某型復合材料相機外遮光罩制造技術研究

房曉斌，王學春，曹柱子，李奇輝

(中航飛機西安飛機分公司，陜西 西安 710089)

某型復合材料相機外遮光罩制造技術研究

Manufacturing technology of some composite camera hoods

房曉斌，王學春，曹柱子，李奇輝

(中航飛機西安飛機分公司，陜西 西安 710089)

選擇以碳纖維復合材料和鋁合金為主要材料的某型相機外遮光罩，從材料性能、工裝結構及過程控制等多方面介紹了外遮光罩的加工成型方法，加工完成的外遮光罩強度、剛度和穩定性滿足設計要求，產品精度測試和無損檢測結果達到產品設計使用技術條件要求。

碳纖維復合材料；工裝結構；過程控制；加工成型方法

外遮光罩[1]是空間相機光學系統的重要組成部分，它可提供對來自太陽、月亮或反射太陽光的地球的雜散光的直觀而有效的抑制。空間相機的外遮光罩直接暴露在太空中，空間環境條件非常苛刻；在相機運輸及火箭發射的過程中，外遮光罩的力學環境（如靜力過載、動載荷沖擊、隨機振動）也非常苛刻。苛刻的環境對外遮光罩提出了多方面的要求，不僅要求其具有足夠的強度和剛度，還必須有非常高的可靠性。高的可靠性從某種角度上而言將導致外遮光罩質量的增加，而這與運載和發射費用相矛盾。因此，在同時滿足強度和剛度的前提下減輕遮光罩的質量，是外遮光罩研制的主要考慮方向。

碳纖維復合材料[2]目前航天器上開始廣泛應用，相比傳統的金屬材料，其具有質量輕、比強度和比模量高、耐疲勞、可設計性強等優點。本文從材料性能、工裝結構、過程控制等方面介紹了一種內腔為階梯分布的太空相機外遮光罩的加工制造方法。

1 復合材料相機外遮光罩零件介紹

復合材料相機外遮光罩（如圖1），由罩體和擋光環組成，外形為圓柱狀且擋光環呈梯度布置，罩體由罩筒和法蘭兩部分組成。外遮光罩的罩體和最外端擋光環選用高性能的T300碳纖維復合材料，相比傳統復合材料，T300具有質輕、高強度、高剛性，尤其是有非常低的熱膨脹系數等一系列優異性能，特別適用于空間結構。罩體的最大外形尺寸 620 mm×410 mm，罩筒外徑584 mm，罩筒壁厚度2 mm，法蘭厚度7 mm。復合材料相機外遮光罩的最外端擋光環為復合材料，內部6個鋁合金擋光環，材料LY12-CZ，擋光環內徑由最外端Φ531 mm逐步遞減至Φ521.8 mm，所有擋光環厚度1 mm，產品結構如圖1所示。

外遮光罩的擋光環呈階梯狀分布，保證金屬擋光環與罩體連接的可靠性，保證所有擋光環內徑與基準點的同軸度為0.1 mm；罩筒的鋪層方式為[0°/+45°/-45°/90°]s，法蘭的鋪層方式為[0°/+45°/-45°/90°]7。產品加工完成后需進行無損檢測，內部缺陷要求嚴格。分層、孔洞或脫黏總缺陷不大于被檢測面積的1%，單個分層缺陷最大面積為625 m2，疏松缺陷率≤2%。

2 復合材料相機外遮光罩模具

目前，形狀復雜的復合材料結構件普遍采用“分體式”的成型固化方法，將結構件拆分為多個零件單獨成型固化，后進行組裝連接。這種方法成型過程簡單，但組裝過程中，零件相互間的黏結、定位、加壓等環節都存在較大困難，無法保證尺寸和位置精度，不適于高精度零件的成型制造。

圖1 外遮光罩簡圖

本項技術方法采用了一種周向抱合式組合模具一體化成型方法，復合材料外遮光罩罩體在工裝上鋪貼完成后與鋁合金擋光環一次共固化成型，有效解決了外遮光罩罩體和鋁合金擋光環連接時容易形成間隙，位置精度難以保證，零件之間的連接強度不高，長期使用易變性等問題，提高了產品的性能。

