小型碳纤维复合材料天线成形模设计
阐述了在小型碳纤维复合材料(CFRP)天线成形模设计时，应考虑的固素和设计方法，并介绍了模具CAD/CAM的设计过程。
关键词 成形模 CPRP天线 定位。
1 概述
随着空间技术和材料技术的发展，碳纤维复合材料(CFRP)在天线中的应用日益广泛。由于CFRP具有热膨胀系数小、强度和弹性模量高等特性，因此，用其制成的天线反射体不但重量轻，而且强度及尺寸精度稳定性都很高。日前CFRP天线在空间、机载、车载天线领域正得到越来越广泛的应用。在我所研制的多种 CFRP天线中，图1为两种典型的天线反射体结构，图1a为回转式椭圆切割天线面，图1b为偏置式长圆切割天线，均采用蜂窝夹层结构，口径在 ∮6OO~∮300mm，天线反射体及边界空间形状复杂，型面精度要求高。制造高精度CFRP天线对所需的成形模提出了较高的材质及型画精度要求，如何设计并制造出比较经济的高精度模具具有十分重要的意义。
2 模具设计及制造
2.1 模具设计
为了保证CFRP天线的成形精度，除了对天线本身进行结构强度、刚度、材料的铺层数和铺层角等优化设计外，模具设计成为成形过程控制的重要一环，不仅应确保模具的型面精度，而且还应对模具的强度、材料、蒙皮定位及制造等影响制件成形精度的各个环节进行分析和综合考虑，使设计出的模具满足天线在成形过程中的要求，终确保天线型面精度。
2.1.1 CFRP蜂窝夹芯天线的成形过程
2.1.2 模体材料的选择
由于CFRP天线需在热压罐中加温高压环境下成形，因此，成形过程中模具要承受从室温到150º左右的温度变化。模体材料的热膨胀和冷收缩必然会使制件产生一定的内应力。图3为回转式天线面模体在常温和高温的变形情况，图中δ为天线法线方向的变形量， δ随θ角的变化而变化，正是这种变化使制件型画产生了张口的趋势，从而影响天线的型面精度。不同的材料线膨胀系数不一样，如采用线膨胀系数高的材料就会产生大的变形，而采用低膨胀的殷瓦(INVAR)合金(20-200º下，其线膨胀系数α1小于)制造模具，材料成本又太高。综合分析计算并借鉴以往模具热变形的经验，采用了球墨铸铁(QT600-3)制造模具，其线膨胀系数α1(20~200º)约为。对于小口径天线面模尺而盲，其对制件型面精度影响很小，也可采用数据修模的办法解决变形对精度影响。而且球墨铸铁的加工性能良好，便于曲面的机加工成形。
2.1.3 模体加强筋的设计
为尽量减小模体在加工及使用过程中的结构变形，根据天线面的大小和拱高，兼顾模体的铸造工艺性，设计相应厚度、高度和合理结构形式的加强筋，来加强模具的强度是非常有必要的。根据以往的工作经验，我们总结出两种适应不同特点天线的模具加强筋形式，如图4a为“米”字形加强筋适用于回转式天线模体，图4b为 “井”宇形加强筋适用于偏置式天线模体。这样不但适应模体铸型曲面定位的需要，同时避免了由于模体强度不足使其在加工或使用过程中引起的型面变形有，终确保CFRP一线的型面精度。
2.1.4 模具定位工装的设计
按CPRF天线的成形过程，模体在前后蒙皮预成形、金属网而的预成形、以及终的天线整体组合共固化成形过程中，都使用模体曲面做为基准。各零件在成形后与模体的准确定位，可避免组合后零件的相互错位，减少天线整体共固化时的内应力。因此，在模体上设计精确的定位工装非常重要。主要考虑以下几个方向：
(1)前后蒙皮的定位工装。如图5a所示为回转式大线定位工装在各蒙皮预成型环节的使用情况。这种情况下，工装位于型面中心，比较容易实现。而对于偏置天线，由于受天线外型结构限制，不能在模体曲而上设计定位上装，而只能在天线的边界外设计相应的定位孔来满足要求。
(2)曲面边界的定位。由于天线电性能的要求使曲面的边界轮廓各不相同，尺寸精度要求不高但空间形状复杂。直接加工成形难度较大，而采用轮廓裁切的方法，即在模体上刻出天线边界轮廓线，复印在蒙皮制件曲面上，并按复印线裁切戍边界轮廓，这样既经济又适用，减轻了加工难度。
