技术领域
[0001] 本
发明涉及一种采用卧式安装的复合材料筒壳的成形方法，属于复合材料结构设计和复合材料加工工艺领域。
背景技术
[0002] 空间遥感器系统向着更宽谱段范围、更高谱
分辨率、更高空间分辨率、更高
辐射分辨率，以及多极化、多视
角、多方向、多时相、多模式的方向发展。其结构形式也随之变得更加复杂和多样化。无论从材料的性能还是工艺技术的角度来讲，传统的金属材料远不能满足目前空间遥感器的需求。先进复合材料具有
质量轻、比强度和比模量高、耐疲劳、阻尼减震性能好、性能可设计等优点，正逐步替代原有的金属材料成为空间遥感器结构的关键材料。
[0003] 空间遥感器系统的筒壳类零部件，例如镜筒、遮光罩等，传统上多采用垂直安装方式与主体连接，如图1和图2所示，即通过端部或者外表面的
法兰、
耳片等与主体连接，连接面与镜筒或遮光罩的轴线互相垂直。但是垂直安装方式使得遥感器结构布局受限。而且在很多情况下，镜筒或遮光罩等部件的长度比较长，这会使得其自身刚性变差，一阶振动
频率降低。此外，垂直安装方式连接面较小，连接强度较低。从工程应用效果来看，对于这一类筒壳结构，采用卧式安装具有更大的优势。一方面使得遥感器结构布局更加优化。另一方面，卧式安装方式增加了连接面积，改善了连接强度；筒壳与连接面之间的筋(肋)提高了结构
刚度，符合遥感器系统对振动频率的要求。
[0004] 复合材料产品的制造技术迥异于金属材料，复合材料的成型通常要在模具中完成。对于采用卧式安装的复合材料筒壳而言，其结构形式比采用垂直安装的复合材料筒壳复杂，因而其成形方法始终是工程化应用中的一大难题。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对空间遥感器筒壳结构传统上采用垂直安装方式，存在遥感器结构布局受限、刚性较差、连接强度较低等不足，提出一种采用卧式安装的复合材料筒壳的成形方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0007] 本发明的一种采用卧式安装的复合材料筒壳的成形方法，该复合材料筒壳包括圆筒、两条以上的加强肋、连接面、两条以上的立筋和光阑；光阑安装在圆筒的内部，连接面的中间部分通过立筋与圆筒固定连接，连接面的两边部分通过加强肋与圆筒固定连接；除光阑外，其他部分即圆筒、加强肋、连接面和立筋为一体成型，该四部分组合体简称筒体；相邻的两条立筋之间形成空腔；相邻的两条加强肋之间形成空腔；
[0008] 该方法的步骤为：
[0009] 第一步，模具设计与制造
[0010] 采用卧式安装的复合材料筒壳结构的模具包含两部分，筒体成形模具和光阑成形模具。
[0011] 筒体成形模具采用组合模具，该组合模具包括芯轴、底座、镶条、镶
块、侧板、端盖和工艺均
压板；
[0012] 芯轴外形及尺寸与圆筒内腔一致；底座上表面形状及尺寸与连接面一致；镶条外形及尺寸与相邻的两条立筋之间形成的空腔一致；
[0013] 镶块外形及尺寸与相邻的两条加强肋之间形成的空腔一致；
[0014] 镶块的数量与两条加强肋之间形成的空腔数量相同；
[0015] 侧板安装在镶块的外侧，与筒体侧面贴合，其贴合形状及尺寸与筒体侧面一致；
[0016] 端盖共计两件，分别安装在底座的两端，端盖中部依据镶条的形状开槽，用于镶条的限位；
[0017] 工艺均压板为外形与筒体上表面形状一致的薄板。
[0018] 光阑成形模具采用阴模，其内腔形状及尺寸与光阑一致。
[0019] 第二步，模具预处理
[0020] 在筒体成形模具和光阑成形模具的表面涂刷一层
脱模剂，脱模剂耐受
温度一般不低于140℃，并晾干；
[0022] 制备所需的预浸料，依据
