SOFC燃料電池用金云母墊片的加工方法分析與研究

韓金寶，何金山，秦 奮，程 晨

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

1 引言

隨著人們環(huán)保意識逐漸加強，開發(fā)更節(jié)能，更環(huán)保的動力系統(tǒng)是各大主機廠的使命，四部委對氫燃料電池汽車車型補貼不降反升，反映國家對燃料電池汽車產業(yè)的發(fā)展特別重視。SOFC為主要研究方向之一，迎來了試制加工和試驗驗證等重要環(huán)節(jié)。

其中金云母是首選密封材料。金云母板是一種絕緣材料，在電機制造業(yè)中有廣泛應用，大眾熟知的金云母板是用天然的金云母薄片粘疊后，經烘培壓制而成的，因為天然的云母薄片面積較小，因此，這種云母板不僅生產效率低，而且厚度均勻性差、剛性差，剪切時易掉片缺損，即使采用磨削的方法對厚度進行矯正，也難消除厚度的不均勻性。

金云母的特點為具有云母的完全理性、黃棕的顏色和類似金色的反射。其與白云母不同之處是，可在沸硫酸中分解，同時產生—種乳狀的溶液，而白云母則不能。金云母一般特性與白云母相同，其主要根據(jù)呈褐色、淡金色與其他云母相區(qū)別。與顏色相似的黑云母的鑒別方法是其顏色比黑云母淡。將二者撕成很薄的薄片放在白紙上對比，金云母呈淡黃褐色，而黑云母呈灰綠色或煙色。無色或其他顏色金云母的確切鑒定需借助顯微鏡。

在金云母墊片加工中常見問題有：

（1）金云母墊片開膠脫層。（2）金云母墊片開膠脫層，部分中間云母片斷裂。（3）金云母墊片直角加工，對角線方向應力暗傷，可靠性下降。（4）金云母墊片加工直線邊緣有大量毛邊，手工修理后有起層和掉角現(xiàn)象。（5）金云母墊片弧線加工起毛邊。

文章通過對燃料電池選用指定型號的金云母進行機械加工，通過對比不同的加工切削參數(shù)，不同的刀具選材，不同的冷卻方式，不同加工固定工裝等進行加工質量和效率評價，通過對比驗證，給出了刀具選型，加工參數(shù)定義，冷卻方式選型，加工工裝選擇的參考意見。在確保加工成品質量，合格品率前提下提高加工效率。

為了更好地驗證加工參數(shù)、刀具選型、冷卻方式和加工工裝對墊片質量的影響，本次選擇具有代表性的弧度加工和直線加工進行對比驗證。選用揚州雷禾廠家生產同一規(guī)格的4 mm厚金云母板材。其加工圖紙如圖1所示：

圖1 金云母

為了更直觀的驗證刀具和切削參數(shù)的影響，根據(jù)切削的三要素：轉速、進給量、切削深度選擇加工參數(shù)計算公式：

n：轉速，r/minVc：切削速度，m/mind：銑刀直徑，mmf：進給量，mm/rZ：齒數(shù)。

選擇了n=6 000和n=3 000、d=4 mm、f=600和f=1 200、z=0.05和z=0.1，幾組參數(shù)進行組合優(yōu)化選擇，對硬質合金鎢鋼兩刃銑刀、硬質合金鎢鋼四刃銑刀、白鋼四刃銑刀按照DOE驗證方法進行組合驗證，其驗證結果如表1：

表1 金云母加工參數(shù)表

參考湖北某金云母制品有限公司產品檢測評估分析方法，從外觀、厚度、起層率、硬質裂紋、加工面光潔度、加工端面飛邊起毛情況等維度進行評價和分析。發(fā)現(xiàn)增大切削轉速，減少切削進給量，有利于提高加工質量，增大切削進給量可以提高加工效率。轉速較低時切削力矩大，容易產生毛邊和硬質裂紋，轉速太高容易刀頭振動，降低加工質量，四韌刀和兩韌刀比，兩韌排屑好，加工質量優(yōu)于四韌。綜上所述，在選用硬質合金鎢鋼兩刃銑刀刀具、S6000、F1200、Fz0.1、ap2.0參數(shù)更適合加工金云母。

根據(jù)選刀具原則和成品檢測方案，對上表中外觀、起層率進行分析比對，金云母加工選擇硬質合金兩刃鎢鋼銑刀更好，主要原因是：刀具排屑好、刃口鋒利、剛性好、耐磨耐高溫、加工精度高、可以在中間直接下刀等；

冷卻分為兩種方法，一種是加切削液冷卻，另一種是用壓縮空氣進行冷卻：如圖2是用切削液冷卻，圖3是用壓縮空氣進行冷卻。通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，用切削液冷卻法表面干凈，毛刺相對較少，無分層開裂現(xiàn)象，但是金云母加工廢料不像樹脂、金屬材料等材料不與切削液相溶解，可以直接過濾處理，金云母加工后碎屑會懸浮在切削液中，污染切削液，為此需要改進切削液過濾裝置并加大更換頻次；用壓縮空氣進行冷卻時，加工件毛邊大，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，主要原因是加工后的碎屑沒有被及時清理，在連續(xù)加工時碎屑受到擠壓進入了金云母膠層內造成開裂，使得起層率超標。

圖2 切削液冷卻

圖3 壓縮空氣進行冷卻

工裝壓板形式對優(yōu)缺點對比：一種方法是分散式工裝，另一種方法是整體式工裝。如圖4是分散壓裝，圖5是整體式工裝。

圖4 分散壓裝

圖5 整體式工裝

其中分散式工裝在不影響刀具行走路線，在金云母板上面平均四周作為固定點進行裝夾，這種方式的優(yōu)點是切削方便，操作靈活，工裝簡單通用性好。整體式工裝，需要根據(jù)金云母的形狀制作一件和外形一樣的壓板，這種方法優(yōu)點是：加工后不會受刀具擠壓的影響出現(xiàn)輕微的開裂分層，整體穩(wěn)定性強，加工精度更高。缺點是：裝夾繁瑣、制作工裝頻率高、工裝不能通用化，降低加工效率。

2 結論

經過對金云母材料加工得出增大切削轉速，減少切削進給量，有利于提高加工質量。增大切削進給量可以提高加工效率。轉速較低時切削力矩大，容易產生毛邊和硬質裂紋，轉速太高容易刀頭振動，降低加工質量，四韌刀和兩韌刀比，兩韌排屑好，加工質量優(yōu)于四韌。刀具排屑好、刃口鋒利、剛性好的有利于提升加工質量。整體式工裝可以提高加工質量。加工過程溫度較低，風冷和水冷都可以，唯一不同的是金云母加工需要及時清洗掉加工碎屑，防止金云母起層。