CN105459296A - 一种高精度大型射电天线的轻量化模具及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度大型射电天线的轻量化模具及其制造方法。它由多块模具单元组成，模具单元包括模具型面和用于支撑模具型面的刚性结构，刚性结构采用钢架和多个钢隔板构成，模具型面采用型面方管层、玻璃钢层和树脂层构成，树脂层采用代木或可加工塑料糊制，通过机械加工实现模具单元的高精度型面，在树脂层的非天线区域喷涂胶衣实现模具的气密性，通过中心线定位和高精度调整实现模具拼接，采用树脂糊将模具单元间设置的密封槽填平，实现高精度大型射电天线的轻量化模具的制造。

Description

一种高精度大型射电天线的轻量化模具及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高精度大型射电天线的轻量化模具及其制造方法。
背景技术
射电天线通常布局在干旱少雨的干燥气候地区，耐温、耐候、热变形是电天线材料的主要挑战；同时为了扩宽射电天线的有效频段，一般需要加大射电天线的尺寸。上述两点给使用传统钢制结构的射电天线带来了一些难以解决的问题，如超重或精度变差等。
复合材料具备了射电望远镜天线所要求的高性能、低成本、高刚度、轻质量、热稳定性好、表面精度高等要求的全部性能。因此，用其制成的天线反射体及其模具，不但重量轻，而且强度及尺寸精度稳定性都很高。同时，采用衍架及类似于船舶的隔舱结构，与实体金属相比，在能够在提供相同的支撑面和承载能力的同时，极大地减轻模具的重量。将两者的优点结合使用，既是本发明的优势所在。
发明内容
本发明提供了一种质轻、高强度、高精度的用于大型射电天线的轻量化模具及其制造方法。
一种高精度大型射电天线的轻量化模具，由多个模具单元拼接构成，其特征在于：所述的模具单元包括模具型面和用于支撑模具型面的刚性结构，刚性结构包括钢架和多个钢隔板，多个钢隔板竖向固定在钢架的上表面并且多个钢隔板的上表面与对应的模具型面的轮廓相配。
其中，所述的模具型面包括自下至上依次设置的型面方管层、玻璃钢层和树脂层；型面方管层由多个依次紧密平铺的方管组成，型面方管层的下表面与多个钢隔板的上表面相固定，方管与钢隔板为相交设置。
其中，相邻模具单元的模具型面之间留有拼接缝，在拼接缝内填充有用于密封的树脂。
其中，所述的模具单元为四个，四个模具单元沿模具的长轴方向依次进行分段。
其中，所述的树脂为代木或可加工塑料。
一种高精度大型射电天线的轻量化模具的制造方法，其特征在于包括步骤：
①建立天线反射面复合材料模具曲面数学模型，根据曲面数学模型建立反射面单元模具模型；
②根据反射面单元模具模型设计模具刚性结构，包括钢架和多个钢隔板，确定钢隔板和钢架的外形尺寸，采用热轧钢板经机械加工工艺构成钢隔板，采用方钢通过焊接加工工艺构成钢架；
③将多个钢隔板竖向定位焊接固定钢架的上表面，使多个钢隔板的上表面与对应的模具型面轮廓相配，构成复合材料模具的刚性结构，焊接完成后将该刚性结构进行退火热处理；
④根据反射面单元模具模型设计模具型面层，包括自下至上依次设置型面钢管层、玻璃钢层和树脂层，型面方管层采用多个依次紧密平铺的方钢管组成，通过焊接工艺将型面方管层的下表面与钢格板的上表面连接在一起；
⑤在型面钢管层上表面，通过手糊工艺将玻璃纤维织物及树脂刷涂粘接在型面钢管层上，并按照相关工艺固化成型构成模具型面玻璃钢层；
⑥在玻璃钢层上表面，通过机械涂覆工艺在真空状态下将树脂层涂覆在玻璃钢层上表面，并按照相关工艺固化成型构成模具型面树脂层；
⑦根据反射面单元模具模型，对复合材料模具单元表面树脂层进行机械加工，通过机械加工制备出模具单元间密封槽，用树脂对模具型面树脂层表面的缺陷进行修补，加热固化后，进行机械精加工，完成后对模具树脂层非天线区域进行打磨处理并喷涂树脂胶衣层，构成模具密封区，实现大型天线反射面复合材料模具单元的制备。
⑧通过中心线定位实现模具拼接，并根据型面刻度线测量值，调整确定相邻模具间距，通过水准仪进行粗调平，然后采用激光跟踪仪测量设备进行精调，以实现大型轻量化模具的高精度，调整完成后，用定位销及螺栓将模具连接板固定后焊接在模具钢支架连接处，用树脂糊将模具单元间密封槽填平，实现高精度大型射电天线的轻量化模具的制造。
本发明与现有技术相比，所取得的有益效果为：
