高精度碳纖維復合材料副反射面天線制備工藝

張娟娟 李宗周 沈 輝 劉圖遠 朱榮峰

(1 上海復合材料科技有限公司，上海 201112)

(2 上海航天樹脂基復合材料工程技術研究中心，上海 201112)

0 引言

與金屬材料相比，碳纖維復合材料(CFC)具有密度低、線脹系數極小、比強度及比模量高、物理及力學性能可設計性佳等特性，被證實是航天領域理想的天線結構材料［1］。隨著航天制造及新材料技術的不斷進步，星載天線結構均由CFC制備。CFC及其應用技術的研究，已引起高精度曲面天線結構設計及成型工藝的巨大變革［2］。在星載天線中雙反射體曲面天線是常見的天線結構，見圖1。副反射面天線接收到主反射面的反射信號后會將其不等倍數放大后再傳輸，若其反射區域型面精度存在超差，則反射誤差也會被放大，如何保證副反射面天線高型面精度要求一直是雙反射體曲面天線制備研究熱點。

此外，為了后續雙反射體曲面天線裝配時順利完成主－副面對焦，副反射面天線制備時需預留裝配基準點，如何保證該裝配基準點的高形位精度要求是其制備工藝的技術難點。本文將著重從模具材料的比選、裝配關鍵技術點的控制以及高形位精度裝配基準點的加工等方面，討論如何制備高精度CFC副反射面天線。

1 副反射面天線結構精度要求

復合材料天線反射面的結構形式主要有兩種:夾層結構和薄板(殼)結構。夾層結構是由內/外蒙皮與輕質蜂窩或泡沫材料復合形成的截面較厚的非均質夾芯結構，具有質輕、剛性好、抗應力變形能力佳的特性，是保證天線型面精度的理想結構形式，被天線設計者廣泛采用［3－5］。與泡沫塑料芯材相比，蜂窩芯材剪切強度與剪切模量更高，可使夾層結構剛性更強，且制造加工方便，故本文選取蜂窩芯材作為夾層結構芯材。欲制備的副反射面天線由曲面和柱面兩部分構成，兩個面交接處通過R3圓角過渡，見圖2。曲面為工作面，由雙曲線mm)沿其中心軸線旋轉得到。柱面上有三個金屬預埋件為后續裝配以及對焦提供基準點和基準面。

欲制備的副反射面天線主要精度要求為:(1)整體型面精度＜0.1 mm，任意100 mm2反射區域型面精度＜0.1 mm;(2)三處基準點上側面組合平面度優于0.04 mm，與反射面中心軸線的垂直度優于0.08 mm，外端面與反射面中心軸線的同軸度優于0.05 mm。

2 高精度副反射面天線制備工藝流程

高精度副反射面天線制備工藝流程見圖3。

副反射面天線先夾層結構膠接，基準點通過模具粗定位預埋成型，后續通過機床保證基準點的行位精度。

3 高精度副反射面天線制備關鍵技術

鑒于副反射面天線精度要求結合成型工藝以及CFC的熱變形特點，須從模具的選材、裝配工藝關鍵點的控制及裝配基準點的加工方式等方面綜合考慮才能有效確保以上指標的實現。

3.1 模具材料比選

模具是高精度天線的依托，天線型面精度很大程度上取決于模具材料，因此，模具材料的選擇十分重要。在天線成型溫度范圍內，因線脹系數差異所造成的成型熱應力引起的結構變形不容忽視［6］。表1給出了幾種常用模具材料的線脹系數。

表1 常用模具材料的線脹系數Tab.1 Coefficient of thermal expansion of common mould material

根據已有研究結果［7］，本文選取球墨鑄鐵和殷鋼兩種模具材料進行比對實驗，各成型一件副反射面天線，并分別命名為1#天線和2#天線。隨后，對其型面精度進行測量。結果表明，1#天線整體型面精度為0.051 mm;2#天線整體型面精度為 0.022 mm，均能滿足副反射面天線整體型面精度＜0.1 mm的要求。

圖4給出了1#和2#副反射面天線的型面點云圖。從圖4(a)可看出，1#天線存在2處超差區域，命名為Ⅰ區和Ⅱ區。Ⅰ區尺寸約為350 mm×50 mm，型面偏差峰－峰值為－ 0.11～－ 0.49 mm。

Ⅱ區尺寸約為280 mm×120 mm，型面偏差峰－峰值為－0.1～ － 0.42 mm，不滿足任意100 mm2反射區域型面精度＜0.1 mm的要求。由圖4(b)可看出，2#天線無超差，同時滿足整體和局部的高型面精度要求。基于上述實測型面精度數據，確定選用殷鋼作為制備本副反射面天線的模具材料。

3.2 裝配工藝控制

在副反射面天線裝配過程中，零件的裝配工藝對產品的精度也有較大影響。確定模具選材的同時，結合本副反射面天線的結構及工藝實踐，本文重點討論如何通過減小零件裝配應力來進一步提升整體和局部型面精度。

3.2.1 外蒙皮原位裝配

除共固化工藝外，大多數復合材料蜂窩夾層結構天線都采用內/外蒙皮單獨成型再與蜂窩二次裝配固化成型的工藝方法進行制備。為了節約成本，工藝實踐中，外蒙皮成型與夾層結構裝配往往共用同一副模具。為了消除兩次裝配位置不一致對產品型面精度造成的不利影響，提高蒙皮與模具完全的貼合度，采用原位裝配技術。具體措施為:外蒙皮脫模時在蒙皮和模具上進行標記，隨后，在夾層結構裝配成型時根據所做標記使外蒙皮在模具上位置還原，見圖5。即保證外蒙皮兩次裝配時與模具的相對位置保持一致，從而有效減小兩者局部型面不匹配造成的型面偏差。

