小型碳纖維復合材料天線成形模設計
闡述了在小型碳纖維復合材料(CFRP)天線成形模設計時，應考慮的固素和設計方法，并介紹了模具CAD/CAM的設計過程。
關鍵詞 成形模 CPRP天線 定位。
1 概述
隨著空間技術和材料技術的發展，碳纖維復合材料(CFRP)在天線中的應用日益廣泛。由于CFRP具有熱膨脹系數小、強度和彈性模量高等特性，因此，用其制成的天線反射體不但重量輕，而且強度及尺寸精度穩定性都很高。日前CFRP天線在空間、機載、車載天線領域正得到越來越廣泛的應用。在我所研制的多種 CFRP天線中，圖1為兩種典型的天線反射體結構，圖1a為回轉式橢圓切割天線面，圖1b為偏置式長圓切割天線，均采用蜂窩夾層結構，口徑在 ∮6OO~∮300mm，天線反射體及邊界空間形狀復雜，型面精度要求高。制造高精度CFRP天線對所需的成形模提出了較高的材質及型畫精度要求，如何設計并制造出比較經濟的高精度模具具有十分重要的意義。
2 模具設計及制造
2.1 模具設計
為了保證CFRP天線的成形精度，除了對天線本身進行結構強度、剛度、材料的鋪層數和鋪層角等優化設計外，模具設計成為成形過程控制的重要一環，不僅應確保模具的型面精度，而且還應對模具的強度、材料、蒙皮定位及制造等影響制件成形精度的各個環節進行分析和綜合考慮，使設計出的模具滿足天線在成形過程中的要求，終確保天線型面精度。
2.1.1 CFRP蜂窩夾芯天線的成形過程
2.1.2 模體材料的選擇
由于CFRP天線需在熱壓罐中加溫高壓環境下成形，因此，成形過程中模具要承受從室溫到150º左右的溫度變化。模體材料的熱膨脹和冷收縮必然會使制件產生一定的內應力。圖3為回轉式天線面模體在常溫和高溫的變形情況，圖中δ為天線法線方向的變形量， δ隨θ角的變化而變化，正是這種變化使制件型畫產生了張口的趨勢，從而影響天線的型面精度。不同的材料線膨脹系數不一樣，如采用線膨脹系數高的材料就會產生大的變形，而采用低膨脹的殷瓦(INVAR)合金(20-200º下，其線膨脹系數α1小于)制造模具，材料成本又太高。綜合分析計算并借鑒以往模具熱變形的經驗，采用了球墨鑄鐵(QT600-3)制造模具，其線膨脹系數α1(20~200º)約為。對于小口徑天線面模尺而盲，其對制件型面精度影響很小，也可采用數據修模的辦法解決變形對精度影響。而且球墨鑄鐵的加工性能良好，便于曲面的機加工成形。
2.1.3 模體加強筋的設計
為盡量減小模體在加工及使用過程中的結構變形，根據天線面的大小和拱高，兼顧模體的鑄造工藝性，設計相應厚度、高度和合理結構形式的加強筋，來加強模具的強度是非常有必要的。根據以往的工作經驗，我們總結出兩種適應不同特點天線的模具加強筋形式，如圖4a為“米”字形加強筋適用于回轉式天線模體，圖4b為 “井”宇形加強筋適用于偏置式天線模體。這樣不但適應模體鑄型曲面定位的需要，同時避免了由于模體強度不足使其在加工或使用過程中引起的型面變形有，終確保CFRP一線的型面精度。
2.1.4 模具定位工裝的設計
按CPRF天線的成形過程，模體在前后蒙皮預成形、金屬網而的預成形、以及終的天線整體組合共固化成形過程中，都使用模體曲面做為基準。各零件在成形后與模體的準確定位，可避免組合后零件的相互錯位，減少天線整體共固化時的內應力。因此，在模體上設計精確的定位工裝非常重要。主要考慮以下幾個方向：
(1)前后蒙皮的定位工裝。如圖5a所示為回轉式大線定位工裝在各蒙皮預成型環節的使用情況。這種情況下，工裝位于型面中心，比較容易實現。而對于偏置天線，由于受天線外型結構限制，不能在模體曲而上設計定位上裝，而只能在天線的邊界外設計相應的定位孔來滿足要求。
(2)曲面邊界的定位。由于天線電性能的要求使曲面的邊界輪廓各不相同，尺寸精度要求不高但空間形狀復雜。直接加工成形難度較大，而采用輪廓裁切的方法，即在模體上刻出天線邊界輪廓線，復印在蒙皮制件曲面上，并按復印線裁切戍邊界輪廓，這樣既經濟又適用，減輕了加工難度。
