周傳忠 孫宏杰 于雅琳 王樂(lè)辰 劉春立

碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型中模具材料應(yīng)用問(wèn)題研究

周傳忠1孫宏杰2于雅琳2王樂(lè)辰2劉春立2

（1. 海裝北京局駐北京地區(qū)第一代表室，北京 100076；2. 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

蜂窩夾層復(fù)合材料航天器平臺(tái)結(jié)構(gòu)具有高定位精度、高平面度的技術(shù)需求，模具對(duì)成型質(zhì)量及精度具有重要作用，尤其是組孔精度的關(guān)鍵影響因素。針對(duì)碳纖維復(fù)合材料面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，研究了模具材料對(duì)夾層結(jié)構(gòu)成型孔精度的影響。結(jié)果表明，相同模具材料制備的試樣組孔偏差隨組孔間距理論值增加；不同模具材料因線膨脹系數(shù)不同，制備的蜂窩夾層材料組孔偏差由大到小依次為鋁模具、鋼模具、碳模具。此外，基于夾層結(jié)構(gòu)固化制度建立了組孔偏差的計(jì)算模型，得到的不同模具材料制備組孔最大偏差的理論值接近測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了組孔偏差分析模型的正確性及可靠性，為航天飛行器的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)成型精度控制奠定理論基礎(chǔ)。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；模具材料；組孔間距；線膨脹系數(shù)

1 引言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、良好力學(xué)性能、高尺寸穩(wěn)定性及可設(shè)計(jì)性等一系列突出的特點(diǎn)，碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由輕質(zhì)鋁蜂窩芯材與上下兩個(gè)薄且剛度高的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料面板采用膠黏劑粘接而成，具有突出的比剛度和比強(qiáng)度，平整度高，不容易變形，可實(shí)現(xiàn)功能化使用要求[1～6]。因此，碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航天飛行器結(jié)構(gòu)，可同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)的高剛度和多功能使用要求，有效減輕了結(jié)構(gòu)重量，增加有效載荷，提高結(jié)構(gòu)效率[7～9]。

平臺(tái)安裝結(jié)構(gòu)采用碳纖維面板鋁蜂窩夾層、內(nèi)埋螺紋鑲嵌襯套的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)安裝精度及平面度影響航天飛行器姿態(tài)控制、動(dòng)力控制及儀器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效果，在飛行器結(jié)構(gòu)中起到重要作用。平臺(tái)安裝結(jié)構(gòu)采用高溫固化系列膠粘劑對(duì)上下面板、鋁蜂窩夾芯、鑲嵌件等組裝粘接，通過(guò)組裝固化模連接螺釘?shù)姆绞蕉ㄎ灰r套螺紋孔的位置，并在熱壓罐內(nèi)固化成型。針對(duì)平臺(tái)安裝結(jié)構(gòu)的高安裝精度及平面度需求，開(kāi)展模具材料對(duì)成型組孔精度影響研究，制備不同組孔間距的試樣，通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，建立模具材料與成型偏差的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，為航天飛行器夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造精度提升奠定理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用原材料包括：MT700碳纖維/603B韌性環(huán)氧樹脂預(yù)浸料體系，0.05mm×4mm×28.8mm規(guī)格的無(wú)孔六邊形鋁蜂窩夾芯，航天材料及工藝研究所；SJ-2系列膠黏劑及J-60發(fā)泡膠，黑龍江省石油化學(xué)研究院。

2.2 成型模具設(shè)計(jì)

不同組孔間距的夾層結(jié)構(gòu)試樣成型模具包括組裝固化模及定位螺釘。組裝固化模為厚度6mm的平板，材料分別選取2A14鋁材、45號(hào)鋼材和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，模具平面度≤0.2mm，保證試樣平面度，在襯套安裝對(duì)應(yīng)位置開(kāi)孔，用于定位連接；定位螺釘由釘頭、導(dǎo)向柱段、螺紋段組成，導(dǎo)向柱段既保證螺釘能順利擰入，又保證襯套的安裝垂直度、定位精度，螺紋段保證儀器安裝時(shí)螺紋的擰入深度。

2.3 試樣成型工藝

將預(yù)浸料在室溫下裁剪及鋪層，按照180℃/4h、壓力0.6MPa的固化制度，采用熱壓罐工藝固化制備500mm×500mm碳面板。將碳面板在襯套預(yù)埋位置打孔后，按照?qǐng)D1所示連接方式與鋁蜂窩芯材組裝，按照170℃/4h、壓力0.2MPa的固化制度，采用熱壓罐工藝固化制備500mm×500mm碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣。

