衛(wèi)星用蜂窩板定位基板搭接工藝方法研究

楊亞輝 李 玲 孔垂千 李宗周 沈 輝 孫海軍

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衛(wèi)星用蜂窩板定位基板搭接工藝方法研究

楊亞輝1,2李 玲1,2孔垂千1,2李宗周1,2沈 輝1,2孫海軍1,2

（1. 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112；2. 上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

針對衛(wèi)星蜂窩板定位基板拼縫處兩側(cè)孔間距超差的問題，研究了蜂窩板定位基板搭接的工藝方法。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致拼縫兩側(cè)孔間距超差最直接的原因是工裝板拼縫間隙變大，其影響因素主要包括螺釘擰入的緊固程度不夠、搬運(yùn)中的振動過大以及定位基板的錐形沉孔深度過大易磨損。本文提出三種新的定位基板搭接工藝方法，并進(jìn)行對比試驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：采用凸臺圍條和鋼搭接板結(jié)合的搭接方法效果最好，能大幅提高定位基板拼縫兩側(cè)孔距的尺寸精度和搭接穩(wěn)定性，保證衛(wèi)星蜂窩板設(shè)計(jì)精度要求。

蜂窩板；定位基板；搭接方法；尺寸精度

1 引言

蜂窩板是衛(wèi)星等航天器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的重要部件，主要用于組成星體艙段和安裝單機(jī)儀器設(shè)備等[1]。蜂窩板是一種特殊的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，通常是由兩層或多層合金蒙皮、鋁蜂窩芯、預(yù)埋件和膠黏劑膠接裝配并在特定溫度和壓力下復(fù)合而成[2，3]。因不同設(shè)計(jì)需求，板內(nèi)一般會預(yù)埋數(shù)量不等且形狀各異的金屬埋件，埋件上會預(yù)留螺紋孔、銷孔和沉頭孔。板內(nèi)所有預(yù)埋件孔位均是通過蜂窩板膠接裝配模具定位，蜂窩板膠接裝配模主要包括圍條、定位基板、均壓板、墊板和定位螺釘?shù)龋窦ㄎ环绞饺鐖D1所示。其中，定位基板等工裝板使用的原材料鋁板均有標(biāo)準(zhǔn)的幅寬，當(dāng)蜂窩板產(chǎn)品外形尺寸過大時，導(dǎo)致定位基板大小超過原材料幅寬，則定位基板需要拼接，通常定位基板的搭接方法是通過搭接板和螺釘將兩塊或兩塊以上鋁板拼接固定而成，搭接方法如圖2所示。

圖1 埋件定位示意圖

圖2 定位基板搭接示意圖

由于定位基板厚度為3mm，搭接板厚度為4mm，厚度均相對較薄，在工裝模具重復(fù)使用的情況下，定位基板上的錐形沉孔和搭接板上的螺紋孔均易產(chǎn)生磨損，也會影響螺釘?shù)木o固程度，而且外界壓力和振動的過程會加劇螺釘孔的磨損程度，引起定位基板拼縫間隙增大，最終導(dǎo)致拼縫處兩側(cè)預(yù)埋件孔間距超差。如某衛(wèi)星型號負(fù)Y側(cè)板四周邊緣的沉頭孔埋件孔間距尺寸超差，定位基板拼接處相距最近的兩組階梯埋件定位孔間距超差0.1mm、0.04mm，孔間距要求尺寸(90±0.3)mm，實(shí)測為90.4mm、90.34mm。還可以通過預(yù)留余量進(jìn)行機(jī)加工的方式來保證孔距精度，但是考慮到機(jī)加工成本相對較高的情況，優(yōu)先選擇借助模具定位一次成型保證。為避免此類超差情況再次發(fā)生，須提高定位基板搭接的可靠性和可重復(fù)利用性，因此研究定位基板搭接改進(jìn)方法尤為重要。本文主要敘述了幾種新的定位基板搭接方法，并對新工藝方法作了對比試驗(yàn)和分析，總結(jié)出一種可靠性更高的搭接方法。

2 定位基板搭接方法及可行性分析

2.1 搭接方法

針對目前的搭接方法，現(xiàn)提出3種新的搭接方法，方法1：使用鋼搭接板；方法2：使用燕尾槽和鋁搭接板；方法3：使用凸臺圍條和鋁搭接板。

2.1.1 搭接方法1及可行性分析

方法1內(nèi)容為：使用鋼搭接板固定。搭接板上鉆螺紋孔6-M3，定位基板對應(yīng)位置鉆孔6-3mm，定位基板與鋼搭接板之間使用6-M3螺釘連接，如圖3所示。

