蔣貴剛 房 怡 陳 靜 周占偉 董本興 陳 浩

一種超大尺寸高精度復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

蔣貴剛 房 怡 陳 靜 周占偉 董本興 陳 浩

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

以某衛(wèi)星相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)研制任務(wù)為背景，闡述了一種超大尺寸、高精度復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)工藝方案、模具設(shè)計(jì)、制造過(guò)程及質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了論述。結(jié)果表明：對(duì)于超大尺寸的結(jié)構(gòu)，依靠裝配工裝一般無(wú)法滿足設(shè)備接口精度要求，需組合機(jī)加保證；桿件和接頭裝配時(shí)，需控制膠接間隙在0.1～0.3mm，且保證桿件和接頭同軸，才能保證最優(yōu)的力學(xué)強(qiáng)度；通過(guò)超聲無(wú)損檢測(cè)及隨爐試件力學(xué)檢測(cè)，可有效驗(yàn)證桁架結(jié)構(gòu)的膠接質(zhì)量，制造的桁架結(jié)構(gòu)產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量和產(chǎn)品尺寸精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

復(fù)合材料桁架；高精度；制造技術(shù)；無(wú)損檢測(cè)；膠接質(zhì)量

1 引言

近年來(lái)，隨著大型遙感光學(xué)衛(wèi)星、深空探測(cè)器探索精度指標(biāo)日益增加，高精度、高穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為航天科研人員的重點(diǎn)研究對(duì)象，尤其是在大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方面的研究逐漸深入[1]。設(shè)備平臺(tái)不僅要承受航天器發(fā)射階段的沖擊和過(guò)載，還要滿足在空間環(huán)境下具有足夠的動(dòng)、靜態(tài)剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)不僅可以顯著地減輕自身重量而且很容易滿足基頻的要求[2]。作為航天器典型結(jié)構(gòu)之一，復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)、高承載等特點(diǎn)，在航天器上得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

航天器平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的桁架通常由復(fù)合材料桿件和接頭（金屬接頭或碳接頭）套接而成[4]，其典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鑒于膠接方式與鉚、焊、螺接方式相比，可以較好保證母材的完成性，有效緩解應(yīng)力集中，故航天器用桁架主體結(jié)構(gòu)一般采用膠接方式[5]。本文從工藝方案、模具設(shè)計(jì)、制造過(guò)程、質(zhì)量控制等方面闡述了一種超大尺寸高精度相機(jī)支撐桁架結(jié)構(gòu)制造技術(shù)。

圖1 碳纖維桁架典型結(jié)構(gòu)形式

2 大尺寸高精度相機(jī)支撐桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2019年，為滿足某衛(wèi)星大型相機(jī)的使用要求，設(shè)計(jì)了一種大尺寸、高承載、高精度的復(fù)合材料相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由12根碳纖維復(fù)合材料桿件和12件多通金屬接頭及1件蜂窩夾層結(jié)構(gòu)底板組成，外形尺寸約為4000mm×3900 mm×1000mm。桿件與接頭之間采用常溫固化結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行膠接，主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為：

a. 桁架產(chǎn)品星體連接面、相機(jī)安裝面平面度≤0.2mm；

b. 相機(jī)安裝孔位置度≤0.3mm，定位銷孔的位置度≤0.2mm；

c. 相機(jī)安裝面與其它設(shè)備連接面高度公差±0.1mm。

3 膠接裝配技術(shù)與分析驗(yàn)證

3.1 工藝方案的確定

圖2 桁架結(jié)構(gòu)工藝流程圖

根據(jù)復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)型特點(diǎn)、產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求，采取各復(fù)合材料桿件和金屬接頭、底板分別制造，然后通過(guò)高精度的膠接工裝定位和精測(cè)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)膠接裝配，最后組合機(jī)加得到產(chǎn)品?？紤]到零件制造過(guò)程中及膠接裝配過(guò)程中存在應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品變形，因此在產(chǎn)品裝配完成應(yīng)力充分釋放后進(jìn)行組合加工，保證產(chǎn)品精度。桁架結(jié)構(gòu)研制工藝流程如圖2所示。