圖1 碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)組裝連接示意圖

2.4 組孔間距測(cè)量方法

試樣螺紋孔間距的測(cè)量方法為：準(zhǔn)備與螺紋規(guī)格對(duì)應(yīng)的連接螺釘，其中，連接螺釘由釘帽、柱段及螺紋段組成。將連接螺釘?shù)穆菁y段全部擰入試樣的螺紋孔，保證螺釘在螺孔內(nèi)不再大幅晃動(dòng)。采用墊片將游標(biāo)卡尺在試樣表面墊平，保證測(cè)量時(shí)游標(biāo)卡尺與環(huán)板表面平行。采用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量?jī)上噜徛葆斨蔚淖钸h(yuǎn)距離及最近距離，將最遠(yuǎn)距離與最近距離取平均值以消除部分測(cè)量誤差，平均值作為螺紋孔的間距的圓心孔距。

3 結(jié)果與討論

3.1 組孔間距偏差機(jī)理分析

圖2 襯套定位隨溫度變化歷程

夾層結(jié)構(gòu)成型工藝設(shè)計(jì)通過(guò)組裝固化模及定位螺釘實(shí)現(xiàn)螺紋孔定位，即螺紋孔定位由模具保證。一般情況下，組裝固化模與碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣的線膨脹系數(shù)存在差異。在固化過(guò)程中，襯套定位的變化過(guò)程如圖2所示，具體分為如下步驟：

a. 凝膠點(diǎn)溫度前：膠膜粘度低，襯套在夾層結(jié)構(gòu)中無(wú)剛性約束，未與碳面板粘貼為一體，襯套位置隨螺釘及鋁制組裝固化模的膨脹而發(fā)生移動(dòng)；

b. 凝膠點(diǎn)溫度時(shí)：當(dāng)溫度升高至膠膜的凝膠點(diǎn)溫度，膠膜粘度急劇增加，固化度急劇增大，襯套、鋁蜂窩及碳面板粘接為一體，此時(shí)襯套與碳面板的相對(duì)位置不再發(fā)生變化；

c. 凝膠后升溫、保溫、降溫至凝膠溫度：膠膜黏度急劇增加并快速固化，襯套與碳面板、鋁蜂窩固化為一體，襯套定位隨溫度變化線性變化，降溫至凝膠點(diǎn)時(shí)襯套定位與凝膠點(diǎn)溫度襯套定位基本無(wú)變化；

d. 凝膠點(diǎn)溫度降至室溫：襯套與夾層結(jié)構(gòu)固化為一體，襯套位置與夾層結(jié)構(gòu)的收縮量一致；

e. 室溫脫模：鋁制模具的變形得到釋放，自由狀態(tài)下模具的尺寸合格，自由狀態(tài)下螺孔的偏移量為凝膠點(diǎn)溫度下鋁制模具與夾層結(jié)構(gòu)的膨脹量差值。

由于組裝固化模與夾層結(jié)構(gòu)試樣的線膨脹系數(shù)不同，在試樣固化過(guò)程隨溫度變化二者線膨脹系數(shù)不匹配，造成固化后螺紋孔位與理論位置產(chǎn)生偏差，表現(xiàn)為組孔間距偏差。組孔間距的偏差計(jì)算公式為：

其中，Δ1為膨脹系數(shù)差異造成的偏差量，0為理論孔間距，為熱膨脹系數(shù)，為溫度。

除此以外，模具開(kāi)孔的孔徑偏差Δ2及螺釘導(dǎo)向柱-模具開(kāi)孔間隙Δ3也會(huì)造成組孔間距偏差，三者共同構(gòu)成了組孔間距的系統(tǒng)最大偏差Δmax。

3.2 組孔間距實(shí)測(cè)值及偏差分析

為驗(yàn)證模具材料對(duì)螺孔間距的影響，分別選取5A02鋁材、45號(hào)鋼材和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作組裝固化模制備夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，對(duì)夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的孔位測(cè)量結(jié)果如圖3所示，試樣組孔實(shí)測(cè)數(shù)值與理論值并不一致，不同模具材料制造的試樣組孔間距具有差異性。