2.1 成型模的材料選擇

復合材料熱壓罐成型技術固化溫度高、成型壓力大，構件在成型過程中，對加熱和冷卻時間均需要嚴格控制，一般采用金屬工裝，主要材料有鋁、鋼、殷鋼等，表1對三種金屬材料在制作模具方面進行了比較。

表1 三種金屬材料制作模具方面比較

從表1中可以看出，殷鋼的熱膨脹系數最接近復合材料的熱膨脹系數，但由于外遮光罩的內部擋光環選用了鋁合金材料LY12-CZ，且從固化過程中擋光環與基準點的同軸度方面考慮，需要選擇一種和鋁合金擋光環熱膨脹系數相同或接近的材料來制造工裝，從而選擇鋁模具較為合適。

鋁制工裝的密度僅為同體積鋼模具或殷鋼模具的1/3左右，其具有重量輕、材料易得、價格便宜等優點，同時相對于鋼模具和殷鋼模具，選用鋁模具，便于工人裝配、拆卸和搬運工裝。

2.2 成型模的設計思路

成型模采用一種周向抱合式組合模具，從外遮光罩固化過程中擋光環定位方面考慮，組合模采用陽模形式，中空結構，為便于脫模，每個同心圓環形芯模進行了分塊設計，圓環形芯模分塊數由圓環直徑決定，便于操作人員裝配和拆卸即可。

圖2為組合成型模結構，成型模由裝配底座、厚度不同的同心圓環形芯模和法蘭壓環等拼裝而成。同心圓環形芯模上制出擋光環定位下陷，由10根銷棒連接成模體，而法蘭壓環用于控制外遮光罩法蘭的厚度和垂直度。

工裝設計過程中通過計算機輔助設計，采用CATIA軟件設計了組合成型模。通過軟件計算分析，確保組合成型模在使用過程中裝配和拆卸方便，大小合適，便于使用，并配有合理的起吊裝置。

圖2 外遮光罩組合成型模示意圖

2.3 成型模的制造

復合材料相機外遮光罩組合成型模，所有模塊全部采用數控加工，加工的尺寸公差嚴格控制在零件尺寸公差的1/3，數控加工完成后進行計量，計量合格方可進行組裝。組裝完成后的整體成型模，圓環形芯模之間保證無階差和對縫間隙最大不超過0.2 mm，再次進行成型模計量，合格后方可使用。

3 復合材料相機外遮光罩共固化成型

3.1 復合材料相機外遮光罩共固化成型方法選擇

目前，國內在設計和制造復合材料相機外遮光罩時，通常分別機械加工鋁合金擋光環和熱壓罐成型固化復合材料外遮光罩罩體，然后將罩體和擋光環進行鉚接，這種方式通常造成擋光環間距、擋光環的平行度無法滿足高分辨率空間相機使用要求。

本項技術采用周向抱合式組合模具[3]，使用共固化成型工藝，解決了外遮光罩罩體和鋁合金擋光環連接時容易形成間隙，位置精度難以保證，零件之間的連接強度不高，保證了產品強度、剛度和精度，提高了產品的性能。外遮光罩罩體和擋光環的連接形式設計如圖3所示，金屬擋光環嵌入罩體內部，采用復合材料罩體/擋光環的熱壓罐共固化成型。

圖3 外遮光罩罩筒和擋光環連接示意圖

3.2 復合材料相機外遮光罩共固化成型的特點

復合材料相機外遮光罩采用復合材料罩體/擋光環的熱壓罐共固化成型，具有以下幾個突出特點：

（1）擋光環使用一套圓環形芯模定位，此套圓環形芯模通過10根銷棒連接成模體，能夠保證所有擋光環內徑與基準點的同軸度為0.1 mm。

（2）罩體和金屬擋光環采用一次共固化成型，避免了鉚接工藝可能引起的擋光環間距和擋光環平行度問題，保證了外遮光罩整體可靠性，同時盡可能減重。

（3）外遮光罩零件制造過程中，僅使用一套成型工裝，節約了材料費用和制造費用。

4 復合材料相機外遮光罩的過程控制

復合材料相機外遮光罩的精度控制，可以通過鋁模具的修正來保證擋光環的位置精度和罩體口徑，通過精確的數控銑切程序和合適的刀具來保證機加尺寸。復合材料相機外遮光罩固化過程中可能出現的變形問題，可以通過制作工藝勻壓板和對已固化零件時效處理來解決。

