蔣貴剛 周占偉 郭曉勇 陳愛(ài)姣

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

近年來(lái)，隨著衛(wèi)星輕量化需求的日益增大，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)度、比模量、功能及力學(xué)性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，逐漸替代傳統(tǒng)的鎂、鋁合金等金屬材料，在衛(wèi)星上廣泛應(yīng)用。尤其是衛(wèi)星的重要結(jié)構(gòu)部件（如遙感相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)等）正朝著復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制造的方向發(fā)展［1］?？傃b直屬件作為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的重要結(jié)構(gòu)件，通常以懸臂結(jié)構(gòu)的形式，安裝于衛(wèi)星外板上，為星敏、太敏、天線等精密設(shè)備提供安裝面。復(fù)合材料支架作為衛(wèi)星總裝直屬件的典型產(chǎn)品之一，結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)理念正促使其結(jié)構(gòu)逐漸向先進(jìn)的一體化設(shè)計(jì)與制造的趨勢(shì)發(fā)展。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師通常將多個(gè)型面結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，以滿足復(fù)合材料功能、結(jié)構(gòu)一體化以及輕量化的需求［2］，一體化成型技術(shù)伴隨著一體化設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于多型面復(fù)合材料支架成型技術(shù)的報(bào)道較少。陶積柏等［3］采用剛性陽(yáng)模與膨脹橡膠外模組合式模具，通過(guò)真空袋-熱壓罐的成型方法，完成了一種高精度復(fù)合材料支架的制備，產(chǎn)品設(shè)備安裝面的平面度優(yōu)于0.05 mm。賈朝陽(yáng)［4］采用真空注塑法，利用CAE 進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)優(yōu)化保壓時(shí)間和熔體溫度等工藝參數(shù)，制備的復(fù)合材料真空助力器支架各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足使用要求。楊堅(jiān)等［5］采用RTM 成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料支架的制造，產(chǎn)品外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)使用要求。本文以某遙感衛(wèi)星用復(fù)合材料一體化支架研制任務(wù)為背景，從產(chǎn)品的成型工藝方案、模具設(shè)計(jì)、鋪層工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、加壓固化方式方面闡述一種多型面復(fù)合材料支架成型技術(shù)，并對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量、尺寸精度及力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 一體化支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一體化支架作為衛(wèi)星總裝直屬件的典型產(chǎn)品，為碳纖維十六面體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其外形尺寸為1 122 mm×907 mm×555 mm。產(chǎn)品為半封閉式殼體結(jié)構(gòu)，原材料為M40J/4211 預(yù)浸料，整體設(shè)計(jì)厚度為3 mm，設(shè)備安裝面厚度5 mm，為滿足輕量化要求，在部分位置設(shè)計(jì)了相應(yīng)的減輕孔，具體見(jiàn)圖1。一體化支架主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）產(chǎn)品星體連接、設(shè)備安裝面平面度≤0.3 mm，設(shè)備安裝面與星體連接面角度公差±0.1°；

（2）產(chǎn)品纖維的體積分?jǐn)?shù)要求為（60±3）%，且產(chǎn)品壁厚均勻，尺寸穩(wěn)定性好；

（3）產(chǎn)品成型內(nèi)部質(zhì)量滿足GJB2895—1997 A級(jí)要求；

（4）要求復(fù)合材料單向拉伸性能：σ（拉伸）＞1 GPa、E（拉伸）＞190 GPa；壓縮性能：σ（壓縮）＞700 MPa、E（壓縮）＞180 GPa。

2 成型技術(shù)與分析驗(yàn)證

2.1 工藝方案選擇

對(duì)于具有復(fù)雜型面的復(fù)合材料構(gòu)件，一般根據(jù)其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)拆分成多個(gè)零部件，分別制造后再進(jìn)行連接［6］。一體化支架每個(gè)型面結(jié)構(gòu)都相對(duì)簡(jiǎn)單，易于成型與加工，然后通過(guò)二次膠接的方式連接成整體。這樣一方面可以簡(jiǎn)化成型模具的結(jié)構(gòu)形式，另一方面很大程度上降低了模具的加工難度及制造成本。但是在組件裝配過(guò)程中，各型面結(jié)構(gòu)的整體尺寸及重要安裝面的位置精度很難通過(guò)工裝實(shí)現(xiàn)。并且二次膠接過(guò)程中，由于產(chǎn)品型面復(fù)雜，加壓不到位極易造成制件內(nèi)部易產(chǎn)生孔隙、脫膠等缺陷，造成產(chǎn)品的力學(xué)性能較差。

