0 引言

　　中心承力筒是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的主承力件，是其他結(jié)構(gòu)部件的裝配基準(zhǔn)，在衛(wèi)星的發(fā)射和飛行過程中承擔(dān)著整星載荷。因此，中心承力筒筒體通常采用比強(qiáng)度和比剛度大的碳纖維蜂窩夾層殼結(jié)構(gòu)。中心承力筒高3～4m，直徑1m左右，筒體是圓錐與圓柱相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。由于承力筒與貯箱、隔板、層板之間都有機(jī)械接口，筒體上一般需要開直徑大小不等的400多個(gè)孔。因此，中心承力筒制孔是生產(chǎn)過程中的一道重要工序，其制孔精度直接影響后續(xù)膠接和裝配質(zhì)量。

　　以往中心承力筒制孔是采用預(yù)先制造各種鉆模，通過鉆模與轉(zhuǎn)臺(tái)配合進(jìn)行人工配打的工藝方案，效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。中心承力筒材料價(jià)格昂貴，一旦出現(xiàn)問題將前功盡棄，且損失慘重，因此，選擇合適的機(jī)床、刀具、工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)合理的數(shù)控編程方案對(duì)中心承力筒的加工尤為重要。本文對(duì)中心承力筒工藝方案、刀具及工藝參數(shù)選用、數(shù)控編程、加工仿真等方面進(jìn)行了研究。

1 工藝方案選擇

　　中心承力筒筒體上的各類孔通常是用角度和水平高度定位的，因此可以采用 4 軸加工方式，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)把需要加工的孔轉(zhuǎn)到同一位置，刀具垂直于圓柱/圓錐側(cè)壁進(jìn)行鉆孔/銑孔。這種加工方式有如下優(yōu)點(diǎn):

　　(1) 充分利用了機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)功能;

　　(2) 加工過程中機(jī)床主軸一直處于懸臂較小的位置，減小了機(jī)床撓度，從而減小了機(jī)床誤差，保證了孔的相對(duì)位置;

　　(3) 可以采用主程序循環(huán)調(diào)用子程序的編程方式，數(shù)控程序靈活、簡(jiǎn)便。因此該零件適合在帶轉(zhuǎn)臺(tái)、具有大行程的 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心上加工。

2 優(yōu)選刀具和工藝參數(shù)

　　2.1 刀具材質(zhì)選擇

　　碳纖維復(fù)合材料具有較高的硬度，加工時(shí)應(yīng)選用超硬刀具，通常優(yōu)先選用硬質(zhì)合金刀具和金剛石材料刀具。考慮到金剛石刀具的制造難度大，可采用硬質(zhì)合金加金剛石涂層的刀具。與無涂層的硬質(zhì)合金鉆頭相比，金剛石涂層鉆頭的壽命可以提高 10 倍。本文采用帶金剛石涂層的刀具作為鉆、銑加工刀具。

　　2.2 工藝參數(shù)選擇

　　碳纖維復(fù)合材料孔出口撕裂的大小與多種因素有關(guān)，其中最重要的是鉆削力，而影響鉆削力最重要的因素是鉆頭直徑、進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速等。因此，在保證加工表面質(zhì)量的情況下，鉆頭直徑不能太大，同時(shí)考慮到加工效率，刀具選擇如下: 10 mm的孔直接鉆打到尺寸; ＞ 10 mm 的孔先用 10． 2mm 鉆頭鉆打底孔，再用 10 mm 銑刀銑孔。

　　在零件切削厚度與寬度一定的前提下，影響碳纖維復(fù)合材料切削參數(shù)的因素主要有切削速度 vc和每齒進(jìn)給量 fz。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，較高的加工速度對(duì)迅速切斷纖維防止起毛有利，采用較小的進(jìn)給量對(duì)提高加工質(zhì)量有利。因此，選用每齒進(jìn)給量 8 ～30 m，轉(zhuǎn)速 3000 ～ 8 000 r / min，鉆孔分層較少，毛刺較少，且鉆頭磨損量小。

3 數(shù)控編程方案

　　中心承力筒筒體上孔的孔徑從 0 ～100 mm 不等且有 400 多個(gè)，根據(jù)零件特點(diǎn)，為便于程序管理和質(zhì)量控制，并增強(qiáng)程序的可讀性，方便校對(duì)，數(shù)控程序采用主程序調(diào)用子程序的方式。

　　(1) 區(qū)分不同直徑孔，相同直徑按錐面孔、柱面孔分類，按不同類別分別編制主程序;

　　(2) 同類別孔編制在一個(gè)主程序，每個(gè)高度建立一個(gè)可編程框架;

