某型飛行器整流天線罩工藝設(shè)計與應(yīng)用

梅延寧 唐亮 王博 錢明宇

摘 要 某型飛行器整流天線罩采用樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作，該整流天線罩的尺寸精度要求高且產(chǎn)品批量大，本文介紹了該整流天線罩的纖維增強(qiáng)鋪層設(shè)計、模具設(shè)計和成型工藝，通過合理的工藝設(shè)計解決了該整流天線罩產(chǎn)品制造的問題，保證了產(chǎn)品批量化快速穩(wěn)定生產(chǎn)。該工藝設(shè)計可為其他類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品工藝設(shè)計和生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞 整流天線罩；復(fù)合材料；工藝設(shè)計；制造應(yīng)用

Process Design and Application of Rectified Radome

for a Certain Aircraft

MEI Yanning，TANG Liang，WANG Bo，Qian Mingyu

（Harbin Topfrp Composite Co.， Ltd.， Harbin 150038）

ABSTRACT A certain type of aircraft radome is made of resin-based fiber reinforced composite material， which requires high dimensional accuracy and a large batch of products， this article introduces the fiber reinforced layer designs， mold designs， and forming process for the aircraft radome. The product manufacturing problem of the radome was solved through reasonable process design， ensuring rapid and stable mass production. This process design can also provide reference for mass production of other products with similar structures.

KEYWORDS the rectifying radome; composite materials; process design ; manufacturing applications

通訊作者：梅延寧，男，高級工程師。研究方向為復(fù)合材料成型工藝。E-mail： hrbfrp_myn@163.com

1 引言

本文研究的整流天線罩應(yīng)用于某型飛行器的頭部天線上，起著承載整流和電磁波透過的作用，可使飛行器天線在其防護(hù)下正常工作，是該飛行器必不可少的重要配套設(shè)備。該型整流天線罩采用樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成型，尺寸精度要求高且產(chǎn)品批量大，如采用濕法成型，則生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性差且環(huán)境不友善，經(jīng)合理的工藝設(shè)計和試制，形成了較為可靠的制造工藝技術(shù)，解決了產(chǎn)品批量化制造的關(guān)鍵問題，滿足了該產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和交付周期要求。

2 工藝設(shè)計

2.1 工藝路線的選定和特點

選用環(huán)境友善的樹脂傳遞模塑工藝替代原手工浸潤樹脂工藝較為理想，但不同的天線罩類型需要匹配適合的樹脂傳遞模塑工藝，其工藝分類的主要區(qū)別是樹脂注入干織物鋪層的工藝原理以及與工藝相匹配的模具和設(shè)備需求，天線罩產(chǎn)品根據(jù)結(jié)構(gòu)性能等特點，選取適合的樹脂傳遞模塑工藝極為重要^［1］。樹脂傳遞模塑工藝主要分類和在天線罩產(chǎn)品上的應(yīng)用情況如表1所示。

通過分析，采用RTM結(jié)合真空輔助工藝較為適合該型天線罩，其原理是在真空輔助的作用下，使增加正壓力的樹脂注入固定間隙的模腔，使樹脂浸潤預(yù)鋪放的纖維，直至完全浸潤并固化。該工藝需對樹脂導(dǎo)入速度和纖維浸潤時間進(jìn)行控制，進(jìn)而對導(dǎo)入樹脂在模腔內(nèi)界面層上所施加的正、負(fù)壓強(qiáng)的控制。優(yōu)點是使樹脂導(dǎo)入的同時沒有氣泡夾雜在樹脂內(nèi)，同時有效的避免了纖維在被樹脂浸潤過程中出現(xiàn)短路和白斑的現(xiàn)象。該工藝具備成型產(chǎn)品性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、成本低和環(huán)境友善的諸多特點^［2］，在天線罩產(chǎn)品上取得了廣泛的應(yīng)用。

采用真空輔助RTM工藝，對纖維增強(qiáng)鋪層進(jìn)行了調(diào)整，對模具進(jìn)行了改進(jìn)，解決了產(chǎn)品表觀、精度和快速成型的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了該天線罩的批量化快速穩(wěn)定生產(chǎn)。該整流天線罩制造工藝技術(shù)特點如下：

