桂 濤

(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)

引 言

喇叭天線是雷達(dá)系統(tǒng)中重要的功能件。傳統(tǒng)金屬喇叭天線有2種基本制造方式:焊接和電鑄，但這2種成型方式都有一些自身的缺點(diǎn)。比如，焊接變形難以避免，影響尺寸精度；電鑄芯子成本高且不能重復(fù)使用，不適合批量生產(chǎn)等[1]。隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，新需求不斷提出，傳統(tǒng)的制造工藝方式已經(jīng)不能完全滿足一些特殊性能或者成本控制方面的要求。

碳纖維復(fù)合材料具有耐腐蝕、比模量高、比重輕、熱膨脹系數(shù)小等特性[2]，在雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件和反射面天線中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，機(jī)載火控雷達(dá)框架已整體采用碳纖維復(fù)合材料。在高精度碳纖維天線反射面中，口徑400 mm的反射面天線，均方根可以達(dá)到0.04 mm。在碳纖維波導(dǎo)、喇叭類饋線制造中，對(duì)于普通直波導(dǎo)，在長(zhǎng)度小于500 mm的情況下，可以采用鋼制芯模成型，成型后采用拉拔脫模，可以取得比較好的效果；對(duì)于異形波導(dǎo)或者喇叭天線，在無(wú)法直接脫模的情況下，一般采用融芯法，即采用可以融化(腐蝕)的芯模，芯模表面先附著一層金屬層(用于微波傳輸)，再在金屬層表面鋪層碳纖維復(fù)合材料，成型后將芯模融化(腐蝕)，金屬層轉(zhuǎn)移到碳纖維復(fù)合材料表面。融芯法最大的缺點(diǎn)就是不適合批量生產(chǎn)，對(duì)于復(fù)雜饋線零件，芯模損耗、制造成本高等問題一直無(wú)法解決。

碳纖維材料在異形饋線類零件中的應(yīng)用屬于碳纖維材料在雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用的重要研究領(lǐng)域。本文通過對(duì)一種異形碳纖維喇叭天線制造工藝過程的研究，通過將半封閉腔體拆分成開放腔體后再組合，歸納出此類零件的一般制造工藝過程，為此類零件制造提供借鑒。

1 喇叭天線原型設(shè)計(jì)與主要要求

本文研究的零件由大、小2種喇叭天線構(gòu)成。2種喇叭天線結(jié)構(gòu)類似，皆由變口徑喇叭和賦形拋物面組成，分別工作在不同頻段。其中賦形拋物線型面均方根誤差不大于0.2 mm，要求表面光滑，波導(dǎo)口與法蘭的連接面垂直平整，接縫處棱角分明。

零件材料選用T300碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，中溫固化成型。

喇叭壁厚為1.5 mm,內(nèi)表面、波導(dǎo)口內(nèi)壁、波導(dǎo)法蘭面以及內(nèi)表面均需采用金屬化處理,金屬層要求致密、均勻、不脫落、表面光順。除波導(dǎo)法蘭面外，其余部位的金屬化層采用三防處理(見圖1～圖3)。

圖1 碳纖維喇叭天線基本結(jié)構(gòu)

圖2 碳纖維喇叭天線截面結(jié)構(gòu)

圖3 碳纖維喇叭天線口徑結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)工藝性優(yōu)化

根據(jù)碳纖維復(fù)合材料成型工藝以及成型模具基本設(shè)計(jì)原則，在芯模能重復(fù)多次使用的前提下，原喇叭天線結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足成型工藝以及模具設(shè)計(jì)條件，無(wú)法一次成型出滿足尺寸精度要求的零件。如果零件采用一次固化成型，只能采用融芯法，但其芯模的制造成本過高，周期過長(zhǎng)，批量生產(chǎn)顯然不合時(shí)宜。因此，必須對(duì)喇叭天線進(jìn)行工藝性設(shè)計(jì)改進(jìn)，使之滿足成型工藝需求。