圖3 試驗(yàn)件不同組孔間距測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

將試樣組孔間距實(shí)測(cè)值減去理論值作為組孔間距偏差值，統(tǒng)計(jì)組孔間距偏差情況，結(jié)果見(jiàn)圖4。不同模具材料制備的試樣組孔間距值呈現(xiàn)較大差異。當(dāng)組孔間距值≤100mm時(shí)，不同模具材料制備的試樣組孔間距偏差差異不大，基本在±0.2mm范圍內(nèi)；當(dāng)組孔間距值＞100mm時(shí)，組孔間距偏差值呈現(xiàn)鋁模具＞鋼模具＞碳模具的規(guī)律。在100～350mm范圍內(nèi)，鋁模具組孔間距偏差范圍為0.3～0.8mm，鋼模具組孔間距偏差范圍為0.06～0.3mm，碳模具組孔間距偏差范圍為-0.11～0.08mm。

圖4 不同組孔間距偏差與組孔間距理論值關(guān)系曲線

相同模具材料制備試樣隨組孔間距理論值增加，間距偏差呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。將組孔間距理論值與組孔間距實(shí)測(cè)值采用公式=+線性擬合，得到二者關(guān)系如表1所示。鋁模具的組孔偏差量約為鋼模具的2.6倍，碳模具的5.2倍。

表1 組孔間距理論值與實(shí)測(cè)值擬合公式列表

表2 231mm×340mm組孔偏差測(cè)量值匯總表 mm

分別采用三種材料對(duì)應(yīng)模具，選取231mm×340mm組孔批量制備試樣，分析組孔間距偏差的離散性，結(jié)果見(jiàn)表2及圖4。采用鋁模具制備的試樣231mm組孔間距超中值約0.38～0.63mm，340mm組孔間距超中值約0.64～0.87mm。采用鋼模具制備的試樣231mm組孔間距超中值約0.04～0.17mm，340mm組孔間距超中值約0.19～0.32mm。采用碳模具制備的試樣231mm組孔間距低于中值約-0.29～-0.11mm，340mm組孔間距超中值約0.04～0.09mm。

圖5 不同模具材料231mm×340mm組孔偏差數(shù)據(jù)柱狀圖

圖6 模具材料對(duì)夾層結(jié)構(gòu)組孔間距偏差影響

圖5為采用不同模具材料231mm×340mm組孔偏差數(shù)據(jù)柱狀圖，整體上看組孔偏差排序?yàn)殇X模具＞鋼模具＞碳模具，其中，碳模具成型的試樣231mm組孔間距偏差為負(fù)值，即成型間距比理論值偏小。對(duì)組孔間距偏差進(jìn)行離散性分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。鋼模具和碳模具的組孔間距標(biāo)準(zhǔn)差低于鋁模具，成型質(zhì)量較為穩(wěn)定。

3.3 理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由于目前沒(méi)有針對(duì)夾層結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，采用商用軟件Ansys開(kāi)展有限元分析，模擬計(jì)算試樣的熱膨脹系數(shù)。25～170℃碳纖維面板鋁蜂窩結(jié)構(gòu)單元變形量見(jiàn)圖7，碳纖維面板鋁蜂窩結(jié)構(gòu)單元整體的方向熱膨脹系數(shù)為5.43×10-6/℃，方向熱膨脹系數(shù)為8.89×10-6/℃。

圖7 夾層結(jié)構(gòu)在熱載荷下的位移云圖

鋁制材料2A14線膨脹系數(shù)為24×10-6/℃，鋼制材料線熱膨脹系數(shù)為12×10-6/℃，復(fù)合材料線膨脹系數(shù)為7×10-6/℃，與夾層結(jié)構(gòu)近似。以231mm×340mm螺紋組孔為例，根據(jù)3.1節(jié)式（1）及式（2）計(jì)算組孔間距偏差，并與實(shí)際測(cè)量值比較，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。三種模具材料成型的組孔數(shù)據(jù)中，理論計(jì)算得到的系統(tǒng)性最大偏差也呈現(xiàn)鋁模具＞鋼模具＞碳模具的趨勢(shì)，且碳模具成型的試樣231mm組孔間距最大偏差也為負(fù)值?？傮w上看，計(jì)算得到最大偏差絕對(duì)值均略大于偏差實(shí)測(cè)值，該結(jié)果驗(yàn)證了組孔偏差分析模型的正確性及可靠性。

