炭/ 炭復合材料是一種新型非金屬材料, 該材料高溫性能穩定, 熱導性高, 熱膨脹系數小, 摩擦系數大, 摩擦性能好, 強度好, 重量輕, 是一種優質的剎車材料[ 1~ 3] , 現國內外廣泛使用炭/ 炭復合材料作為飛機機輪的剎車材料。但炭/ 炭復合材料生產周期長,制造成本高, 炭/ 炭復合材料的內在結構與金屬材料完全不同, 性能差別也相當大, 不同場合使用的炭/炭復合材料也不同, 對其機加工的方法有很大區別,對刀具的要求非常嚴格。
1 炭/ 炭復合材料剎車盤坯體制備和材料特性
炭/ 炭復合材料毛坯是用炭纖維無緯布和炭纖維網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。然后通過反復多次化學氣相沉積( 簡稱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行機械加工, 去掉坯體外部的比較致密的硬皮涂層, 進一步打開坯體的孔隙。不同的產品增密工藝略有不同。一般要求炭/ 炭坯體的密度達到1175~ 1185 g/ cm3 之間才認為是合格的剎車盤產品[ 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構炭來連接, 增密后生成新的結構炭,這種新的結構炭把炭纖維層與層緊密地結合在一起。兩種不同的炭纖維毛坯在增密過程完成后, 其截面結構如圖1 所示, 從
圖1 兩種不同炭纖維毛坯經致密后的截面圖增密工藝和性能處理工藝完成后, 材料的機械強度和性能才能達到使用要求, 一般機輪炭/ 炭復合材料剎車盤縱向抗壓強度150~ 200 MPa, 抗彎強度80~ 100 MPa, 抗剪強度8 ~ 12 MPa, 靜摩擦系數0112~ 0115 左右, 動摩擦系數013~ 014 左右。炭/炭復合材料的剛性較好, 材質表現硬而脆, 不能承受硬物碰撞, 硬物一碰就會出現碎裂與缺口, 一不小心, 很容易碰壞工件, 引起產品報廢。
2 機輪對炭/ 炭剎車盤的嚙合要求
飛機機輪的輪轂和傳力筒分別與剎車盤的動盤與靜盤相嚙合, 飛機在降落時的動能通過機輪傳遞給動盤, 在側向力的作用下動盤壓緊靜盤, 通過動盤與靜盤相對運動產生摩擦力矩, 從而慢慢消耗飛機著陸時的慣性動能, 運行規定的距離后消耗完飛機的動能而使飛機停下來。飛機的動能傳遞完全依靠動盤和靜盤的嚙合齒來完成的。炭/ 炭材料剎車盤的機械強度相對金屬剎車盤來說要低得多, 一般來說, 金屬剎車盤的機械強度很容易滿足剎車力矩的要求, 炭/ 炭復合材料剎車盤對剎車力矩要通過嚴格的計算, 合理的結構設計和精密的機加工, 才能保證足夠機械強度。
現以B757- 200 型剎車副為例, 根據使用要求,飛機最大剎車力矩為79 680 Nm, 整個的力矩分別由動盤和靜盤嚙合齒來傳遞, 如圖2 所示, B757-200 型剎車機組共有8 套剎車副, 每套剎車副有4 個動盤、5 個靜盤, 每個動盤9 個嚙合齒, 每個靜盤有15 個嚙合齒。動盤共有8 @ 4 @ 9= 288 個嚙合齒, 這288 個嚙合齒要傳遞全部的剎車力矩, 平均每個嚙合齒傳遞力矩是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承受不了負載而折斷或壓碎。所以對炭/ 炭剎車盤的嚙合要注意如下幾點:
1．炭/ 炭剎車盤嚙合齒的分度和齒形加工一定要準確, 盡量使更多的嚙合齒能處于工作狀態。
2． 動盤與輪轂、靜盤與傳力筒嚙合齒之間的間隙要在一定范圍內, 間隙太小引起裝配困難, 太大又會引起沖擊, 不管動盤還是靜盤, 齒嚙合槽一定要控制在一定精度范圍。
3． B757- 200 動盤在傳扭時, 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, 傳力時鉚釘直接受力容易折斷, 這都是運行中不允許的。
3 齒形加工的可靠性分析
3．1 刀具的選用
炭/ 炭復合材料是磨擦性能很好的材料, 這在機輪剎車盤的使用上有很好的效果, 但在機加工過程中刀具磨損非常嚴重, 合理選用機加工刀具很重要,既要保證工件質量, 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、耐磨性能夠適應加工炭/ 炭復合材料的要求, 但是由于陶瓷主要成分是Al2O3, 炭與Al2O3 在高溫易發生反應, 機加工時會產生局部高溫, 特別是沒有經過石墨化處理的炭/ 炭材料, 刀尖處溫度很高, 呈現紅色, 極易與Al2O3 發生反應, 影響炭/ 炭材料表面質量。
3． 金鋼石刀具。金鋼石刀具硬度加工炭/ 炭復合材料比較合適, 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發生反應, 是一種比較理想的刀具材料。
4． 硬質合金刀具。硬質合金刀具加工炭/ 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, 選用硬質合金銑刀, 加工磨損后采用調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
文章已對炭/ 炭復合材料的性能, 機輪與炭/ 炭剎車盤的嚙合要求作了介紹, 炭/ 炭復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床本身的分度精度來保證。購買、選用機床要考慮機床加工精度等級, 一般情況下, 機床工作狀態正常, 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, 由而選用的機床精度可以達到? 012c, 完全可以滿足剎車盤的要求。
3．3 齒形加工
炭/ 炭復合材料在厚度方向層次明顯, 層與層之間的結合力是靠垂直針刺炭纖維與增密后結構炭所連接的, 粘合力不一定非常牢固, 加工時盡量采用徑向進刀的方法, 就是刀具沿著炭/ 炭纖維徑向運動,這樣可防止損傷炭/ 炭纖維層與層之間的結合。
出于成本的考慮, B757- 200 剎車盤嚙合齒的加工采用了硬質合金銑刀, 在加工齒廓線時選用兩把銑刀, 第一步粗銑剎車盤的齒廓線, 第二步精銑齒廓線, 粗銑刀的磨損對齒廓線精度影響可以忽略不計, 但精銑刀的磨損對齒廓型狀公差關系很大, 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間后由于磨損, 銑刀直徑就會變得越來越小。但炭/ 炭盤齒廓精度控制在一定的公差范圍之內, 表示B757- 200 剎車盤動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, 當加工60 件炭/ 炭盤之后, 銑刀的磨損比較嚴重, 加工出的齒槽快達到允許公差的極限, 在這種情況下, 就必須調整刀偏, 有些比較先進的機床, 可以自動檢測刀具的磨損量, 自
動調整刀偏的參數, 對一般不能自動檢測刀具磨損的機床, 要根據材料的特性, 摸索出在加工該種材料的情況下刀具磨損速度, 以便及時人工掌握刀具磨損, 調整刀偏, 保證加工工件在允許的公差范圍以內, 嚙合齒加工實況如圖6 所示。
4 結束語
炭/ 炭復合材料在我國還剛開始使用, 對這種材料機加工方法還有許多工作要做, 通過這幾年的試驗和生產實踐, 初步掌握了炭/ 炭復合材料的機械性能和機加工工藝, 摸索了一些經驗, 生產出了多種不同炭/ 炭復合材料產品, 并已成功地使用在航空、航天及民用等領域, 但如何進一步節省加工成本, 提高加工效率, 合理使用刀具等方面, 還有待進一步探索和研究, 以使炭/ 炭復合材料在更多的領域得到應用。
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