喇叭天線是一個(gè)半封閉結(jié)構(gòu),其內(nèi)表面是電磁波傳輸表面,要求光順、平整，因此,選取內(nèi)表面為模具貼模面，采用陽(yáng)模成型。由于其結(jié)構(gòu)限制了產(chǎn)品成型后整體脫模，模具只能采用分塊結(jié)構(gòu)，分塊成型后組裝。同時(shí)為了減少產(chǎn)品成型時(shí)的拼接縫，模具分塊的數(shù)量盡可能少，拼接縫過多會(huì)影響尺寸精度和表面質(zhì)量，進(jìn)而影響電性能。鑒于上述條件，對(duì)碳纖維喇叭天線的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝性設(shè)計(jì)，將零件基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝性拆分。

拆分的基本原則如下：

1)為了保證各碳纖維零件能夠順利脫模，拆分零件的數(shù)量盡量少；

2)拆分的零件成型后具有一定的剛性，脫模時(shí)不易變形；

3)模具有利于加工，制造成本低，其結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單；

4)拆分的零件有利于表面金屬化處理；

5)拆分零件利于快速定位組裝，并滿足裝配精度要求。

根據(jù)以上原則對(duì)喇叭天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝性拆分。如圖4所示，沿工藝分界線將喇叭天線的基本結(jié)構(gòu)分解成上、下2部分。上部分是變口徑喇叭，下部分是賦形拋物面，都是敞開型腔，這樣利于脫模和成型模具制造。要重點(diǎn)考慮零件上、下2部分裝配對(duì)接，因?qū)泳葲Q定變口徑喇叭和賦形拋物面之間的位置精度，而它們之間的位置精度又直接影響整個(gè)喇叭天線的電性能。

圖4 零件分型圖

對(duì)接采用法蘭盤式，法蘭的翻邊形式能夠?qū)忍炀€剛性起到加強(qiáng)作用。根據(jù)基準(zhǔn)一致原則，都使用工藝分界線位置口徑尺寸作為定位孔基準(zhǔn)，用自制螺銷釘(見圖5)定位保證口徑準(zhǔn)確定位，這類似于波導(dǎo)法蘭盤之間的對(duì)接形式(見圖6)。

圖5 螺銷釘

圖6 工藝零件分解圖

將原型設(shè)計(jì)拆解成上、下2個(gè)部分后，喇叭天線敞開口部更大，利于表面粗化和化學(xué)鍍液的流動(dòng)，對(duì)獲得致密、均勻、光順的金屬化層有很大的益處。

3 成型模具設(shè)計(jì)

模具是復(fù)合材料構(gòu)件制造的主要工藝裝備。 復(fù)合材料零件在模具上鋪層，升溫加壓固化成型后脫模，其零件尺寸精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率等在很大程度上取決于成型模具設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與制造的優(yōu)劣[3]。

3.1 成型模具材料選擇

用于碳纖維復(fù)合材料零件成型的模具材料很多，目前主要有鋁、碳鋼、Invar鋼、復(fù)合材料等。

鋁材的切削加工性能好，密度較小，表面質(zhì)量較好，但是由于表面硬度低，重復(fù)使用時(shí)對(duì)模具表面進(jìn)行清膠處理時(shí)容易損傷表面，且熱膨脹系數(shù)大(22×10-6/℃)，對(duì)于尺寸精度要求高的零件，模具的成型尺寸必須進(jìn)行修正。

其修正公式為

F=1/[(T-P)×ΔT+1]

式中：F為熱膨脹修正系數(shù)；T為模具的熱膨脹系數(shù)；P為復(fù)合材料零件的熱膨脹系數(shù)；ΔT為固化溫度和室溫的差值。

碳鋼是目前應(yīng)用較廣的復(fù)合材料成型模具材料。它價(jià)格低，力學(xué)能力優(yōu)良，表面硬度高，切削加工性能好，容易獲得較高的表面質(zhì)量，其熱膨脹系數(shù)約為鋁材的一半(12×10-6/℃)。其缺點(diǎn)是密度大，制造出的模具笨重，熱容大，固化成型時(shí)造成的能源損失較大。對(duì)于大型模具，在滿足成型工藝條件的同時(shí)需進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。

Invar合金是一種Fe-Ni合金，當(dāng)Ni含量在36%左右時(shí)，合金的熱膨脹系數(shù)達(dá)到一個(gè)很低的值(2.2×10-6/℃)，與碳纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)相當(dāng)，是制造碳纖維復(fù)合材料模具的理想材料，在成型過程中由熱膨脹和收縮造成的尺寸不一致和內(nèi)應(yīng)力變形能得到有效的控制。但其機(jī)械加工性能比碳鋼略差，價(jià)格昂貴，目前其單價(jià)是普通碳鋼的十幾至二十幾倍，對(duì)制造大尺寸類零件而言，其材料價(jià)格是一個(gè)門檻。

