CN110666448A - 一种小口径大曲率超精密天线面板成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小口径大曲率超精密天线面板的成形方法，所述面板为夹层结构，包括工作板、背板以及置于工作板和背板之间的蜂窝芯，所述方法包括步骤：建立工作板的理论型面；设计制作渐进成形模具；渐进成形工作板和背板；成形蜂窝夹层结构天线面板；超精密加工天线面板。本发明将渐进成形与超精密加工相结合，使超精密天线面板反射面的型面误差RMS达到20μm以内，以达到太赫兹波段内工作的紧缩场反射面板精度要求，同时实现小口径大曲率天线面板轻质、超精密、低成本、好维护的制造目标。

Description

一种小口径大曲率超精密天线面板成形方法

技术领域

本发明属于金属板料成形技术领域，特别涉及一种小口径大曲率超精密天线面板成形方法，尤其是可以满足在太赫兹波段内工作的紧缩场反射天线面板的精度要求。

背景技术

近年来，随着星际通讯、全天候导航、深空探测等技术的发展，各种航天器的工作频率逐渐提高，紧缩场测量系统的工作频率也随之提高。从七十年代紧缩场技术刚刚问世到如今，紧缩场测量工作频率已经从几G赫兹达到了几十G赫兹、甚至T赫兹的工作频率范围。紧缩场测量技术正向着测试频率更高、系统尺寸更小、性能更高的趋势发展。随着紧缩场工作频率的提高，紧缩场反射面的精度也必须提高。紧缩场反射面实际和理论型面之间的型面误差(均方根偏差，RMS)为最小工作波长的1/100-1/60，太赫兹波段内工作的紧缩场反射面的型面误差RMS需要在20μm以下，这大大增加了其制造难度和成本，为天线面板的超精密制造提出了新的挑战。因此，为建造高性能反射面紧缩场，实现更高频率电磁波的测量，发展小口径、大曲率超精密反射面板制造技术刻不容缓。

目前国内已有相关天线面板的成形方法。中国专利CN102569984A公开了一种大曲率高精度天线面板的复合成形方法，其中天线面板具体包括三层预拉成形的铝板、两层蜂窝和若干预埋件，通过在柔性多点模上逐层铺设，采用真空袋形成负压，待胶固化后形成天线面板，最终成形的面板型面误差RMS值为30～40μm，为解决较大曲率蜂窝夹层结构面板的高精度成形提供了有效方案。然而，该方法对于工作频率在太赫兹波段内的紧缩场反射面板而言，其贴模难度显著增加，即使大量开缝也已经达到了可成形精度的极限，即，最终成形的面板型面误差RMS值为30～40μm，无法满足高精度面板日益增长的精度要求。

中国专利CN101673880A公开了一种铝蒙皮蜂窝夹层结构天线反射面的制造方法，该发明采用高精度的包络模具实现内外蒙皮的拉伸成形，消除了蒙皮由平面变为不可展开的抛物面或双曲面而产生的内应力和回弹应力，然后通过密封和真空装置施加负压，并通过胶结把蒙皮和蜂窝固化成型为一个整体，释放真空负压后形成高精度蜂窝夹层天线面板。但该方法由于采用高精度的包络模具对蒙皮进行拉伸，模具精度要求高，制作困难，在大曲率的蒙皮拉伸成形过程中易起皱，且固化后的天线面板没有后续加工，面板型面精度无法满足太赫兹波段内的紧缩场反射面板要求。

中国专利CN104103908B公开了一种小型天线反射面的冲压胶粘复合成型方法，该发明通过冲压工艺成型天线反射面，在面板四周开槽用于释放面板内部应力，面板放置于模具之上利用真空装置负压吸附使之与模具曲面完全贴合，胶粘天线背筋框架最终固化成形高精度天线反射面。但该方法中铝板预成形方法为冲压成形，对模具精度要求高、制造工艺复杂、周期长、成本高，对于小批量生产受到限制。且固化后的天线面板没有后续加工，型面精度无法满足太赫兹波段内的紧缩场反射面板要求。

因此，传统的“负压成形”技术已经无法满足高精度面板日益增长的精度要求。

发明内容

为此，本发明提出了一种将渐进成形与曲面超精密加工相结合的蜂窝夹层结构面板组合制造技术，常见的曲面超精密加工主要有超精密磨削、超精密抛光、超精密铣削等，使超精密天线面板反射面的型面误差RMS达到20μm以内，以达到太赫兹波段内工作的紧缩场反射面板精度要求，同时实现小口径大曲率天线面板轻质、超精密、低成本、好维护的制造目标。

