張娟娟 李宗周 沈 輝 劉圖遠(yuǎn) 朱榮峰

(1 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112)

(2 上海航天樹(shù)脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，上海 201112)

0 引言

與金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料(CFC)具有密度低、線脹系數(shù)極小、比強(qiáng)度及比模量高、物理及力學(xué)性能可設(shè)計(jì)性佳等特性，被證實(shí)是航天領(lǐng)域理想的天線結(jié)構(gòu)材料［1］。隨著航天制造及新材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，星載天線結(jié)構(gòu)均由CFC制備。CFC及其應(yīng)用技術(shù)的研究，已引起高精度曲面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jiàn)的天線結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。副反射面天線接收到主反射面的反射信號(hào)后會(huì)將其不等倍數(shù)放大后再傳輸，若其反射區(qū)域型面精度存在超差，則反射誤差也會(huì)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(diǎn)。

此外，為了后續(xù)雙反射體曲面天線裝配時(shí)順利完成主－副面對(duì)焦，副反射面天線制備時(shí)需預(yù)留裝配基準(zhǔn)點(diǎn)，如何保證該裝配基準(zhǔn)點(diǎn)的高形位精度要求是其制備工藝的技術(shù)難點(diǎn)。本文將著重從模具材料的比選、裝配關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的控制以及高形位精度裝配基準(zhǔn)點(diǎn)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(jié)構(gòu)精度要求

復(fù)合材料天線反射面的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種:夾層結(jié)構(gòu)和薄板(殼)結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)是由內(nèi)/外蒙皮與輕質(zhì)蜂窩或泡沫材料復(fù)合形成的截面較厚的非均質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)輕、剛性好、抗應(yīng)力變形能力佳的特性，是保證天線型面精度的理想結(jié)構(gòu)形式，被天線設(shè)計(jì)者廣泛采用［3－5］。與泡沫塑料芯材相比，蜂窩芯材剪切強(qiáng)度與剪切模量更高，可使夾層結(jié)構(gòu)剛性更強(qiáng)，且制造加工方便，故本文選取蜂窩芯材作為夾層結(jié)構(gòu)芯材。欲制備的副反射面天線由曲面和柱面兩部分構(gòu)成，兩個(gè)面交接處通過(guò)R3圓角過(guò)渡，見(jiàn)圖2。曲面為工作面，由雙曲線mm)沿其中心軸線旋轉(zhuǎn)得到。柱面上有三個(gè)金屬預(yù)埋件為后續(xù)裝配以及對(duì)焦提供基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)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(qū)域型面精度＜0.1 mm;(2)三處基準(zhǔn)點(diǎn)上側(cè)面組合平面度優(yōu)于0.04 mm，與反射面中心軸線的垂直度優(yōu)于0.08 mm，外端面與反射面中心軸線的同軸度優(yōu)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(jiàn)圖3。

副反射面天線先夾層結(jié)構(gòu)膠接，基準(zhǔn)點(diǎn)通過(guò)模具粗定位預(yù)埋成型，后續(xù)通過(guò)機(jī)床保證基準(zhǔn)點(diǎn)的行位精度。

3 高精度副反射面天線制備關(guān)鍵技術(shù)

鑒于副反射面天線精度要求結(jié)合成型工藝以及CFC的熱變形特點(diǎn)，須從模具的選材、裝配工藝關(guān)鍵點(diǎn)的控制及裝配基準(zhǔn)點(diǎn)的加工方式等方面綜合考慮才能有效確保以上指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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(nèi)，因線脹系數(shù)差異所造成的成型熱應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)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(shù)。

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

根據(jù)已有研究結(jié)果［7］，本文選取球墨鑄鐵和殷鋼兩種模具材料進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，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(duì)其型面精度進(jìn)行測(cè)量。結(jié)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(diǎn)云圖。從圖4(a)可看出，1#天線存在2處超差區(qū)域，命名為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。Ⅰ區(qū)尺寸約為350 mm×50 mm，型面偏差峰－峰值為－ 0.11～－ 0.49 mm。

