一種超大尺寸高精度復合材料桁架結構制造技術

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合材料桁架結構制造技術

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)星相機支撐結構研制任務為背景，闡述了一種超大尺寸、高精度復合材料桁架結構制造技術，重點對工藝方案、模具設計、制造過程及質(zhì)量控制等方面進行了論述。結果表明：對于超大尺寸的結構，依靠裝配工裝一般無法滿足設備接口精度要求，需組合機加保證；桿件和接頭裝配時，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)的力學強度；通過超聲無損檢測及隨爐試件力學檢測，可有效驗證桁架結構的膠接質(zhì)量，制造的桁架結構產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量和產(chǎn)品尺寸精度滿足設計指標要求。

復合材料桁架；高精度；制造技術；無損檢測；膠接質(zhì)量

1 引言

近年來，隨著大型遙感光學衛(wèi)星、深空探測器探索精度指標日益增加，高精度、高穩(wěn)定平臺結構設計成為航天科研人員的重點研究對象，尤其是在大尺寸復合材料結構方面的研究逐漸深入[1]。設備平臺不僅要承受航天器發(fā)射階段的沖擊和過載，還要滿足在空間環(huán)境下具有足夠的動、靜態(tài)剛度和結構穩(wěn)定性。復合材料桁架結構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]。作為航天器典型結構之一，復合材料桁架結構以其輕質(zhì)、高承載等特點，在航天器上得到了廣泛的應用[3]。

航天器平臺結構上的桁架通常由復合材料桿件和接頭（金屬接頭或碳接頭）套接而成[4]，其典型的結構如圖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，有效緩解應力集中，故航天器用桁架主體結構一般采用膠接方式[5]。本文從工藝方案、模具設計、制造過程、質(zhì)量控制等方面闡述了一種超大尺寸高精度相機支撐桁架結構制造技術。

圖1 碳纖維桁架典型結構形式

2 大尺寸高精度相機支撐桁架結構特點

2019年，為滿足某衛(wèi)星大型相機的使用要求，設計了一種大尺寸、高承載、高精度的復合材料相機支撐結構。該結構由12根碳纖維復合材料桿件和12件多通金屬接頭及1件蜂窩夾層結構底板組成，外形尺寸約為4000mm×3900 mm×1000mm。桿件與接頭之間采用常溫固化結構膠進行膠接，主要設計技術指標為：

a. 桁架產(chǎn)品星體連接面、相機安裝面平面度≤0.2mm；

b. 相機安裝孔位置度≤0.3mm，定位銷孔的位置度≤0.2mm；

c. 相機安裝面與其它設備連接面高度公差±0.1mm。

3 膠接裝配技術與分析驗證

3.1 工藝方案的確定

圖2 桁架結構工藝流程圖

根據(jù)復合材料桁架結構構型特點、產(chǎn)品技術指標要求，采取各復合材料桿件和金屬接頭、底板分別制造，然后通過高精度的膠接工裝定位和精測相結合的方法實現(xiàn)膠接裝配，最后組合機加得到產(chǎn)品。考慮到零件制造過程中及膠接裝配過程中存在應力，會導致產(chǎn)品變形，因此在產(chǎn)品裝配完成應力充分釋放后進行組合加工，保證產(chǎn)品精度。桁架結構研制工藝流程如圖2所示。

3.2 工裝設計與制造

為建立合適裝配基準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)桁架裝配各技術要求，設計裝配平臺，建立裝配基準，設計各個接頭的定位工裝，嚴格控制接頭的平面、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，其結構如圖3所示。

圖3 結構膠接裝配工裝

選取6個底層定位座上表面為向裝配基準，中層定位板、上層定位板、定位卡槽均以此面為基準。每個定位座、定位板上分布3～4個定位銷孔，與產(chǎn)品上預制的銷孔配合定位，部分產(chǎn)品零件狀態(tài)下無孔，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100mm×10mm鋼管及連接法蘭與主體螺接裝配，最后組合機加。由于工裝尺寸較大，溫度對尺寸精度影響明顯，因此在組合機加時，采用溫度補償技術，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面（下層定位座上表面）的平行度≤0.5mm，各定位銷孔相對于基準定位孔的位置度≤0.3mm。

