空間光學(xué)相機(jī)桁架膠接裝配技術(shù)

邱泉水 張芳 孫東華 殷永霞 劉陽同

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

文摘 研究了一種新型光學(xué)相機(jī)碳纖維復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的膠接裝配方法。對(duì)膠接裝配的工裝設(shè)計(jì)、膠黏劑選擇、表面處理、膠層控制、裝配原則進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過制定科學(xué)的裝配方法和工藝，減小了桁架結(jié)構(gòu)的裝配應(yīng)力，提高了裝配精度和穩(wěn)定性，最后對(duì)裝配后的桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了正弦和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。結(jié)果表明采用該膠接裝配法裝配的桁架具有較高的裝配精度和穩(wěn)定性，可為空間光學(xué)相機(jī)中復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的裝配提供一種嶄新的思路和方法。

0 引言

桁架結(jié)構(gòu)因具有剛度好、質(zhì)量輕、構(gòu)型簡(jiǎn)單、空間展開方便等優(yōu)良特性，在空間光學(xué)遙感相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)中具有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)大多采用金屬材料，因密度大所承受的有效載荷較低。高性能碳纖維復(fù)合材料密度小，比強(qiáng)度、比模量高，耐濕、耐磨、耐疲勞性能好等優(yōu)異特點(diǎn)，諸多航天器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用了復(fù)合材料代替鈦合金、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料，可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，增加有效載荷［1-3］。

空間光學(xué)相機(jī)系統(tǒng)成像質(zhì)量主要受承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性依靠裝配質(zhì)量保證［4］。由于桁架的主要承載結(jié)構(gòu)是由連接桿和接頭組成，因此連接桿和接頭的裝配是保證桁架性能的核心環(huán)節(jié)。本文采用復(fù)合材料研究空間光學(xué)相機(jī)桁架，其中桁架的接頭為鈦合金材料，連接桿為碳纖維復(fù)合材料，通過理論分析和試驗(yàn)探討復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的裝配方法和裝配工藝，擬為空間光學(xué)遙感相機(jī)裝配提供一種嶄新的思路和方法。

1 光學(xué)相機(jī)桁架結(jié)構(gòu)

空間光學(xué)相機(jī)主體安裝在衛(wèi)星頂部，其光路系統(tǒng)對(duì)桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、輕量化要求較高。桁架結(jié)構(gòu)主要承載整個(gè)相機(jī)載荷，不但要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足承載需求，還要保證相機(jī)的各光學(xué)設(shè)備安裝精度及空間位置關(guān)系穩(wěn)定不變，在經(jīng)歷高低溫交變、真空輻照等空間環(huán)境時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸的精度變化很小。

桁架結(jié)構(gòu)為碳纖維框架+鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板的組合形式，結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。該桁架結(jié)構(gòu)最大外形尺寸為1 500 mm（高）×1 400 mm（長(zhǎng)）×950 mm（寬），質(zhì)量不超過130 kg，由前框架、后框架、頂框架、底框架、側(cè)框架、中間框架、頂板構(gòu)成，其中框架是由碳纖維桿件和鈦合金接頭裝配成型，頂板采用碳蒙皮/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要裝配技術(shù)指標(biāo)：

圖1 光學(xué)相機(jī)桁架結(jié)構(gòu)Fig.1 The truss stucture of optical camera

圖2 光學(xué)相機(jī)桁架功能模塊Fig.2 The truss function module of optical camera

（1）前框接口為4 組安裝孔，安裝平面度不大于0.05 mm；

（2）側(cè)框接口為4 組安裝孔，安裝平面度不大于0.02 mm；

（3）后框接口為32組安裝孔，安裝平面度均不大于0.05 mm；

（4）底框接口為14組安裝孔，安裝平面度均不大于0.05 mm；

（5）頂板接口1 為6 組安裝孔，安裝平面度均不大于0.1 mm；

（6）頂板接口2 為4 組安裝孔，安裝平面度均不大于0.1 mm；

（7）光學(xué)鏡接口1 為4 組安裝孔，安裝平面度不大于0.1 mm；

（8）光學(xué)鏡接口2 為4 組安裝孔，安裝平面度不大于0.1 mm；

（9）光學(xué)鏡接口3 為4 組安裝孔，安裝平面度不大于0.05 mm；

（10）底框和后框接口平面的夾角為90°±30″；

（11）光學(xué)鏡接口2 與后框接口平面的夾角為48°±1′。

桁架結(jié)構(gòu)為光學(xué)系統(tǒng)提供支撐，其結(jié)構(gòu)的微小變形就會(huì)引起光線路徑的偏差，導(dǎo)致相機(jī)成像異常，因此，保證桁架結(jié)構(gòu)的精度和穩(wěn)定性是裝配的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，在桁架結(jié)構(gòu)裝配中擬采取如下控制措施：