3.2.2 蜂窩適配

本副反射面天線的內/外蒙皮通過高溫負壓固化成型的方式成型，內/外蒙皮真空固化時柱段和曲段過渡區域受壓最小，預浸料中的樹脂不能有效擠出，導致該處蒙皮偏厚，見圖6。若不對過渡區域的蜂窩高度進行單獨適配，該處蜂窩會將內蒙皮局部架空，內蒙皮不能與蜂窩芯子有效貼合。若強制裝配，則會產生較大裝配應力，內蒙皮受迫變形導致型面精度超差，且超差區域最易出現在過渡區域處。

實驗表明，不對過渡區的蜂窩進行單獨適配，過渡區域型面精度超差。A區域尺寸為10 mm×70 mm，型面偏差峰－峰值為－ 0.275～ － 0.132 mm;B 區域尺寸為10 mm×20 mm，型面偏差峰－峰值為－0.140～－0.126 mm，見圖7。為有效解決過渡區域型面精度超差的問題，在制備本副反射面天線時，采取以下措施:

(1)采用測厚儀實測內/外蒙皮過渡區處厚度，并據此計算適配該位置處蜂窩高度;

(2)將內蒙皮柱面段沿其圓周均勻裁切4條縫并向曲面段延伸15～20 mm以進一步減小內蒙皮裝配應力。

結果表明，上述兩種工藝措施有效解決了過渡區A、B兩處區域型面精度超差問題，最終所制備的副反射面天線整體型面精度為0.022 mm，任意100 mm2反射區域的型面精度優于0.1 mm。

3.3 裝配基準點加工

副反上的三處基準點為主－副調焦的初始基準，故保證其形位精度是雙反射體曲面天線裝配和對焦的關鍵，基準點分布見圖2。由于裝配基準點的形位精度以副反射面天線虛擬不可見的中心軸線為參照，且其結構機加工裝夾易變形，故如何在機床上準確定位該中心軸線以保證裝配基準點的高形位精度是工藝難點。將通過1#、2#和3#試驗件對幾種加工方法進行比較分析，嘗試解決此工藝難點。

試驗件1#將副反射面天線連同模具整體裝夾，以模具上的基準孔確定中心軸線，進而對基準點進行機加工。由于材料熱膨脹差異，在常溫下天線與模具的型面貼合較差，連接固定時引起副反射面天線強制變形。此時，通過模具上基準孔確定的中心軸線不是副反射面天線的中心軸線，從而產生加工誤差。

試驗件2#車床卡盤夾持在副反射面天線的柱面段位置，并通過三維圖像測量設備對其曲面進行拍照擬合以確定中心軸線，進而對基準點加工。柱面在卡盤徑向力作用下會產生0.01～0.03 mm的形變。此外，加工的切削力將改變副反的位置，切削力的大小隨單次進刀量的增加而增大。為了減少副反射面天線因徑向力和切削力產生的機加工誤差，工藝上采用多次加工、反復測量的方法來實現。具體措施為:(1)控制單次進刀量在0.05 mm以內;(2)單次進刀后重新確認天線的位置并實時調整，確保基準點上側面與車床軸線的垂直度≤0.02 mm，天線中心軸線與車床中心軸線的同軸度≤0.03 mm。

試驗件3#在試驗件2#的基礎上增加了機加工輔助工裝，見圖8。天線連同輔助工裝整體裝夾，車床卡盤夾持在輔助工裝上，避免了卡盤直接夾持在副反射面天線上產生的0.01～0.03 mm形變。此外，加工時通過輔助工裝上的預留基準點快速找到中心軸線，單次加工后通過調節螺釘對天線進行快速調校，大大縮短了調校時間，提高了生產效率。

3件試驗件加工完成后，實測基準點的形位精度，結果見表2。

表2 三件試驗件基準點的形位精度和加工周期Tab.2 Positional accuracy and manufacturing period of the assembly reference point for the three test pieces

由表2數據可看出，副反射面天線連同膠接裝配模具整體裝夾的加工方法(試驗件1#)不能保證裝配基準點的高形位精度要求;副反射面天線直接裝夾并通過三維攝影輔助測量的加工方法(試驗件2#)能保證裝配基準點的高形位精度要求;副反射面天線連同輔助工裝夾并利用三維圖像輔助測量的機加工方法(試驗件3#)可進一步提高裝配基準點形位精度。

需指出的是，試驗件2#的加工方法，耗時長、調校困難，一次調校需3～5 h，整個裝配基準點加工完成一般需7 d，在工程應用上有一定局限性。試驗件3#在試驗件2#基礎上增加了輔助工裝可大大縮短調校時間，加工周期從7 d縮短為2 d，提效250%。

4 結論

(1)對比試驗表明殷鋼是制備副反射面天線的較理想模具材料，能同時滿足天線整體和局部型面精度要求。

(2)在夾層結構裝配時采用外蒙皮原位裝配技術可有效減少外蒙皮與模具局部型面不匹配對副反射面天線型面精度造成的不利影響。

(3)在夾層結構裝配時單獨適配副反射面天線蒙皮柱段和區段過渡區域的蜂窩可有效解決過渡區域型面精度超差問題。

(4)綜合采用機加工輔助工裝與三維攝影測量的措施可有效確保副反射面天線裝配基準點的高形位精度并大幅縮短天線加工周期。

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