復(fù)合材料模具材料選擇主要考慮模具和成型零件采用同種性質(zhì)的材料，這樣成型過程中熱膨脹和收縮對(duì)尺寸精度的影響和由膨脹不一致造成的應(yīng)力變形就可以忽略。其模具制作工藝復(fù)雜(一般首先需要制作一個(gè)高精度的母模)，過程控制要求高，制造成本高，但使用壽命一般比碳鋼要短很多。復(fù)合材料模具一般適用于精度要求高、尺寸大的零件，在航空航天的產(chǎn)品中應(yīng)用較為廣泛。

綜合上述材料性能以及零件結(jié)構(gòu)工藝性和批量生產(chǎn)要求，選擇碳鋼作為成型模具的材料。

3.2 成型模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合材料模具結(jié)構(gòu)形式主要有3類：陰模(凹模)成型、陽(yáng)模(凸模)成型和對(duì)模(組合模)成型。本碳纖維喇叭天線借助熱壓罐設(shè)備采用單側(cè)貼模面成型。

模具的貼模面一般選擇零件尺寸精度和表面質(zhì)量要求高的表面。 喇叭天線的內(nèi)表面作為電磁波傳輸面，表面尺寸精度、粗糙度以及后續(xù)的金屬化要求高，所以選擇內(nèi)表面作為模具的貼模面，采用陽(yáng)模成型。

成型模具根據(jù)拆分結(jié)構(gòu)主要分為上成型模和下成型模。

上成型模也就是變口徑喇叭部分，模具結(jié)構(gòu)中間是成型模塊，喇叭天線內(nèi)表面作為貼模面，上下兩側(cè)安裝有法蘭，用于成型法蘭面。法蘭上面設(shè)置有用于加工喇叭上下部分對(duì)接用的定位孔，孔位裝有高硬度的鉆套(孔加工時(shí)不宜磨損)。零件成型完成后，將6個(gè)定位孔鉆出后再脫模，這樣可避免脫模后無(wú)法找正基準(zhǔn)，定位孔加工時(shí)發(fā)生偏差，造成后續(xù)裝配誤差(見圖7)，具體復(fù)合材料孔加工鉆削加工工藝參考文獻(xiàn)[4]。圖7中B、L兩端的孔就是裝配對(duì)接孔。

圖7 上部分成型模

按照同樣的方法可得到下部分成型模(見圖8)。

圖8 下部分成型模

模具制造需要注意的2點(diǎn)：

1)模具貼模面粗糙度Ra<0.8 μm，有利于脫模和后期表面金屬化處理，以滿足喇叭內(nèi)表面電磁波傳輸對(duì)表面粗糙度的要求；

2)模具型面制造尺寸公差取零件公差的1/3(同時(shí)考慮熱膨脹系數(shù)影響，修正尺寸)，其中用于上下部分對(duì)接的定位孔誤差小于±0.02 mm，賦型面均方根要求小于0.04 mm。

4 鋪層設(shè)計(jì)

鋪層設(shè)計(jì)是碳纖維零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，碳纖維零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。鋪層設(shè)計(jì)的好壞決定碳纖維零件的力學(xué)性能、熱膨脹量等，影響零件的使用。

碳纖維材料通常會(huì)與環(huán)氧樹脂復(fù)合成預(yù)浸料的形式，沿纖維方向具有很高的強(qiáng)度，與纖維任意夾角方向的強(qiáng)度明顯下降。熱膨脹系數(shù):平行于纖維方向是負(fù)值(-0.72×10-6/℃),而垂直于纖維方向是正值(22×10-6/℃)，都呈現(xiàn)出不同于金屬的高度各向異性的特性。不僅力學(xué)性能可以復(fù)合，熱膨脹系數(shù)也可以復(fù)合，這也是碳纖維零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)包含材料設(shè)計(jì)的過程，是它的特殊優(yōu)勢(shì)。本文論述的碳纖維喇叭天線不是受力構(gòu)件，剛強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和校核是次要的，重點(diǎn)討論各向異性的膨脹系數(shù)在中溫固化過程中對(duì)零件的影響。