树脂基体的具体类型进行预浸料B阶化处理，即加热使树脂
软化但又不完全熔融，具有一定的粘性，便于后面工序的铺贴；
[0023] 第四步，预浸料裁剪
[0024] 根据筒体和光阑的外形尺寸计算所需坯料的数量，裁剪预浸料。
[0025] 第五步，铺叠
[0026] 筒体部分按照如下方法进行铺叠：
[0027] 1)在底座上铺叠预浸料，形成连接面部分。
[0028] 2)在底座的上方铺叠T型预浸料，形成中间立筋部分。
[0029] 3)在镶条外表面铺叠预浸料，形成立筋部分；铺叠密实后连同镶条放置于底座上方第2)步所铺叠T型预浸料的两侧；
[0030] 4)沿芯轴外表面铺叠预浸料，形成圆筒部分，
压实后将其放置于镶条的上方；
[0031] 5)沿芯轴外表面铺叠预浸料，两侧向下翻至镶条的外侧面。
[0032] 6)在镶块的外表面铺叠预浸料，形成加强肋部分，铺叠密实后连同镶块放置于第5)步所铺叠预浸料的两侧；
[0033] 7)上述各步预浸料的铺叠层数皆不尽相同，需要分别依据产品厚度和
单层预浸料的厚度确定。
[0034] 光阑部分按照如下方法进行铺叠：
[0035] 沿模具内表面由外向内逐层铺叠，同时沿模具外缘修切坯件的边缘。如果采用整片预浸料，应沿周向间隔30mm～60mm添加剪口；如果每一层等分成若干片预浸料，同层相邻两片预浸料可以采用对接或者搭接(搭接宽度5mm～10mm)，相邻层预浸料的对接缝或者搭接线应沿同一方向依次错开10mm以上。
[0036] 铺叠过程中应根据实际情况，每铺叠3～5层进行一次预压实。
[0037] 第六步，预压实
[0038] 依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、工艺均压板、透气毡，粘贴
密封胶带并封装
真空尼龙
薄膜，抽真空进行预压实。
[0039] 预压实完成后，拆除真空尼龙薄膜、透气毡、工艺均压板、聚四氟乙烯隔离膜，继续未完成的铺叠步骤。
[0041] 修切预压实过程的溢料，擦净模具表面的胶液。
[0042] 依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层、聚四氟乙烯隔离膜、工艺均压板、透气毡，粘贴密封
胶带并封装真空尼龙薄膜。
[0043] 采用真空袋-
热压罐法或者真空袋-烘箱法完成固化。
[0044] 第八步，脱模及修整
[0045] 拆除真空尼龙薄膜和透气毡，取下表面的工艺均压板，拆除端盖和侧板，然后拆除两侧的镶块，接着将芯轴从产品中脱出，再将镶条从产品中脱出，最后从底座上脱出筒体部分。
[0046] 将光阑从光阑成形模具中脱出。
[0048] 第九步，组件试装配
[0049] 将前面制得的筒体和各光阑进行试装配，配合间隙一般为0.1mm～0.3mm。
[0051] 标记所需粘接区域，周边粘贴隔离膜。采用
砂纸均匀地打磨筒体和光阑的粘接面，用
溶剂清洗、擦净并晾干。
[0052] 第十一步，配胶
[0053] 配制粘接所需的室温固化结构胶黏剂。
[0054] 第十二步，组件粘接
[0055] 在筒体和光阑的粘接面上分别均匀地涂抹一层室温固化结构胶黏剂，依次将各光阑装入筒体内，擦净溢胶，并用压敏胶带固定。
[0056] 室温下静置一定时间完成固化。
[0057] 第十三步，组件修整
[0058] 拆除压敏胶带等，修锉表面的溢胶及毛刺。
[0059] 所述第一步的模具底座两端面开槽，槽宽度与端盖宽度相同，槽深度大于2mm满足导向要求即可。
[0060] 所述第一步的工艺均压板为0.3～2mm厚的工程塑料板或
铝合金板，表面平整、光洁。
[0061] 所述第三步的预浸料为芳纶
纤维、玻璃纤维、
