中心承力筒数控加工工艺

0 引言

　　中心承力筒是卫星结构系统中的主承力件，是其他结构部件的装配基准，在卫星的发射和飞行过程中承担着整星载荷。因此，中心承力筒筒体通常采用比强度和比刚度大的碳纤维蜂窝夹层壳结构。中心承力筒高3～4m，直径1m左右，筒体是圆锥与圆柱相结合的结构。由于承力筒与贮箱、隔板、层板之间都有机械接口，筒体上一般需要开直径大小不等的400多个孔，见图1。因此，中心承力筒制孔是生产过程中的一道重要工序，其制孔精度直接影响后续胶接和装配质量。

　　以往中心承力筒制孔是采用预先制造各种钻模，通过钻模与转台配合进行人工配打的工艺方案，效率低、工人劳动强度大。中心承力筒材料价格昂贵，一旦出现问题将前功尽弃，且损失惨重，因此，选择合适的机床、刀具、工艺参数，设计合理的数控编程方案对中心承力筒的加工尤为重要。本文对中心承力筒工艺方案、刀具及工艺参数选用、数控编程、加工仿真等方面进行了研究。

图 1 中心承力筒筒体示意图

1 工艺方案选择

　　中心承力筒筒体上的各类孔通常是用角度和水平高度定位的，因此可以采用 4 轴加工方式，通过旋转转台把需要加工的孔转到同一位置，刀具垂直于圆柱/圆锥侧壁进行钻孔/铣孔。这种加工方式有如下优点:

　　(1) 充分利用了机床转台功能;

　　(2) 加工过程中机床主轴一直处于悬臂较小的位置，减小了机床挠度，从而减小了机床误差，保证了孔的相对位置;

　　(3) 可以采用主程序循环调用子程序的编程方式，数控程序灵活、简便。因此该零件适合在带转台、具有大行程的 5 轴联动数控加工中心上加工。

2 优选刀具和工艺参数

　　2.1 刀具材质选择

　　碳纤维复合材料具有较高的硬度，加工时应选用超硬刀具，通常优先选用硬质合金刀具和金刚石材料刀具。考虑到金刚石刀具的制造难度大，可采用硬质合金加金刚石涂层的刀具。与无涂层的硬质合金钻头相比，金刚石涂层钻头的寿命可以提高 10 倍。本文采用带金刚石涂层的刀具作为钻、铣加工刀具。

　　2.2 工艺参数选择

　　碳纤维复合材料孔出口撕裂的大小与多种因素有关，其中最重要的是钻削力，而影响钻削力最重要的因素是钻头直径、进给速度及主轴转速等。因此，在保证加工表面质量的情况下，钻头直径不能太大，同时考虑到加工效率，刀具选择如下: Φ≤10 mm的孔直接钻打到尺寸; Φ ＞ 10 mm 的孔先用 Φ10． 2mm 钻头钻打底孔，再用 Φ10 mm 铣刀铣孔。

　　在零件切削厚度与宽度一定的前提下，影响碳纤维复合材料切削参数的因素主要有切削速度 vc和每齿进给量 fz。经试验验证，较高的加工速度对迅速切断纤维防止起毛有利，采用较小的进给量对提高加工质量有利。因此，选用每齿进给量 8 ～30 μm，转速 3000 ～ 8 000 r / min，钻孔分层较少，毛刺较少，且钻头磨损量小。图 2 为加工刀具和实物图。

图 2 金刚石涂层铣刀及中心承力筒实物图