(3)整体的组合定位。组合定位要求不但对天线各零件定位，而且对大线的接口零件要进行定位。图5b所示是偏置CFRP天线整体成形叫的定位情况，设计时应综合考虑并保证制件的脱模方便。
2.1.5 模具其他功能性设计
封装在模具上的CFRP天线在热压罐内固化成形时，对材料所受的压力、温度等成形条件有一定的要求。
为对天线成形过程中成形环境进行监测，模体上还应设计相应的管路联接孔和测温孔等。联接孔的个数与天线的表面大小及抽真空设备的抽气速率等技术参数相关。模体上抽气管路的布局应使天线固化时各处所受的真空负压均匀一致。采用2x-8旋片真空泵对于小型天线制件抽真空时，设计抽真空联接孔2~4个和测温孔2 个，效果很好。另外便于模具的转运还应设计必要的吊装孔。
1模体 2CFRP反射体 3蒙皮定位盘 4中心件 5中心件定位盘 6加强筋 7连接件 8定位架 9管路连接孔 10吊装孔 11定位轴 12定位销 13螺栓 14曲面边界刻线 a----回转式天线定位工装 b----偏置CFRP天线整体成形定位工装
2.1.6 模具计算机辅助设计制造过程
设计出的模具不但应满足天线在成形过程中的使用，而且还应考虑其本身的制造工艺合理性，尽量减小模具的制造成本。对于复杂曲面的造型和加工，国内外 有许多先进的CAD/CAM应用软件，应用美国PTC公司Pro/E软件和相应高精度的三坐标或五坐标数控机床进行模体曲面的数控加工，使曲面的制造精度达到设计要求。图6为模体曲面的CAD/CAM过程。
3 结束语
在对小型碳纤维复合材料(CFRP)天线的研制中，往往次不能满足精度要求，需要一到两次的反复，这里面涉及许多的因素，但模具是其中很关键的一环。随着工程实践的增加，对于小型碳纤维复合材料天线，在进行模具设计时，要重点考虑模具的型面精度、选用合适的材料，并根据反射面的结构合理设计模具的各个细节。日前的小型CFRP天线棋具设计越来越合理，近一年来所有的小型CFRP天线均是在模具上一次制造就能达到精度要求。
关键词 成形模 CPRP天线 定位。
1 概述
随着空间技术和材料技术的发展，碳纤维复合材料(CFRP)在天线中的应用日益广泛。由于CFRP具有热膨胀系数小、强度和弹性模量高等特性，因此，用其制成的天线反射体不但重量轻，而且强度及尺寸精度稳定性都很高。日前CFRP天线在空间、机载、车载天线领域正得到越来越广泛的应用。在我所研制的多种 CFRP天线中，图1为两种典型的天线反射体结构，图1a为回转式椭圆切割天线面，图1b为偏置式长圆切割天线，均采用蜂窝夹层结构，口径在 ∮6OO~∮300mm，天线反射体及边界空间形状复杂，型面精度要求高。制造高精度CFRP天线对所需的成形模提出了较高的材质及型画精度要求，如何设计并制造出比较经济的高精度模具具有十分重要的意义。
2 模具设计及制造
2.1 模具设计
为了保证CFRP天线的成形精度，除了对天线本身进行结构强度、刚度、材料的铺层数和铺层角等优化设计外，模具设计成为成形过程控制的重要一环，不仅应确保模具的型面精度，而且还应对模具的强度、材料、蒙皮定位及制造等影响制件成形精度的各个环节进行分析和综合考虑，使设计出的模具满足天线在成形过程中的要求，终确保天线型面精度。
2.1.1 CFRP蜂窝夹芯天线的成形过程
2.1.2 模体材料的选择
由于CFRP天线需在热压罐中加温高压环境下成形，因此，成形过程中模具要承受从室温到150º左右的温度变化。模体材料的热膨胀和冷收缩必然会使制件产生一定的内应力。图3为回转式天线面模体在常温和高温的变形情况，图中δ为天线法线方向的变形量， δ随θ角的变化而变化，正是这种变化使制件型画产生了张口的趋势，从而影响天线的型面精度。不同的材料线膨胀系数不一样，如采用线膨胀系数高的材料就会产生大的变形，而采用低膨胀的殷瓦(INVAR)合金(20-200º下，其线膨胀系数α1小于)制造模具，材料成本又太高。综合分析计算并借鉴以往模具热变形的经验，采用了球墨铸铁(QT600-3)制造模具，其线膨胀系数α1(20~200º)约为。对于小口径天线面模尺而盲，其对制件型面精度影响很小，也可采用数据修模的办法解决变形对精度影响。而且球墨铸铁的加工性能良好，便于曲面的机加工成形。
