一種快速制作柵格天線的新型解決方案*

白茹冰

（陜西天翌天線股份有限公司，陜西西安 710199）

引 言

樹脂基碳纖維復(fù)合材料是由高性能增強(qiáng)劑和耐溫性能好的樹脂基體組成的，具有比傳統(tǒng)鋼及鋁合金結(jié)構(gòu)材料更優(yōu)越的綜合性能[1]。其中樹脂基碳纖維復(fù)合材料是目前使用最多最廣泛也是最先進(jìn)的復(fù)合材料之一。它密度低，比強(qiáng)度和比模量高，耐蠕變，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，抗疲勞性能好，耐腐蝕性能和隱身性能優(yōu)異，便于大面積整體成型，熱膨脹系數(shù)極小，廣泛用作結(jié)構(gòu)材料，這是其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所無(wú)法比擬的[2]。樹脂基碳纖維復(fù)合材料屬于半導(dǎo)體材料，在一定的頻率范圍內(nèi)，靠自身能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)天線電磁波的反射功能。近年來(lái)它在天線通信領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用，可使反射面結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減少25%～30%，增強(qiáng)了反射面的便攜性，降低了維護(hù)要求。

柵格反射面是一種獨(dú)特的反射面結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)電磁波的反射原理，當(dāng)柵格間距小于電磁波波長(zhǎng)的1/8時(shí)，它對(duì)電磁波近于全反射。對(duì)于低頻段使用的天線反射面，使用柵格結(jié)構(gòu)的反射面具有結(jié)構(gòu)重量輕、風(fēng)載小的特點(diǎn)。用樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造柵格天線反射面，可充分發(fā)揮樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)[3]，其鏤空的結(jié)構(gòu)使反射面更輕，因而增強(qiáng)了反射面的便攜性，在雨雪大風(fēng)等惡劣天氣下整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。近年來(lái)特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其在軍用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

該反射面天線型面（曲面）由拋物線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，反射面由碳纖維材料的平行網(wǎng)絡(luò)狀柵格組成，在反射面的邊緣設(shè)置有用于支撐柵格結(jié)構(gòu)的翻邊結(jié)構(gòu)。為了便于攜帶和收藏，整體均分為6個(gè)分瓣，分瓣與分瓣之間的肋條用金屬標(biāo)準(zhǔn)銷扣連接，柵格反射面中間預(yù)埋金屬鑲件以便安裝饋源接口。該產(chǎn)品的口徑為1.2 m，天線面上每隔4 mm就有一個(gè)8 mm×112 mm的長(zhǎng)條形孔，這些孔均為垂直于曲面的法向孔。反射面的型面精度要求不大于0.6 mm（均方根）。目前，成型工藝是按產(chǎn)品鏤空形狀在金屬模具上黏貼長(zhǎng)條形硅橡膠條，然后按硅橡膠條的分割間隙在模具上黏貼碳纖維預(yù)浸料（等厚度）。固化成型后產(chǎn)品與硅橡膠條一起脫模，再由人工清理剝離硅橡膠條(方案1)。本文以該反射面天線為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述制作柵格反射面的模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品成型工藝方案。

1 成型方案對(duì)比分析

目前碳纖維復(fù)合材料柵格天線反射面主要采用熱壓罐成型工藝，該工藝需要模具提供產(chǎn)品成型所需的型面。本文所涉及到的柵格天線反射面結(jié)構(gòu)形式見圖1。

高精度復(fù)合材料產(chǎn)品的制造一定是以高精度模具為基礎(chǔ)條件的。目前通過(guò)熱固化成型的復(fù)合材料反射面主要采用金屬模具成型。天線與模具的材質(zhì)不同，經(jīng)過(guò)熱成型后，熱膨脹系數(shù)的不匹配會(huì)導(dǎo)致制件翹曲變形，從而使脫模后的復(fù)合材料制件精度低，難以獲得高精度天線制件。為獲得高精度制件，必須選擇膨脹系數(shù)與制件材料膨脹系數(shù)一致或相近的材料作為成型模具的材料[4-5]。在常用材料中球墨鑄鐵QT-500的膨脹系數(shù)與樹脂基碳纖維復(fù)合材料最為接近，有利于保證天線面的型面精度，而且價(jià)格便宜，加工工藝成熟。模具的設(shè)計(jì)精度≤0.05 mm（均方根），在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)預(yù)留熱電偶插孔、模具測(cè)量基準(zhǔn)及成型基準(zhǔn)。鑄造毛坯后選擇數(shù)控車床和數(shù)控銑床加工。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的工藝質(zhì)量控制，模具的加工精度達(dá)到了0.03 mm（均方根）[3]。為了使制件能夠更好地脫模，同時(shí)避免鑄鐵材料中的細(xì)微砂眼造成制件缺陷，需在鋪覆復(fù)合材料預(yù)浸料前用高溫環(huán)氧膩?zhàn)訉⑸把酃纹?，再涂脫模劑?/p>

