圓柱形復(fù)合材料螺旋單元成型工藝改進(jìn)

張靜

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.071

摘 要：針對采用傳統(tǒng)工藝方法成型的圓柱形復(fù)合材料螺旋單元存在的質(zhì)量問題進(jìn)行分析，通過一系列工藝改進(jìn)措施，解決了螺旋筒內(nèi)壁貧膠、螺旋線端頭過切、螺距尺寸超差、螺旋線表面起皺等問題，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：螺旋單元 圓柱形 復(fù)合材料

中圖分類號：V25 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0071-02

螺旋單元是由導(dǎo)電性良好的銅箔在低電介質(zhì)載體上繞制而成。根據(jù)介質(zhì)筒形狀的不同，螺旋單元可分為圓柱形螺旋單元、圓錐形螺旋單元、球面螺旋單元、半球面螺旋單元等。螺旋單元不僅可以實(shí)現(xiàn)寬波束圓極化，還具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、增益較高的優(yōu)點(diǎn)，因而在衛(wèi)星通信中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。為保證天線信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，設(shè)計(jì)對于螺旋單元的電性能有極高的要求，而螺旋單元介質(zhì)筒的外形尺寸及表面質(zhì)量、螺旋的螺距尺寸、位置精度對產(chǎn)品電性能都有很大影響。

復(fù)合材料螺旋單元是在玻璃纖維、芳綸纖維等低介電常數(shù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料支撐筒上使用膠膜或與介質(zhì)筒材料一致的預(yù)浸料粘接銅帶后成型的一類螺旋單元。由于復(fù)合材料基體本身優(yōu)異的力學(xué)性能、耐老化性能，以及較低的介電常數(shù)和線膨脹系數(shù)，復(fù)合材料螺旋單元在衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。

我國某型號衛(wèi)星天線螺旋單元是由銅箔在玻璃鋼支撐筒上繞制而成，支撐筒為圓柱形，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照設(shè)計(jì)圖紙要求，介質(zhì)筒使用玻璃纖維預(yù)浸布BMS8-79/120成型，0.3mm厚的銅箔使用與介質(zhì)筒材料一致的預(yù)浸料粘接。介質(zhì)筒要求表面平整，無皺褶、貧膠等缺陷，外形尺寸公差±0.1mm，螺距尺寸公差±0.05mm。

1 產(chǎn)品質(zhì)量問題分析

螺旋單元原成型工藝是采用真空袋/熱壓罐成型介質(zhì)筒，固化后數(shù)控加工介質(zhì)筒外形并刻出螺旋邊緣線，使用數(shù)控下料機(jī)裁剪螺旋銅帶，在銅帶上鋪貼一層預(yù)浸料，然后沿介質(zhì)筒上的邊緣線鋪放螺旋銅帶，制真空袋后在熱壓罐中進(jìn)行固化。

使用上述工藝方法成型后的螺旋單元存在較多的質(zhì)量問題：介質(zhì)筒內(nèi)壁存在多處貧膠、螺旋銅帶端頭局部存在過切、固化后螺旋銅帶表面存在皺褶、螺距精度無法滿足設(shè)計(jì)要求等。這些問題對產(chǎn)品電性能有較大影響，最終產(chǎn)品合格率僅有20%。

通過對介質(zhì)筒預(yù)浸料鋪貼過程進(jìn)行觀察分析，其內(nèi)壁貧膠現(xiàn)象主要是由于介質(zhì)筒結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體，采用傳統(tǒng)的真空袋/熱壓罐成型工藝，手工鋪貼預(yù)浸料后抽真空過程中，預(yù)浸料壓實(shí)后會出現(xiàn)較多皺褶，尤其是層數(shù)較多時(shí)皺褶現(xiàn)象更為嚴(yán)重，固化后在支撐筒內(nèi)壁上就會有多處貧膠缺陷。

螺旋銅帶是使用數(shù)控下料機(jī)下料，從節(jié)省用料和提高下料效率的角度考慮，下料程序編制時(shí)兩條螺旋線共用了一條切割邊，在螺旋線拐角處，下料刀存在過切現(xiàn)象，導(dǎo)致相鄰螺旋銅帶相應(yīng)位置會出現(xiàn)過切豁口。