3.2 工裝設(shè)計(jì)與制造

為建立合適裝配基準(zhǔn)面和控制各接頭的空間位置，制定如下裝配思路：采取“先平面后立體”的方式裝配膠接，根據(jù)桁架裝配各技術(shù)要求，設(shè)計(jì)裝配平臺(tái)，建立裝配基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)各個(gè)接頭的定位工裝，嚴(yán)格控制接頭的平面、空間位置。膠接定位工裝外形尺寸為4150mm×3425mm×1520mm，主要包括框架主體、下層定位座、中層定位板、上層定位板、定位卡槽，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)膠接裝配工裝

選取6個(gè)底層定位座上表面為向裝配基準(zhǔn)，中層定位板、上層定位板、定位卡槽均以此面為基準(zhǔn)。每個(gè)定位座、定位板上分布3～4個(gè)定位銷孔，與產(chǎn)品上預(yù)制的銷孔配合定位，部分產(chǎn)品零件狀態(tài)下無(wú)孔，故采用定位卡槽定位，保證各接頭空間位置，具體定位如圖4所示。

圖4 裝配工裝定位形式

框架主體采用100mm×100mm×10mm方鋼焊接而成，下層定位座、定位卡槽采用30mm厚鋼板，焊接于框架主體之上。上層定位板、中層定位板通過(guò)100mm×10mm鋼管及連接法蘭與主體螺接裝配，最后組合機(jī)加。由于工裝尺寸較大，溫度對(duì)尺寸精度影響明顯，因此在組合機(jī)加時(shí)，采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，保證工裝的精度。20℃溫度條件下，各定位座、定位板、定位卡槽共面度≤0.2mm，上層定位板下表面、中層定位板上表面與基準(zhǔn)面（下層定位座上表面）的平行度≤0.5mm，各定位銷孔相對(duì)于基準(zhǔn)定位孔的位置度≤0.3mm。

3.3 桁架試裝

桁架結(jié)構(gòu)試裝的目的是提前發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料桿件與金屬接頭之間的干涉或間隙，并通過(guò)合理的方法消除。膠接理論認(rèn)為膠粘劑膠層的厚度是影響膠接強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，是膠接裝配工藝中需控制的重要環(huán)節(jié)。因此，在試裝環(huán)節(jié)，需重點(diǎn)控制零件之間的膠接間隙。

每種膠粘劑都存在著最佳的膠層厚度范圍，只有在其特定的厚度范圍內(nèi)，膠粘劑才會(huì)表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能[6]。套接形式的結(jié)構(gòu)，其膠層主要承受剪切力學(xué)載荷，本次產(chǎn)品所采用的膠粘劑為室溫固化結(jié)構(gòu)膠，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究測(cè)得，膠粘劑膠層厚度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 膠層厚度與膠粘劑剪切強(qiáng)度的影響

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)膠層厚度控制在0.1～0.3mm時(shí)，膠粘劑的剪切強(qiáng)度較高。分析原因如下：當(dāng)膠層的厚度較?。ǎ?.1mm）時(shí)，膠粘劑層局部存在斷點(diǎn)，無(wú)法形成連續(xù)性較好的膠膜；隨著膠層厚度的增加，膠粘劑非連續(xù)點(diǎn)減少，膠粘劑強(qiáng)度得到提高；但隨著膠層厚度的逐漸增加，達(dá)到一定厚度時(shí)，由于膠液一般具有較好的流動(dòng)性，同時(shí)受到加壓壓力控制等因素的影響，可能會(huì)造成膠層的內(nèi)部出現(xiàn)缺陷，且容易出現(xiàn)固化程度不一致，從而使得膠接產(chǎn)品強(qiáng)度降低[7]。

試裝過(guò)程中，對(duì)于配合間隙較小（＜0.1mm）的位置，對(duì)碳纖維桿件采用“旋轉(zhuǎn)式打磨”技術(shù)，在保證桿件的圓度的同時(shí)，滿足膠接裝配間隙；對(duì)于配合間隙較大（＞0.3mm）位置，采用預(yù)制的碳布粘貼在桿件外徑，保證膠接間隙。桁架試裝時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

a. 桁架試裝為整體試裝，需將所有接頭及桿件按照裝配工裝上預(yù)定的位置安裝到位，不得使用強(qiáng)制力；

b. 試裝時(shí)注意裝配順序，按照設(shè)計(jì)的順序安裝，否則會(huì)導(dǎo)致桁架“三角”區(qū)域零件無(wú)法安裝；

c. 安裝結(jié)束后需確認(rèn)所有桿件與接頭的狀態(tài)，保證桿件順利旋轉(zhuǎn)，不得存在干涉。確認(rèn)無(wú)誤后，對(duì)桿件及接頭所對(duì)應(yīng)的工裝位置進(jìn)行標(biāo)記，做到一一對(duì)應(yīng)；