碳纤维以及其他纤维的织物或者单向预浸料。
[0062] 所述第三步的预浸料，如采用单向预浸料树脂含量控制在40±5％，如采用织物预浸料树脂含量控制在42±5％，挥发份含量皆要求低于3％。
[0063] 所述第五步的铺层参数视筒壳结构形式而定，每铺叠一块预浸料后，铺覆一层聚四氟乙烯薄膜，然后用
橡胶辊和电
熨斗逐步碾压，使层与层之间致密但无褶皱。另外，相邻预浸料的拼接缝要求错开10mm以上。
[0064] 所述第六步的预压实工艺为，抽真空压
力不大于-0.09MPa，保持0.5～1小时后关机，抽真空的同时允许依据树脂基体的具体类型进行加热使树脂软化。
[0065] 所述第八步的固化工艺依据树脂基体的具体类型、模具的材料、制品的大小及厚薄而定，关机后应冷却至60℃以下方可出炉。
[0066] 所述第九步可根据配合间隙进行工艺优化，如果配合间隙大于0.3mm，可在第十一步配制室温固化胶黏剂时加入适量
增稠剂，或者在第十二步组件粘接时填充一层玻璃纤维沙网。
[0068] (1)本发明成形的采用卧式安装复合材料筒壳结构的
密度低，一般树脂基复合材料密度低于1.65g/cm3，大约只有
钢的1/5，
钛合金的1/3，减重效果明显，符合
航天器轻量化发展趋势。
[0069] (2)本发明实现了采用卧式安装复合材料筒壳结构主体部分的整体成形，纤维连续性好，阻尼性能优异，结构刚度和局部强度都较高，
稳定性好，满足航天器光学系统的特殊要求。
[0070] (3)本发明成形模具结构形式简单，易于加工，便于安装和脱模，制品壁厚均匀、尺寸
精度较高。
[0071] (4)本发明成形工艺方法简单、可靠，便于铺叠操作，采用常规的工艺设备即可完成固化，对类似的复杂结构具有较好的适用性。
[0072] (5)本发明成形工艺方法生产周期短，相对金属材料制品生产周期可缩短一半以上。
附图说明
[0073] 图1为现有技术中带有耳片和法兰的垂直安装筒壳结构示意图；
[0074] 图2为现有技术中带有法兰的垂直安装筒壳结构示意图；
[0075] 图3为本发明的卧式安装筒壳结构示意图；
[0076] 图4为本发明的筒体的结构示意图；
[0077] 图5为本发明的光阑的结构示意图；
[0078] 图6为本发明的筒体成形模具的结构示意图；
[0079] 图7为本发明的筒体成形模具中芯轴的结构示意图；
[0080] 图8为本发明的筒体成形模具
中底座的结构示意图；
[0081] 图9为本发明的筒体成形模具中镶条的结构示意图；
[0082] 图10为本发明的筒体成形模具中镶块的结构示意图；
[0083] 图11为本发明的筒体成形模具中侧板的结构示意图；
[0084] 图12为本发明的筒体成形模具中端盖的结构示意图；
[0085] 图13为本发明的筒体部分的铺层示意图；
具体实施方式
[0087] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步说明。
[0088] 实施例
[0089] 下面结合卫星捕获相机遮光筒(以下简称遮光筒)详细阐述本发明。
[0090] 遮光筒为采用卧式安装的薄壁筒壳结构，如图3所示，该复合材料筒壳包括圆筒15、十条加强肋14、连接面13、三条立筋12和六个光阑11；六个光阑11非均匀分布在圆筒15的内部，光阑结构如图5所示；连接面13的中间部分通过立筋12与圆筒15固定连接，连接面
13的两边部分通过加强肋14与圆筒15固定连接；十条加强肋14均匀分布在圆筒15的两侧；
除光阑11外，其他部分即圆筒15、加强肋14、连接面13和立筋12为一体成型，该四部分组合体简称筒体，如图4所示；相邻的两条立筋12之间形成空腔；相邻的两条加强肋14之间形成空腔。