制作柵格天線反射面的球墨鑄鐵金屬模具如圖2所示。模具為正圓形結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品的最大外圓處對(duì)應(yīng)模具上用卡箍固定的圍框。按產(chǎn)品的6個(gè)肋條位置刻槽，將模具均分為6個(gè)部分，在6條刻槽里間隔鑲?cè)? mm厚的不銹鋼隔片。在每個(gè)分瓣中間的小圓形處黏貼反向1～6數(shù)字標(biāo)識(shí)（用于區(qū)分產(chǎn)品分瓣）。模具頂部的圓孔用于放置反射面接口定位塊（用于定位接口預(yù)埋件）。模具型面黏貼有硅橡膠條。下面通過(guò)3種方案對(duì)比分析用模具成型柵格反射面的過(guò)程。

圖2 柵格反射面金屬模具圖

1.1 金屬模具+硅橡膠條鑲件

綜上所述，金屬模具采用球墨鑄鐵QT-500。值得注意的是，為了后續(xù)能找準(zhǔn)鋪貼硅橡膠條的位置，需要利用銑床在模具型面上加工出與柵格天線反射面長(zhǎng)條形鏤空孔對(duì)應(yīng)的刻線。為了固定天線兩相鄰分瓣的肋條翻邊(柵格天線反射面6個(gè)分瓣裝搭扣的肋條翻邊需預(yù)先用3K碳纖維預(yù)浸料編織布制作好)，在制作產(chǎn)品時(shí)需在刻槽內(nèi)鑲?cè)? mm厚的不銹鋼隔片，因此還需在銑床上沿模具圓弧面經(jīng)線方向加工出6條寬1.2 mm，深5 mm的刻槽。

鋪疊產(chǎn)品時(shí)需要預(yù)先在模具上的刻線處用雙面膠黏貼8 mm×112 mm的長(zhǎng)條形硅橡膠條。在柵格天線反射面上不同位置，硅橡膠條的長(zhǎng)度是可變的（如圖1所示），在邊緣及6個(gè)分瓣的尖角處長(zhǎng)度變短。硅橡膠條由人工用美工刀裁出，且長(zhǎng)條形的4個(gè)角也要由人工修整成圓角。然后用中心定位柱固定好接口處的預(yù)埋件。使兩相鄰分瓣的肋條緊靠刻槽里的隔片，并以少量502膠水固定。之后在硅橡膠條間隔處鋪疊碳纖維預(yù)浸料，用美工刀裁減掉多余的預(yù)浸料。柵格天線反射面的最大外圓翻邊及中間接口處需要鋪疊3K碳纖維預(yù)浸料編織布。鋪完后封裝隔離織物1層+隔離1層+透氣氈+真空袋，抽真空檢漏，再進(jìn)入熱壓罐固化。設(shè)定熱壓罐壓力為0.4 MPa，溫度為120°C，固化時(shí)間為90 min。

出罐脫模時(shí)需由人工將柵格反射面產(chǎn)品和硅橡膠條從金屬模具上一起取下，清理產(chǎn)品上的硅橡膠條，得到產(chǎn)品，再清理產(chǎn)品上的毛刺，修整柵格。在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，硅橡膠條的損壞或消耗很大，且由人工裁切、修整和黏貼硅橡膠條費(fèi)時(shí)費(fèi)力。鋪制時(shí)的模具與產(chǎn)品截面見圖3。

圖3 方案1示意圖

1.2 金屬模具+金屬鑲件

第2種方案考慮把硅橡膠條換成金屬鑲件直接鑲在模具上以解決硅橡膠條損耗的問(wèn)題，這就要求在原有模具上用銑床加工出用于鑲嵌金屬鑲件的長(zhǎng)條形槽。其具體步驟如下：1）球墨鑄鐵模具鑄造好后上銑床加工型面，模具型面精度要求≤0.05 mm（均方根）。在方案1中，在金屬模具的長(zhǎng)條形刻線位置加工出深度為5 mm的長(zhǎng)條形槽，由于柵格天線反射面的長(zhǎng)條形鏤空孔是法向的，為了使產(chǎn)品成型后能順利脫模，刻槽也應(yīng)該是法向型面的，所以模具必須上五軸銑床加工。2）加工所有金屬鑲件以代替硅橡膠條?？紤]到鑲件需要反復(fù)使用，所以材料選用具有較高抗變形能力的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45鋼，表面光潔度超過(guò)3.2。按脫模方向在每一個(gè)金屬鑲件上加工至少2個(gè)M5螺紋孔。使用前用脫模劑處理模具與鑲件。產(chǎn)品鋪制過(guò)程與方案1相同。

