碳纖維復(fù)合材料高精度天線反射器的制造技術(shù)研究

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(duì)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(jì)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(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jì)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(duì)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(shí)成型模與反射器零件熱變形量不同，對(duì)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(shí)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(shí)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(gè)，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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(jì)指標(biāo)要求。

3 結(jié)語

該文主要針對(duì)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(shí)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(duì)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(jí)起到巨大推動(dòng)作用。