[0091] 遮光筒长度为1000mm，高度为277mm，圆筒15直径为 圆筒15的壁厚为1mm，光阑的壁厚为1mm，十条加强肋14的壁厚为2mm，连接面13的壁厚为2mm，三条立筋12的壁厚为2mm，材料均为Kevlar/8D-1复合材料。采用室温固化胶黏剂将筒体部分与六个光阑粘接成整体。最后采用
机械加工方法加工与相机
底板的安装孔和热控
插件连接孔。
[0092] 如图14所示，该方法的步骤为：
[0093] 第一步，模具设计与制造
[0094] 采用卧式安装的树脂基复合材料筒壳结构的模具包含两部分，筒体成形模具和光阑成形模具。
[0095] 如图6所示，筒体成形模具采用组合模具，该组合模具包括芯轴6、底座1、镶条4、镶块3、侧板2、端盖5和工艺均压板7；
[0096] 芯轴6为空心圆筒，外形及尺寸与圆筒15内腔一致，如图7所示；
[0097] 底座1为方形腔体，上表面开槽，上表面形状及尺寸与连接面13一致，如图8所示；底座1两端面开槽，槽宽度与端盖5宽度相同，槽深度为5mm；
[0098] 镶条4外形及尺寸与相邻的两条立筋12之间形成的空腔一致，如图9所示；
[0099] 镶块3外形及尺寸与相邻的两条加强肋14之间形成的空腔一致，如图10所示；
[0100] 镶块3的数量与两条加强肋14之间形成的空腔数量相同；
[0101] 侧板2安装在镶块3的外侧，与筒体侧面贴合，其贴合形状及尺寸与筒体侧面一致，如图11所示；
[0102] 端盖5共计两件，分别安装在底座1的两端，端盖5中部依据镶条4的形状开槽，用于镶条4的限位，如图12所示；
[0103] 工艺均压板7为外形与筒体上表面形状一致的薄板，采用厚度为0.5mm的薄板制成。
[0104] 光阑成形模具采用阴模，其内腔形状及尺寸与光阑一致；
[0105] 筒体成形模具和光阑成形模具皆采用金属材料；
[0106] 第二步，模具预处理
[0107] 在筒体成形模具和光阑成形模具的表面涂刷一层氟碳化合物脱模剂，并晾干，脱模剂耐受温度一般不低于140℃；在螺钉、
定位销等
紧固件的表面涂抹一层
硅脂；
[0108] 第三步，预浸料制备
[0109] 采用名义厚度0.1mm的Kevlar49/8D-1平纹织物预浸料，制备所需的预浸料，预浸料树脂含量控制在42±5％，挥发份含量要求不大于3％，然后进行预浸料B阶化处理，即加热使树脂软化但又不完全熔融，具有一定的粘性，便于后面工序的铺贴；B阶化处理工艺为：进烘箱，升温至90～100℃并保持45～60分钟；
[0110] 第四步，预浸料裁剪
[0111] 根据筒体和光阑的外形尺寸计算所需坯料的数量，裁剪预浸料。
[0112] 第五步，铺叠
[0113] 筒体部分按照如下方法进行铺叠，在铺叠之前将模具预热到50℃：
[0114] 1)在底座1上铺叠预浸料，形成连接面13部分，如图13下方点划线所示，共计15层；
[0115] 2)在底座1的上方铺叠T型预浸料，形成中间立筋12部分，如图13中间实线所示，
水平方向5层，垂直方向6层；
[0116] 3)在镶条4外表面铺叠预浸料，形成立筋12部分；如图13中间虚线所示，共计5层；铺叠密实后连同镶条4放置于底座1上方第2)步所铺叠T型预浸料的两侧；
[0117] 4)沿芯轴6外表面铺叠预浸料，形成圆筒15部分，如图13上方实线所示，共计5层；；压实后将其放置于镶条4的上方；
[0118] 5)沿芯轴6外表面铺叠预浸料，两侧向下翻至镶条4的外侧面，如图13上方点划线所示，共计5层；
[0119] 6)在镶块3的外表面铺叠预浸料，形成加强肋14部分，铺叠密实后连同镶块3放置于第5)步所铺叠预浸料的两侧，如图13两侧面实线所示，共计10层；