Ⅱ區(qū)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(qū)域型面精度＜0.1 mm的要求。由圖4(b)可看出，2#天線無(wú)超差，同時(shí)滿足整體和局部的高型面精度要求?；谏鲜鰧?shí)測(cè)型面精度數(shù)據(jù)，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(guò)程中，零件的裝配工藝對(duì)產(chǎn)品的精度也有較大影響。確定模具選材的同時(shí)，結(jié)合本副反射面天線的結(jié)構(gòu)及工藝實(shí)踐，本文重點(diǎn)討論如何通過(guò)減小零件裝配應(yīng)力來(lái)進(jìn)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(shù)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)天線都采用內(nèi)/外蒙皮單獨(dú)成型再與蜂窩二次裝配固化成型的工藝方法進(jìn)行制備。為了節(jié)約成本，工藝實(shí)踐中，外蒙皮成型與夾層結(jié)構(gòu)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(duì)產(chǎn)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(shù)。具體措施為:外蒙皮脫模時(shí)在蒙皮和模具上進(jìn)行標(biāo)記，隨后，在夾層結(jié)構(gòu)裝配成型時(shí)根據(jù)所做標(biāo)記使外蒙皮在模具上位置還原，見(jiàn)圖5。即保證外蒙皮兩次裝配時(shí)與模具的相對(duì)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(nèi)/外蒙皮通過(guò)高溫負(fù)壓固化成型的方式成型，內(nèi)/外蒙皮真空固化時(shí)柱段和曲段過(guò)渡區(qū)域受壓最小，預(yù)浸料中的樹(shù)脂不能有效擠出，導(dǎo)致該處蒙皮偏厚，見(jiàn)圖6。若不對(duì)過(guò)渡區(qū)域的蜂窩高度進(jìn)行單獨(dú)適配，該處蜂窩會(huì)將內(nèi)蒙皮局部架空，內(nèi)蒙皮不能與蜂窩芯子有效貼合。若強(qiáng)制裝配，則會(huì)產(chǎn)生較大裝配應(yīng)力，內(nèi)蒙皮受迫變形導(dǎo)致型面精度超差，且超差區(qū)域最易出現(xiàn)在過(guò)渡區(qū)域處。

實(shí)驗(yàn)表明，不對(duì)過(guò)渡區(qū)的蜂窩進(jìn)行單獨(dú)適配，過(guò)渡區(qū)域型面精度超差。A區(qū)域尺寸為10 mm×70 mm，型面偏差峰－峰值為－ 0.275～ － 0.132 mm;B 區(qū)域尺寸為10 mm×20 mm，型面偏差峰－峰值為－0.140～－0.126 mm，見(jiàn)圖7。為有效解決過(guò)渡區(qū)域型面精度超差的問(wèn)題，在制備本副反射面天線時(shí)，采取以下措施:

(1)采用測(cè)厚儀實(shí)測(cè)內(nèi)/外蒙皮過(guò)渡區(qū)處厚度，并據(jù)此計(jì)算適配該位置處蜂窩高度;

(2)將內(nèi)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(jìn)一步減小內(nèi)蒙皮裝配應(yīng)力。

結(jié)果表明，上述兩種工藝措施有效解決了過(guò)渡區(qū)A、B兩處區(qū)域型面精度超差問(wèn)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(qū)域的型面精度優(yōu)于0.1 mm。

3.3 裝配基準(zhǔn)點(diǎn)加工

副反上的三處基準(zhǔn)點(diǎn)為主－副調(diào)焦的初始基準(zhǔn)，故保證其形位精度是雙反射體曲面天線裝配和對(duì)焦的關(guān)鍵，基準(zhǔn)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。由于裝配基準(zhǔn)點(diǎn)的形位精度以副反射面天線虛擬不可見(jiàn)的中心軸線為參照，且其結(jié)構(gòu)機(jī)加工裝夾易變形，故如何在機(jī)床上準(zhǔn)確定位該中心軸線以保證裝配基準(zhǔn)點(diǎn)的高形位精度是工藝難點(diǎn)。將通過(guò)1#、2#和3#試驗(yàn)件對(duì)幾種加工方法進(jìn)行比較分析，嘗試解決此工藝難點(diǎn)。