3.3 桁架試裝

桁架結構試裝的目的是提前發(fā)現(xiàn)復合材料桿件與金屬接頭之間的干涉或間隙，并通過合理的方法消除。膠接理論認為膠粘劑膠層的厚度是影響膠接強度的關鍵因素，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)，膠粘劑才會表現(xiàn)出良好的力學性能[6]。套接形式的結構，其膠層主要承受剪切力學載荷，本次產(chǎn)品所采用的膠粘劑為室溫固化結構膠，經(jīng)實驗研究測得，膠粘劑膠層厚度與剪切強度的關系如圖5所示。

圖5 膠層厚度與膠粘劑剪切強度的影響

由圖5可見，當膠層厚度控制在0.1～0.3mm時，膠粘劑的剪切強度較高。分析原因如下：當膠層的厚度較小（＜0.1mm）時，膠粘劑層局部存在斷點，無法形成連續(xù)性較好的膠膜；隨著膠層厚度的增加，膠粘劑非連續(xù)點減少，膠粘劑強度得到提高；但隨著膠層厚度的逐漸增加，達到一定厚度時，由于膠液一般具有較好的流動性，同時受到加壓壓力控制等因素的影響，可能會造成膠層的內(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)品強度降低[7]。

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

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定的位置安裝到位，不得使用強制力；

b. 試裝時注意裝配順序，按照設計的順序安裝，否則會導致桁架“三角”區(qū)域零件無法安裝；

c. 安裝結束后需確認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。確認無誤后，對桿件及接頭所對應的工裝位置進行標記，做到一一對應；

d. 試裝結束后，需及時清理桿件、接頭及周圍場地上的多余物，防止污染。

3.4 表面處理

零件的表面處理是影響膠接強度的另一個重要因素[8]。膠接表面經(jīng)過處理可以改變膠接面的理化狀態(tài)，從而影響膠接強度[9]。為了進一步驗證表面處理狀態(tài)對膠粘劑的力學性能的影響，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對剪切試件的強度進行測定，結果見表1。

表1 表面處理對膠粘劑剪切強度的影響

由表1可見，表面處理方式對膠粘劑的拉伸剪切強度有明顯影響，分析如下：未實施打磨鋁合金試片表面光滑，膠粘劑的附著力較弱；機械打磨可增加膠接部位的粗糙程度，有利于膠粘劑的結合；磷酸陽極化處理后的試樣表面會產(chǎn)生分布較為均勻的微小細紋及深度適宜的孔洞，膠液會以分子的形式浸潤到細紋或微孔中去，從而明顯提高了膠接強度。碳纖維復合材料通過機械打磨即可滿足要求。鋁合金零件一般通過表面磷酸陽極化處理的方式增加膠接強度[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，金屬接頭固定在裝配工裝上，桿件由于重力作用會向下偏移，導致“偏心”，具體如圖6所示。由于膠粘劑具有流動性，固化后會出現(xiàn)膠層厚度不均勻，甚至可能超出允許范圍，導致膠接強度下降。

為控制膠層厚度、保證桿件與接頭同心，采用適當厚度的碳布粘接在桿件外徑。膠接裝配時，復材桿件碳纖維條之間充滿膠粘劑，保證復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)品的力學性能，桁架裝配需重點關注以下幾個方面：

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

b. 涂膠時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. 裝配結束后及時清理多余膠液，防止多余物；

d. 為驗證產(chǎn)品的膠接強度，在產(chǎn)品膠接裝配過程中，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 固化及精度測量

