SOFC燃料电池用金云母垫片的加工方法分析与研究

韩金宝，何金山，秦 奋，程 晨

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336）

1 引言

随着人们环保意识逐渐加强，开发更节能，更环保的动力系统是各大主机厂的使命，四部委对氢燃料电池汽车车型补贴不降反升，反映国家对燃料电池汽车产业的发展特别重视。SOFC为主要研究方向之一，迎来了试制加工和试验验证等重要环节。

其中金云母是首选密封材料。金云母板是一种绝缘材料，在电机制造业中有广泛应用，大众熟知的金云母板是用天然的金云母薄片粘叠后，经烘培压制而成的，因为天然的云母薄片面积较小，因此，这种云母板不仅生产效率低，而且厚度均匀性差、刚性差，剪切时易掉片缺损，即使采用磨削的方法对厚度进行矫正，也难消除厚度的不均匀性。

金云母的特点为具有云母的完全理性、黄棕的颜色和类似金色的反射。其与白云母不同之处是，可在沸硫酸中分解，同时产生—种乳状的溶液，而白云母则不能。金云母一般特性与白云母相同，其主要根据呈褐色、淡金色与其他云母相区别。与颜色相似的黑云母的鉴别方法是其颜色比黑云母淡。将二者撕成很薄的薄片放在白纸上对比，金云母呈淡黄褐色，而黑云母呈灰绿色或烟色。无色或其他颜色金云母的确切鉴定需借助显微镜。

在金云母垫片加工中常见问题有：

（1）金云母垫片开胶脱层。（2）金云母垫片开胶脱层，部分中间云母片断裂。（3）金云母垫片直角加工，对角线方向应力暗伤，可靠性下降。（4）金云母垫片加工直线边缘有大量毛边，手工修理后有起层和掉角现象。（5）金云母垫片弧线加工起毛边。

文章通过对燃料电池选用指定型号的金云母进行机械加工，通过对比不同的加工切削参数，不同的刀具选材，不同的冷却方式，不同加工固定工装等进行加工质量和效率评价，通过对比验证，给出了刀具选型，加工参数定义，冷却方式选型，加工工装选择的参考意见。在确保加工成品质量，合格品率前提下提高加工效率。

为了更好地验证加工参数、刀具选型、冷却方式和加工工装对垫片质量的影响，本次选择具有代表性的弧度加工和直线加工进行对比验证。选用扬州雷禾厂家生产同一规格的4 mm厚金云母板材。其加工图纸如图1所示：

图1 金云母

为了更直观的验证刀具和切削参数的影响，根据切削的三要素：转速、进给量、切削深度选择加工参数计算公式：

n：转速，r/minVc：切削速度，m/mind：铣刀直径，mmf：进给量，mm/rZ：齿数。

选择了n=6 000和n=3 000、d=4 mm、f=600和f=1 200、z=0.05和z=0.1，几组参数进行组合优化选择，对硬质合金钨钢两刃铣刀、硬质合金钨钢四刃铣刀、白钢四刃铣刀按照DOE验证方法进行组合验证，其验证结果如表1：

表1 金云母加工参数表

参考湖北某金云母制品有限公司产品检测评估分析方法，从外观、厚度、起层率、硬质裂纹、加工面光洁度、加工端面飞边起毛情况等维度进行评价和分析。发现增大切削转速，减少切削进给量，有利于提高加工质量，增大切削进给量可以提高加工效率。转速较低时切削力矩大，容易产生毛边和硬质裂纹，转速太高容易刀头振动，降低加工质量，四韧刀和两韧刀比，两韧排屑好，加工质量优于四韧。综上所述，在选用硬质合金钨钢两刃铣刀刀具、S6000、F1200、Fz0.1、ap2.0参数更适合加工金云母。

根据选刀具原则和成品检测方案，对上表中外观、起层率进行分析比对，金云母加工选择硬质合金两刃钨钢铣刀更好，主要原因是：刀具排屑好、刃口锋利、刚性好、耐磨耐高温、加工精度高、可以在中间直接下刀等；

冷却分为两种方法，一种是加切削液冷却，另一种是用压缩空气进行冷却：如图2是用切削液冷却，图3是用压缩空气进行冷却。通过试验对比发现，用切削液冷却法表面干净，毛刺相对较少，无分层开裂现象，但是金云母加工废料不像树脂、金属材料等材料不与切削液相溶解，可以直接过滤处理，金云母加工后碎屑会悬浮在切削液中，污染切削液，为此需要改进切削液过滤装置并加大更换频次；用压缩空气进行冷却时，加工件毛边大，出现分层现象，主要原因是加工后的碎屑没有被及时清理，在连续加工时碎屑受到挤压进入了金云母胶层内造成开裂，使得起层率超标。

图2 切削液冷却

图3 压缩空气进行冷却

工装压板形式对优缺点对比：一种方法是分散式工装，另一种方法是整体式工装。如图4是分散压装，图5是整体式工装。

图4 分散压装

图5 整体式工装

其中分散式工装在不影响刀具行走路线，在金云母板上面平均四周作为固定点进行装夹，这种方式的优点是切削方便，操作灵活，工装简单通用性好。整体式工装，需要根据金云母的形状制作一件和外形一样的压板，这种方法优点是：加工后不会受刀具挤压的影响出现轻微的开裂分层，整体稳定性强，加工精度更高。缺点是：装夹繁琐、制作工装频率高、工装不能通用化，降低加工效率。

2 结论

经过对金云母材料加工得出增大切削转速，减少切削进给量，有利于提高加工质量。增大切削进给量可以提高加工效率。转速较低时切削力矩大，容易产生毛边和硬质裂纹，转速太高容易刀头振动，降低加工质量，四韧刀和两韧刀比，两韧排屑好，加工质量优于四韧。刀具排屑好、刃口锋利、刚性好的有利于提升加工质量。整体式工装可以提高加工质量。加工过程温度较低，风冷和水冷都可以，唯一不同的是金云母加工需要及时清洗掉加工碎屑，防止金云母起层。