試驗(yàn)件1#將副反射面天線連同模具整體裝夾，以模具上的基準(zhǔn)孔確定中心軸線，進(jìn)而對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行機(jī)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(shí)引起副反射面天線強(qiáng)制變形。此時(shí)，通過(guò)模具上基準(zhǔn)孔確定的中心軸線不是副反射面天線的中心軸線，從而產(chǎn)生加工誤差。

試驗(yàn)件2#車床卡盤夾持在副反射面天線的柱面段位置，并通過(guò)三維圖像測(cè)量設(shè)備對(duì)其曲面進(jìn)行拍照擬合以確定中心軸線，進(jìn)而對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)加工。柱面在卡盤徑向力作用下會(huì)產(chǎn)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(jìn)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(chǎn)生的機(jī)加工誤差，工藝上采用多次加工、反復(fù)測(cè)量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體措施為:(1)控制單次進(jìn)刀量在0.05 mm以內(nèi);(2)單次進(jìn)刀后重新確認(rèn)天線的位置并實(shí)時(shí)調(diào)整，確保基準(zhǔn)點(diǎn)上側(cè)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(yàn)件3#在試驗(yàn)件2#的基礎(chǔ)上增加了機(jī)加工輔助工裝，見(jiàn)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(chǎn)生的0.01～0.03 mm形變。此外，加工時(shí)通過(guò)輔助工裝上的預(yù)留基準(zhǔn)點(diǎn)快速找到中心軸線，單次加工后通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘對(duì)天線進(jìn)行快速調(diào)校，大大縮短了調(diào)校時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

3件試驗(yàn)件加工完成后，實(shí)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的形位精度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 三件試驗(yàn)件基準(zhǔn)點(diǎn)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(shù)據(jù)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(yàn)件1#)不能保證裝配基準(zhǔn)點(diǎn)的高形位精度要求;副反射面天線直接裝夾并通過(guò)三維攝影輔助測(cè)量的加工方法(試驗(yàn)件2#)能保證裝配基準(zhǔn)點(diǎn)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(cè)量的機(jī)加工方法(試驗(yàn)件3#)可進(jìn)一步提高裝配基準(zhǔn)點(diǎn)形位精度。

需指出的是，試驗(yàn)件2#的加工方法，耗時(shí)長(zhǎng)、調(diào)校困難，一次調(diào)校需3～5 h，整個(gè)裝配基準(zhǔn)點(diǎn)加工完成一般需7 d，在工程應(yīng)用上有一定局限性。試驗(yàn)件3#在試驗(yàn)件2#基礎(chǔ)上增加了輔助工裝可大大縮短調(diào)校時(shí)間，加工周期從7 d縮短為2 d，提效250%。

4 結(jié)論

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

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

(3)在夾層結(jié)構(gòu)裝配時(shí)單獨(dú)適配副反射面天線蒙皮柱段和區(qū)段過(guò)渡區(qū)域的蜂窩可有效解決過(guò)渡區(qū)域型面精度超差問(wèn)題。

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

［1］赦遼輝.高精度碳纖維復(fù)合材料拋物面天線制造技術(shù)［J］.工程塑料應(yīng)用，2002，30(7):16－18.

［2］房海軍，涂彬.碳纖維復(fù)合材料衛(wèi)星天線反射面型面精度穩(wěn)定性分析［J］.航天返回與遙感，2007，28(1):67－71.

［3］沃西源，房海軍.碳/環(huán)氧復(fù)合材料C波段天線反射面研制［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2008，33(7):1－5.

［4］馮貞國(guó)，鄭元鵬.一種高精度天線反射面制造方法［J］.天線與伺服技術(shù)，2009，35(1):39－41.

［5］夏文干，楊潔.高精度碳纖維復(fù)合材料天線的研制［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2002，27(1):27－34.

［6］何曉蓉，高建軍.復(fù)合材料副反射器模具的設(shè)計(jì)和制造［J］.航天制造造技術(shù)，2002，8(4):14－17.

［7］范鐵軍.精密殷鋼薄壁件制造工藝［J］.航天工藝，2000，13(1):42－45.