本发明提供了一种小口径大曲率超精密天线面板的成形方法，所述小口径大曲率超精密天线面板为蜂窝夹层结构，包括工作板、背板以及置于所述工作板和所述背板之间的蜂窝芯，所述成形方法包括如下步骤：

S1：在YOZ设计坐标系下，根据曲线方程或抛物线焦点坐标绘制所述工作板的理论曲线，以所述理论曲线为母线绕Z轴旋转360度形成旋转曲面；在XY平面上，绘制所述工作板的结构边框并将其沿Z轴方向拉伸，与所形成的旋转曲面相交，得到所述工作板的理论型面；

S2：根据所述步骤S1中得到的所述工作板的理论型面并在所述工作板的理论型面的边缘设计余量，确定渐进成形模具的型面；根据所确定的渐进成形模具的型面以及渐进成形加工台的结构，设计加工所述渐进成形模具；

S3:将两块铝板分别置于所述渐进成形模具的型面上，进行渐进成形加工，成形加工结束后对成形后的铝板进行留余量的粗切边加工，得到所述工作板和所述背板；

S4：将所述工作板、所述蜂窝芯和所述背板依次铺放在所述渐进成形模具的型面上，并在所述工作板与所述蜂窝芯之间以及所述蜂窝芯和所述背板之间涂上粘合剂，同时在所述背板上施加压力，使所述工作板与所述渐进成形模具表面完全贴合，待粘合剂固化后得到蜂窝夹层结构面板；

S5：对步骤S4中得到的所述蜂窝夹层结构面板进行超精密加工，然后进行封边工艺，最终得到所述小口径大曲率超精密天线面板。

在一些实施方式中，在步骤S2中，在所述渐进成形模具的型面下设置底座，所述底座上设置有与所述渐进成形加工台配合的定位孔和安装孔。

在一些实施方式中，其特征在于，在步骤S3中完成粗切边加工和在步骤S5中完成超精密加工后，分别对所述工作板和所述背板的型面进行精度检测。

在一些实施方式中，在步骤S3中，对成形后的铝板进行粗切边加工，留约20mm的余量。

在一些实施方式中，在步骤S4中，在所述背板上设置垫板并在所述垫板上放置重物，使所述工作板与所述渐进成形模具表面完全贴合。

在一些实施方式中，在步骤S5中，对步骤S4中得到的所述蜂窝夹层结构面板进行超精密加工具体包括：将所述蜂窝夹层结构面板在超精密机床上定位和对刀，然后利用刀具对所述蜂窝夹层结构面板进行2～3次粗加工和1次精加工，

所述定位包括根据所述蜂窝夹层结构面板的整体三维模型的准确数模，对机床装夹系统进行精密调形，形成与所述蜂窝夹层结构面板的外形匹配的支撑面，实现所述蜂窝夹层结构面板的充分定位，

其中，所述蜂窝夹层结构面板的整体三维模型的建立包括：首先，以所述工作板的理论型面为基准，沿其法线方向向下偏移距离a，a表示工作板的厚度，得到所述工作板的下表面；其次，以所述工作板的理论型面为基准，沿其法线方向向下偏移a+b，b表示所述蜂窝芯的厚度，得到所述蜂窝芯的下表面；最后，以所述工作板的理论型面为基准，沿其法线方向向下偏移a+b+c，c表示所述背板的厚度，得到所述背板的下表面，最终建立所述面板的整体三维模型。

在一些实施方式中，最终得到的所述小口径大曲率超精密天线面板的工作板反射面的型面误差在20μm以内。

在一些实施方式中，可以利用木材加工制作木质的渐进成形模具。

本发明的有益效果：

1)渐进成形具有成形效率高、表面质量好、回弹小、成形过程可控等优点，在预成形阶段，用渐进成形代替拉伸成形，可得到曲率更大、回弹小、过程可控和后续贴模情况更好的铝板。

2)采用超精密加工技术可以降低面板的表面粗糙度，获得高型面精度和表面完整性的面板。

3)采用渐进成形木质模具，加工成本低。

4)采用计算机完成三维造型、工艺规划、成形过程模拟以及成形过程控制，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明实施例的小口径大曲率超精密天线面板的整体三维模型；