（1）真空輔助RTM工藝采用外圍注射形式，初始導(dǎo)入輻射面積大、效率高；^［3］

（2）天線罩制造工藝路線為采用高精度金屬凹凸雙模具壓制成型，保證了產(chǎn)品尺寸精度；

（3）纖維預(yù)制體成型技術(shù)應(yīng)用，有效的提高了生產(chǎn)效率；

（4）采用模溫機(jī)加熱系統(tǒng)實現(xiàn)了模具的快速高低溫轉(zhuǎn)化的應(yīng)用，精準(zhǔn)的控制了樹脂的固化溫度和時間，有效的縮短了成型周期；

（5）氣動脫模工裝的設(shè)計，實現(xiàn)了產(chǎn)品無損傷的快速脫模。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

該整流天線罩為一體結(jié)構(gòu)，由罩體和法蘭組成，其材料為高強(qiáng)纖維織物和高性能環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料，罩體在外形上起到減阻整流的功能和內(nèi)部設(shè)備搭載的空間需求，同時可滿足載荷和電磁性能設(shè)計的要求，如圖1所示。

天線罩罩壁由外向內(nèi)結(jié)構(gòu)分別為：耐老化層、外表面層、結(jié)構(gòu)層和內(nèi)表面層，如圖2所示，壁厚要求均勻一致，所用材料和鋪層設(shè)計具體如下：

（1）耐老化層為環(huán)氧樹脂膠衣和1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氣相二氧化硅的復(fù)合材料層，厚度均勻為0.15mm～0.2mm。如此設(shè)計是因為環(huán)氧樹脂膠衣層自身材料耐腐蝕性能優(yōu)良，而均勻混入氣相二氧化硅是為了提高模具升溫時膠衣的附著力；

（2）外表面層采用長纖維氈層，長絲氈具有較多數(shù)量的孔隙，有益于加快樹脂的行進(jìn)速度，同時對耐老化層和后續(xù)的外表面隔離層具有良好的粘接過度作用，利于樹脂導(dǎo)流和浸潤結(jié)構(gòu)布層。如選用編織布則會約束樹脂流動，如果必須使用編織布，應(yīng)搭配其它浸潤效果更好的織物才能達(dá)到預(yù)期，因其材料編織形式和各類纖維材料復(fù)合形式的不同，對樹脂的流動和浸潤的效果也有所不同^［4-5］。短切氈等也都能用于樹脂傳遞模塑工藝，但是樹脂通過這些織物或氈層流動速度很慢，這就是開發(fā)特殊的具有增強(qiáng)作用的纖維織物的原因，可以將這些織物集成到鋪層中，加快樹脂流動^［6］；

（3）結(jié)構(gòu)層采用S玻璃高強(qiáng)纖維織物，該材料具有優(yōu)良的電磁透波性能，可以滿足天線工作的性能指標(biāo)要求；

（4）內(nèi)表面層與外表面層所用的材料和厚度為對稱結(jié)構(gòu)。如此設(shè)計是為了防止結(jié)構(gòu)層兩側(cè)所用材料不同使該結(jié)構(gòu)內(nèi)存在不同應(yīng)力，造成產(chǎn)品出現(xiàn)變形現(xiàn)象，同時也更利于高效浸潤結(jié)構(gòu)布層；

（5）樹脂選用150℃快速固化的環(huán)氧樹脂，80℃～100℃時具有較低的粘度，采用RTM工藝對纖維的浸潤性良好。

2.3 模具設(shè)計

天線罩成型模具主要由凹模、凸模和外殼組成。根據(jù)產(chǎn)品外形和結(jié)構(gòu)形式制造滿足要求的成型模具，模具應(yīng)具備一定的結(jié)構(gòu)剛度、精準(zhǔn)的尺寸和外形、完好的密封性、可拔模特性及產(chǎn)品成型所要求的熱變形能力^［7］。具體設(shè)計如下：

（1）外殼和凹模緊固為一體，接合面設(shè)置有O型密封圈，形成的腔體用來注入循環(huán)流動的可調(diào)溫度的導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油溫度和流量的控制由外接的自動模溫機(jī)實現(xiàn)；