1.与传统金属模具相比，该轻量化模具结构设计相对简单，采用钢架和钢格板组合的方法，提供模具型面的支撑，保证了模具的整体刚度，而且使模具重量得到大幅度的降低，减小了模具因自重所引起的变形，有利于实现模具的制造精度。
2.与金属模具受设备尺寸限制，所加工的模具单元面积小，需多块拼接相比，该轻量化模具采用大型分块方案，减少了模具单元间的拼接装配，既减少了装配的累积误差，又降低了真空泄漏的几率，有利于实现模具的高精度和气密性。
3.该轻量化模具易于实现机械加工和批量制造，且成本较低，与传统模具相比，其加工速度快，研制周期短，有利于实现新产品的快速研发，能够对市场需求快速响应，有利于提高市场竞争力。
附图说明
图1是本发明模具的分区示意图。
图2是模具单元的局部剖面示意图。
图3是模具型面的局部放大示意图。
图中，1为模具型面，2为刚性结构，3为钢隔板、4为钢架、5为方管层、6为玻璃钢层、7为树脂层。
具体实施方式
下面，结合图1-图3，对本发明作进一步说明。
一种高精度大型射电天线的轻量化模具，由多个模具单元拼接构成，其特征在于：所述的模具单元包括模具型面1和用于支撑模具型面的刚性结构2，刚性结构2包括钢架4和多个钢隔板3，多个钢隔板3竖向固定在钢架4的上表面并且多个钢隔板3的上表面与对应的模具型面1的轮廓相配。
其中，所述的模具型面1包括自下至上依次设置的型面方管层5、玻璃钢层6和树脂层7；型面方管层5由多个依次紧密平铺的方管组成，型面方管层5的下表面与多个钢隔板3的上表面相固定，方管与钢隔板3为相交设置。
其中，相邻模具单元的模具型面1之间留有拼接缝，在拼接缝内填充有用于密封的树脂。
其中，所述的模具单元为四个，四个模具单元沿模具的长轴方向依次进行分段。
其中，所述的树脂为代木或可加工塑料。
一种高精度大型射电天线的轻量化模具的制造方法，其特征在于包括步骤：
(1)建立天线反射面复合材料模具曲面数学模型。模具单元曲面一般为整个模具的一个单元，一般分解为多种的、较小的模具单元，根据曲面数学模型建立反射面单元模具模型。实施例将整个模具分解为4个模具单元，如图1。
(2)根据反射面单元模具模型设计模具刚性结构2，包括钢架4和多个钢隔板3，确定钢隔板3和钢架4的外形尺寸。实施例采用热轧钢板经机械加工工艺构成钢隔板，采用方钢通过焊接加工工艺构成钢架，如图2；
(3)将多个钢隔板3竖向定位焊接固定钢架4的上表面，使多个钢隔板3的上表面与对应的模具型面1轮廓相配，构成复合材料模具的刚性结构2，焊接完成后将该刚性结构2进行退火热处理。实施例中钢架的主梁、立柱采用100mm×100mm×5mm的方钢焊接，斜撑采用60mm×60mm×4mm的方钢焊接；钢隔板为6mm热轧钢板，按照型面以每隔500mm为一横截面，并由顶部向下预留出玻璃钢与代木的厚度，通过数模进行精确的加工，并同样以500mm的间距依序焊接在衍架上。每个区段均由15-16个地脚板，通过调整螺栓来调节钢架的水平。钢架焊接完成后进行退火热处理，以消除焊接过程产生的内应力。
(4)根据反射面单元模具模型设计模具型面层1，包括自下至上依次设置型面钢管层5、玻璃钢层6和树脂层7，型面方管层5采用多个依次紧密平铺的方钢管组成，通过焊接工艺将型面方管层5的下表面与钢格板3的上表面连接在一起。实施例采用型面方管尺寸为为20mm×20mm×1.5mm，通过折弯机器折弯后，密集排列并焊接在钢隔板阵列所提供的型面上。
(5)在型面钢管层5上表面，通过手糊工艺将玻璃纤维织物及树脂刷涂粘接在型面钢管层5上，并按照相关工艺固化成型构成模具型面玻璃钢层6。实施例中，对型面上的方管进行除锈、去油污处理。之后用白炭黑填补型面方管之间的排列间隙，可以限制玻璃钢层的树脂不会沿着间隙流出，同时可以提高玻璃钢层对小方管的粘接性能。糊制玻璃钢层时，通过控制玻璃钢的铺层数来控制玻璃钢层的厚度，以达到相关的技术要求，完成后进行相应的后固化处理。
(6)在玻璃钢层6上表面，通过机械涂覆工艺在真空状态下将树脂层涂覆在玻璃钢层6上表面，并按照相关工艺固化成型构成模具型面树脂层7。实施例中，在玻璃钢层表面先涂一层白炭黑，以增强代木或可加工塑料与玻璃钢表层的粘接强度。将代木树脂或可加工塑料与固化剂按照要求的配比倒入搅拌机中搅拌，待颜色均匀确定其充分混合后，放入挤压机中在真空状态下滚压出一定厚度的铺层，铺设在玻璃钢表面。代木或可加工塑料铺设时应有5mm的搭接，以避免出现空洞，同时搭接处应拍实、平整。完成后，进行相应的后固化处理。