（1）裝配前，對(duì)鈦合金材料進(jìn)行真空去應(yīng)力退火和低溫輻射冷處理，充分釋放加工應(yīng)力，減小應(yīng)力釋放而引起的變形；

（2）裝配過程中，借助裝配工裝確定各零部件的裝配關(guān)系，利用電子經(jīng)緯儀測(cè)量和調(diào)整裝配角度，對(duì)安裝接口進(jìn)行組合加工，保證安裝面的精度；

（3）組合加工前，對(duì)整體桁架進(jìn)行真空放氣，促使復(fù)合材料中的小分子物質(zhì)釋放以防污染光學(xué)鏡頭，最后進(jìn)行振動(dòng)消應(yīng)力處理，充分釋放裝配應(yīng)力以減少結(jié)構(gòu)變形。

2 裝配方式選擇

2.1 機(jī)械連接法

機(jī)械連接法［5］是一種傳統(tǒng)裝配方法，接頭與桿件通過緊固螺釘連接后，精確測(cè)出各框架之間的配合間隙，根據(jù)間隙配做合適的調(diào)整墊片以達(dá)到消除間隙和保證裝配關(guān)系的目的。適用于空間位置關(guān)系要求不高的結(jié)構(gòu)裝配，其優(yōu)勢(shì)是調(diào)整間隙范圍大，適用面廣。但對(duì)于碳纖維制品，一方面，機(jī)械連接會(huì)破壞纖維鋪層的完整性，降低使用強(qiáng)度；另一方面，機(jī)械連接過程累積誤差較大，降低了裝配精度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該方法不適用于對(duì)精度和承載均有要求的空間光學(xué)相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的裝配。

2.2 膠接法

膠接法［6］是一種新型工藝方法，即通過膠黏劑將各零部件膠接為一體。特點(diǎn)是膠黏劑在固化前為液態(tài)，具有一定的流動(dòng)性，當(dāng)裝配產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞到膠層時(shí)，膠液的流動(dòng)會(huì)抵消這部分應(yīng)力，從而不會(huì)引起結(jié)構(gòu)變形。由于膠黏劑為室溫固化，通常具有一定的固化周期，期間產(chǎn)生的裝配應(yīng)力可以不斷被膠液吸收。當(dāng)應(yīng)力完全釋放后，膠黏劑便在這種平衡狀態(tài)下固化，從而使桁架結(jié)構(gòu)處于低裝配應(yīng)力的狀態(tài)中。

由于桁架結(jié)構(gòu)裝配時(shí)受各零部件的加工誤差影響，各零部件間不可能實(shí)現(xiàn)完美配合，必然有部分裝配應(yīng)力存在。盡管這些應(yīng)力無法完全被抵消，但通過膠接的方法可以將裝配應(yīng)力降到最低，使桁架結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

3 裝配工裝設(shè)計(jì)

桁架結(jié)構(gòu)裝配的目標(biāo)是將鈦合金接頭與碳纖維桿件連接，然后搭建成一個(gè)穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。裝配原理是通過借用接頭和桿件上的孔定位來確定各零部件間的相對(duì)位置關(guān)系。裝配工裝采用了可拆卸的型鋼桁架結(jié)構(gòu)，在需要定位的部位焊接鋼板并經(jīng)機(jī)加工保證定位精度。工裝的裝配基準(zhǔn)為底板，采用14組定位銷定位，裝配角度的測(cè)量借助電子經(jīng)緯儀。工裝的結(jié)構(gòu)和分解形式見圖3、圖4。

圖3 裝配工裝整體圖Fig.3 Overall diagram of assembly tooling

圖4 裝配工裝分解圖Fig.4 Exploded view of assembly tooling

4 裝配工藝方法

4.1 膠黏劑的選擇

碳纖維桿件和鈦合金接頭采用膠接法連接，因此，膠黏劑是保證桁架結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的重要因素。膠黏劑不僅要有較高的強(qiáng)度和韌性，還要承受一定程度的剪切力和機(jī)械振動(dòng)，其次收縮率要小，以減小膠接應(yīng)力。由于桿件和接頭為套接形式，無法施加外壓和升溫固化，所以要求膠黏劑能在室溫和接觸壓力下固化，且在真空下的揮發(fā)性能要滿足總質(zhì)損小于1%，收集的可凝揮發(fā)物小于0.1%。Redux 420是一款室溫固化環(huán)氧膠，其工藝性好，收縮率低，幾乎不釋放小分子物質(zhì)，室溫固化7 d 即可達(dá)到最佳力學(xué)性能，對(duì)金屬和碳纖維有很好的粘接性能，且廣泛應(yīng)用于各類航天器中。