（2）凸模的外表面為產(chǎn)品成型的工作面，形面誤差±0.025mm，表面粗糙等級為A級光亮面，表面在使用前涂覆有產(chǎn)品離模劑，凸模底部設(shè)置安裝有脫模氣塞和相關(guān)聯(lián)的正負(fù)壓氣體接入孔，脫模氣塞既能實現(xiàn)真空負(fù)壓的鎖止，又能實現(xiàn)正壓下氣體的導(dǎo)出，從而實現(xiàn)罩體與凸模的分離；上部設(shè)置安裝有凸模脫模墊圈及相應(yīng)的密封圈和正負(fù)壓接入孔，可進(jìn)一步保證罩體與凸模的分離；凸模上方設(shè)置有樹脂注入孔，如圖3所示，凹模上方連接面與壓機(jī)設(shè)備移動壓頭相固定連接，可實現(xiàn)升降；

（3）凹模的內(nèi)表面為產(chǎn)品成型的工作面，凹模底部上設(shè)置有真空負(fù)壓接入口，上方設(shè)置有凹模脫模墊圈。凹模脫模墊圈由墊圈、彈簧、鎖止擋片、擋片轉(zhuǎn)軸、限位銷組成，可實現(xiàn)產(chǎn)品與凹模的首先分離，如圖4所示，凹模下方連接面與壓機(jī)設(shè)備基座相固定連接；

（4）凹凸模的定位通過軸向和徑向定位面實現(xiàn)精準(zhǔn)定位裝配，以保證凹凸模合模后形成的腔體的精度，形面定位誤差±0.05mm，保證了成型產(chǎn)品厚度和外形尺寸的精度。

3 天線罩成型過程

3.1 制作纖維預(yù)制體

纖維預(yù)制體在專用的與天線罩內(nèi)表面外形一致的模具上制作成型，每層纖維使用微粘的噴膠逐層粘接鋪放，全部纖維布層鋪放完成后在預(yù)制體模具上取下待用。纖維鋪放工序采用預(yù)制體形式批量制作，可有效減少在成型模具上鋪放的時間，便于高效作業(yè)。

3.2 耐老化層制作

利用壓機(jī)設(shè)備使凹、凸模分離一定高度，在凹模脫模墊圈上表面做好防護(hù)，在凹模表面利用特質(zhì)工具滾涂一層混有規(guī)定比例氣相二氧化硅的復(fù)合材料層，膠衣用量根據(jù)設(shè)計要求精準(zhǔn)計量以保證涂覆層厚度，并通過外殼內(nèi)部的導(dǎo)熱油快速使模具加熱，使膠衣實現(xiàn)快速固化。將外表面疏水耐老化層直接制作在模具上與產(chǎn)品后續(xù)功能層可實現(xiàn)一體成型，可保證各層間的粘接強(qiáng)度和提高生產(chǎn)效率。

3.3 成型和固化

預(yù)制體鋪放：待耐老化層固化后，在凹模放置纖維預(yù)制體，利用壓機(jī)將凸模向下壓制，直至與凸模軸向限位面壓合到位，將脫模氣塞、凸模脫模墊圈和凹模底部同時抽真空負(fù)壓，將外殼和凹模間充入80℃～100℃的導(dǎo)熱油，使模具預(yù)熱，如此設(shè)計是利于降低注入樹脂的粘度，利于樹脂浸潤纖維預(yù)制體，保證纖維浸潤均勻且提高浸潤效率。

樹脂注入：在凸模樹脂注入口注入環(huán)氧樹脂，樹脂注入壓力為0.2 Mpa～0.3Mpa，真空負(fù)壓壓力為-0.095 Mpa～-0.1Mpa，在正壓樹脂和凹凸模腔內(nèi)真空負(fù)壓的作用下，使樹脂由上至下浸潤纖維預(yù)制體，直至樹脂從凹模底部真空負(fù)壓孔部流出，此時停止樹脂注入并將真空負(fù)壓管路鎖止。利用模溫機(jī)將按樹脂固化制度時間恒溫加熱，達(dá)到固化時間后再利用模溫機(jī)進(jìn)行導(dǎo)流油的冷卻，冷卻溫度為50℃～60℃，此工序均由設(shè)定好的數(shù)控程序由模溫機(jī)完成溫度的轉(zhuǎn)化。如此設(shè)計是使后道工序脫模的產(chǎn)品在此溫度下具備足夠的剛度，以保證成型產(chǎn)品外形尺寸精度，同時快速的升降溫的工藝模具設(shè)計有效的提高了產(chǎn)品成型的效率，如圖5所示。

