衛星蜂窩夾層結構新型埋件工藝

徐 挺 武海生 孫天峰 劉 佳 陳維強

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

蜂窩夾層結構是衛星等航天器艙體結構的主要形式，通常采用“三明治”鋁蜂窩夾層構型，夾層面內∕側邊設置埋件（或稱鑲嵌件），作為艙板連接接口、儀器設備安裝接口，是航空航天領域應用最廣泛的承載結構形式之一。作為承載點，埋件的材質與構型、埋件在蜂窩夾層內部的埋設形式，以及所用膠黏劑的物化、力學等特性，共同決定了蜂窩夾層埋件的最終力學性能及其可靠性［1-4］。近年來埋件需求及使用量逐年遞增，特別是隨著商業航天領域需求的逐步釋放，對埋件高效率自動化裝配提出了迫切的需要。國外瑞士RUAG 公司委托Thermwood 公司開發了一整套從蜂窩夾層板外形加工、埋件安裝孔開設、施加膠黏劑到埋件、放置埋件到面板內并檢測埋件狀態，最終生成全部的過程工藝參數總結報告，顛覆了以往基于預埋或傳統后埋工藝由不同的工序、不同的機器在不同的工位運行以及摻雜大量手工操作的生產狀態，使后埋工藝靈活、高效、高精度的優勢得以發揮，極大程度上提高了生產效率。而國內目前宇航應用仍采用傳統后埋方法，質量代價大、成本高，受人工操作生產效率限制，難以滿足近年來的減重、效率等方面的需求。對于新型埋件及其自動化后埋技術的研究仍處于起步階段。

本文重點研究衛星蜂窩夾層新型埋件及其自動化后埋技術，考察新型埋件承載能力，并與傳統后埋技術進行對比。

1 蜂窩夾層埋件技術

衛星結構艙板大量采用含有埋件的蜂窩夾層結構構型，我國各衛星平臺大量采用蜂窩夾層結構艙板，包含各類埋件數量達上千件。小衛星、微小衛星等衛星平臺更是全部由含埋件的蜂窩夾層結構艙板組成。

蜂窩夾層埋件，按材質種類分，主要包括金屬埋件和非金屬埋件。常用的金屬埋件材質包括鋼、鋁合金、鎂合金、鋁鋰合金、鎂鋰合金等。

按照埋設方法不同，蜂窩夾層埋件可以分為預埋件和后埋件，預埋件是在蜂窩夾層成型之前埋設預埋件。后埋件是對已成型的蜂窩夾層加工埋設孔或槽，灌注膠液放置后埋件。

早期國內航天領域從結構輕量化等因素考慮，大量普遍應用預埋件型蜂窩夾層，但是預埋工藝定位形式復雜、定位精度有限、制造柔性差、整體生產效率偏低、生產周期長，一旦接口尺寸等設計信息發生變化，即需要重新投產或二次改造，周期和成型質量難以保證，研制成本居高不下，難以響應型號、商業航天應用快速需求，且盡管當前國內對預埋工藝流程的部分工藝環節進行自動化、智能化升級改造，但是無法從根本上解決預埋工藝的固有不足。因此后埋件及其后埋技術是后續的重點研究方向。

1.1 后埋件技術

蜂窩夾層埋件后埋技術，與預埋技術不同，面向已經成型的蜂窩夾層坯件，采用后機加方式對面板開孔，然后灌注膠液，放置后埋件，實現埋件與蜂窩夾層的固化膠接?？稍O計性強、開孔靈活性高、生產效率高、開孔位置精度高，但也存在不足之處，其對應孔徑偏大（與埋件外輪廓一致），所用膠黏劑只能采用室溫固化的后埋型膠黏劑，因此耐高低溫性能受到影響。此外傳統的后埋方式，消耗膠黏劑量較預埋方式多，附加結構質量大，制約了其推廣應用。

綜上，從可設計性、接口精度保證、研制效率等角度看，后埋件及其后埋技術具有明顯的技術優勢，是未來蜂窩夾層結構埋件技術的重要發展方向之一，對傳統后埋技術路線及生產效率影響因素評估后發現，其不足之處主要在于傳統后埋件系統膠黏劑消耗量大，引入較大附加質量，同時承載性能一般。

1.2 新型后埋技術

受限于傳統預埋技術精度不高、柔性差、效率低，傳統后埋技術附加膠液質量大等不足，亟需根據蜂窩夾層埋件承載機理，在傳統后埋件及后埋技術基礎上，開發新型埋件技術以及對應的自動化埋設技術，實現輕量化、高效承載、高效研制，進一步滿足我國衛星領域蜂窩夾層結構制備需求。