4.2 膠層厚度控制

膠接的可靠性很大程度上取決于膠黏劑的膠接強(qiáng)度，膠層厚度是影響強(qiáng)度的主要因素之一。從力學(xué)分析，膠層厚度增加只能降低厚度方向上的平均應(yīng)力，但在界面處的表面應(yīng)力不變，膠層所受剝離力矩反而增大。膠黏劑固化時(shí)因體積收縮產(chǎn)生膠接應(yīng)力，當(dāng)膠黏劑沿桿件軸向收縮時(shí)不受外部約束，該方向上的膠接應(yīng)力較小。當(dāng)膠黏劑沿桿件徑向收縮時(shí)受接頭和桿件的約束，該方向上的膠接應(yīng)力較大，即應(yīng)力沿膠層的厚度方向［7］。由于Redux 420屬于環(huán)氧膠黏劑，根據(jù)文獻(xiàn)［8］研究，環(huán)氧膠黏劑屬于開環(huán)化學(xué)反應(yīng)，其固化收縮率在膠黏劑中是最小的，一般不大于2%，通過控制合理的膠層厚度并搭配室溫固化的方式可以充分釋放膠接應(yīng)力，保證膠接尺寸的穩(wěn)定性。

膠液固化前具有流動(dòng)性，膠層厚度無法直接測(cè)量，只能通過控制用膠量間接推算出膠層的平均厚度［9］，計(jì)算公式如下：

式中，h為膠層平均厚度，m為膠黏劑的質(zhì)量，ρ為膠黏劑的密度，s為膠接面積。

為了驗(yàn)證膠層厚度對(duì)膠接性能的影響，通過試驗(yàn)得到不同膠層厚度下的剪切強(qiáng)度，見表1。

表1 膠層厚度與力學(xué)性能Tab.1 Rubber layer thickness and mechanical properties

結(jié)果表明：當(dāng)膠層厚度為0.1～0.3 mm時(shí)，膠接強(qiáng)度較高，膠層過厚時(shí)強(qiáng)度會(huì)下降。因此，當(dāng)鈦合金接頭和碳纖維桿件之間的配合間隙不足0.1 mm時(shí)，需對(duì)桿件和接頭的膠接面進(jìn)行修配。當(dāng)配合間隙大于0.3 mm時(shí)，可在T300-1K的碳纖維平紋布上涂刷Redux 420膠，十字包裹于鈦合金接頭表面，保證膠層厚度為0.1～0.3 mm。接頭和桿件的連接形式見圖5。

圖5 接頭和桿件的連接形式Fig.5 Connection form of joint and rod

4.3 膠接零件表面處理

影響膠接強(qiáng)度的另一個(gè)關(guān)鍵因素是膠接零件的表面處理。膠接本質(zhì)上是一種界面行為，零件表面處理決定了界面的理化狀態(tài)，進(jìn)而影響到膠黏劑的膠接強(qiáng)度，所以膠接前的零件表面處理是必不可少的［10］。通常，碳纖維桿件采用149 μm砂紙打磨處理，鈦合金接頭膠接面采用噴砂處理。為了驗(yàn)證不同噴砂工藝對(duì)鈦合金接頭膠接性能影響，采用不同砂型噴砂的鈦合金試片制備Redux 420膠接剪切試件，測(cè)試室溫下的剪切強(qiáng)度，結(jié)果見表2，試片狀態(tài)見圖6。

表2 表面處理與力學(xué)性能Tab.2 Surface treatment and mechanical properties

圖6 鈦合金表面噴砂狀態(tài)對(duì)比Fig.6 Comparison of sandblasting status of titanium alloy surface

結(jié)果表明：采用420 μm 噴砂時(shí)，鈦合金接頭表面粗糙度和均勻性較好，此時(shí)膠接強(qiáng)度最高。

4.4 碳纖維桿件成型

桁架結(jié)構(gòu)中的碳纖維桿件采用手工鋪層—熱壓機(jī)法固化成型，通過剛性陰/陽模的模具型腔保證桿件的尺寸精度。為保證桿件外觀質(zhì)量，且便于鋪層操作和避免后續(xù)機(jī)加工時(shí)出現(xiàn)分層缺陷，桿件鋪層時(shí)在最外層和最內(nèi)層均包裹了T300-3K平紋碳布。采用這種結(jié)構(gòu)形式的碳纖維桿件具有較高的強(qiáng)度和剛度，可以承受較大的荷載。成型模具見圖7，桿件見圖8。