d. 試裝結(jié)束后，需及時(shí)清理?xiàng)U件、接頭及周圍場(chǎng)地上的多余物，防止污染。

3.4 表面處理

零件的表面處理是影響膠接強(qiáng)度的另一個(gè)重要因素[8]。膠接表面經(jīng)過(guò)處理可以改變膠接面的理化狀態(tài)，從而影響膠接強(qiáng)度[9]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證表面處理狀態(tài)對(duì)膠粘劑的力學(xué)性能的影響，采取不同的表面處理方法，制備了三種鋁合金拉伸剪切試件。依據(jù)GB/T 7124—2008對(duì)剪切試件的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 表面處理對(duì)膠粘劑剪切強(qiáng)度的影響

由表1可見(jiàn)，表面處理方式對(duì)膠粘劑的拉伸剪切強(qiáng)度有明顯影響，分析如下：未實(shí)施打磨鋁合金試片表面光滑，膠粘劑的附著力較弱；機(jī)械打磨可增加膠接部位的粗糙程度，有利于膠粘劑的結(jié)合；磷酸陽(yáng)極化處理后的試樣表面會(huì)產(chǎn)生分布較為均勻的微小細(xì)紋及深度適宜的孔洞，膠液會(huì)以分子的形式浸潤(rùn)到細(xì)紋或微孔中去，從而明顯提高了膠接強(qiáng)度。碳纖維復(fù)合材料通過(guò)機(jī)械打磨即可滿足要求。鋁合金零件一般通過(guò)表面磷酸陽(yáng)極化處理的方式增加膠接強(qiáng)度[10]。

3.5 桁架裝配

圖6 桿件與接頭“偏心”示意圖

桁架裝配的主要難點(diǎn)在于桿件與接頭圓柱面之間的同軸度不好保證。桿件與金屬接頭膠接裝配時(shí)，金屬接頭固定在裝配工裝上，桿件由于重力作用會(huì)向下偏移，導(dǎo)致“偏心”，具體如圖6所示。由于膠粘劑具有流動(dòng)性，固化后會(huì)出現(xiàn)膠層厚度不均勻，甚至可能超出允許范圍，導(dǎo)致膠接強(qiáng)度下降。

為控制膠層厚度、保證桿件與接頭同心，采用適當(dāng)厚度的碳布粘接在桿件外徑。膠接裝配時(shí)，復(fù)材桿件碳纖維條之間充滿膠粘劑，保證復(fù)材桿件旋入金屬接頭內(nèi)腔有膠粘劑溢出。

為了有效保證產(chǎn)品的力學(xué)性能，桁架裝配需重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

a. 膠粘劑具有時(shí)效性，配制后應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用完，且應(yīng)少量多次配制，避免反應(yīng)熱集中導(dǎo)致膠粘劑性能降低；

b. 涂膠時(shí)需在桿件及金屬接頭的膠接面均勻涂抹，不得只單側(cè)涂膠；

c. 裝配結(jié)束后及時(shí)清理多余膠液，防止多余物；

d. 為驗(yàn)證產(chǎn)品的膠接強(qiáng)度，在產(chǎn)品膠接裝配過(guò)程中，使用膠接產(chǎn)品用膠制備膠接剪切試片，并在與產(chǎn)品相同環(huán)境、相同狀態(tài)下固化。

3.6 固化及精度測(cè)量

產(chǎn)品在室溫下固化7～10d，脫模清理。組合機(jī)加前，測(cè)量產(chǎn)品平面度、孔位置度，驗(yàn)證產(chǎn)品精度與工裝精度的一致性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品與工裝平面度最大偏差0.3mm，孔位最大偏差0.5mm。說(shuō)明產(chǎn)品在裝配及固化過(guò)程中，存在一定的應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)品固化結(jié)束與裝配工裝分離時(shí)，應(yīng)力釋放，導(dǎo)致產(chǎn)品變形。