脫模時(shí)只有先脫出所有金屬鑲件才能取下產(chǎn)品。先在金屬鑲件上擰上M5螺絲，通過(guò)拔銷器拉螺絲以取出金屬鑲件，再將產(chǎn)品與模具分離開來(lái)。雖然鋪疊時(shí)省去了黏貼、修整硅橡膠條的過(guò)程，但在金屬模具上加工大量刻槽會(huì)影響原模具的結(jié)構(gòu)及精度，而且脫模時(shí)取出全部金屬鑲件費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難度較大。圖4為方案2的示意圖。

圖4 方案2示意圖

1.3 金屬模具+碳纖維過(guò)渡模具+金屬鑲件

第3種方案所需的金屬模具與前面2種模具稍有差別。如圖5所示，因?yàn)楫a(chǎn)品直接接觸的是碳纖維過(guò)渡模具，是通過(guò)碳纖維過(guò)渡模具的型面成型的，而金屬模具只是起到了成型和支撐碳纖維過(guò)渡模具的作用，所以金屬模具的型面不必完全符合碳纖維柵格反射面的型面曲率，其光潔度和精度要求也不高。在制作金屬模具時(shí)將原有型面（與柵格反射面曲率吻合的型面）向內(nèi)偏移8 mm（碳纖維過(guò)渡模具的厚度），型面加工精度不必達(dá)到0.05 mm（均方根），且不用加工刻槽及刻線，這樣就大大縮短了加工時(shí)間。先用該模具制作碳纖維過(guò)渡模具，材料選用固化后單層厚度為0.4 mm的H12K碳纖維預(yù)浸料編織布，在模具上按0°,±45°,90°循環(huán)間隔方式均勻鋪貼21層。這種鋪層不僅可以有效防止制件扭變，而且在縱向和橫向都有一定的剛性和強(qiáng)度。為了減少孔隙等缺陷，每鋪制5層就用真空袋封裝后連接真空泵預(yù)抽30 min。鋪制完成后封裝進(jìn)入熱壓罐固化。出罐后不脫模直接上銑床加工長(zhǎng)條形鑲件孔和刻槽(用于鑲嵌放置肋條的隔片)以及型面，型面精度≤0.05 mm（均方根）。脫模后清理毛刺，修整鑲件孔，得到8 mm厚的碳纖維過(guò)渡模具（等壁厚）。另外需要加工的金屬鑲件同方案2。

圖5 方案3示意圖

鋪制柵格反射面產(chǎn)品時(shí)先把碳纖維過(guò)渡模具緊貼在金屬模具上，周邊用卡箍固定，中間接口位置用原來(lái)的固定接口預(yù)埋件的定位快固定。在碳纖維過(guò)渡模具的長(zhǎng)條形孔內(nèi)鑲?cè)虢饘勹偧伅B產(chǎn)品時(shí)按照原工藝過(guò)程制作，這里不再贅述。

脫模時(shí)先把碳纖維過(guò)渡模具連同金屬鑲件和柵格反射面產(chǎn)品一起與金屬模具分離，再把金屬鑲件從產(chǎn)品凹面方向取出。與第2種方案（金屬鑲件鑲嵌在金屬模具上）不同的是，碳纖維過(guò)渡模具上的鑲件在2個(gè)方向都可以活動(dòng)，所以容易取下。可以將螺絲嵌入金屬鑲件上的M5螺紋孔，用榔頭敲螺絲將鑲件取出后，碳纖維過(guò)渡模具就可與產(chǎn)品分離開了。值得注意的是，在產(chǎn)品脫模過(guò)程中，可以用多加工的一套碳纖維過(guò)渡模具和金屬鑲件，在金屬模具上繼續(xù)鋪疊產(chǎn)品。實(shí)踐證明，這樣可大大提高模具的利用率和生產(chǎn)效率。

過(guò)渡模具采用的是碳纖維復(fù)合材料，因而可以很好地保證碳纖維復(fù)合材料柵格反射面天線的精度。

2 柵格天線成型工藝

碳纖維復(fù)合材料柵格反射面天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能要求高，反射面上的長(zhǎng)條形孔均為垂直于曲面的法向孔，孔的尺寸及分布極大地影響著天線面的外觀質(zhì)量及性能，故宜采用手工鋪覆、真空袋/熱壓罐成型工藝。如上所述，采用碳纖維復(fù)合材料過(guò)渡模具+金屬鑲件的成型脫模方式能夠滿足生產(chǎn)效率和外觀質(zhì)量要求。具體制作工藝流程見圖6。