與二次膠接成型方法相比，整體成型方案有著諸多優(yōu)點(diǎn)。一方面，整體成型可以對(duì)構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于對(duì)復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到產(chǎn)品最優(yōu)的力學(xué)性能；另一方面，整體成型可以減少工序，從而縮短生產(chǎn)周期。當(dāng)然，整體成型方案也有著自身的缺點(diǎn)，如可供選擇的工藝方案較少，工藝過(guò)程復(fù)雜。結(jié)合本文一體化支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整體成型方案更加適合。一體化支架外表面為精密設(shè)備安裝面，要求較高的精度，因此需優(yōu)先保證產(chǎn)品外表面的尺寸要求。支架為十六面體、半封閉式結(jié)構(gòu)。為保證多面體支架安裝面尺寸、脫模及整體成型要求，提出了芯模鋪層、外模固化的技術(shù)路線。復(fù)合材料一體化支架的工藝流程如圖2 所示。采用真空輔助硅橡膠加壓-熱壓罐法固化成型。

圖2 一體化支架工藝流程圖Fig.2 Processing flow chart of integrated support

2.2 模具設(shè)計(jì)

復(fù)合材料構(gòu)件模具設(shè)計(jì)時(shí)，需優(yōu)先考慮成型產(chǎn)品的尺寸及形位精度。在此基礎(chǔ)上，還需從鋪層工藝性、工藝的可操作性等方面進(jìn)行考慮。結(jié)合一體化支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套芯模-外模組合式模具。其中，芯模用于產(chǎn)品的鋪層及預(yù)壓，外模用于產(chǎn)品的固化，其結(jié)構(gòu)形式如圖3、圖4所示。

圖3 鋪層芯模示意圖Fig.3 Diagram of laminated core mold

圖4 金屬外模示意圖Fig.4 Diagram of metal external mold

2.2.1 模具材料選擇

復(fù)合材料構(gòu)件成型模具通常首選金屬材料，鋁合金以其加工性能優(yōu)異、密度低、熱導(dǎo)率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，常常作為復(fù)合材料首選的模具材料。但對(duì)于尺寸較大的復(fù)合材料構(gòu)件，由于鋁合金與復(fù)合材料的熱脹系數(shù)差異較大，且剛度相對(duì)較弱，制件的精度不易保證；與鋁合金材料相比，鋼材料與復(fù)合材料的熱脹系數(shù)差異更小，有利于提高制件的精度。但該材料有著密度大、難加工、加熱慢的缺點(diǎn)。結(jié)合產(chǎn)品成型精度控制及成型方案綜合考慮，外模采用鋼材料、金屬芯模采用鋁合金材料。

2.2.2 模具分型面的設(shè)計(jì)

模具的分型面設(shè)計(jì)直接決定復(fù)合材料零件能否安全脫模。通過(guò)Catia軟件對(duì)模具脫模時(shí)的運(yùn)動(dòng)路線進(jìn)行分析，合理選擇分離面，將整個(gè)成型模具進(jìn)行拆分，保證產(chǎn)品在固化后可以順利脫模。鋪層芯模包括金屬芯模、軟膜兩大部分。金屬芯模起到支撐作用，為了保證脫模，將模具設(shè)計(jì)成組合式結(jié)構(gòu)，各金屬塊之間通過(guò)螺接、膠接等連接形式與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，產(chǎn)品脫模時(shí)，將金屬塊按特定的軌跡取出。金屬芯模由芯模1～10、芯模底座及標(biāo)準(zhǔn)件組成。軟膜包裹在金屬芯模外表面，提供產(chǎn)品鋪層型面。外模由外模1～4、壓板、起吊點(diǎn)、定位銷及標(biāo)準(zhǔn)件組成。

2.2.3 模具熱變形控制

對(duì)于高精度的復(fù)合材料構(gòu)件，模具設(shè)計(jì)時(shí)還需重點(diǎn)考慮模具線脹系數(shù)的影響［7］。A3 鋼的線脹系數(shù)為12.8×10-6K。根據(jù)環(huán)氧樹脂體系復(fù)合材料的固化溫度，采用ANSYS軟件對(duì)金屬外模進(jìn)行熱分析，最高溫度下模具的熱變形如圖5 所示。采用溫度補(bǔ)償法設(shè)計(jì)技術(shù)，在模具設(shè)計(jì)階段進(jìn)行尺寸補(bǔ)償，減小金屬熱膨脹引起的精度誤差。

圖5 外模熱變形分析示意圖Fig.5 Diagram of thermal deformation analysis of external mold

2.3 鋪層工藝設(shè)計(jì)

復(fù)合材料支架為十六面體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品鋪層時(shí)以底面長(zhǎng)邊為0°方向，其余各面鋪層角度均以此為基準(zhǔn)，鋪層時(shí)遵循以下原則。

（1）產(chǎn)品各型面鋪層角度需保持對(duì)稱，在此基礎(chǔ)上最大程度上保證纖維的連續(xù)性，不能連續(xù)鋪層的區(qū)域進(jìn)行分段對(duì)稱鋪疊，避免產(chǎn)品固化后翹曲變形。