新型埋件技術需要滿足以下要求：

（1）埋件承載能力滿足設計要求，并優于傳統后埋件；

（2）埋件系統所致結構質量增加，不高于傳統后埋件技術；

（3）埋件及其埋設技術能夠適應自動化，滿足高效、柔性制造需求，提高可靠性和重復性。

2 新型后埋技術工藝研究

2.1 新型后埋件及其后埋過程

針對新型埋件自動化后埋裝配過程的設計、工藝需求，設計與之相匹配的新型后埋件，如圖1所示為新型后埋件設計實物圖和結構示意圖，新型后埋件包含后埋主體段、后埋翻邊、環形存膠槽、內部減重槽和后埋導向槽等部分組成。后埋主體段為新型后埋件的主體，提供結構接口；后埋翻邊為新型后埋件最大外形包絡，為埋件提供足夠的后埋膠接面積；環形存膠槽位于埋件翻邊的側面上，埋件擠入結構板過程即膠黏劑二次分布過程中用于存放膠液，保證足夠的膠接強度；內部減重槽主要用于減重及內部空腔幾何特征實現埋件、膠黏劑和蜂窩芯三者之間膠黏劑的二次分布；后埋導向槽主要用于后埋過程中的導向作用，可以保證新型后埋件與結構板緊配合過程中工藝實施的便利。

圖1 新型后埋件設計示意圖Fig.1 Design sketch of new post-insert parts

如圖2所示為新型后埋工藝過程示意圖，新型后埋件后埋主要分以下幾個步驟執行：（1）已成型的結構板CNC 數控加工環形后埋孔，去除相應區域蜂窩芯；（2）原理樣機末端執行器夾持新型后埋件，將膠黏劑灌注加入新型后埋件中；（3）翻轉倒置新型后埋件，送至結構板指定后埋位置；（4）末端執行器下行，新型后埋件壓入結構板，膠黏劑擠入蜂窩芯和環形存膠槽中并實行二次分布；（5）膠黏劑室溫固化，后埋完成。

圖2 新型后埋工藝過程示意圖Fig.2 Scheme of new post-insert process

新型后埋技術區別于工藝粗放的傳統后埋技術（圖3）的結構板挖大孔、灌膠、放置后埋件、固化的工藝路線特點，可以實現少量膠黏劑的可控分布，減少后埋過程的用膠量，降低結構質量。以M5 螺紋埋件為例，經過理論計算，該設計方式相對傳統后埋方法，可降低約20%的附加膠液結構質量。

圖3 傳統后埋工藝過程示意圖Fig.3 Scheme of traditional post-insert process

2.2 新型后埋件承載性能分析

2.2.1 承載試驗

試驗件選用外形尺寸為150 mm×150 mm×30.6 mm 蜂窩夾層結構板，蜂窩板面內設置了單個不同構型埋件帶單面M5螺紋接口，分別為M5后埋件、新型后埋件，數量各5 件。對各埋件施加軸向拉伸載荷，考察整個蜂窩夾層埋件系統的承載能力。

2.2.1.1 試件狀態

（1）埋件狀態

（a）后埋件：按照航天器通用M5后埋件，利用數控CNC加工，并在螺紋孔內鑲嵌鋼絲螺套。數量5件。

（b）新型后埋件：根據新型埋件設計構型，利用數控CNC加工，并在螺紋孔內鑲嵌鋼絲螺套。數量5件。

兩種埋件結構形式詳見圖4。

（2）其他原材料狀態

面板：LY12-CZ 鋁板，厚度為0.3 mm，鋁材標準GBn167-82。

鋁蜂窩芯：鋁蜂窩芯材LF2-Y∕0.05X3-YK，邊長3 mm，鋁箔厚度0.03 mm。

膠黏劑：EA934NA后埋膠。

（3）制備工藝狀態

（a）后埋：采用手工后埋方式。蜂窩夾層面板機加開孔，清除孔內鋁蜂窩芯；向孔內灌注滿后埋膠液，然后將后埋件緩慢旋入孔中，使后埋件上表面與蜂窩夾層面板表面平齊，常溫固化成型。

（b）新型后埋：采用新型自動化后埋原理樣機實施后埋，如圖5所示。根據2.1 節中的要求，將蜂窩夾層面板CNC 開孔，利用新型自動化后埋原理樣機末端執行器夾持新型后埋件，膠液灌注至埋件中，埋件擠壓入結構板，膠黏劑擠壓二次分布，室溫固化成型。利用原理樣機執行新型后埋后，固化成型后埋件的位置度優于±0.2 mm，可以滿足工程型號任務的精度要求；局部無明顯凸起或凹坑，后埋區域平面度優于0.3 mm。

