度要求, B757- 200 嚙合齒槽公差如圖4 所示, 由而選用的機(jī)床精度可以達(dá)到? 012c, 完全可以滿足剎車盤的要求。
3．3 齒形加工
炭/ 炭復(fù)合材料在厚度方向?qū)哟蚊黠@, 層與層之間的結(jié)合力是靠垂直針刺炭纖維與增密后結(jié)構(gòu)炭所連接的, 粘合力不一定非常牢固, 加工時(shí)盡量采用徑向進(jìn)刀的方法, 就是刀具沿著炭/ 炭纖維徑向運(yùn)動(dòng),這樣可防止損傷炭/ 炭纖維層與層之間的結(jié)合。
出于成本的考慮, B757- 200 剎車盤嚙合齒的加工采用了硬質(zhì)合金銑刀, 在加工齒廓線時(shí)選用兩把銑刀, 第一步粗銑剎車盤的齒廓線, 第二步精銑齒廓線, 粗銑刀的磨損對(duì)齒廓線精度影響可以忽略不計(jì), 但精銑刀的磨損對(duì)齒廓型狀公差關(guān)系很大, 如采用5 10 的銑刀精銑炭/ 炭盤齒廓線就必須考慮銑刀的磨損, 同一把銑刀工作一段時(shí)間后由于磨損, 銑刀直徑就會(huì)變得越來越小。但炭/ 炭盤齒廓精度控制在一定的公差范圍之內(nèi), 表示B757- 200 剎車盤動(dòng)盤和靜盤齒廓尺寸精度范圍如圖4 所示。銑刀磨損情況以加工B575- 200 動(dòng)盤齒槽為例列于表1, 刀偏示意圖如圖5 所示。
由表1 和圖5 可以看出, 當(dāng)加工60 件炭/ 炭盤之后, 銑刀的磨損比較嚴(yán)重, 加工出的齒槽快達(dá)到允許公差的極限, 在這種情況下, 就必須調(diào)整刀偏, 有些比較先進(jìn)的機(jī)床, 可以自動(dòng)檢測(cè)刀具的磨損量, 自
動(dòng)調(diào)整刀偏的參數(shù), 對(duì)一般不能自動(dòng)檢測(cè)刀具磨損的機(jī)床, 要根據(jù)材料的特性, 摸索出在加工該種材料的情況下刀具磨損速度, 以便及時(shí)人工掌握刀具磨損, 調(diào)整刀偏, 保證加工工件在允許的公差范圍以內(nèi), 嚙合齒加工實(shí)況如圖6 所示。
4 結(jié)束語
炭/ 炭復(fù)合材料在我國(guó)還剛開始使用, 對(duì)這種材料機(jī)加工方法還有許多工作要做, 通過這幾年的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐, 初步掌握了炭/ 炭復(fù)合材料的機(jī)械性能和機(jī)加工工藝, 摸索了一些經(jīng)驗(yàn), 生產(chǎn)出了多種不同炭/ 炭復(fù)合材料產(chǎn)品, 并已成功地使用在航空、航天及民用等領(lǐng)域, 但如何進(jìn)一步節(jié)省加工成本, 提高加工效率, 合理使用刀具等方面, 還有待進(jìn)一步探索和研究, 以使炭/ 炭復(fù)合材料在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
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