碳/碳复合材料密封环的研磨技术研究

张忠伟　郝刚

摘要：针对碳/碳复合材料的特点，通过对研具、研磨剂、工装、运动轨迹等的研究和应用，文章初步总结出了一套切实可行的双密封面密封环的研磨方法，零件研磨表面质量有了很大提高，且相对稳定，满足了设计图纸要求，解决了大径、薄壁、双密封面的碳/碳复合材料密封环平面研磨难题。

关键词：碳/碳复合材料；密封环研磨；双端面密封

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）13-0033-03

碳石墨材料是适用范围最广的磨擦材料，与多种金属、非金属及其涂层具有好的组对性能，是多数干摩擦情况唯一适用的密封对偶材料之一。碳/碳复合材料是以碳纤维及其织物为增强材料，以碳为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。其特点显著：比重不到2.0g/cm3；高温力学性能极佳；抗烧蚀性能良好；具有其他复合材料的特性，如高强度、高模量、高疲劳度和蠕变性能等；摩擦磨损性能优异，其摩擦系数小，性能稳定，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。

碳/碳复合材料密封环（以下简称密封环）为双端面密封零件，直径尺寸大，两端面的尺寸精度高、形状精度高、表面粗糙度低，加工难度非常大。平面研磨为密封环的最后加工工序，是密封环加工的关键，使用合适的研具、研磨剂、工装很重要，同时对研磨方法要求较高，对研磨环境要求也较为严格。

针对碳/碳复合材料的特点，本文从研具、研磨剂、工装、运动轨迹等方面对双密封面密封环的平面研磨技术进行了摸索研究。

1 密封环分析

1.1 密封环结构分析

密封环为薄壁环形件，直径大（近Φ180）、厚度薄（近10mm）、宽度窄（近10mm），其主要有以下几种结构特征：端面环槽、外圆环槽、内外圆花边、端面凹槽以及轴向孔、径向孔等；左、右两端面是密封表面，具有较高的尺寸精度、粗糙度和形状位置要求，粗糙度不大于Ra0.2μm，平面度0.0009mm，平行度不大于0.005mm，与内孔、外圆垂直度不大于0.01mm。

1.2 材料特点

碳/碳复合材料毛坯如图1所示，碳纤维交错叠加呈致密的网纹状，且碳纤维缝隙之间填充着碳颗粒，与普通石墨材料相比刚性好、强度高，密度1.8～2.0g/cm3，肖氏硬度≤70。

碳/碳复合材料是新材料领域中重点研究和开发的一种新型超高温材料，它具有以下显著特点：

（1）密度小（<2.0g/cm3），仅为镍基高温合金的1/4，陶瓷材料的1/2。

（2）高温力学性能极佳。温度升高至2200℃，其强度不仅不会降低，甚至比室温还高，这是其他结构材料无法比拟的。

（3）抗烧蚀性能良好，烧蚀均匀，可以用于3000℃以上高温短时间烧蚀的环境中。

（4）摩擦磨损性能优异，其摩擦系数小、性能稳定，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。

（5）具有其他复合材料的特性，如高强度、高模量、高疲劳度和蠕变性能等。

1.3 平面研磨难点

研磨有诸多优点：尺寸精度高、形状精度高、表面粗糙度低、零件表面耐磨性提高、零件表面疲劳强度提高。研磨是密封环加工工艺的最后工序，研磨的质量好坏直接关系到成品零件的合格与否，其重要性不言而喻。密封环研磨有以下难点：（1）密封环直径大，薄壁，双密封端面研磨难度大；（2）密封环表面暗淡，光度差，光学平晶检测难。

2 平面研磨技术研究

针对碳/碳复合材料密封环研磨难点，在以下七个方面进行了初步摸索研究。

2.1 研具

研具是研磨剂的载体，用以涂敷和镶嵌磨料，使游离磨粒嵌入研具发挥切削作用；同时又是研磨成形的工具，把本身的几何形状精度按一定的方式传递到工件上。对研具的要求有一条很重要：研具的硬度选择特别重要，太硬造成磨粒迅速破碎与磨耗，甚至有些磨粒被挤入零件内，破坏加工表面质量；太软造成磨粒过深地被挤入研具材料中。正确地选择研具硬度，才能使磨粒暂时被支撑，也能迅速地改变位置，使每个磨粒都有新的棱角陆续参加切削。

