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        碳纖維復(fù)合材料高精度天線反射器的制造技術(shù)研究

        2017-06-29 11:29:02王學(xué)春
        科技資訊 2017年15期

        王學(xué)春

        摘 要:隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展,航天產(chǎn)品上使用的復(fù)合材料制件也越來越多,并呈現(xiàn)零件尺寸大、孔位精度高、外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。其中,復(fù)合材料天線反射器是航天產(chǎn)品復(fù)合材料制件中的一項(xiàng)重要部件,每顆航天衛(wèi)星的用途不同,需要配套的反射器口徑尺寸、型面精度需求也不同。近年來,碳纖維復(fù)合材料天線反射器趨向大口徑、高精度方向發(fā)展,按照以往傳統(tǒng)的制造工藝,已經(jīng)無法滿足航天衛(wèi)星產(chǎn)品發(fā)展的需求。該文主要針對碳纖維復(fù)合材料高精度天線反射器的制造技術(shù)進(jìn)行研究,研制滿足設(shè)計精度要求的碳纖維復(fù)合材料反射器。

        關(guān)鍵詞:高精度 碳纖維復(fù)合材料 天線反射器 型面精度

        中圖分類號:TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2017)05(c)-0097-03

        先進(jìn)復(fù)合材料具有強(qiáng)度高,剛度高、可設(shè)計性強(qiáng)、重量輕、尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成形等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),近年來不僅在航空、汽車、船舶、建筑等領(lǐng)域廣泛使用,隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展,航天產(chǎn)品上使用的復(fù)合材料制件也越來越多,并呈現(xiàn)零件尺寸大、孔位精度高、外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),常見的有復(fù)合材料天線反射器、支撐結(jié)構(gòu)、支撐桿、饋源等各種類型結(jié)構(gòu)的部件。其中,大口徑、高精度復(fù)合材料天線反射器制造技術(shù)成為 廣泛研究的趨勢。

        隨著航天技術(shù)的發(fā)展,對復(fù)合材料天線反射器型面均方根誤差值(RMS)要求和裝配精度要求越來越高,口徑2 m的反射器型面均方根誤差值(RMS)從常規(guī)的0.20 mm提高到0.05 mm以內(nèi)。以往制造中,綜合考慮工裝的熱膨脹系數(shù)、加工周期、制造成本等方面的因素,天線反射器工裝材料選用球墨鑄鐵,該材料基本能夠滿足1 m以下天線反射器產(chǎn)品的制造精度要求。但由于球墨鑄鐵材料熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)存在較大的差異,導(dǎo)致天線反射器在中、高溫固化時成型模與反射器零件熱變形量不同,對反射器固化后的型面精度影響較大,因此球墨鑄鐵材料很難滿足1 m以上口徑賦形反射器的型面均方根(RMS)精度要求。因此,為了提高較大口徑(1.5 m以上)賦形反射器型面精度,就必須在制造工藝、工裝材料等方面進(jìn)行改進(jìn)。

        該文以某衛(wèi)星天線反射器制造為例,結(jié)合以往復(fù)合材料天線反射器的制造經(jīng)驗(yàn),開展大口徑復(fù)合材料高精度天線反射器的制造技術(shù)研究。

        1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及特征

        1.1 基本結(jié)構(gòu)

        某衛(wèi)星碳纖維復(fù)合材料天線反射器主要選用高強(qiáng)度、高模量的M40J/環(huán)氧系列碳纖維預(yù)浸料面板/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu),見圖1。

        1.2 產(chǎn)品組成及指標(biāo)要求

        該碳纖維復(fù)合材料天線反射器主要包括主反射面及背筋結(jié)構(gòu),見圖2。

        該天線反射器口徑約2 000 mm,拱高330 mm,天線反射器型面精度RMS≤0.05 mm。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和特征上分析,該天線反射器口徑較大,拱高較高,尤其是型面精度要求高,如何保證型面精度是該天線反射器的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

        根據(jù)技術(shù)難點(diǎn)及指標(biāo)要求,從工裝方案、工藝措施、制造過程精度控制等方面采取有效措施保證型面精度。

        1.3 反射器成型工裝方案的選擇

        天線主反射器組件由主反射面和背筋組成,為了同時保證背筋裝配精度,反射器工裝形式采用凸模成型與卡板定位相結(jié)合的結(jié)構(gòu),即成型膠合夾具。

        復(fù)合材料零件成型較多使用金屬成型模。但為了控制零件變形,越來越多的使用復(fù)合材料工裝,表1列出幾種主要用于模具制造的材料優(yōu)缺點(diǎn)比較。