　　(3) 編制每個(gè)可編程框架下的所有孔的鉆孔、銑孔子程序。

　　3.1 靈活的數(shù)控編程技術(shù)

　　現(xiàn)行的數(shù)控編程方法通常較多地采用 CAD/CAM 一體化編程的方式，在 CAD 模塊建立適合編程的數(shù)控加工模型，利用 CAM 模塊生成數(shù)控程序。靈活的數(shù)控編程方式指運(yùn)用變量計(jì)算和程序轉(zhuǎn)換建立一個(gè)高度靈活的數(shù)控程序，它充分利用了機(jī)床控制器的功能。通過使用變量而非固定值可以把相同的程序用于不同的幾何關(guān)系; 通過使用程序轉(zhuǎn)換可以使程序具有某種結(jié)構(gòu)并使程序具有較強(qiáng)的可讀性。其編程流程是: 建立簡(jiǎn)易的 CAD 模型，獲取編程需要的點(diǎn)位信息，根據(jù)這些點(diǎn)位信息和圖紙尺寸，利用機(jī)床控制器本身的變量計(jì)算和程序轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行靈活編程。

　　采用 CAD/CAM 一體化編程必須首先建立各個(gè)孔的三維模型。1 個(gè)此類孔需建立 2 個(gè)參數(shù)平面、兩條面與面相交線、兩交線的交點(diǎn)、過交點(diǎn)的相切平面等一系列輔助特征。中心承力筒筒體上通常有 400 多個(gè)孔，造型工作量非常大，輔助線面繁多，編制、校對(duì)困難。

　　3.2 靈活編程的實(shí)現(xiàn)過程

　　中心承力筒靈活編程的實(shí)現(xiàn)過程是采用主程序多次調(diào)用子程序的程序轉(zhuǎn)換方式，通過主程序、子程序間的變量傳遞，實(shí)現(xiàn)同類孔的鉆孔、銑孔循環(huán)。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把幾何關(guān)系用變量的賦值語句表達(dá)，通過改變變量值，可以把相同的程序用于不同的幾何關(guān)系。變量必須在使用前、程序開始時(shí)定義，通常在主程序中進(jìn)行變量定義，它在被調(diào)用的子程序的所有級(jí)上都有效。

　　程序轉(zhuǎn)換可以使程序具有某種結(jié)構(gòu)并使程序具有較強(qiáng)的可讀性。本文采用主程序調(diào)用子程序的程序轉(zhuǎn)換方式，通過變量傳遞，主程序的實(shí)際變量值在子程序調(diào)用時(shí)傳遞到子程序的形式變量，并在子程序執(zhí)行過程中處理，連續(xù)多次執(zhí)行一個(gè)子程序，實(shí)現(xiàn)一條程序加工一類孔。

　　錐面上鉆打法向向心陣列孔，孔在 z向間距相等，每排孔間距相等。因此，使用靈活的數(shù)控編程方式，程序簡(jiǎn)單，靈活，易于修改。

　　3.3 加工仿真

　　中心承力筒孔數(shù)多，多數(shù)孔要先鉆底孔再銑孔，程序量大，如果一一空試，占用五軸機(jī)床雙倍的加工時(shí)間，加工成本高; 同時(shí)零件昂貴，不容出錯(cuò)，因此有必要進(jìn)行數(shù)控加工過程仿真。通過加工仿真能夠直觀的顯示刀具軌跡，檢查刀具、工件與機(jī)床部件和夾具的碰撞問題，看出程序有無異常; 通過仿真模型與理論模型比對(duì)，可以看出程序的過切、欠切，大大減少了試加工時(shí)間和成本; 對(duì)于主程序調(diào)用子程序的程序，可以通過分步動(dòng)作直觀地校驗(yàn)機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)位置、刀軸的擺動(dòng)方位、坐標(biāo)系的變化過程、打孔循環(huán)的點(diǎn)鉆式分解動(dòng)作，精確的模擬零件的實(shí)際加工過程。

4 結(jié)論

　　在中心承力筒工藝方案、刀具及工藝參數(shù)選用、數(shù)控編程、加工仿真等方面進(jìn)行了研究，并在 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心上進(jìn)行了實(shí)際加工，加工效果良好，有效保證了孔的精度和表面質(zhì)量，大大提高了生產(chǎn)效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。中心承力筒數(shù)控加工工藝先進(jìn)、成熟，可以在各個(gè)衛(wèi)星研制過程中推廣應(yīng)用。另外，本文為其他碳纖維復(fù)合材料零件的加工提供了可借鑒的刀具參數(shù)和工藝參數(shù); 為星船結(jié)構(gòu)中相似零件的數(shù)控加工提供了有力的借鑒。