產(chǎn)品在室溫下固化7～10d，脫模清理。組合機加前，測量產(chǎn)品平面度、孔位置度，驗證產(chǎn)品精度與工裝精度的一致性。結果發(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。說明產(chǎn)品在裝配及固化過程中，存在一定的應力。當產(chǎn)品固化結束與裝配工裝分離時，應力釋放，導致產(chǎn)品變形。

3.7 組合機加

產(chǎn)品在零件制造時，對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)下進行組合機加。組合機加過程中，需注意以下幾點：

a. 產(chǎn)品裝卡時，需保證“無應力”，采用百分表測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，但主體為碳纖維復合材料結構，本身受溫度影響較小。但機床本身為金屬結構，受溫度變化影響較大，因此產(chǎn)品加工時，需控制廠房內(nèi)溫度變化≤1℃，采用溫度補償技術，對機床的加工精度進行補償；

c. 產(chǎn)品加工時，通過激光跟蹤儀輔助監(jiān)測產(chǎn)品的精度，當機床加工尺寸精度與激光跟蹤儀測量結果一致時再加工。

4 產(chǎn)品性能評價

4.1 超聲無損檢測

桁架膠接固化脫模后，采用超聲無損檢測儀對桿件及接頭的膠接部位進行超聲無損檢測。結果表明，產(chǎn)品膠接部位無明顯缺陷，驗證了膠接質(zhì)量控制措施有效。

4.2 隨爐件拉伸剪切試驗

依據(jù)GB/T 7124—2008測試隨爐件剪切強度，每組6件。經(jīng)測試，隨爐件的拉伸剪切強度在28.5～30.8MPa，滿足設計對強度要求的最低值25MPa。

4.3 產(chǎn)品尺寸精度

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

5 結束語

依據(jù)某衛(wèi)星相機支撐桁架結構特點，對其工藝方案、模具設計、制造過程及質(zhì)量控制進行分析驗證，得到以下結論：

a. 對于大尺寸的桁架結構，依靠裝配工裝一般無法滿足設備接口精度要求，需組合機加保證；

b. 桿件和接頭的裝配時，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)的力學強度；

c. 通過超聲無損檢測、隨爐試片測試，可以有效驗證桁架的膠接質(zhì)量；

d. 本文所述的制造方法特別適用于超大尺寸、高精度的復合材料桁架結構，同時為其它類桁架結構制造提供參考。

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

2 陳建軍，車建文，馬洪波，等. 桁架結構動力特性可靠性優(yōu)化設計[J]. 固體力學學報，2001，22(1)：54～59

3 鄭錫濤，謝鳴九，柴亞南. 航空結構三維編織復合材料單耳接頭破壞模態(tài)[J]. 結構強度研究，2005，B04：45～53

4 王舒楠，方無迪，趙發(fā)剛，等. 基于高導熱碳纖維復合材料的大尺寸高穩(wěn)定桁架結構[J]. 高科技纖維與應用，2017，2：63

5 李永兵，馬運五，樓銘，等. 輕量化多材料汽車車身連接技術進展[J]. 機械工程學報，2016，52(24)：1～23

6 許巍，于慧臣，陶春虎，等. 輕質(zhì)合金膠接接頭強度的膠層厚度依賴性的實驗研究[J]. 機械強度，2015，37(1)：32～38

7 鄭小玲，孔凡榮，游敏，等. 膠層厚度對拉伸試樣應力分布影響的數(shù)值分析[J]. 粘接，2004，25(5)：30～32

8 楊孚標，肖加余，曾竟成，等. 鋁合金磷酸陽極化和膠接性能分析[J]. 中國表面工程，2005，18(4)：37～40

9 張凱，何欣，崔永鵬. 空間相機機身桁架裝配工藝[J]. 紅外與激光工程，2011，40(1)：91～95

10 周建芳，李安，饒保林. 金屬工件的表面處理及膠接工藝對膠接剪切強度的影響[J]. 化學與黏合，2007，29(1)：30～34

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，有機化學專業(yè)；研究方向：星船復合材料結構成型工藝。

2020-01-12