圖3 搭接方法1

蜂窩板生產(chǎn)中往往會出現(xiàn)同樣一套產(chǎn)品重復(fù)投產(chǎn)多件，一件產(chǎn)品只對應(yīng)一套工裝，在設(shè)計(jì)狀態(tài)不變的情況下，工裝模具會重復(fù)使用。在工裝重復(fù)使用的過程中，工裝板尤其是拼接的定位基板，其使用的搭接板上的螺紋孔均會出現(xiàn)一定程度的磨損，螺紋的耐磨性跟搭接板的材質(zhì)有關(guān)，選擇硬度和強(qiáng)度更好的材質(zhì)可提高螺紋的耐磨性。考慮到成本問題，可以選擇鋼材的搭接板，鋼的硬度、強(qiáng)度和耐磨性都比鋁的好，因此在一定程度上，選用鋼搭接板的搭接方法可行性更高。

2.1.2 搭接方法2及可行性分析

方法2內(nèi)容為：定位基板設(shè)計(jì)燕尾槽形式，并同時使用鋁搭接板固定。搭接板上鉆螺紋孔6-M3，定位基板對應(yīng)位置鉆孔6-3mm，定位基板與鋁搭接板之間使用6-M3螺釘連接，如圖4所示。

圖4 搭接方法2

此方法是在目前使用的搭接方法上增加燕尾槽的形式，目的是控制定位基板拼接間隙，即使搭接板螺釘松動，也能保證拼接處的間隙不會增大。燕尾槽的外形尺寸單邊縮小0.2mm，因此定位基板拼接間隙為0.2mm。蜂窩板生產(chǎn)過程中，多數(shù)情況下，工裝板放置在平臺上，在燕尾槽不變形的情況下，能夠保證拼接間隙不會增大。

2.1.3 搭接方法3及可行性分析

方法3內(nèi)容為：定位基板邊緣增加鋁制凸臺圍條固定，圍條跨過定位基板拼縫，通過螺釘緊固，見圖5。沿用鋁搭接板固定，搭接板上鉆螺紋孔6-M3，定位基板對應(yīng)位置鉆孔6-3mm，定位基板與搭接板之間使用6-M3螺釘連接，如圖6所示。

圖5 凸臺圍條固定示意圖

圖6 搭接方法3

圍條是蜂窩板常用的工裝模具，主要用于定位蜂窩板側(cè)邊埋件和蜂窩板外形的成型。其與定位基板之間用M5螺釘連接，以往為了在工裝預(yù)裝配時便于圍條調(diào)節(jié)，在定位基板上對應(yīng)固定圍條的孔其孔徑設(shè)定為5.3mm，因此圍條存在一定的裝配間隙。當(dāng)蜂窩板產(chǎn)品進(jìn)入真空固化階段時，圍條會因抽真空或加壓環(huán)境，受到一定的側(cè)壓力，定位基板相對圍條厚度較薄，連接圍條的螺釘因側(cè)壓力的作用會產(chǎn)生一定程度的變形。在圍條上設(shè)計(jì)方形凸臺的目的是控制定位基板拼縫間隙，起到側(cè)向限位的作用。圍條凸臺的設(shè)計(jì)厚度為2.5～3mm，對應(yīng)定位基板上設(shè)計(jì)相應(yīng)尺寸的開口槽，保證凸臺間隙尺寸為0.1mm。產(chǎn)品在固化的過程中，因受到真空或加壓的作用，圍條始終貼合定位基板面，因此圍條的凸臺始終會與定位基板開槽契合，能起到有效限位的效果。

3 搭接試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)件制作

實(shí)驗(yàn)方案分為A、B、C、D四種，分別為鋁搭接板、鋼搭接板、鋁搭接板+燕尾槽、鋁搭接板+凸臺圍條。每一種試驗(yàn)方案中，分別測量定位基板拼縫兩側(cè)對稱分布的18-5mm銷孔。每種試驗(yàn)方案測量三組孔間距數(shù)據(jù)，第一次裝配完成后測量第一組數(shù)據(jù)，對第一次裝配的工裝施加一定外界破壞因素（均勻抖動8次）后測量第二組數(shù)據(jù)，拆除工裝后重新裝配工裝測量第三組數(shù)據(jù)。