我单位一直以来研磨碳石墨类密封件常选用常温变形较小的金属材料——灰铸铁作为研具材料。根据零件尺寸选用300mm×400mm研磨平板。其具有组织致密、硬度均匀，有适当的被嵌入性，有良好的耐磨性、变形小等特点，硬度适中，具备作为研具研磨碳石墨类材料的条件。

2.2 研磨剂

研磨剂是由磨粒、研磨液及辅料调配而成的混合物。制作研磨剂的磨粒一般采用微粉，常用绿碳化硅微粉粒度：W20、W14用于粗研，W14、W10用于半精研，W7以下用于精研。

在以前加工碳/碳复合材料密封环过程中一直采用煤油作为研磨液，在研磨过程中发现煤油不易挥发，研磨下来的屑末粘稠呈糨糊状，不易清洗，研后需长时间等待煤油干透才能用光学平晶进行检测，浪费时间多；并且碳/碳复合材料对煤油特别敏感，见油后光度下降，光带显示模糊，平晶检测困难。

针对煤油研磨液的使用缺点，经过多次试验，改用酒精做研磨液来进行研磨的效果显著，酒精挥发速度快，密封环干净，屑末不粘稠，酒精快速挥发后密封环即可用平晶检测，且光度好，光带清晰，大大提高了研磨速度，检测非常方便。

2.3 研磨工装

2.4 研磨步骤

2.5 运动轨迹

对研磨运动轨迹的要求：应能保证加工表面上各点均有相同的（或近似的）被切削条件；同时还要保证研具表面上各点有相同的（或近似的）切削条件，要求如下：（1）工件相对研磨盘平面作平行运动，保证工件上各点行程一样，以获得良好的平面性；（2）研磨运动力求平稳，尽量避免曲率较大的转角；（3）工件运动遍及整个研具表面，以利研具均匀磨损；（4）工件上任意一点的运动轨迹，尽量不出现周期性重复情况。

经过试验摸索，采用正弦曲线轨迹进行研磨比较合适，研磨一定时间后，将密封环调转90°～180°，以防零件磨损不均匀。

2.6 研磨环境要求

研磨为终结加工，其结果决定了零件加工质量。密封环研磨环境要求比较高，操作间门、窗应密封良好，应保持操作间内清洁、无灰尘，温度、湿度要严格控制，为检测需要自然光线应充足。

碳/碳复合材料平面研磨过程中对灰尘、杂质等细小硬质颗粒非常敏感，灰尘、杂质等细小硬质颗粒易在材料表面留下划痕，影响研磨质量，严重的甚至导致报废。

2.7 注意事项

由于此零件壁薄、直径大、要求精度高，在研磨过程中要特别注意以下四点：

（1）研磨压力要低。由于手的力量掌握不均匀，极易造成零件变形，研出的表面平面度无法达到要求。在研磨时切记手不要给研磨工装垂直方向施加压力，要平行于研磨平板施加推力。

（2）研磨速度要低，粗研速度控制在20～50m/min之间，精研速度控制在10～30m/min之间，以免温度过高使零件变形。

（3）精研时用干研法进行研磨，无需再在研磨平板上加研磨剂。

（4）在干研时，必须注意的是在研磨几下后，平板会被研下的粉末粘死，从而平板失去了切削作用，等同于粘刀现象，所以必须用洁净酒精经常清理干净，反复研磨，最终达到尺寸要求。

3 结语

通过对碳/碳复合材料密封环进行研磨试验，初步总结出了一套切实可行的平面研磨方法，经过实际加工验证，密封环研磨表面质量有了很大提高，满足了设计图纸要求，提升了我单位试制加工能力，为今后相关材料的加工奠定了坚实的基础。

参考文献

[1] 康永，柴秀娟.碳/碳复合材料的性能和应用进展[J].粘接，2010，（12）：74-76.

[2] 杨叔子.机械加工艺师手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

作者简介：张忠伟（1979—），男，辽宁庄河人，沈阳发动机设计研究所工程师，研究方向：机械加工生产管理。

（责任编辑：叶小坚）