[0120] 7)上述各步预浸料的铺叠层数皆不尽相同，需要分别依据产品厚度和单层预浸料的厚度确定。
[0121] 7)上述各步预浸料的铺叠方向采用(0/90)和(+45/-45)交替铺层。
[0122] 光阑部分按照如下方法进行铺叠：
[0123] 沿模具内表面由外向内逐层铺叠，同时沿模具外缘修切坯件的边缘。如果采用整片预浸料，应沿周向间隔30mm～60mm添加剪口；如果每一层等分成若干片预浸料，同层相邻两片预浸料可以采用对接或者搭接(搭接宽度5mm～10mm)，相邻层预浸料的对接缝或者搭接线应沿同一方向依次错开10mm以上；总铺叠层数为10层，预浸料铺叠方向皆为(0/90)；
[0124] 铺叠过程应根据实际情况，每铺叠3～5层进行一次预压实。
[0125] 第六步，预压实
[0126] 依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、工艺均压板、透气毡，粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜，抽真空进行预压实；
[0127] 预压实参数为：抽真空压力不大于-0.09MPa，室温状态下保持0.5～1小时；
[0128] 预压实完成后，拆除真空尼龙薄膜、透气毡、工艺均压板、聚四氟乙烯隔离膜，继续未完成的铺叠步骤。
[0129] 第七步，固化
[0130] 修切预压实过程的溢料，擦净模具表面的胶液。
[0131] 依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层、聚四氟乙烯隔离膜、工艺均压板、透气毡，粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜。
[0132] 采用真空袋-热压罐法或者真空袋-烘箱法完成固化，固化工艺为：抽真空压力不大于-0.094MPa，升温至70±3℃保持1小时后加外压至0.2MPa，继续升温至120±3℃加外压至0.5MPa，继续升温至140±3℃保持3小时后关机，待温度降至60℃以下后出罐。
[0133] 第八步，脱模及修整
[0134] 拆除真空尼龙薄膜和透气毡，取下表面的均压板7，拆除端盖5和侧板2，然后拆除两侧的镶块4，接着将芯轴6从产品中脱出，再将镶条3从产品中脱出，最后从底座1上脱出筒体部分。
[0135] 将光阑从光阑成形模具中脱出。
[0136] 修整筒体和光阑的飞边及毛刺。
[0137] 第九步，组件试装配
[0138] 将前面制得的筒体和各光阑进行试装配，配合间隙一般为0.1mm～0.3mm。如果配合间隙大于0.3mm，可在配制室温固化胶黏剂时加入适量增稠剂，或者在粘接时填充一层玻璃纤维沙网。
[0139] 第十步，粘接前表面处理
[0140] 标记所需粘接区域，周边粘贴隔离膜。采用砂纸均匀地打磨筒体和光阑的粘接面，用丙
酮溶剂清洗、擦净并晾干。
[0141] 第十一步，配胶
[0142] 配制粘接所需的室温固化结构胶黏剂：采用hardener420胶黏剂，其配制工艺为：按照甲组份：乙组份＝100:40(重量比)配制hardener420胶液，充分搅拌使其混合均匀。
[0143] 第十二步，组件粘接
[0144] 在筒体和光阑的粘接面上分别均匀地涂抹一层hardener420胶黏剂，依次将六个光阑装入筒体内，擦净溢胶，并用压敏胶带固定。
[0145] 室温下静置一定时间完成固化，固化工艺为：保持
接触压，在室温下静置7天或者60℃条件下静置3小时。
[0146] 第十三步，组件修整
[0147] 拆除压敏胶带等，修锉表面的溢胶及毛刺。