4.1 復合材料相機外遮光罩的精度控制

（1）鋁模具的修正

外遮光罩制造使用的組合成型模，模具材料為鋁。由于鋁模具的熱膨脹系數大于碳纖維復合材料的熱膨脹系數，會使固化后的復合材料相機外遮光罩零件內徑略大于室溫下模具的外徑，擋光環之間間距略大于室溫下圓環形芯模厚度。為了保證復合材料相機外遮光罩的精度，需要固化一個試驗件，按照試驗件的外形檢測數據對鋁模具進行修正。

采用熱壓罐共固化成型工藝，外遮光罩試驗件（如圖4）制造完成后，用五坐標機床檢測，根據檢測數據，分析并計算鋁模具需要修正的尺寸，通過數控加工并進行計量，得到最佳的模具尺寸，以便投入到正式產品的生產中。

圖4 外遮光罩試驗件

（2）外遮光罩數控銑切

外遮光罩零件固化完成后，需要對復合材料擋光環內徑和法蘭外徑等進行數控銑切。為了保證數控銑切后零件邊緣無分層和劈裂等缺陷，按照復合材料擋光環和法蘭的厚度，使用T300預浸料織物分別固化了試板并進行銑切試驗，通過反復摸索，找出了合適的銑切刀具和轉速。外遮光罩試驗件固化完成后，使用摸索出的銑切刀具和轉速進行數控銑切，再次驗證銑切刀具和轉速的合理性。

4.2 復合材料相機外遮光罩的變形控制

（1）制作工藝勻壓板

外遮光罩在固化過程中，為了解決零件面層由于密實度不均勻而出現的無損缺陷和罩筒變形問題，在罩筒外表面制作一個帶排氣孔的AIRPAD軟模工藝勻壓板，工藝勻壓板可起到均勻傳遞壓力的作用，確保罩筒受壓均勻、厚度一致。

（2）外遮光罩進行高溫時效和室溫時效

復合材料在制作過程中[4]，材料受外力作用而使內部分子相對位置發生變化引起內力發生改變，產生附加應力。這種應力會使外遮光罩發生變形，影響外遮光罩的尺寸精度。高溫時效和室溫時效的目的是為了讓樹脂體系完全固化，使外遮光罩內應力在人為模擬環境下進行釋放，減小外遮光罩在空間環境下的變形。高溫時效是將外遮光罩在較低的升降溫速率和真空環境下，進行高低溫交替變化的鋸齒時效。室溫時效是將外遮光罩在室溫條件下進行時效。

5 結論

本項技術根據外遮光罩特殊的結構形式設計并制造一種周向抱合式組合成型模，通過鋁模具的修正來保證擋光環的位置精度和罩體口徑，通過精確的數控銑切程序和合適的刀具來保證機加尺寸，外遮光罩罩體在工裝上鋪貼完成后與鋁合金擋光環一次共固化成型，有效解決了外遮光罩罩體和鋁合金擋光環連接時容易形成間隙，位置精度難以保證，零件之間的連接強度不高，結構易變形等問題，提高了產品的性能。

[1] 盛磊, 陳萍, 孫東華.輕型空間相機遮光罩組件的研制[J].航天返回與遙感，2006, 27(2): 41～43.

[2] 李威,郭權峰.碳纖維復合材料在航天領域的應用[J].中國光學，2011(4):201～205.

[3] 袁曉龍,田衛,高蘭寧.大型復合材料主承力構件制造技術綜述[J].航空制造技術，2009(22)：32～35.

[4] 沃西源.國外先進復合材料發展及其在衛星結構中的應用［J］.航天返回與遙感，1994(15):53～62.

(R-03)

TQ327.3

1009-797X(2016)16-0074-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.16.020

房曉斌（1984-）男，本科，主要從事樹脂基復合材料的成型加工。

2016-07-08