金刚石刀具在卫星关键件精密加工中的应用

■北京控制工程研究所 （100190）

彭丽娟 吕京胜

太阳帆板驱动机构（Solar Array Drive Assembly，简称SADA）是驱动卫星太阳电池阵对日定向，并在星体和帆板间传递功率和信号，从而保障卫星实时获得能源的重要机构。盘式导电环和圆柱导电环（以下分别简称为盘环和柱环）是SADA产品中的两个关键件，分别用于传输功率和信号。盘环和柱环具有加工周期长、加工工种多、加工难度大及研制成本高等特点。

为了提高卫星SADA产品的使用寿命，如何提高环表面质量，从而减小摩擦副之间的摩擦成为亟待解决的高难度问题。在超精密加工中，影响加工表面质量的主要因素除了高精度的机床、超稳定的加工环境外，高质量的金刚石刀具也是其中很重要的一个方面。在盘环和柱环的精密加工中，通常采用PCD金刚石刀精车环（材料为AgCu10 Y），环面表面粗糙度值Ra=0.8µm。为了提高环表面质量，研究了金刚石刀具的性能及其应用情况，并将金刚石刀具应用在SADA关键件的精密加工中。

1. 金刚石刀具的分类

目前，工业用金刚石刀具根据成分和结构不同可分为5种：①天然金刚石Natural Diamond（ND）。②人造聚晶金刚石Artificial Polycrystalline Diamond（PCD）。③人造聚晶金刚石复合片Polycrystalline Diamond Compact（PDC）。④化学气相沉积涂层金刚石刀具Chemical Vapor Deposition Diamond Coated Tools（CVD），沉积厚度达100µm的无衬底纯金刚石厚膜Thick Diamond Film（TDF）。⑤在刀具基体表面直接沉积上厚度<30µm的金刚石薄膜涂层Coated Thin Diamond Film（CD）。

2. 金刚石刀具在盘环和柱环中的应用

（1）金刚石刀具的选用。通过调研和比较，最终选用天然单晶金刚石刀具用于SADA关键件（盘环和柱环）的精密加工。

前角的选择：根据以往的加工经验，银铜合金材料本身并无硬质颗粒，主要是聚酰亚胺对刀具磨损显著。对金刚石刀具而言，前角决定加工的难易程度，前角大刀具就锋利，出现毛刺就少，但强度会下降。因此ND刀具前角定为8°～10°。

后角的选择：后角的功用主要是减少后刀面与加工表面之间的摩擦，因此刀具必须留有一定后角。但由于产品形状限制（加工面为环形凹槽），刀头设计本身是外探悬空状态，前角已经尽量选大，因此选定ND刀具后角为3°。

金刚石镶嵌方式选择：由于R0.15mm槽加工用ND刀具刃磨难度很大，因此刀片与刀杆联接采用分体式螺钉联接，银环表面加工用ND刀具，采用焊接方式连接。

刀片尺寸改进：根据以往加工经验，加工银铜环用金刚石刀具刀片越窄，加工表面质量越好，刀片主刃宽度从0.8mm改进为0.6mm，并将刀片偏置于刀杆一侧，可更好地避免刮蹭引线。加工银铜环所用ND刀具尺寸改进前后比较如图1所示。

图1 加工银铜环用刀具尺寸改进前后比较图

SADA产品盘环和柱环精密加工中，使用的ND单晶金刚石刀具如图2所示。

图2 ND单晶金刚石刀具

（2）金刚石刀具加工参数。经试验摸索，确定最优的加工参数如附表所示。

加工参数表

（3）金刚石刀具加工效果。 以前使用PCD聚晶金刚石刀光整环片表面，表面粗糙度值Ra=0.3～0.4µm。改用ND单晶金刚石刀光整环片表面后，表面粗糙度值Ra=0.1µm。

图3a为100倍显微镜下PCD刀精车环片表面状态照片，图示为10个刀纹的宽度，平均刀纹宽度为0.044mm，实测表面粗糙度值Ra=0.3～0.4µm。图3b为350倍显微镜下ND刀精车环片表面状态，图示为10个刀纹的宽度，平均刀纹宽度为0.022mm，实测表面粗糙度值Ra=0.1µm左右。

加工后的盘环和柱环实物如图4所示，加工面能达到镜面效果。

图3 PCD与ND加工对比图

图4 加工后的盘环和柱环

3. 结语

天然金刚石被认为是最理想的超精密切削用刀具材料，将天然单晶金刚石刀具应用于卫星SADA产品关键件的精密加工中，可将环面表面粗糙度值提高至Ra=0.1µm左右，大大减小了电刷与环之间的摩擦，从而为延长产品的使用寿命奠定了基础，对卫星SADA产品研制水平的提高具有非常重大的意义。

[1] 周玉海，秦哲，王成勇. 金刚石刀具性能及其应用研究[J]. 机械设计与制造，2009（6）：158-160.