2.2.1.2 測試方法

利用Instron 力學試驗機測試埋件的承載力。設計夾持圓盤工裝，見圖6，圓盤內孔徑不小于埋件外徑3～5倍，避免夾持約束對埋件承載性能的干擾。

圖6 檢測設備及檢測過程示意圖Fig.6 Photo of testing equipment and testing process

測試時，用上、下兩片圓盤夾持蜂窩夾層，要求埋件螺孔孔心與圓盤工裝內孔同軸，并與力學試驗機下夾頭固連；埋件螺孔安裝M5 加載螺栓，并與力學試驗機上夾頭固連。啟動試驗機，直至蜂窩夾層對應埋件周邊面板屈曲、變形，記錄載荷-位移數據。

2.2.2 結果討論

2.2.2.1 垂直面板拉脫載荷對比

如圖7所示為兩種埋件典型拉脫載荷-位移曲線，從曲線可以看出，蜂窩夾層結構傳統后埋工藝和新型后埋工藝對應埋件的承載模式是基本一致的，拉脫載荷與位移呈現正相關趨勢，埋件受到拉脫力在周圍的膠黏劑作用下以剪切應力的形式傳遞給與之相連的蜂窩芯，蜂窩芯在剪切力的作用下發生了褶皺失穩，褶皺失穩的蜂窩芯受力情況由剪應力逐漸變成了沿蜂窩芯對角線的拉力，然后隨著拉脫位移的進一步增加，在拉脫位移約1.5～2 mm 處，兩種埋件拉脫受載過程中均出現拐點，此時隨著拉脫位移的進一步增加，載荷變化不大，埋件系統拉拔過程中蒙皮開始承擔和重新分布載荷，直至蒙皮失穩而破壞。如圖8所示為兩種埋件的破壞照片對比，從破壞照片可以看出兩種埋件破壞形式均為蜂窩芯破壞，傳統后埋件還伴隨著膠黏劑埋塊與蒙皮的破壞。傳統后埋過程結構板開大孔，膠黏劑填充全部空白區域，因此埋件系統增重較多；新型后埋過程膠黏劑有效分布在埋件及其周圍的蜂窩芯連接區域，因此新型后埋件用膠量顯著少于傳統后埋件，能夠實現較大的單位質量承載比。

圖7 兩種埋件的拉脫載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of different insert pull-out experiment

圖8 兩種埋件的破壞照片對比Fig.8 Comparison of failure photos of two kinds of inserts

蜂窩夾層內部的埋件，通常承受面內剪切力和面外拉拔力。一般而言，埋件本體的力學性能均高于面板、蜂窩芯及膠黏劑各自對應的力學性能，受載失效破壞不允許發生在埋件本體，且能順利將載荷傳遞至整個夾層結構［5-9］。對于設計合理的蜂窩夾層結構，埋件受拉脫載荷時，無論面內還是面外載荷，無論埋件采用預埋還是后埋，其承載模式均是蜂窩芯受剪切、拉伸→面板脫粘→面板屈曲、破壞，埋件通過其周圍分布的膠黏劑，將集中載荷分散傳遞至蜂窩芯。蜂窩板的埋件在承受垂直于面板方向的拉脫力時，假設埋件周圍的膠液填充深度與蜂窩芯高度相等，則埋件的最大承載能力為［10］：

式中，b為膠液的有效填充半徑，bi為埋件的半徑，SC為蜂窩芯格邊長，τC為蜂窩芯剪切強度，c=β∕（β+1），為蜂窩芯高度，tf為面板厚度。

通過以上經驗公式可以得出，在膠黏劑強度足夠、埋件強度足夠的前提下，即二者均大于蜂窩芯子的剪切強度下，正常破壞形式是膠液填充區域與蜂窩芯子膠接區附近的蜂窩芯子承受剪切破壞而被剪斷，埋件系統的承載能力主要由芯子剪切強度和埋件填充膠液的有效半徑決定。采用同一規格蜂窩芯，蜂窩板厚度及材料一致的情況下，埋件填充膠液的有效半徑直接影響埋件系統的承載能力。如表1所示為不同埋件系統埋件結構性能對比表。

表1 不同埋件系統埋件結構性能對比Tab.1 Comparation of insert performance of different insert system

從表中數據可以看出，M5 后埋件翻邊外徑Φ15 mm，新型M5后埋件翻邊外徑Φ20 mm 膠液有效填充半徑分別約為11.51、14.01 mm。因此M5 后埋件拉脫載荷比新型M5后埋件低。