原模型碳纖維喇叭天線被拆分成2個(gè)零件，通過成型的法蘭制孔后定位連接。法蘭口部對(duì)接重合度的好壞決定電磁波傳輸?shù)馁|(zhì)量，因此兩法蘭面的受熱膨脹量需要接近一致(也就是圖6中連接定位螺栓點(diǎn)的間距一致)，可以通過鋪層設(shè)計(jì)來解決兩者之間可能產(chǎn)生的膨脹不一致問題。采用各向同性的鋪層方式，通過平行于纖維方向的熱膨脹抵消其他方向的熱膨脹，使零件熱膨脹系數(shù)盡量小(目前零膨脹鋪層設(shè)計(jì)也是研究的熱點(diǎn))。目前普遍采用的是(0° /±45° / 90°) 的標(biāo)準(zhǔn)鋪層方式。

影響熱膨脹系數(shù)較重要的幾個(gè)鋪層設(shè)計(jì)原則如下：

1)鋪層角均衡性原則。為了減少固化過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及翹曲變形，即每1個(gè)+45°鋪層對(duì)應(yīng)1個(gè)-45°鋪層；

2)沿4個(gè)方向鋪層，保證任一方向至少有10%的鋪層比例；

3)鋪層的對(duì)稱性原則。為了減少固化過程中的變形，整體鋪層順序應(yīng)該在層壓板結(jié)構(gòu)鋪層中心兩側(cè)對(duì)稱；

4)盡量使不同的鋪層方向均勻分布在整個(gè)鋪層厚度中，避免不同角度連續(xù)鋪層，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中和內(nèi)部微裂紋。

5 零件內(nèi)表面金屬化

碳纖維本身具有一定的導(dǎo)電性，但是與金屬相比還存在差距，加上樹脂基體的存在，碳纖維復(fù)合材料成為不良導(dǎo)體，導(dǎo)電效率下降。一般認(rèn)為，當(dāng)碳纖維反射體的工作頻段低于20GHz時(shí)，其表面可以不進(jìn)行金屬化，高于20 GHz時(shí)，必須對(duì)其表面進(jìn)行金屬化后才能滿足電性能使用要求[5]。

碳纖維表面金屬化的方法有以下4種：

1) 化學(xué)鍍加電鍍加厚；

2) 真空蒸鍍或磁控濺射；

3) 模具表面鍍層轉(zhuǎn)移法；

4) 直接噴涂金屬法。

本碳纖維喇叭天線的金屬化選用化學(xué)鍍加電鍍加厚的工藝。首先要對(duì)其碳纖維復(fù)合材料鍍銅表面進(jìn)行前處理，經(jīng)過前處理的表面更容易生長(zhǎng)成鍍層。在進(jìn)行化學(xué)鍍時(shí)，要對(duì)化學(xué)鍍銅溶液的銅離子、甲醛含量、pH值及溫度加以控制，因溶液有一定的攪動(dòng)頻率[6]。經(jīng)過多次試驗(yàn)，化學(xué)鍍鍍層表面呈現(xiàn)光滑亮銅色(見圖9)，形成一層致密、均勻、連續(xù)鍍層，工藝比較穩(wěn)定可靠。鍍層的加厚采用電鍍形式，鍍到頻段所需要的鍍層厚度。

圖9 碳纖維表面鍍銅

6 結(jié)束語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料零件成型有其自身特點(diǎn)和工藝性，本文對(duì)傳統(tǒng)金屬喇叭天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，使其滿足碳纖維復(fù)合材料成型工藝、模具設(shè)計(jì)要求。

通過這項(xiàng)工藝性研究，研制出滿足設(shè)計(jì)要求的碳纖維喇叭天線，經(jīng)檢測(cè)，賦型面均方根小于0.1 mm，滿足電性能指標(biāo)要求，零件的整體質(zhì)量較鋁質(zhì)喇叭天線減少了30%，整體剛度和環(huán)境適應(yīng)性都有很大提高。

此碳纖維喇叭天線已經(jīng)應(yīng)用在某型號(hào)零件中，取得了理想的效果，其在雷達(dá)功能件制造領(lǐng)域的應(yīng)用得到了一定的拓展。