固化后螺旋單元表面銅帶皺褶是由于在介質(zhì)筒上鋪放銅帶后，局部銅帶未壓緊，制袋抽真空過程中，銅帶壓實(shí)后就會出現(xiàn)皺褶。

2 工藝改進(jìn)措施

為改進(jìn)介質(zhì)筒內(nèi)壁貧膠問題，支撐筒成型采用兩次固化的方法。先在成型模上鋪貼3層預(yù)浸料，第一層要求搭接，搭接寬度13～25mm，其他鋪層要求對接，相鄰鋪層對接縫錯開至少25mm，每層鋪貼后要求進(jìn)行真空壓實(shí)。鋪貼完成后不制真空袋，使用可接觸的輔助材料——壓敏膠帶在外層纏繞一圈，如圖2所示，使用烘箱或熱壓罐進(jìn)行固化。固化后去除壓敏膠帶并對表面進(jìn)行打磨清理，再鋪貼剩余鋪層，同樣要求每層進(jìn)行真空壓實(shí)，纏繞壓敏膠帶后制軟袋子，在熱壓罐中進(jìn)行固化。成型后支撐筒外形按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行數(shù)控銑切，最終支撐筒內(nèi)外表面質(zhì)量及外形尺寸符合設(shè)計(jì)要求，背光檢查未發(fā)現(xiàn)脫粘或空腔等無損質(zhì)量問題。

上述成型工藝在其他的薄壁回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品上可以推廣。

針對螺旋端頭過切問題，優(yōu)化螺旋銅帶下料程序。下料前銅箔兩面鋪貼玻璃布，便于銅帶在下料機(jī)上的吸附。在綜合考慮了銅帶邊緣質(zhì)量以及材料使用率的情況下，對下料程序進(jìn)行優(yōu)化，排料時(shí)在兩條銅帶間留出5mm間隔。銅帶寬度、邊緣質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，無過切現(xiàn)象。

使用數(shù)控車床在支撐筒上加工出螺旋鋪貼線，操作人員按照鋪貼線從端頭開始鋪貼銅帶，鋪放的同時(shí)使用壓敏膠帶纏繞固定銅帶，固化后螺旋螺距及起止位置符合設(shè)計(jì)要求，螺旋線表面平整無皺褶。

上述改進(jìn)措施通過工藝試驗(yàn)件以及兩個批次共40件產(chǎn)品的驗(yàn)證，有效解決了螺旋單元表面褶皺、貧膠以及螺旋銅帶尺寸精度、螺距和螺旋位置精度難以滿足設(shè)計(jì)要求的問題，產(chǎn)品合格率由原來的20%一次性提高到96%。如圖3所示。

3 結(jié)論

（1）支撐筒成型采用兩次固化的方法。最終支撐筒內(nèi)外表面質(zhì)量及外形尺寸符合設(shè)計(jì)要求，背光檢查未發(fā)現(xiàn)脫粘或空腔等無損質(zhì)量問題。這種成型工藝在其他的薄壁回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)品上可以推廣。

（2）優(yōu)化螺旋銅帶下料程序。下料前銅箔兩面鋪貼玻璃布，便于銅帶在下料機(jī)上的吸附。同時(shí)綜合考慮銅帶邊緣質(zhì)量以及材料的使用率，排料時(shí)在兩條銅帶間留出5mm間隔。銅帶寬度、邊緣質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

（3）使用數(shù)控車床在支撐筒上加工出螺旋鋪貼線，操作人員按照鋪貼線鋪貼銅帶，同時(shí)使用壓敏膠帶纏繞固定，固化后螺旋螺距及起止位置符合設(shè)計(jì)要求。

通過成型工藝方法的改進(jìn)，產(chǎn)品合格率由原來的20% 一次性提高到96%。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊放，張朋，郭陳江，等.一種應(yīng)用于衛(wèi)星通訊地面站的新型單臂螺旋單元及其陣列的研究[J].電訊技術(shù)，2007，47（2）：23.endprint