大直径C/C开口弹性密封环的数控加工技术

发表时间:2015/3/18 作者:张忠伟 魏莲珍 徐莹  来源:万方数据
正大直径C/C复合材料开口弹性密封环(以下简称密封环)加工在国内首次进行,材料难加工、零件尺寸大,具有很大的挑战性,对加工工艺、刃具、机床等有一定的特殊要求。针对C/C复合材料加工特点,本文从密封环开口定型、车削、铣削、平面研磨等几个方面阐述了C/C开口弹性密封环的加工技术。

  C/C复合材料(Carbon/Carbon Composites)即碳纤维增强碳基复合材料,是由基体碳和一维或二维的增强碳纤维组成,其制备过程是将基体碳充填到碳纤维预制体中[1]。

  C/C复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、大热容、良好的导热性能、优异的摩擦磨损性能以及良好的可设计性,已成功地应用于火箭喷管喉衬、涡轮叶片、导弹端头帽、刹车片等航空航天领域[2]。航空发动机轴间密封材料要求具有良好的热性能、低而稳定的摩擦系数以及高速旋转产生的巨大离心力所需的高强度,这使得C/C复合材料成为首选轴间密封材料[3]。

  大直径C/C复合材料开口弹性密封环(以下简称密封环)加工在国内首次进行,材料难加工、零件尺寸大,具有很大的挑战性,对加工工艺、刃具、机床等有一定的特殊要求。针对C/C复合材料加工特点,本文从密封环开口定型、车削、铣削、平面研磨等几个方面阐述了C/C开口弹性密封环的加工技术。

  C/C开口弹性密封环分析

  C/C开口弹性密封环是典型的材料难加工、结构较复杂、精度要求高的航空产品。

  1 零件结构分析

  密封环是单开口的薄壁环形件,有以下几种特征:环槽、花边、开口、台阶孔等,端面、外圆具有较高的尺寸精度、表面质量和形位要求。密封环收口状态外圆尺寸超φ400mm,自由状态下开口间隙(23±2.5)mm,开口间隙(0.15±0.1)mm,外圆Ra0.8μm,左、右两端面Ra0.4μm、平面度0.009mm,且右端面有两处宽1mm、深0.8mm的同心优弧环槽。

  2 C/C复合材料特点

  C/C复合材料主要指标:

  (1)抗拉强度:周向、径向≥120MPa,轴向≥40MPa;

  (2)密度1.8~2.0g/cm3;

  (3)肖氏硬度≤70。

  C/C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[4]:

  (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℃时,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。

  C/C复合材料力学性能呈各向异性,机械加工条件比较恶劣,是典型的难加工材料。C/C复合材料切削加工的主要特点:脆性大、强度高、硬度高、层间强度低、切削温度高,切削时在切削力的作用下容易产生分层、崩缺、掉碴等缺陷。

  3 密封环加工难点

  本单位以前加工过的石墨类、C/C复合材料类密封环直径均在φ200mm以内,本次加工的C/C开口弹性密封环直径大大超过此值,加工难度大幅提高。

  在密封环加工中主要有以下难点:

  (1)由于直径超大、材料特殊,密封环开口间隙很难保证;

  (2)C/C复合材料的车削、铣削性能差,易发生分层、崩缺、掉碴现象,刀具磨损严重;

  (3)右端面宽1mm环槽非完整的一圈,不能采用车削加工,铣削时φ1铣刀极易折断;

  (4)因直径超大,密封环端面研磨难度大。

  密封环开口定型方案

  开口定型是密封环加工的难点、关键点,难在本单位从未加工过石墨类开口弹性零件,没有可借鉴经验,并且零件外圆尺寸超大。

  普通金属材料(如9Cr18)弹性开口环加工工艺方案比较简单:在粗加工后进行淬火保证零件硬度要求,在半精加工后安排去应力退火来去除机加应力,开口后用工装装夹,安排定型回火去除开口应力、同时进行开口定型,最后精加工直至成品。

  如何保证C/C开口弹性密封环收口状态外圆尺寸、开口间隙保持在(0.15±0.1)mm呢?

  有两套开口定型工艺方案:方案一,开口后用工装定型;方案二,开口后用粘接剂粘接。两个方案对比:方案一须使用直径超大、结构复杂的定型工装,加工中受切削力作用零件易脱落,且受断续切削力极易在零件端头处崩缺、掉碴;方案二操作简便,减小了装夹难度,避免了断续切削,大大降低了加工中发生崩缺、掉碴的风险。方案二能够显著减小C/C复合材料密封环加工风险,是首选方案。

  经过试验,最后选定的粘接剂为某进口胶水。使用方法简单:用酒精或丙酮清洗开口结合面,待晾干后涂胶,圆周用工装固定,自然干燥固化24h,抗剪强度、抗拉强度能够满足机械加工要求(图1)。除胶方便:用丙酮浸泡溶解24h即可。

 机械加工

  确定开口间隙如何变化需进行工艺试验。零件在自由状态下的开口间隙存在着一些不确定性,因为零件在不同的厚度下开口,由于内应力的变化,开口间隙会有所不同,而且在后续的加工过程中,零件的开口间隙也会随着内应力的变化和重新分布而发生相应的变化。试验表明,开口后密封环发生微量收口现象,但尺寸变化影响可以忽略不计;开口尺寸与厚度尺寸关系不大。

  确定密封环加工工艺方案如下:先粗加工;在端面留有一定余量时将零件开口,保证自由状态下间隙为23mm;然后用胶水粘接,在保证开口间隙(0.15±0.1)mm的状态下进行半精加工、精加工;最后除胶至成品。

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