復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線制造技術(shù)研究

王學(xué)春 房曉斌

摘 要：本文針對(duì)復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)；選取多種金屬材料作為工裝材料，通過(guò)數(shù)控加工技術(shù)制造組合成型模；結(jié)合復(fù)合材料熱變形制造技術(shù)、采用復(fù)合材料熱壓罐整體成型技術(shù)、復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線的精度控制，制造合格的復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；異型結(jié)構(gòu)注入天線；組合式成型模；整體成型

注入天線是衛(wèi)星天線分系統(tǒng)的重要組成部分，它是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星地之間數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送的重要部件。常規(guī)的衛(wèi)星天線反射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以蜂窩夾層結(jié)構(gòu)為主，型面平緩，而注入天線為異型的雙環(huán)層壓結(jié)構(gòu)。天線直接暴露在太空中，需要經(jīng)受的空間環(huán)境溫度條件非?？量蹋煌瑫r(shí)在運(yùn)輸及火箭發(fā)射的過(guò)程中，注入天線的力學(xué)環(huán)境（如靜力過(guò)載、動(dòng)載荷沖擊、隨機(jī)振動(dòng)等）也十分苛刻，異型的結(jié)構(gòu)、苛刻的環(huán)境和較高型面、尺寸精度，對(duì)注入天線的力學(xué)性能和產(chǎn)品穩(wěn)定性提出了很高要求。

碳纖維復(fù)合材料目前航天器上應(yīng)用廣泛，相比傳統(tǒng)的金屬材料，其具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文從材料性能、工裝結(jié)構(gòu)、工藝難點(diǎn)、精度控制等方面介紹了一種異型雙環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料注入天線的加工制造方法。

1 復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線介紹

復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為多翻邊雙環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)最小直徑為φ352mm，內(nèi)環(huán)直徑為φ272mm，上、下面接口安裝面為整體翻邊成型，上、下翻邊各均布8個(gè)φ5的安裝孔并安裝鋼絲螺套，扼流槽加強(qiáng)區(qū)制8個(gè)沉孔，各區(qū)域壁厚也不相同，型面精度不大于0.2mm。注入天線選用高溫T300碳纖維復(fù)合材料，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高剛性、耐高溫，尤其是有非常低的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)異性能，適用于特殊的空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

異型結(jié)構(gòu)注入天線主體，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和厚度特征，主體鋪層方式為[0°/45°/90°/-45°/0°]。通過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證該鋪層設(shè)計(jì)能夠滿足產(chǎn)品的強(qiáng)度要求，且無(wú)損檢測(cè)不存在分層、孔洞、脫粘和疏松缺陷。

2 復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線模具

2.1 復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線組合成型模設(shè)計(jì)

復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)件常采用“分體式”的成型固化方法，將結(jié)構(gòu)件拆分為多個(gè)零件單獨(dú)成型固化，然后進(jìn)行組裝連接。這種方法成型過(guò)程簡(jiǎn)單，但組裝過(guò)程中，零件相互間的粘結(jié)、定位、加壓等環(huán)節(jié)都存在較大困難，無(wú)法保證尺寸、強(qiáng)度和位置精度，不適于高精度零件的成型制造，同時(shí)航天產(chǎn)品對(duì)重量控制十分嚴(yán)格。

本文采用了一種周向抱合式組合模有效保證了異型結(jié)構(gòu)注入天線型面和外形精度、接口連接位置精度，提高儀器連接強(qiáng)度和長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性等問(wèn)題。

2.2 組合成型模的選材思路

采用熱壓罐固化的復(fù)合材料成型模，需要考慮熱傳導(dǎo)性，工裝的使用功能、操作性、加工性等特點(diǎn)，本項(xiàng)零件選取了組合式成型模，主體結(jié)構(gòu)為中空結(jié)構(gòu)，裝配底座和內(nèi)芯模整體鑄造而成，外模使用分塊鋁模和法蘭壓環(huán)等拼裝而成。

從異型結(jié)構(gòu)注入天線使用功能方面考慮，組合成型模為陽(yáng)模。固化后的異型結(jié)構(gòu)注入天線零件，由組合成型模外模先進(jìn)行脫模，因此外模芯模進(jìn)行了分塊設(shè)計(jì)。

復(fù)合材料零件成型較多使用金屬成型模。金屬成型模的主要材料有鋁、鋼、鑄鐵、殷鋼等，表1對(duì)四種金屬材料在制作模具方面的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

從零件結(jié)構(gòu)和精度控制上考慮，綜合分析工裝材料規(guī)格、剛性、氣密性、重量、熱膨脹系數(shù)、操作工藝性能、成本等，工裝內(nèi)模選用了剛性較好的鑄鐵材料，外模選用了熱膨脹系數(shù)大、重量輕、便于工人裝配、拆卸和吊裝的鋁模具，上下翻邊采用鋼模。

工裝內(nèi)模采用整體鑄鐵材料，能夠保證表面加工的光潔度、整體成型的氣密性、工裝的反復(fù)使用剛性和對(duì)零件的精度控制，同時(shí)具有一定的熱膨脹性能。

