0 引言

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

　　以往中心承力筒制孔是采用預先制造各種鉆模，通過鉆模與轉臺配合進行人工配打的工藝方案，效率低、工人勞動強度大。中心承力筒材料價格昂貴，一旦出現問題將前功盡棄，且損失慘重，因此，選擇合適的機床、刀具、工藝參數，設計合理的數控編程方案對中心承力筒的加工尤為重要。本文對中心承力筒工藝方案、刀具及工藝參數選用、數控編程、加工仿真等方面進行了研究。

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，通過旋轉轉臺把需要加工的孔轉到同一位置，刀具垂直于圓柱/圓錐側壁進行鉆孔/銑孔。這種加工方式有如下優點:

　　(1) 充分利用了機床轉臺功能;

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

　　(3) 可以采用主程序循環調用子程序的編程方式，數控程序靈活、簡便。因此該零件適合在帶轉臺、具有大行程的 5 軸聯動數控加工中心上加工。

2 優選刀具和工藝參數

　　2.1 刀具材質選擇

　　碳纖維復合材料具有較高的硬度，加工時應選用超硬刀具，通常優先選用硬質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，可采用硬質合金加金剛石涂層的刀具。與無涂層的硬質合金鉆頭相比，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 工藝參數選擇

　　碳纖維復合材料孔出口撕裂的大小與多種因素有關，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、進給速度及主軸轉速等。因此，在保證加工表面質量的情況下，鉆頭直徑不能太大，同時考慮到加工效率，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，影響碳纖維復合材料切削參數的因素主要有切削速度 vc和每齒進給量 fz。經試驗驗證，較高的加工速度對迅速切斷纖維防止起毛有利，采用較小的進給量對提高加工質量有利。因此，選用每齒進給量 8 ～30 m，轉速 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，根據零件特點，為便于程序管理和質量控制，并增強程序的可讀性，方便校對，數控程序采用主程序調用子程序的方式。

　　(1) 區分不同直徑孔，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主程序，每個高度建立一個可編程框架;

　　(3) 編制每個可編程框架下的所有孔的鉆孔、銑孔子程序。

　　3.1 靈活的數控編程技術

　　現行的數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控加工模型，利用 CAM 模塊生成數控程序。靈活的數控編程方式指運用變量計算和程序轉換建立一個高度靈活的數控程序，它充分利用了機床控制器的功能。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系; 通過使用程序轉換可以使程序具有某種結構并使程序具有較強的可讀性。其編程流程是: 建立簡易的 CAD 模型，獲取編程需要的點位信息，根據這些點位信息和圖紙尺寸，利用機床控制器本身的變量計算和程序轉換功能進行靈活編程。

　　采用 CAD/CAM 一體化編程必須首先建立各個孔的三維模型。1 個此類孔需建立 2 個參數平面、兩條面與面相交線、兩交線的交點、過交點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 多個孔，造型工作量非常大，輔助線面繁多，編制、校對困難。

　　3.2 靈活編程的實現過程

　　中心承力筒靈活編程的實現過程是采用主程序多次調用子程序的程序轉換方式，通過主程序、子程序間的變量傳遞，實現同類孔的鉆孔、銑孔循環。根據零件的結構特點，把幾何關系用變量的賦值語句表達，通過改變變量值，可以把相同的程序用于不同的幾何關系。變量必須在使用前、程序開始時定義，通常在主程序中進行變量定義，它在被調用的子程序的所有級上都有效。

　　程序轉換可以使程序具有某種結構并使程序具有較強的可讀性。本文采用主程序調用子程序的程序轉換方式，通過變量傳遞，主程序的實際變量值在子程序調用時傳遞到子程序的形式變量，并在子程序執行過程中處理，連續多次執行一個子程序，實現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，使用靈活的數控編程方式，程序簡單，靈活，易于修改。

　　3.3 加工仿真

　　中心承力筒孔數多，多數孔要先鉆底孔再銑孔，程序量大，如果一一空試，占用五軸機床雙倍的加工時間，加工成本高; 同時零件昂貴，不容出錯，因此有必要進行數控加工過程仿真。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，可以看出程序的過切、欠切，大大減少了試加工時間和成本; 對于主程序調用子程序的程序，可以通過分步動作直觀地校驗機床轉臺的運動位置、刀軸的擺動方位、坐標系的變化過程、打孔循環的點鉆式分解動作，精確的模擬零件的實際加工過程。

4 結論

　　在中心承力筒工藝方案、刀具及工藝參數選用、數控編程、加工仿真等方面進行了研究，并在 5 軸聯動數控加工中心上進行了實際加工，加工效果良好，有效保證了孔的精度和表面質量，大大提高了生產效率，減輕了工人的勞動強度。中心承力筒數控加工工藝先進、成熟，可以在各個衛星研制過程中推廣應用。另外，本文為其他碳纖維復合材料零件的加工提供了可借鑒的刀具參數和工藝參數; 為星船結構中相似零件的數控加工提供了有力的借鑒。