圖7 碳纖維桿件壓機(jī)固化Fig.7 Press curing of carbon fiber rod

圖8 碳纖維桿件Fig.8 Carbon fiber rod

4.5 裝配過程

桁架結(jié)構(gòu)的裝配原則為“先底后頂、先四周再中間”，裝配基準(zhǔn)為桁架的底框架，按照底框架—（前框架、后框架、側(cè)框架）—（頂板、頂框架）—中間框架的順序進(jìn)行裝配。

（1）按裝配順序?qū)⒏鳁U件與接頭進(jìn)行試裝配，通過局部修銼和粘接墊片的方式合理調(diào)整裝配間隙。

（2）將配置好的Redux 420膠均勻涂抹在桿件和接頭的膠接面上，配合間隙大于0.3 mm處可包裹預(yù)浸420膠的T300-1K碳布，保證膠層厚度為0.1～0.3 mm。

（3）利用桁架裝配工裝進(jìn)行定位，將金屬接頭和碳纖維桿件進(jìn)行組裝，通過電子經(jīng)緯儀調(diào)整各部組件間的裝配角度，見圖9、圖10。

圖9 電子經(jīng)緯儀角度檢測(cè)Fig.9 Angle detection of electronic theodolite

圖10 桁架結(jié)構(gòu)裝配過程Fig.10 Assembly process of truss structure

（4）檢查各金屬接頭與桿件膠接處的溢膠，要求接頭各膠接面均有膠液滲出，檢查后及時(shí)用無塵布蘸取丙酮擦拭溢膠，隨后進(jìn)入固化階段，完全固化需要7 d。

（5）桁架結(jié)構(gòu)固化結(jié)束后，拆除裝配工裝，清理表面余膠和多余物。

（6）對(duì)固化后的桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行真空放氣和消應(yīng)力振動(dòng)，消除膠接應(yīng)力后，對(duì)桁架組合加工，保證各尺寸和形位精度。由于桁架的中間框架與刀具干涉，組合加工時(shí)分為兩次，兩次加工的基準(zhǔn)均為A/B/C/D基準(zhǔn)面。

第一次加工時(shí)將中間框架拆除，僅加工A/B/C/D基準(zhǔn)面以及后框和底框的墊片及安裝孔，保證底框與后框接口平面夾角90°±30″；第二次加工時(shí)將中間框架膠接于桁架結(jié)構(gòu)中，以A/B/C/D 為加工基準(zhǔn)，加工中間框架接口平面和安裝孔，保證安裝面與后框接口平面夾角48°±1′。機(jī)加工過程見圖11、圖12。

圖11 第一次機(jī)加工（無中間框架）Fig.11 First machining（without intermediate frame）

圖12 第二次機(jī)加工（有中間框架）Fig.12 Second machining（with intermediate frame）

為避免機(jī)床潤(rùn)滑油、切削液等污染桁架后，在空間環(huán)境中揮發(fā)至光學(xué)鏡頭上影響成像質(zhì)量，桁架結(jié)構(gòu)加工前要進(jìn)行整體防護(hù)，機(jī)加時(shí)采用干式切削法，可蘸取酒精對(duì)刀具局部降溫。桁架機(jī)加工過程見圖13，桁架最終狀態(tài)見圖14。

圖13 桁架結(jié)構(gòu)機(jī)加工過程Fig.13 Machining process of truss structure

圖14 桁架結(jié)構(gòu)最終狀態(tài)Fig.14 Final state of truss structure

（7）為驗(yàn)證裝配后桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在桁架結(jié)構(gòu)上安裝相機(jī)鏡頭模擬件，并固定在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)，正弦振動(dòng)最大量級(jí)3g，隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度為1 W/Hz，振動(dòng)時(shí)間2 min。振動(dòng)過程中桁架結(jié)構(gòu)處于鎖緊狀態(tài)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，桁架結(jié)構(gòu)一階頻率為69.8 Hz，振動(dòng)前后頻率未發(fā)生偏移，說明桁架結(jié)構(gòu)能夠承受相機(jī)模擬件振動(dòng)的考驗(yàn)。

表3 桁架結(jié)構(gòu)振動(dòng)后結(jié)構(gòu)變形量Tab.3 Structural deformation of truss structure after vibration

振動(dòng)試驗(yàn)完成后對(duì)桁架結(jié)構(gòu)工作面的形位精度進(jìn)行測(cè)量，桁架結(jié)構(gòu)的平面度和角度等變化較小，振動(dòng)前后均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，說明桁架整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變形，具有較高的剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

根據(jù)空間光學(xué)相機(jī)桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了一種用于復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的膠接裝配方法。該方法操作簡(jiǎn)單，裝配精度高、應(yīng)力小，可以保證桁架結(jié)構(gòu)的精確性和穩(wěn)定性，適合空間光學(xué)精密復(fù)合材料產(chǎn)品的裝配，具有一定的推廣價(jià)值。