(7)根据反射面单元模具模型，对复合材料模具单元表面树脂层7进行机械加工，通过机械加工制备出模具单元间密封槽，用树脂对模具型面树脂层表面的缺陷进行修补，加热固化后，进行机械精加工，完成后对模具树脂层非天线区域进行打磨处理并喷涂树脂胶衣层，构成模具密封区，实现大型天线反射面复合材料模具单元的制备。实施例采用5轴数控机床对模具单元进行两次加工，第一次为粗加工，将模具单元整体型面进行快速加工，加工完成后，对加工缺陷采用快速代木材料进行修补，并加热固化；固化完成后进行第二次精加工，直接将模具表面加工至设计要求，加工完毕后，用白炭黑、原子灰修补型面上的微小空洞，进行打磨处理，将树脂层的非天线区域喷涂树脂和高光胶衣实现模具的密封性能，完成高精度大型射电天线的轻量化模具单元的制造。
(8)通过中心线定位实现模具拼接，并根据型面刻度线测量值，调整确定相邻模具间距，通过水准仪进行粗调平，然后采用激光跟踪仪测量设备进行精调，以实现大型轻量化模具的高精度，调整完成后，用定位销及螺栓将模具连接板固定后焊接在模具钢支架连接处，用树脂糊将模具单元间密封槽填平，实现高精度大型射电天线的轻量化模具的制造。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种高精度大型射电天线的轻量化模具，由多个模具单元拼接构成，其特征在于：所述的模具单元包括模具型面(1)和用于支撑模具型面的刚性结构(2)，刚性结构(2)包括钢架(4)和多个钢隔板(3)，多个钢隔板(3)竖向固定在钢架(4)的上表面并且多个钢隔板(3)的上表面与对应的模具型面(1)的轮廓相配。
2.根据要求1所述的一种用于高精度大型射电天线的轻量化模具，其特征在于：所述的模具型面(1)包括自下至上依次设置的型面方管层(5)、玻璃钢层(6)和树脂层(7)；型面方管层(5)由多个依次紧密平铺的方管组成，型面方管层(5)的下表面与多个钢隔板(3)的上表面相固定，方管与钢隔板(3)为相交设置。
3.根据要求2所述的一种用于高精度大型射电天线的轻量化模具，其特征在于：相邻模具单元的模具型面之间留有拼接缝，在拼接缝内填充有用于密封的树脂。
4.根据要求1或2所述的一种用于高精度大型射电天线的轻量化模具，其特征在于：所述的模具单元为四个，四个模具单元沿模具的长轴方向依次进行分段。
5.根据要求4所述的一种用于高精度大型射电天线的轻量化模具，其特征在于：所述的树脂为代木或可加工塑料。
6.一种高精度大型射电天线的轻量化模具的制造方法，其特征在于包括步骤：
①建立天线反射面复合材料模具曲面数学模型，根据曲面数学模型建立反射面单元模具模型；
②根据反射面单元模具模型设计模具刚性结构(2)，包括钢架(4)和多个钢隔板(3)，确定钢隔板(3)和钢架(4)的外形尺寸，采用热轧钢板经机械加工工艺构成钢隔板(3)，采用方钢通过焊接加工工艺构成钢架(4)；
③将多个钢隔板(3)竖向定位焊接固定钢架(4)的上表面，使多个钢隔板(3)的上表面与对应的模具型面(1)轮廓相配，构成复合材料模具的刚性结构(2)，焊接完成后将该刚性结构进行退火热处理；
④根据反射面单元模具模型设计模具型面层(1)，包括自下至上依次设置型面钢管层(5)、玻璃钢层(6)和树脂层(7)，型面方管层(5)采用多个依次紧密平铺的方钢管组成，通过焊接工艺将型面方管层(5)的下表面与钢格板(3)的上表面连接在一起；
⑤在型面钢管层(5)上表面，通过手糊工艺将玻璃纤维织物及树脂刷涂粘接在型面钢管层(5)上，并按照相关工艺固化成型构成模具型面玻璃钢层(6)；
⑥在玻璃钢层(6)上表面，通过机械涂覆工艺在真空状态下将树脂层涂覆在玻璃钢层(6)上表面，并按照相关工艺固化成型构成模具型面树脂层(7)；
⑦根据反射面单元模具模型，对复合材料模具单元表面树脂层(7)进行机械加工，通过机械加工制备出模具单元间密封槽，用树脂对模具型面树脂层表面的缺陷进行修补，加热固化后，进行机械精加工，完成后对模具树脂层非天线区域进行打磨处理并喷涂树脂胶衣层，构成模具密封区，实现大型天线反射面复合材料模具单元的制备。
⑧通过中心线定位实现模具拼接，并根据型面刻度线测量值，调整确定相邻模具间距，通过水准仪进行粗调平，然后采用激光跟踪仪测量设备进行精调，以实现大型轻量化模具的高精度，调整完成后，用定位销及螺栓将模具连接板固定后焊接在模具钢支架连接处，用树脂糊将模具单元间密封槽填平，实现高精度大型射电天线的轻量化模具的制造。
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