冯向涛 武斌 张堰墚 郝晓明 王瑜
北京卫星制造厂有限公司 北京 100094
摘要 热防护复合材料是发展超高声速飞行器最为关键的技术之一。本文阐述了当前最热门的热防护材料---低密度石英-酚醛烧蚀材料的加工难点及改进措施。
关键词 防热材料 低密度石英-酚醛 加工
引言
复合材料以其优异的比强度、比刚度、比模量等性能在航空航天领域得到了越来越广泛的应用，并逐步由次承力结构、零部件向主承力结构、整体化结构方向发展。目前应用于航天的复合材料构件尺寸大、形状复杂，强调整体性并在重量上有严格的要求，同时对材料的耐烧蚀性能提出了苛刻要求，低密度石英-酚醛烧蚀材料是满足这些需求的首选。低密度石英-酚醛烧蚀材料防隔热性能优异、质量轻，在基本构型不变的情况下组合结构设计形式可以多样化，满足不同空间的结构形式要求，实现了性能和结构形式兼得的目的。其加工的精度要求和结构复杂程度也越来越高，对制造技术提出更高要求。
1 低密度石英-酚醛烧蚀材料加工难点
低密度石英-酚醛烧蚀材料在飞船中承担重要角色，属于关键承力结构。其用量较大，成本昂贵，生产周期较长。尤其是近两年飞船任务猛增，低密度石英-酚醛烧蚀材料年投产数量在200~400件之间。然而低密度石英-酚醛烧蚀材料的生产报废率普遍偏高，严重影响了生产成本及产品交付进度，已成为典型零件的生产制造瓶颈问题。
低密度石英-酚醛烧蚀材料层间强度低，易在切削力的作用下发生分层，因此切边应减小轴向力，参数设定上要求高转速，低进给。原因是低密度石英-酚醛烧蚀材料纤维较难切断，属于难加工材料，且层间有玻璃小球形成多孔结构，转速低的情况下纤维受力较大，易产生分层；进给量较高时，产生大量切削热导致刀具磨损严重，纤维切断受阻，产生层剪应力。
图1 加工后产品表面裂纹
2低密度石英-酚醛烧蚀材料产品加工技术改进
低密度石英-酚醛烧蚀材料层间强度低，易在切削力切削过程中切削力较大，切削热不易散出，严重时会烧焦树脂，刀具磨损严重，因此刀具是LPC加工的关键，其切削机理更接近于磨削而非铣削。切边加工刀具一般选用硬质合金滚花铣刀、电镀金刚石颗粒砂轮、镶金刚石铣刀等，刀具多次使用后磨损轻微，可以满足使用要求。
当前加工采用的是进给量1mm/r，转速3000r/min的参数。为了验证转速和进给对材料加工分层的影响，对参数进行了调整，发现进给量降低到0.5mm/r时，材料加工后状态较好，分层减少，产品合格率有较大提升。因此，加工参数对材料的加工质量有影响。
对参数进行验证，取2000~5000r/min转速，以及0.5和1mm/r进给量进行分批试验，以35件试样为一组，统计不同参数组合和产品合格率。结果表明，进给量超过0.5mm/r，转速低于3000r/min时，材料边角处的厚度明显增加，材料易发生分层。随着转速的提高和进给量的降低，材料加工质量提高。当进给量为0.5mm/r，转速为5000r/min时，材料加工后状态较好，无分层。
表1 产品加工参数试验统计
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3结论
调整低密度石英-酚醛烧蚀材料加工参数，得到以下结论：
当进给量为0.5mm/r，转速为5000r/min时，材料加工后状态较好，无分层。
本次改进内容为目前产品加工应用中所面临的共性问题，研究成果可直接应用于低密度石英-酚醛烧蚀材料的加工。同时，为同体系诸多产品加工提供技术积累和工艺支撑。