图2为本发明实施例的渐进成形模具的三维模型；

图3为本发明实施例的工作板和背板渐进成形示意图；

图4为本发明实施例的小口径大曲率超精密天线面板的成形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明实施例提供了一种小口径大曲率超精密天线面板的成形方法，其中，该小口径大曲率超精密天线面板为蜂窝夹层结构，包括工作板11、背板13以及置于工作板11和背板13之间的蜂窝芯12，如图1所示。应该理解，太赫兹紧缩场反射面实体面积不足1平米，但其曲率很大，突破大曲率、小口径、高精度反射面板超精密制造相关技术，对研制工作频率高、静区小的太赫兹紧缩场系统具有重要的现实意义。

具体地，本发明实施例的小口径大曲率超精密天线面板的成形方法包括如下步骤：

S1：建立工作板11的理论型面

在YOZ设计坐标系下，根据曲线方程或抛物线焦点坐标绘制工作板11的理论曲线，以该理论曲线为母线绕Z轴旋转360度形成旋转曲面；在XY平面上，绘制工作板11的结构边框(例如四边形边框)并将其沿Z轴方向拉伸，与所形成的旋转曲面相交，得到工作板11的理论型面。

利用三维建模软件，基于所得到的工作板11的理论型面，得到天线面板的整体三维模型，以应用于后续超精密加工。具体地，首先，以工作板11的理论型面为基准，沿其法线方向向下偏移距离a(a表示工作板的厚度，例如3mm)，得到工作板11的下表面，该面也是蜂窝芯12的上表面；其次，以工作板11的理论型面为基准，沿其法线方向向下偏移a+b(b表示蜂窝芯的厚度，例如50mm),得到蜂窝芯12的下表面，该面也是背板13的上表面；最后，以工作板11的理论型面为基准，沿其法线方向向下偏移a+b+c(c表示背板的厚度，例如1.5mm),得到背板13的下表面。

S2：设计制作渐进成形模具

采用渐进成形方式预成形工作板11和背板13，为保证成形精度，首先进行渐进成形模具的设计。具体地，包括：根据工作板11的理论型面并在该理论型面的边缘增加一定余量，设计渐进成形模具的成形型面21；基于该成形型面21对模具进行结构设计，如图2所示实例中所形成的渐进成形模具，包括具有厚度的模具部分及底座部分，其中，模具部分包括成形型面21以及与底座部分固定贴合的底面(未示出)，该底面延伸超过成形型面21，使得连接两者的侧面22与底面成角度，例如约15度；根据渐进成形机床模具定位孔和安装孔的位置，在模具的底座上设置定位孔23和螺纹安装孔24(如图2所示)，完成渐进成形模具设计。同时在CAM系统中进行零件数控轨迹设计和模具加工轨迹设计。特别地，可以利用木材加工制作木质的渐进成形模具，以减少加工成本。

S3:渐进成形工作板11和背板13

如图3所示，将设计制作的渐进成形模具安装在渐进成形机床工作台31上，将待成形铝板夹持在气动压边圈32上，完成板料的定位、夹紧，使用碾压工具头33，对待成形铝板进行渐进成形加工。气动压边圈31在成形过程中可沿导柱34上下移动，成形结束后卸下铝板，之后对成形后的铝板进行粗切边，留大约20mm余量，并检测铝板精度，得到渐进成形后的工作板。之后，以同样的方法得到渐进成形后的背板。

S4：成形蜂窝夹层结构天线面板

将渐进成形模具从机床工作台上取下，放在工作台上并固定好，将工作板11、蜂窝芯12和背板13依次铺放在渐进成形模具的成形型面21上，并在工作板11与蜂窝芯12之间以及蜂窝芯12和背板13之间涂上粘合剂，在背板13上铺放垫板35，压上重物36使工作板11与模具型面21完全贴合，如图4所示，待粘合剂固化后得到蜂窝夹层结构面板；