表3 不同模具231mm組孔偏差數(shù)據(jù)匯總表 mm

表4 不同模具340mm組孔偏差數(shù)據(jù)匯總表 mm

3.4 模具材料使用性分析

復(fù)合材料模具成型試樣雖然精度較高，但復(fù)合材料工裝多次使用后通孔會(huì)出現(xiàn)磨損，現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高精度修復(fù)，且制造成本非常昂貴，因此，復(fù)合材料組裝固化模適用于數(shù)量少、精度高的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造，難以適應(yīng)多發(fā)次成型、長(zhǎng)時(shí)間使用條件下的模具精度保證。

鋁制材料及鋼制材料模具的成本低廉，制造工藝成熟，但因鋁材的延展性高，多次使用后模具開(kāi)孔及位置精度降低，且因線膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的間距誤差較大，難以滿足儀器安裝孔的精度要求。相比之下鋼制模具的尺寸穩(wěn)定性高，可耐多發(fā)次長(zhǎng)時(shí)間成型使用，線膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的間距相對(duì)較小，也可根據(jù)機(jī)理分析中的膨脹量計(jì)算公式，開(kāi)展模具熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)螺紋組孔的高精度成型。

經(jīng)過(guò)三種模具材料的對(duì)夾層結(jié)構(gòu)成型組孔精度影響研究，結(jié)合材料的使用特性，推薦鋼材作為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的成型模具材料。

4 結(jié)束語(yǔ)

a.相同模具材料制備的碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣隨組孔間距理論值增加，間距偏差呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)；

b. 碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型后的組孔偏差測(cè)量值實(shí)際從大到小排序?yàn)殇X模具、鋼模具、碳模具；

c.通過(guò)模具材料、組孔間距和溫度開(kāi)展理論計(jì)算，可得到膨脹系數(shù)差異造成的偏差量Δ1，結(jié)合模具開(kāi)孔的孔徑偏差Δ2及螺釘導(dǎo)向柱-模具開(kāi)孔間隙Δ3的測(cè)量結(jié)果，可得到組孔間距的系統(tǒng)最大偏差Δmax；

d.計(jì)算得到最大偏差絕對(duì)值均略大于偏差實(shí)測(cè)值，該結(jié)果驗(yàn)證了組孔偏差分析模型的正確性及可靠性；

e.經(jīng)過(guò)三種模具材料的對(duì)碳面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型組孔精度影響研究，結(jié)合材料的使用特性，推薦鋼材作為碳面板鋁蜂窩夾層夾層結(jié)構(gòu)的成型模具材料。

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Application Problems of Mould Material on The Manufacturing of Honeycomb Sandwich Composites Composed of Carbon Panel and Aluminum Honeycomb Core

Zhou Chuanzhong1Sun Hongjie2Yu Yalin2Wang Lechen2Liu Chunli2

(1. The First Military Representative Office of Beijing Bureau of the Ministry of Naval Equipment, Beijing 10076；2. Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076)

The instrument installation platform manufactured by honeycomb sandwich composites in spacecraft needs high technical requirements of position and flatness. The mould material is of great importance to the manufacturing quality and accuracy, especially to the manufacturing accuracy of the threaded hole distance. The influences of mold materials on the manufacturing accuracy of the threaded hole distance in the honeycomb sandwich structure were investigated in this study, which was composed of carbon fiber reinforced composite panel and aluminum honeycomb core. The result reveals that the deviation linearly increases with the increase of the threaded hole distance in the specimens manufactured using the same mold materials. The difference between coefficients of thermal expansion of mould materials accounts for the deviation difference of the threaded hole distances in the specimens, which has a descending order of aluminum, steel and composite. Besides, the calculation model for the threaded hole distance deviation is established considering the cure cycle of the honeycomb sandwich structure. The calculation value is consistent with the measurement value, which proves the validity and reliability of the theoretical model. This study has built the theoretical basis for the manufacturing accuracy control of the honeycomb sandwich structure in spacecraft.

honeycomb sandwich structure；mould material；threaded hole distance；coefficient of thermal expansion

430.35

TB3

周傳忠（1973），高級(jí)工程師，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)工程專業(yè)；研究方向：導(dǎo)彈武器的生產(chǎn)制造及質(zhì)量監(jiān)督。

2021-02-02