2.1.3 模体加强筋的设计
为尽量减小模体在加工及使用过程中的结构变形，根据天线面的大小和拱高，兼顾模体的铸造工艺性，设计相应厚度、高度和合理结构形式的加强筋，来加强模具的强度是非常有必要的。根据以往的工作经验，我们总结出两种适应不同特点天线的模具加强筋形式，如图4a为“米”字形加强筋适用于回转式天线模体，图4b为 “井”宇形加强筋适用于偏置式天线模体。这样不但适应模体铸型曲面定位的需要，同时避免了由于模体强度不足使其在加工或使用过程中引起的型面变形有，终确保CFRP一线的型面精度。
2.1.4 模具定位工装的设计
按CPRF天线的成形过程，模体在前后蒙皮预成形、金属网而的预成形、以及终的天线整体组合共固化成形过程中，都使用模体曲面做为基准。各零件在成形后与模体的准确定位，可避免组合后零件的相互错位，减少天线整体共固化时的内应力。因此，在模体上设计精确的定位工装非常重要。主要考虑以下几个方向：
(1)前后蒙皮的定位工装。如图5a所示为回转式大线定位工装在各蒙皮预成型环节的使用情况。这种情况下，工装位于型面中心，比较容易实现。而对于偏置天线，由于受天线外型结构限制，不能在模体曲而上设计定位上装，而只能在天线的边界外设计相应的定位孔来满足要求。
(2)曲面边界的定位。由于天线电性能的要求使曲面的边界轮廓各不相同，尺寸精度要求不高但空间形状复杂。直接加工成形难度较大，而采用轮廓裁切的方法，即在模体上刻出天线边界轮廓线，复印在蒙皮制件曲面上，并按复印线裁切戍边界轮廓，这样既经济又适用，减轻了加工难度。
(3)整体的组合定位。组合定位要求不但对天线各零件定位，而且对大线的接口零件要进行定位。图5b所示是偏置CFRP天线整体成形叫的定位情况，设计时应综合考虑并保证制件的脱模方便。
2.1.5 模具其他功能性设计
封装在模具上的CFRP天线在热压罐内固化成形时，对材料所受的压力、温度等成形条件有一定的要求。
为对天线成形过程中成形环境进行监测，模体上还应设计相应的管路联接孔和测温孔等。联接孔的个数与天线的表面大小及抽真空设备的抽气速率等技术参数相关。模体上抽气管路的布局应使天线固化时各处所受的真空负压均匀一致。采用2x-8旋片真空泵对于小型天线制件抽真空时，设计抽真空联接孔2~4个和测温孔2 个，效果很好。另外便于模具的转运还应设计必要的吊装孔。
1模体 2CFRP反射体 3蒙皮定位盘 4中心件 5中心件定位盘 6加强筋 7连接件 8定位架 9管路连接孔 10吊装孔 11定位轴 12定位销 13螺栓 14曲面边界刻线 a----回转式天线定位工装 b----偏置CFRP天线整体成形定位工装
2.1.6 模具计算机辅助设计制造过程
设计出的模具不但应满足天线在成形过程中的使用，而且还应考虑其本身的制造工艺合理性，尽量减小模具的制造成本。对于复杂曲面的造型和加工，国内外 有许多先进的CAD/CAM应用软件，应用美国PTC公司Pro/E软件和相应高精度的三坐标或五坐标数控机床进行模体曲面的数控加工，使曲面的制造精度达到设计要求。图6为模体曲面的CAD/CAM过程。
3 结束语
在对小型碳纤维复合材料(CFRP)天线的研制中，往往次不能满足精度要求，需要一到两次的反复，这里面涉及许多的因素，但模具是其中很关键的一环。随着工程实践的增加，对于小型碳纤维复合材料天线，在进行模具设计时，要重点考虑模具的型面精度、选用合适的材料，并根据反射面的结构合理设计模具的各个细节。日前的小型CFRP天线棋具设计越来越合理，近一年来所有的小型CFRP天线均是在模具上一次制造就能达到精度要求。