（2）分段鋪疊預(yù)浸料可采用對(duì)接、搭接兩種方式，其中拼接位置位于減輕孔區(qū)域的采取對(duì)接方式，其余的位置采用搭接方式。

（3）考慮一體化支架承載情況和尺寸穩(wěn)定性的需求，各型面拼縫位置采用合理的布局，拼接處采用階梯形過(guò)渡設(shè)計(jì)，避免應(yīng)力集中。

2.4 真空輔助硅橡膠加壓設(shè)計(jì)

根據(jù)一體化支架的構(gòu)型特點(diǎn)，采用真空輔助硅橡膠加壓對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行固化。在固化前，將產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到外模中，將金屬芯模從內(nèi)腔中取出，將產(chǎn)品及工裝采用真空袋膜整體封裝固化。在產(chǎn)品方案階段分析，真空輔助硅橡膠加壓壓力是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，制備了與產(chǎn)品狀態(tài)相同的試驗(yàn)件，探究了固化壓力對(duì)產(chǎn)品孔隙率及纖維體積分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 固化壓力對(duì)產(chǎn)品孔隙率及纖維體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.6 Effect of curing pressure on porosity and volume fraction

結(jié)果表明，制品的孔隙率隨著產(chǎn)品固化壓力的增加而減小，纖維體積分?jǐn)?shù)隨著固化壓力的增加而增加。當(dāng)達(dá)到0.7 MPa 時(shí)，制品孔隙率達(dá)到0.97%，纖維體積分?jǐn)?shù)為59.82%。當(dāng)固化壓力繼續(xù)增加時(shí)，制品孔隙率和纖維體積分?jǐn)?shù)基本不變。綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量及制造成本，確定0.7 MPa為最佳固化壓力。

3 產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)

復(fù)合材料產(chǎn)品經(jīng)固化、脫模、修整、機(jī)加后實(shí)物見(jiàn)圖7。

圖7 一體化支架實(shí)物示意圖Fig.7 Diagram of real part of integrated support

一體化支架復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品外形面及內(nèi)腔平整無(wú)褶皺，壁厚均勻，無(wú)貧、富膠區(qū)域。產(chǎn)品超聲無(wú)損檢測(cè)、纖維體積分?jǐn)?shù)和孔隙率、尺寸精度及力學(xué)性能等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求，驗(yàn)證了工藝方案的合理性。

3.1 超聲無(wú)損檢測(cè)

采用超聲無(wú)損檢測(cè)儀對(duì)復(fù)合材料一體化支架進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，制件內(nèi)部未出現(xiàn)明顯的分層、疏松、孔隙等缺陷，質(zhì)量滿足GJB2895—1997 的A 類要求。

3.2 纖維體積分?jǐn)?shù)和孔隙率

依據(jù)GB3365—2008，對(duì)一體化支架產(chǎn)品的纖維體積分?jǐn)?shù)和孔隙率進(jìn)行了檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，產(chǎn)品的纖維體積分?jǐn)?shù)為（60±3）%，孔隙率的測(cè)試值均低于1.0%，可滿足GJB2895—1997 A 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 產(chǎn)品尺寸精度

經(jīng)檢測(cè)，產(chǎn)品各項(xiàng)尺寸精度指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，其中星體連接面、設(shè)備安裝面平面度分別為0.08、0.17 和0.29 mm，設(shè)備安裝面與星體連接面角度公差-0.07°、-0.03°、+0.1°，產(chǎn)品厚度偏差小于5%，進(jìn)一步驗(yàn)證了工藝方案的合理性。

3.4 產(chǎn)品力學(xué)指標(biāo)

一體化支架研制過(guò)程中，為了有效驗(yàn)證產(chǎn)品的力學(xué)性能指標(biāo)，制備了相應(yīng)的隨爐拉伸、壓縮試驗(yàn)件。并依據(jù)GB/T3354—2014、GB/T1448—2005，對(duì)一體化支架產(chǎn)品隨爐試件0°單向拉伸性能和壓縮性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)論

采用一體化成型方案，基于芯模-外模組合模具，通過(guò)對(duì)稱、階梯過(guò)渡的鋪層工藝設(shè)計(jì)，真空輔助硅橡膠加壓固化，能夠?qū)崿F(xiàn)一種大尺寸多型面復(fù)合材料支架的成型。結(jié)果表明，本套工藝方案可以解決大尺寸多型面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）芯模-外模組合式模具（芯模用于鋪層，外模用于固化），可以實(shí)現(xiàn)大尺寸多型面復(fù)合材料支架結(jié)構(gòu)的坯件成型；

（2）對(duì)稱、階梯過(guò)渡的鋪層工藝設(shè)計(jì)可有效防止產(chǎn)品固化翹曲變形及應(yīng)力集中問(wèn)題；

（3）真空輔助硅橡膠加壓-熱壓罐固化成型的方法可以保證支架結(jié)構(gòu)每個(gè)型面所受壓力均勻、到位；

（4）產(chǎn)品外形面平面度、尺寸、形位公差通過(guò)金屬硬模保證，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足指標(biāo)要求。