工裝外模選用鋁模具，重量輕、方便工人反復(fù)拆卸、搬運(yùn)和裝配，重要的是可以利用鋁模具大的熱膨脹性能與內(nèi)模配合使用，增加零件的密實(shí)度，提高無(wú)損質(zhì)量，同時(shí)在室溫下有利于零件的整體脫模。

翻邊采用鋼模，是為了配合內(nèi)模使用，保證制孔精度和反復(fù)使用的剛性需求。

通過(guò)對(duì)比四種金屬材料在異型結(jié)構(gòu)注入天線零件的成型工裝方面的適用性和成本控制，最終成型工裝選用了這三種材料的組合模。

2.3 組合成型模的制造

復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線組合成型模，所有模塊全部采用數(shù)控加工，加工的尺寸公差嚴(yán)格控制在±0.05mm內(nèi)，數(shù)控加工完成后進(jìn)行計(jì)量，計(jì)量合格方可進(jìn)行組裝。組裝完成后的整體成型模，外模芯模之間要保證無(wú)階差和對(duì)縫間隙最大不超過(guò)0.1mm，通過(guò)研磨和二次計(jì)量合格后方可投入使用。

3 復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線共固化成型

3.1 復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線共固化成型方法選擇

復(fù)雜的復(fù)合材料層壓實(shí)體零件存在法蘭結(jié)構(gòu)時(shí)，常采用熱壓罐單獨(dú)固化零件主體，法蘭通常采用金屬環(huán)二次膠接加鉚接到零件主體上，這種方式簡(jiǎn)單、易成型，但上下翻邊的平行度、孔位精度不易保證，同時(shí)金屬與碳纖維的熱膨脹性能差異大，該零件的使用環(huán)境溫度變化巨大，不利于天線儀器裝配后在空間環(huán)境下使用的穩(wěn)定性要求，因此，針對(duì)異型結(jié)構(gòu)注入天線，采用熱壓罐共固化成型方法，該方法能夠保證產(chǎn)品精度和提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。

3.2 復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線共固化成型的特點(diǎn)

復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線采用熱壓罐共固化成型工藝，具有以下突出特點(diǎn)：

1）整體成型保證了雙環(huán)結(jié)構(gòu)的同心度要求和反射型面精度要求；

2）采用一次共固化成型，保證了上下法蘭的平行度要求、安裝孔位精度、相對(duì)位置精度和異型結(jié)構(gòu)注入天線整體可靠性，同時(shí)盡可能減重；

3）異型結(jié)構(gòu)注入天線零件制造過(guò)程中，僅使用一套成型工裝，節(jié)約了制造成本。

4 復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線的精度控制

復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線制造使用的組合成型模，在精度控制上內(nèi)模使用鑄鐵材料，外模材料為鋁。內(nèi)模型面精度、表面光潔度要求高，而外模為分塊鋁模具，容易出現(xiàn)對(duì)縫間隙，且鋁模熱膨脹系數(shù)大于碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，按理論尺寸機(jī)械加工的模具固化的復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線直徑和型面與理論尺寸存在差異，因此通過(guò)膨脹量計(jì)算，使用精確的數(shù)控銑切程序和合適的刀具來(lái)保證模具型面和孔位精度，內(nèi)芯模按照零件尺寸加工，但對(duì)鋁模具外形數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，既要利用鋁模膨脹傳壓，使零件固化密實(shí)，又能夠順利脫模和保證尺寸精度。

針對(duì)復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線固化過(guò)程中可能出現(xiàn)的無(wú)損缺陷、皺褶和變形問(wèn)題，在天線表面制作一套工藝勻壓板進(jìn)行控制，工藝勻壓板可起到均勻傳遞壓力的作用，確保天線受壓均勻、厚度一致。針對(duì)上法蘭的R尺寸控制和內(nèi)部質(zhì)量控制，制作工藝硅橡膠芯模，保證R尺寸的穩(wěn)定性和局部層壓體的密實(shí)度。

異型結(jié)構(gòu)注入天線采用熱壓罐共固化成型后，為提高型面精度和尺寸穩(wěn)定性，對(duì)零件進(jìn)行時(shí)效處理，最后采用照相攝影法進(jìn)行型面檢測(cè)，型面精度均小于0.15mm，結(jié)果合格。

5 結(jié)論

本文針對(duì)復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線的制造技術(shù)難點(diǎn)分析和實(shí)踐結(jié)合，確定了異型結(jié)構(gòu)注入天線結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)，并根據(jù)天線特殊的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)并制造了組合成型模，從異型結(jié)構(gòu)注入天線強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性方面考慮選擇了熱壓罐共固化成型；采取精度控制和變形控制的方法，制造出合格的復(fù)合材料異型結(jié)構(gòu)注入天線。

本項(xiàng)目取得的各項(xiàng)成果，將應(yīng)用于未來(lái)型號(hào)的復(fù)合材料衛(wèi)星天線和類(lèi)似結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件的研制。