(3)整體的組合定位。組合定位要求不但對天線各零件定位，而且對大線的接口零件要進行定位。圖5b所示是偏置CFRP天線整體成形叫的定位情況，設計時應綜合考慮并保證制件的脫模方便。
2.1.5 模具其他功能性設計
封裝在模具上的CFRP天線在熱壓罐內固化成形時，對材料所受的壓力、溫度等成形條件有一定的要求。
為對天線成形過程中成形環境進行監測，模體上還應設計相應的管路聯接孔和測溫孔等。聯接孔的個數與天線的表面大小及抽真空設備的抽氣速率等技術參數相關。模體上抽氣管路的布局應使天線固化時各處所受的真空負壓均勻一致。采用2x-8旋片真空泵對于小型天線制件抽真空時，設計抽真空聯接孔2~4個和測溫孔2 個，效果很好。另外便于模具的轉運還應設計必要的吊裝孔。
1模體 2CFRP反射體 3蒙皮定位盤 4中心件 5中心件定位盤 6加強筋 7連接件 8定位架 9管路連接孔 10吊裝孔 11定位軸 12定位銷 13螺栓 14曲面邊界刻線 a----回轉式天線定位工裝 b----偏置CFRP天線整體成形定位工裝
2.1.6 模具計算機輔助設計制造過程
設計出的模具不但應滿足天線在成形過程中的使用，而且還應考慮其本身的制造工藝合理性，盡量減小模具的制造成本。對于復雜曲面的造型和加工，國內外 有許多先進的CAD/CAM應用軟件，應用美國PTC公司Pro/E軟件和相應高精度的三坐標或五坐標數控機床進行模體曲面的數控加工，使曲面的制造精度達到設計要求。圖6為模體曲面的CAD/CAM過程。
3 結束語
在對小型碳纖維復合材料(CFRP)天線的研制中，往往次不能滿足精度要求，需要一到兩次的反復，這里面涉及許多的因素，但模具是其中很關鍵的一環。隨著工程實踐的增加，對于小型碳纖維復合材料天線，在進行模具設計時，要重點考慮模具的型面精度、選用合適的材料，并根據反射面的結構合理設計模具的各個細節。日前的小型CFRP天線棋具設計越來越合理，近一年來所有的小型CFRP天線均是在模具上一次制造就能達到精度要求。
關鍵詞 成形模 CPRP天線 定位。
1 概述
隨著空間技術和材料技術的發展，碳纖維復合材料(CFRP)在天線中的應用日益廣泛。由于CFRP具有熱膨脹系數小、強度和彈性模量高等特性，因此，用其制成的天線反射體不但重量輕，而且強度及尺寸精度穩定性都很高。日前CFRP天線在空間、機載、車載天線領域正得到越來越廣泛的應用。在我所研制的多種 CFRP天線中，圖1為兩種典型的天線反射體結構，圖1a為回轉式橢圓切割天線面，圖1b為偏置式長圓切割天線，均采用蜂窩夾層結構，口徑在 ∮6OO~∮300mm，天線反射體及邊界空間形狀復雜，型面精度要求高。制造高精度CFRP天線對所需的成形模提出了較高的材質及型畫精度要求，如何設計并制造出比較經濟的高精度模具具有十分重要的意義。
2 模具設計及制造
2.1 模具設計
為了保證CFRP天線的成形精度，除了對天線本身進行結構強度、剛度、材料的鋪層數和鋪層角等優化設計外，模具設計成為成形過程控制的重要一環，不僅應確保模具的型面精度，而且還應對模具的強度、材料、蒙皮定位及制造等影響制件成形精度的各個環節進行分析和綜合考慮，使設計出的模具滿足天線在成形過程中的要求，終確保天線型面精度。
2.1.1 CFRP蜂窩夾芯天線的成形過程
2.1.2 模體材料的選擇
由于CFRP天線需在熱壓罐中加溫高壓環境下成形，因此，成形過程中模具要承受從室溫到150º左右的溫度變化。模體材料的熱膨脹和冷收縮必然會使制件產生一定的內應力。圖3為回轉式天線面模體在常溫和高溫的變形情況，圖中δ為天線法線方向的變形量， δ隨θ角的變化而變化，正是這種變化使制件型畫產生了張口的趨勢，從而影響天線的型面精度。不同的材料線膨脹系數不一樣，如采用線膨脹系數高的材料就會產生大的變形，而采用低膨脹的殷瓦(INVAR)合金(20-200º下，其線膨脹系數α1小于)制造模具，材料成本又太高。綜合分析計算并借鑒以往模具熱變形的經驗，采用了球墨鑄鐵(QT600-3)制造模具，其線膨脹系數α1(20~200º)約為。對于小口徑天線面模尺而盲，其對制件型面精度影響很小，也可采用數據修模的辦法解決變形對精度影響。而且球墨鑄鐵的加工性能良好，便于曲面的機加工成形。