        以往常規(guī)精度反射器一般采用鑄鐵材質(zhì),而此次反射器精度要求比以往同口徑反射器精度要求高了幾倍,因此從反射器結(jié)構(gòu)和精度控制上考慮,既要保證工裝剛性、氣密、制造周期和成本,又綜合考慮工裝材料規(guī)格、可加工性、熱膨脹系數(shù)、操作工藝性能等,該反射器工裝材料選擇了殷鋼材質(zhì),模體采用分塊焊接,中空結(jié)構(gòu),工裝型面厚度保證在10 mm以上,整體框架結(jié)構(gòu),底部增加加強(qiáng)筋提高模胎剛性,避免工裝型面變形。

        為了保證反射面型面精度和預(yù)埋件位置精度,模體焊接進(jìn)行時效處理,然后型面采用精確的數(shù)控加工,所有裝配孔位采用數(shù)控制孔后進(jìn)行鏜孔,要求精度控制到±0.05 mm。反射器工裝型面加工后進(jìn)行研磨處理,采用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行檢測,測點(diǎn)約3 000個,工裝型面均方根誤差精度最終測試結(jié)果為RMS=0.02 mm。

        2 高精度反射器制造精度控制

        2.1 成型工藝流程

        針對反射器口徑尺寸大、賦形曲率大、型面精度要求高的特點(diǎn),結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn),反射器成型采用二次膠接成型工藝:以成型工裝為模體制造上蒙皮復(fù)材成型模,在復(fù)材成型模上成型反射面上蒙皮。在成型模具上成型反射面的下蒙皮。最后在成型工裝上將上、下蒙皮與鋁蜂窩芯組合膠接成反射器零件,大致流程見圖3。

        2.2 工藝控制措施

        對于口徑2 m的反射器模胎采用殷鋼材質(zhì),實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足,因此,為了控制反射器型面精度要求,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)在制造過程中采取了一些工藝措施以保證反射器型面精度,具體措施如下。

        (1)為提高鋪層角度準(zhǔn)確,在工裝余量區(qū)給出纖維鋪層角度基準(zhǔn),輔助采用投影鋪層系統(tǒng),保證纖維鋪層角度的準(zhǔn)確性,減少應(yīng)力變形。

        (2)零件固化過程中,使用硅膠工藝壓力墊,起到均勻傳壓的作用,確保零件蒙皮厚度均勻、表面光滑及與蜂窩芯組合的膠接強(qiáng)度。

        (3)所有鋪層預(yù)浸料使用數(shù)控下料機(jī)下料,寬度根據(jù)型面曲率選擇,纖維角度偏差嚴(yán)格控制在±1°內(nèi),保證鋪層角度一致性,提高鋪層方向精度。

        (4)反射器拱高較大,蜂窩芯與模胎貼合困難,采用分塊拼接,減小蜂窩芯應(yīng)力。

        (5)為減小靠模面與靠袋面的溫差,提高熱均勻性,在固化過程中表面增加石棉布用于保溫。

        (6)根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)對固化后的碳纖維復(fù)合材料高精度反射器采用高溫和低溫時效處理,有效消除殘余應(yīng)力。

        通過以上工裝方案的選擇、工藝過程控制措施,該反射器與背筋裝配后采用攝影照相法

        測量型面精度RMS達(dá)到0.05 mm,完全滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

        3 結(jié)語

        該文主要針對碳纖維復(fù)合材料高精度天線反射器的型面精度制造難點(diǎn)進(jìn)行介紹,通過理論分析與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,確定了高精度反射器天線的工裝方案;采取了具體有效的成型工藝過程控制措施;通過高低溫時效處理提高型面精度;制造出合格的碳纖維復(fù)合材料高精度天線反射器,實(shí)現(xiàn)了由量變到質(zhì)變的技術(shù)積累。通過該項(xiàng)目的研究摸索,總結(jié)出了一些有效的工藝精度控制方法,取得的各項(xiàng)成果,將更多地應(yīng)用于航天衛(wèi)星復(fù)合材料天線反射器的研制,對全面提高航天衛(wèi)星復(fù)合材料天線反射器型面精度和技術(shù)能力升級起到巨大推動作用。

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