金剛石刀具在衛星關鍵件精密加工中的應用

■北京控制工程研究所 （100190）

彭麗娟 呂京勝

太陽帆板驅動機構（Solar Array Drive Assembly，簡稱SADA）是驅動衛星太陽電池陣對日定向，并在星體和帆板間傳遞功率和信號，從而保障衛星實時獲得能源的重要機構。盤式導電環和圓柱導電環（以下分別簡稱為盤環和柱環）是SADA產品中的兩個關鍵件，分別用于傳輸功率和信號。盤環和柱環具有加工周期長、加工工種多、加工難度大及研制成本高等特點。

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

1. 金剛石刀具的分類

目前，工業用金剛石刀具根據成分和結構不同可分為5種：①天然金剛石Natural Diamond（ND）。②人造聚晶金剛石Artificial Polycrystalline Diamond（PCD）。③人造聚晶金剛石復合片Polycrystalline Diamond Compact（PDC）。④化學氣相沉積涂層金剛石刀具Chemical Vapor Deposition Diamond Coated Tools（CVD），沉積厚度達100μm的無襯底純金剛石厚膜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. 金剛石刀具在盤環和柱環中的應用

（1）金剛石刀具的選用。通過調研和比較，最終選用天然單晶金剛石刀具用于SADA關鍵件（盤環和柱環）的精密加工。

前角的選擇：根據以往的加工經驗，銀銅合金材料本身并無硬質顆粒，主要是聚酰亞胺對刀具磨損顯著。對金剛石刀具而言，前角決定加工的難易程度，前角大刀具就鋒利，出現毛刺就少，但強度會下降。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。但由于產品形狀限制（加工面為環形凹槽），刀頭設計本身是外探懸空狀態，前角已經盡量選大，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，因此刀片與刀桿聯接采用分體式螺釘聯接，銀環表面加工用ND刀具，采用焊接方式連接。

刀片尺寸改進：根據以往加工經驗，加工銀銅環用金剛石刀具刀片越窄，加工表面質量越好，刀片主刃寬度從0.8mm改進為0.6mm，并將刀片偏置于刀桿一側，可更好地避免刮蹭引線。加工銀銅環所用ND刀具尺寸改進前后比較如圖1所示。

圖1 加工銀銅環用刀具尺寸改進前后比較圖

SADA產品盤環和柱環精密加工中，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。經試驗摸索，確定最優的加工參數如附表所示。

加工參數表

（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刀精車環片表面狀態照片，圖示為10個刀紋的寬度，平均刀紋寬度為0.044mm，實測表面粗糙度值Ra=0.3～0.4μm。圖3b為350倍顯微鏡下ND刀精車環片表面狀態，圖示為10個刀紋的寬度，平均刀紋寬度為0.022mm，實測表面粗糙度值Ra=0.1μm左右。

加工后的盤環和柱環實物如圖4所示，加工面能達到鏡面效果。

圖3 PCD與ND加工對比圖

圖4 加工后的盤環和柱環

3. 結語

天然金剛石被認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用于衛星SADA產品關鍵件的精密加工中，可將環面表面粗糙度值提高至Ra=0.1μm左右，大大減小了電刷與環之間的摩擦，從而為延長產品的使用壽命奠定了基礎，對衛星SADA產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用研究[J]. 機械設計與制造，2009（6）：158-160.