3.4 脫模

利用壓機(jī)提升凸模，過程中分別實現(xiàn)產(chǎn)品與凹模的分離和產(chǎn)品與凸模的分離，具體實施方式如下：

（1）凹模脫模墊圈將產(chǎn)品與凸模鎖止，實現(xiàn)產(chǎn)品與凹模分離。原理是凹凸模剛分離時，限位銷與凹模位移小于1.5mm時，還處于頂住鎖止擋片的階段，此時鎖止擋片與凸模的卡槽處于鎖止?fàn)顟B(tài)，實現(xiàn)了此位移過程凹模脫模墊圈與凸模的鎖止，凹模脫模墊圈鎖止了產(chǎn)品的法蘭，將產(chǎn)品與凸模緊固在一起。如此設(shè)計的優(yōu)點是，實現(xiàn)了產(chǎn)品與凹模的分離，杜絕了產(chǎn)品先與凸模分離的情況，如圖6和圖7所示。

（2）凹凸模分離時，限位銷與凹模位移大于1.5mm時，鎖止擋片與凸模的卡槽此時變?yōu)榉擎i止?fàn)顟B(tài)，脫模墊圈鎖止失效，從而實現(xiàn)了產(chǎn)品與凸模之間可分離的條件，如圖8所示。

（3）在凸模上方和凸模內(nèi)部的氣壓接入孔同時充入高壓氣體，高壓氣體推動凸模脫模墊圈與產(chǎn)品形成反作用力，同時脫模氣塞周邊沖出的正壓氣體使凸模和天線罩間形成反作用力，實現(xiàn)了產(chǎn)品與凸模的無損快速分離，如圖9所示。此時便完成了單件天線罩制造的所有工序，批量產(chǎn)品可按上述工序循環(huán)反復(fù)生產(chǎn)，采用反應(yīng)活性較高的樹脂，生產(chǎn)效率最快可達(dá)10min/件。

4 結(jié)語

該型飛行器整流天線罩采用了真空輔助RTM成型工藝，成型產(chǎn)品滿足各項性能指標(biāo)要求，質(zhì)量一致性好且生產(chǎn)效率高。該工藝在應(yīng)用過程中應(yīng)特別關(guān)注樹脂注入前黏度、模具密封性等因素，這些因素失控很大可能會造成制品品質(zhì)急劇降低^［9］。

復(fù)合材料制品在進(jìn)行工藝設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮制品的結(jié)構(gòu)、厚度、生產(chǎn)效率等因素，以及所能選用的材料體系等是否能夠滿足制品性能指標(biāo)的要求^［10］，充分評估后再確定工藝的適用性，只有適宜的制造工藝才能制造出符合技術(shù)和交付要求的產(chǎn)品。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］盧斌等.潛用天線罩玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其真空輔助RTM成型工藝［J］.電子機(jī)械工程，2012，2（5）：47-50.

［2］孫賽 劉木金，等.RTM成型工藝及其派生工藝［J］.宇航材料工藝，2010，6（5）：70-74.

［3］李中華.樹脂傳遞成型工藝過程分析與模具技術(shù)［J］.宇航材料工藝，1996，2（2）：76-78.

［4］叢厚陽，李煒.復(fù)合材料RTM工藝增強(qiáng)體的滲透性研究［J］.紡織科技進(jìn)展，2007，3 （6）：11-14.

［5］梁曉寧，李煒，羅永康，等.厚鋪層結(jié)構(gòu)纖維增強(qiáng)體滲透性能研究［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2010，3（1） ：35-38.

［6］董抒華，王成國，賈玉璽，等.纖維復(fù)合材料預(yù)制件滲透率及其結(jié)構(gòu)相關(guān)性的研究進(jìn)展［J］.材料工程，2013，3（5）：36-39.

［7］益小蘇，李宏運(yùn).航空液態(tài)成型復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2009，6（2） ：6-15.

［8］邱婧婧，段躍新，等.RTM工藝參數(shù)對樹脂充模過程影響的模擬與實驗研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2004，12（1）：15-18.

［9］梅延寧，王洪良.復(fù)合材料閉模成型工藝在天線罩上的應(yīng)用研究［J］.纖維復(fù)合材料，2021，2（1）：83-88.

［10］王飛，石佩洛.樹脂基復(fù)合材料在雷達(dá)天線罩罩領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展［J］.宇航材料工藝，2017，1（3）：10-13.