圖6 工藝流程圖

主要制造工藝流程如下：

1）準(zhǔn)備模具。用噴灑有丙酮的抹布擦洗模具及工裝定位塊工作面，去除殘留物及灰塵以確保模具表面清潔，無(wú)油脂。

2）下料。材料選用東麗公司生產(chǎn)的3234/r1700預(yù)浸料。將預(yù)浸料分割成4 mm寬的長(zhǎng)條，3K碳布預(yù)浸料按電子檔下料，帶翻邊的4層，不帶翻邊的2層。另預(yù)備封裝所用的輔助材料。

3）肋條成型。用肋條成型模具將3K碳布預(yù)浸料鋪成20 mm寬的條子，共5層。封裝隔離織物1層+隔離膜1層+透氣氈+真空袋，再抽真空檢漏，然后進(jìn)入熱壓罐固化。出罐后待溫度降至室溫后脫模，清理。

4）組合反射面成型模具。將碳纖維復(fù)合材料過(guò)渡模具固定在金屬模具上，鑲?cè)虢饘勹偧?，將天線面中間接口定位塊裝配到位。鋪層前用棉紗口罩蘸700#NC脫模劑，將它均勻涂抹在模型表面，用PM-2紙膠帶保護(hù)膠泥封袋粘結(jié)區(qū)。

5）天線面成型。在肋條上裝配連接件預(yù)埋件，肋條貼住隔片并放到位，用夾子夾在一起或點(diǎn)502瞬干膠固定，在肋條的粘結(jié)表面貼一層白膠膜或刷一層底膠。產(chǎn)品主體用下好的料鋪柵格。先鋪2層不帶翻邊的3K預(yù)浸料碳布，再鋪1層帶翻邊的3K預(yù)浸料碳布，然后把4 mm寬的預(yù)浸料單向帶鋪進(jìn)對(duì)應(yīng)的模具格子內(nèi)，最外層鋪制帶翻邊的3K預(yù)浸料碳布。為了減少孔隙等缺陷，在鋪制過(guò)程中用真空袋封裝后連接真空泵預(yù)抽30 min。鋪制完成后封裝可剝布1層+隔離膜1層+透氣氈+真空袋，再抽真空檢漏，然后進(jìn)入熱壓罐固化。設(shè)定熱壓罐壓力為0.4 MPa，溫度為120°C，固化時(shí)間為90 min。

6）脫模。出熱壓罐后，待模具溫度降至室溫后，使碳纖維復(fù)合材料過(guò)渡模具、金屬鑲件和柵格反射面產(chǎn)品一起與金屬模具分離開來(lái)，然后取出鑲在過(guò)渡模具上的金屬鑲件，再將過(guò)渡模具與產(chǎn)品分離開來(lái)，得到產(chǎn)品。去毛刺，修整柵格，在肋條上安裝標(biāo)準(zhǔn)連接銷扣。

7）檢驗(yàn)。裝配分瓣后用攝影測(cè)量?jī)x器檢測(cè)反射面的精度，按照?qǐng)D紙尺寸以及反射面檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)并記錄，并對(duì)反射面面瓣進(jìn)行隨機(jī)互換（編碼必須一致）?；Q復(fù)裝精度要達(dá)到要求，標(biāo)準(zhǔn)連接銷扣要能裝配到位。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文創(chuàng)新性地提出了一種利用復(fù)合材料過(guò)渡模具制作樹脂基碳纖維復(fù)合材料柵格天線反射面的成型工藝。由于金屬具有較大的熱膨脹系數(shù)，因此直接在金屬模具上制作的柵格天線反射面的精度會(huì)受到較大影響，而利用該工藝制作的柵格天線反射面的柵格條寬度均勻，厚度一致，外表光潔。經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)，其型面精度為0.3 mm（均方根），經(jīng)電性能測(cè)試，其性能完全滿足使用要求。

文中進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料模具設(shè)計(jì)制作方法的研究，驗(yàn)證了將碳纖維復(fù)合材料模具+傳統(tǒng)金屬模具的組合模具用于柵格天線反射面成型及脫模過(guò)程的可行性。該類模具可推廣應(yīng)用于柵格類天線的成型，可有效提高反射面精度。使用金屬鑲件替代硅橡膠條鑲件極大地改善了柵格反射面的外觀質(zhì)量，降低了維護(hù)成本，縮短了成型工藝過(guò)程，提高了生產(chǎn)效率。