■北京控制工程研究所 （100190）

彭麗娟 呂京勝

太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（Solar Array Drive Assembly，簡(jiǎn)稱SADA）是驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣對(duì)日定向，并在星體和帆板間傳遞功率和信號(hào)，從而保障衛(wèi)星實(shí)時(shí)獲得能源的重要機(jī)構(gòu)。盤式導(dǎo)電環(huán)和圓柱導(dǎo)電環(huán)（以下分別簡(jiǎn)稱為盤環(huán)和柱環(huán)）是SADA產(chǎn)品中的兩個(gè)關(guān)鍵件，分別用于傳輸功率和信號(hào)。盤環(huán)和柱環(huán)具有加工周期長(zhǎng)、加工工種多、加工難度大及研制成本高等特點(diǎn)。

為了提高衛(wèi)星SADA產(chǎn)品的使用壽命，如何提高環(huán)表面質(zhì)量，從而減小摩擦副之間的摩擦成為亟待解決的高難度問(wèn)題。在超精密加工中，影響加工表面質(zhì)量的主要因素除了高精度的機(jī)床、超穩(wěn)定的加工環(huán)境外，高質(zhì)量的金剛石刀具也是其中很重要的一個(gè)方面。在盤環(huán)和柱環(huán)的精密加工中，通常采用PCD金剛石刀精車環(huán)（材料為AgCu10 Y），環(huán)面表面粗糙度值Ra=0.8μm。為了提高環(huán)表面質(zhì)量，研究了金剛石刀具的性能及其應(yīng)用情況，并將金剛石刀具應(yīng)用在SADA關(guān)鍵件的精密加工中。

1. 金剛石刀具的分類

目前，工業(yè)用金剛石刀具根據(jù)成分和結(jié)構(gòu)不同可分為5種：①天然金剛石Natural Diamond（ND）。②人造聚晶金剛石Artificial Polycrystalline Diamond（PCD）。③人造聚晶金剛石復(fù)合片Polycrystalline Diamond Compact（PDC）。④化學(xué)氣相沉積涂層金剛石刀具Chemical Vapor Deposition Diamond Coated Tools（CVD），沉積厚度達(dá)100μm的無(wú)襯底純金剛石厚膜Thick Diamond Film（TDF）。⑤在刀具基體表面直接沉積上厚度<30μm的金剛石薄膜涂層Coated Thin Diamond Film（CD）。

2. 金剛石刀具在盤環(huán)和柱環(huán)中的應(yīng)用

（1）金剛石刀具的選用。通過(guò)調(diào)研和比較，最終選用天然單晶金剛石刀具用于SADA關(guān)鍵件（盤環(huán)和柱環(huán)）的精密加工。

前角的選擇：根據(jù)以往的加工經(jīng)驗(yàn)，銀銅合金材料本身并無(wú)硬質(zhì)顆粒，主要是聚酰亞胺對(duì)刀具磨損顯著。對(duì)金剛石刀具而言，前角決定加工的難易程度，前角大刀具就鋒利，出現(xiàn)毛刺就少，但強(qiáng)度會(huì)下降。因此ND刀具前角定為8°～10°。

后角的選擇：后角的功用主要是減少后刀面與加工表面之間的摩擦，因此刀具必須留有一定后角。但由于產(chǎn)品形狀限制（加工面為環(huán)形凹槽），刀頭設(shè)計(jì)本身是外探懸空狀態(tài)，前角已經(jīng)盡量選大，因此選定ND刀具后角為3°。

金剛石鑲嵌方式選擇：由于R0.15mm槽加工用ND刀具刃磨難度很大，因此刀片與刀桿聯(lián)接采用分體式螺釘聯(lián)接，銀環(huán)表面加工用ND刀具，采用焊接方式連接。

刀片尺寸改進(jìn)：根據(jù)以往加工經(jīng)驗(yàn)，加工銀銅環(huán)用金剛石刀具刀片越窄，加工表面質(zhì)量越好，刀片主刃寬度從0.8mm改進(jìn)為0.6mm，并將刀片偏置于刀桿一側(cè)，可更好地避免刮蹭引線。加工銀銅環(huán)所用ND刀具尺寸改進(jìn)前后比較如圖1所示。

圖1 加工銀銅環(huán)用刀具尺寸改進(jìn)前后比較圖

SADA產(chǎn)品盤環(huán)和柱環(huán)精密加工中，使用的ND單晶金剛石刀具如圖2所示。

圖2 ND單晶金剛石刀具

（2）金剛石刀具加工參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)摸索，確定最優(yōu)的加工參數(shù)如附表所示。

加工參數(shù)表

（3）金剛石刀具加工效果。 以前使用PCD聚晶金剛石刀光整環(huán)片表面，表面粗糙度值Ra=0.3～0.4μm。改用ND單晶金剛石刀光整環(huán)片表面后，表面粗糙度值Ra=0.1μm。

圖3a為100倍顯微鏡下PCD刀精車環(huán)片表面狀態(tài)照片，圖示為10個(gè)刀紋的寬度，平均刀紋寬度為0.044mm，實(shí)測(cè)表面粗糙度值Ra=0.3～0.4μm。圖3b為350倍顯微鏡下ND刀精車環(huán)片表面狀態(tài)，圖示為10個(gè)刀紋的寬度，平均刀紋寬度為0.022mm，實(shí)測(cè)表面粗糙度值Ra=0.1μm左右。

加工后的盤環(huán)和柱環(huán)實(shí)物如圖4所示，加工面能達(dá)到鏡面效果。

圖3 PCD與ND加工對(duì)比圖

圖4 加工后的盤環(huán)和柱環(huán)

3. 結(jié)語(yǔ)

天然金剛石被認(rèn)為是最理想的超精密切削用刀具材料，將天然單晶金剛石刀具應(yīng)用于衛(wèi)星SADA產(chǎn)品關(guān)鍵件的精密加工中，可將環(huán)面表面粗糙度值提高至Ra=0.1μm左右，大大減小了電刷與環(huán)之間的摩擦，從而為延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命奠定了基礎(chǔ)，對(duì)衛(wèi)星SADA產(chǎn)品研制水平的提高具有非常重大的意義。

[1] 周玉海，秦哲，王成勇. 金剛石刀具性能及其應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（6）：158-160.