3.7 組合機(jī)加

產(chǎn)品在零件制造時(shí)，對(duì)精度較高的平面或孔留有一定的余量。在產(chǎn)品組件狀態(tài)下進(jìn)行組合機(jī)加。組合機(jī)加過(guò)程中，需注意以下幾點(diǎn)：

a. 產(chǎn)品裝卡時(shí)，需保證“無(wú)應(yīng)力”，采用百分表測(cè)量裝卡前后裝卡部位的變形量，要求位移值≤0.01mm；

b. 產(chǎn)品尺寸較大，但主體為碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，本身受溫度影響較小。但機(jī)床本身為金屬結(jié)構(gòu)，受溫度變化影響較大，因此產(chǎn)品加工時(shí)，需控制廠房?jī)?nèi)溫度變化≤1℃，采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)機(jī)床的加工精度進(jìn)行補(bǔ)償；

c. 產(chǎn)品加工時(shí)，通過(guò)激光跟蹤儀輔助監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的精度，當(dāng)機(jī)床加工尺寸精度與激光跟蹤儀測(cè)量結(jié)果一致時(shí)再加工。

4 產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)

4.1 超聲無(wú)損檢測(cè)

桁架膠接固化脫模后，采用超聲無(wú)損檢測(cè)儀對(duì)桿件及接頭的膠接部位進(jìn)行超聲無(wú)損檢測(cè)。結(jié)果表明，產(chǎn)品膠接部位無(wú)明顯缺陷，驗(yàn)證了膠接質(zhì)量控制措施有效。

4.2 隨爐件拉伸剪切試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 7124—2008測(cè)試隨爐件剪切強(qiáng)度，每組6件。經(jīng)測(cè)試，隨爐件的拉伸剪切強(qiáng)度在28.5～30.8MPa，滿足設(shè)計(jì)對(duì)強(qiáng)度要求的最低值25MPa。

4.3 產(chǎn)品尺寸精度

產(chǎn)品組合機(jī)加后，測(cè)量其精度，得到桁架產(chǎn)品星體連接面平面度為0.08mm、相機(jī)安裝面平面度為0.11mm；相機(jī)安裝孔位置度最大為0.28mm，定位銷孔的位置度最大為0.19mm；相機(jī)安裝面與設(shè)備連接面高度公差＜0.1mm，精度全部滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)某衛(wèi)星相機(jī)支撐桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其工藝方案、模具設(shè)計(jì)、制造過(guò)程及質(zhì)量控制進(jìn)行分析驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

a. 對(duì)于大尺寸的桁架結(jié)構(gòu)，依靠裝配工裝一般無(wú)法滿足設(shè)備接口精度要求，需組合機(jī)加保證；

b. 桿件和接頭的裝配時(shí)，需控制膠接間隙在0.1～0.3mm且保證桿件和接頭同軸，才能保證最優(yōu)的力學(xué)強(qiáng)度；

c. 通過(guò)超聲無(wú)損檢測(cè)、隨爐試片測(cè)試，可以有效驗(yàn)證桁架的膠接質(zhì)量；

d. 本文所述的制造方法特別適用于超大尺寸、高精度的復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)，同時(shí)為其它類桁架結(jié)構(gòu)制造提供參考。

1 馬立，楊鳳龍，陳維強(qiáng)，等. 尺寸高穩(wěn)定性復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的研制[J]. 航天器環(huán)境工程，2007，24(1)：1～12

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Manufacturing Technology of A Super-large Scale and High Precision Composite Truss

Jiang Guigang Fang Yi Chen Jing Zhou Zhanwei Dong Benxing Chen Hao

(Beijing Spacecrafts Co., Ltd., Beijing 100094)

This article elaborates on the manufacturing technology of a super-large scale and high precision composite truss with particular emphasis on machining scheme, mould design, manufacturing process, and quality control, discussing on the background of the research of support structure of satellite. The results show that assembly tooling is generally unable to meet the accuracy requirements of equipment interface, which needs to be guaranteed by combined machine for large scale truss; the truss can achieve the optimal mechanical strength with the bars and joints coaxial and bonding clearance between 0.1mm and 0.3mm. Through ultrasonic non-destructive testing and mechanical test of furnace test piece, the bonding quality of truss structure can be effectively verified, and the internal quality and dimensional accuracy of the truss structure products meet the design requirements.

composite truss；high precision；manufacturing technology；non-destructive testing；bonding quality

蔣貴剛（1989），工程師，有機(jī)化學(xué)專業(yè)；研究方向：星船復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝。

2020-01-12