拼接的兩塊定位基板外形尺寸分別為520mm×1297mm和900mm×1297mm，搭接板外形尺寸為200mm×100mm，圍條外形尺寸為350mm×30mm×43mm。定位基板和鋁搭接板通過激光切割機(jī)切割完成，凸臺圍條和鋼搭接板委托加工完成，螺釘是外購件。共四套工裝，每套工裝裝配完成后開始測量三組數(shù)據(jù)，搭接工裝局部示意圖見圖7。以上八種方案試驗(yàn)完成后，逐一對比數(shù)據(jù)并分析其偏差，最終選出合適的搭接改進(jìn)方案。

圖7 工裝搭接示意圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

表1 測量數(shù)據(jù) mm

根據(jù)表1中測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，先利用以下理論公式計(jì)算平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差：

由式（1）、式（2）可得到：

由式（1）、式（2）、式（3）得到：

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，平均偏差是反映各標(biāo)志值與算術(shù)平均數(shù)之間的差異程度；標(biāo)準(zhǔn)偏差是反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度[5]。本研究中主要利用平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差來分析孔距精度和偏差穩(wěn)定性，當(dāng)平均偏差越小，各偏差值與偏差的平均數(shù)之間的差異程度就越小，說明孔距精度越高；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，同組內(nèi)偏差值的離散程度就越小，說明偏差穩(wěn)定性越高。

根據(jù)表1，對每種搭接方案逐一進(jìn)行數(shù)據(jù)比對分析：

圖8 燕尾槽示意圖

為了確定最佳的搭接方法，須進(jìn)一步分析四種搭接方法之間的孔間距精度和偏差穩(wěn)定性的區(qū)別，因此需要比較方案之間的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差：

考慮到方案B比方案A的孔間距精度更高以及偏差值更穩(wěn)定，因此綜上分析，確定最佳的搭接改進(jìn)方法為：凸臺圍條和鋼搭接板結(jié)合的方法。

4 結(jié)束語

本文提出三種新的定位基板搭接方法并分析其可行性，通過對比試驗(yàn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和偏差分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：四種搭接方案中，凸臺圍條和鋁搭接板結(jié)合的方法最好，孔距精度最高且偏差最穩(wěn)定。由于鋼搭接板比鋁搭接板的搭接性能更好，因此確定最佳的搭接改進(jìn)方法為：凸臺圍條和鋼搭接板結(jié)合的方法。這種搭接工藝方法能夠大幅提高定位基板搭接的穩(wěn)定性和可重復(fù)利用性，并滿足航天衛(wèi)星產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度要求。

1 高慎斌，楊庭相，趙儀，等. 衛(wèi)星制造技術(shù)（下）[M]. 北京：宇航出版社，1998. 32～47

2 張廣平，戴干策. 復(fù)合材料蜂窩夾心板及其應(yīng)用[J]. 纖維復(fù)合材料，2000，35(2)：25～27

3 岳喜山，歐陽小龍，侯金保. 鈦合金蜂窩壁板結(jié)構(gòu)制造技術(shù)研究[C]. 第十六屆全國釬焊及特種連接技術(shù)交流會，南寧，2008

4 楊虎，劉瓊蓀，鐘波. 數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006

5 Rice J A. 數(shù)理統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)分析[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011

Study on Lapping Process of Positioning Base Board of Honeycomb Sandwich Panels for Satellite

Yang Yahui1, 2Li Ling1, 2Kong Chuiqian1, 2Li Zongzhou1, 2Shen Hui1, 2Sun Haijun1, 2

(1. Shanghai Composite Material Science & Technology Co., Ltd., Shanghai 201112；2. Shanghai Engineering Technology & Research Center of Aerospace Resin Based Composites, Shanghai 201112)

In view of the problem that the hole spacing between two sides of the positioning base board patchword of honeycomb sandwich panel for satellite exceeds the tolerance range, the lapping processing technology of honeycomb panel positioning base board is studied. It is found that, the most direct off-tolerance cause is that the gap of the tooling board’s patchword becames larger, which main factors include insufficient tightening of screws, excessive vibration in handling and the tapered hole of the positioning base board is easy to wear. In this paper three new methods of positioning base board lapping are proposed, the contrast test is carried on, and the data is analyzed as well. The results show that the lapping method with surround strip with boss and steel bonding board is the best. It can greatly improve the dimensional accuracy and lapping stability of the hole spacing on the two sides of the positioning base board. Finally the accuracy requirement of honeycomb sandwich panel design for satellite is guaranteed.

honeycomb sandwich panel；positioning base board；lapping process；dimensional accuracy

楊亞輝（1989），碩士，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：復(fù)合材料構(gòu)件的膠接裝配成型。

2018-07-30