2.2.2.2 埋件承載系數的對比

定義埋件承載系數為埋件系統拉脫力與系統質量之比，從承載系數的數值可以衡量埋件系統單位質量的承載能力。如表2所示為不同類型埋件蜂窩夾層結構性能對比。

表2 不同類型埋件蜂窩夾層結構性能對比Tab.2 Comparation between structures performance of different inserts

兩種后埋方式均采用密度較大、黏度較大的雙組份室溫固化膠黏劑體系，傳統后埋系統膠液充滿整個開孔區域及邊界破壞的蜂窩芯芯格，質量代價較大。新型后埋件采用基于工藝過程的結構設計優化，膠黏劑填充空間小于M5 后埋件，因此用膠量更少。

綜合統籌埋件系統總重、埋件承載力和埋件承載系數，可以發現，新型自動化后埋工藝，通過埋件自身獨特構型實現了后埋膠黏劑的可控分布，改變了傳統后埋工藝粗放的后埋孔灌膠工藝，保證埋件膠接強度的同時，有效控制了后埋用膠量，提高了結構比強度。新型后埋系統的埋件承載系數可以達到傳統后埋系統的158.2%，單位質量力學承載提升效果顯著。

此外，新型M5 后埋件由于結構設計存在誘導膠黏劑二次分布的結構特征，因此埋件自身質量較重，后期仍有優化空間，通過埋件構型設計參數的優化，可以進一步提升埋件承載系數。

綜上可以得出結論：（1）兩種后埋方式對應埋件的承載模式是基本一致的，單位承載能力取決于蜂窩芯∕膠黏劑的本體剪切性能、膠黏劑的分布形式、膠黏劑的有效填充半徑（決定了埋件∕蜂窩芯的膠接面大?。?；（2）現階段新型后埋件技術與傳統后埋件技術相比降低了埋件及膠黏劑質量，提升了埋件承載系數，可以滿足新環境下對自動化后埋技術的基本要求，能夠滿足設計性能指標要求；（3）此外，新型埋件技術更適合數字化自動化成型方式，在后續型號對埋件質量效率可靠性要求更高的新形勢下，具有一定的應用價值，可實現工程化推廣。

2.3 改進方向

新型后埋件及其自動化后埋工藝主要立足于解決當前傳統后埋件附加結構質量大，單位質量承載系數低及實現傳統后埋工藝的新型自動化裝配等問題，本文對蜂窩夾層結構新型后埋件的研究仍可以進行進一步進行減重、膠黏劑二次分布設計優化，以獲得更高的單位質量承載比，以及本文僅針對M5 后埋螺紋件開展研究，針對傳統后埋的內孔套、連接套及側邊埋件結構形式以及相應的膠黏劑體系，后續也應當開展進一步的結構設計及自動化替代工作。

因此后續將從以下方面研究開展工作：（1）優化埋件存膠槽構型設計、翻邊外徑設計等，根據埋件承載要求，獲得最優的存膠槽、翻邊設計參數，以獲得更高埋件承載系數；（2）在埋件存膠槽周面，增設環向離散槽，作為后埋膠液橫向擴散、到達埋件∕蜂窩傳載關鍵區域的通道，有助于改善膠黏劑分布狀態，提升系統承載系數；（3）針對蜂窩夾層側邊埋件，開展新型側邊后埋件構型設計及自動化后埋技術研發；（4）開發新型室溫固化、耐高低溫、“發泡”型高強度后埋膠黏劑，最終形成新型自動化后埋系統成套技術，實現型號應用。

3 結論

（1）蜂窩夾層結構后埋工藝和新型后埋工藝對應埋件的承載模式是基本一致的，承載能力取決于蜂窩芯∕膠黏劑的本體剪切性能、膠黏劑的分布形式、膠黏劑的有效填充半徑。

（2）開展了新型后埋件與后埋技術研究，其承載系數優于傳統后埋技術，達到傳統后埋系統的158.2%，現階段新型后埋件技術與傳統后埋件技術相比降低了埋件及膠黏劑總質量，提升了埋件承載系數，可以滿足新環境下對自動化后埋技術的基本要求。

（3）后埋件及后埋技術在可設計性、接口精度保證、研制效率等角度，具有技術優勢，是未來蜂窩夾層結構埋件技術的重要發展方向。新型后埋件技術更適合數字化自動化成型方式，在后續型號對埋件質量效率可靠性要求更高的新形勢下，具有一定的應用價值，可實現工程化推廣。