2.1.3 模體加強筋的設計
為盡量減小模體在加工及使用過程中的結構變形，根據天線面的大小和拱高，兼顧模體的鑄造工藝性，設計相應厚度、高度和合理結構形式的加強筋，來加強模具的強度是非常有必要的。根據以往的工作經驗，我們總結出兩種適應不同特點天線的模具加強筋形式，如圖4a為“米”字形加強筋適用于回轉式天線模體，圖4b為 “井”宇形加強筋適用于偏置式天線模體。這樣不但適應模體鑄型曲面定位的需要，同時避免了由于模體強度不足使其在加工或使用過程中引起的型面變形有，終確保CFRP一線的型面精度。
2.1.4 模具定位工裝的設計
按CPRF天線的成形過程，模體在前后蒙皮預成形、金屬網而的預成形、以及終的天線整體組合共固化成形過程中，都使用模體曲面做為基準。各零件在成形后與模體的準確定位，可避免組合后零件的相互錯位，減少天線整體共固化時的內應力。因此，在模體上設計精確的定位工裝非常重要。主要考慮以下幾個方向：
(1)前后蒙皮的定位工裝。如圖5a所示為回轉式大線定位工裝在各蒙皮預成型環節的使用情況。這種情況下，工裝位于型面中心，比較容易實現。而對于偏置天線，由于受天線外型結構限制，不能在模體曲而上設計定位上裝，而只能在天線的邊界外設計相應的定位孔來滿足要求。
(2)曲面邊界的定位。由于天線電性能的要求使曲面的邊界輪廓各不相同，尺寸精度要求不高但空間形狀復雜。直接加工成形難度較大，而采用輪廓裁切的方法，即在模體上刻出天線邊界輪廓線，復印在蒙皮制件曲面上，并按復印線裁切戍邊界輪廓，這樣既經濟又適用，減輕了加工難度。
(3)整體的組合定位。組合定位要求不但對天線各零件定位，而且對大線的接口零件要進行定位。圖5b所示是偏置CFRP天線整體成形叫的定位情況，設計時應綜合考慮并保證制件的脫模方便。
2.1.5 模具其他功能性設計
封裝在模具上的CFRP天線在熱壓罐內固化成形時，對材料所受的壓力、溫度等成形條件有一定的要求。
為對天線成形過程中成形環境進行監測，模體上還應設計相應的管路聯接孔和測溫孔等。聯接孔的個數與天線的表面大小及抽真空設備的抽氣速率等技術參數相關。模體上抽氣管路的布局應使天線固化時各處所受的真空負壓均勻一致。采用2x-8旋片真空泵對于小型天線制件抽真空時，設計抽真空聯接孔2~4個和測溫孔2 個，效果很好。另外便于模具的轉運還應設計必要的吊裝孔。
1模體 2CFRP反射體 3蒙皮定位盤 4中心件 5中心件定位盤 6加強筋 7連接件 8定位架 9管路連接孔 10吊裝孔 11定位軸 12定位銷 13螺栓 14曲面邊界刻線 a----回轉式天線定位工裝 b----偏置CFRP天線整體成形定位工裝
2.1.6 模具計算機輔助設計制造過程
設計出的模具不但應滿足天線在成形過程中的使用，而且還應考慮其本身的制造工藝合理性，盡量減小模具的制造成本。對于復雜曲面的造型和加工，國內外 有許多先進的CAD/CAM應用軟件，應用美國PTC公司Pro/E軟件和相應高精度的三坐標或五坐標數控機床進行模體曲面的數控加工，使曲面的制造精度達到設計要求。圖6為模體曲面的CAD/CAM過程。
3 結束語
在對小型碳纖維復合材料(CFRP)天線的研制中，往往次不能滿足精度要求，需要一到兩次的反復，這里面涉及許多的因素，但模具是其中很關鍵的一環。隨著工程實踐的增加，對于小型碳纖維復合材料天線，在進行模具設計時，要重點考慮模具的型面精度、選用合適的材料，并根據反射面的結構合理設計模具的各個細節。日前的小型CFRP天線棋具設計越來越合理，近一年來所有的小型CFRP天線均是在模具上一次制造就能達到精度要求。