S5：超精密加工天线面板

将成形后的蜂窝夹层结构天线面板安装在精密机床的装夹系统上，根据成形后夹层结构面板的准确数模，对机床装夹系统进行精密调形，形成与加工面板外形匹配的支撑面，实现大曲率夹层结构面板的充分定位。然后将面板夹紧，使施加的夹紧力大于面板的加工力，以实现夹层结构天线面板超精密加工时充分定位与稳定约束；之后对夹层结构面板进行超精密加工对刀，定位后的所述面板与其理论模型处于不同的坐标系下，由于面板所处的机床坐标系无法修改，因此，必须根据面板在机床的实际位置来调整面板整体三维模型的位置，把被加工面板与其数模对应起来，从而进一步确定超精密加工编程原点的位置；利用刀具对夹层结构面板的工作板进行2-3次粗加工和1次精加工，粗加工是为了得到与理论型面尽可能一致的型面，精加工可进一步提高面板表面质量。

最后，对加工后得到的超精密蜂窝夹层结构天线面板精度进行检测，然后进行封边工艺，最终获得小口径大曲率超精密蜂窝夹层结构天线面板。

本发明主要用于天线面板的超精密成形，尤其是对于太赫兹紧缩场反射面板成形。当前紧缩场技术是电磁波测量最有效的方法，其中高精度反射面的设计制造是建造紧缩场的基础，其型面精度和稳定性会直接影响被测天线的增益。本发明提出的将夹层结构高精度面板渐进成形与超精密加工相结合的组合制造技术，可为解决大曲率高精度面板的超精密制造提供新方法，对提升高性能紧缩场测试系统的制造能力及其反射面板的型面精度水平具有十分重要的现实意义。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，例如成形加工具有多层蜂窝芯的小口径大曲率超精密蜂窝夹层结构天线面板，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种小口径大曲率超精密天线面板的成形方法，所述小口径大曲率超精密天线面板为蜂窝夹层结构，包括工作板、背板以及置于所述工作板和所述背板之间的蜂窝芯，其特征在于，所述成形方法包括如下步骤：

S1：在YOZ设计坐标系下，根据曲线方程或抛物线焦点坐标绘制所述工作板的理论曲线，以所述理论曲线为母线绕Z轴旋转360度形成旋转曲面；在XY平面上，绘制所述工作板的结构边框并将其沿Z轴方向拉伸，与所形成的旋转曲面相交，得到所述工作板的理论型面；

S2：根据所述步骤S1中得到的所述工作板的理论型面并在所述工作板的理论型面的边缘设计余量，确定渐进成形模具的型面；根据所确定的渐进成形模具的型面以及渐进成形加工台的结构，设计制作所述渐进成形模具；

S3:将两块铝板分别置于所述渐进成形模具的型面上，进行渐进成形加工，成形加工结束后对成形后的铝板进行留余量的粗切边加工，得到所述工作板和所述背板；

S4：将所述工作板、所述蜂窝芯和所述背板依次铺放在所述渐进成形模具的型面上，并在所述工作板与所述蜂窝芯之间以及所述蜂窝芯和所述背板之间涂上粘合剂，同时在所述背板上施加压力，使所述工作板与所述渐进成形模具表面完全贴合，待粘合剂固化后得到蜂窝夹层结构面板；

S5：对步骤S4中得到的所述蜂窝夹层结构面板进行超精密加工，然后进行封边工艺，最终得到所述小口径大曲率超精密天线面板。

2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，在步骤S2中，在所述渐进成形模具的型面下设置底座，所述底座上设置有与所述渐进成形加工台配合的定位孔和安装孔。

3.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于，在步骤S3中完成粗切边加工和在步骤S5中完成超精密加工后，分别对所述工作板和所述背板的型面进行精度检测。

4.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于，在步骤S3中，对成形后的铝板进行粗切边加工，留约20mm的余量。

5.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于，在步骤S4中，在所述背板上设置垫板并在所述垫板上放置重物，使所述工作板与所述渐进成形模具表面完全贴合。

6.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于，在步骤S5中，对步骤S4中得到的所述蜂窝夹层结构面板进行超精密加工具体包括：将所述蜂窝夹层结构面板在超精密机床上定位和对刀，然后利用刀具对所述蜂窝夹层结构面板进行2～3次粗加工和1次精加工，

所述定位包括根据所述蜂窝夹层结构面板的整体三维模型的准确数模，对机床装夹系统进行精密调形，形成与所述蜂窝夹层结构面板的外形匹配的支撑面，实现所述蜂窝夹层结构面板的充分定位，

其中，所述蜂窝夹层结构面板的整体三维模型的建立包括：首先，以所述工作板的理论型面为基准，沿其法线方向向下偏移距离a，a表示工作板的厚度，得到所述工作板的下表面；其次，以所述工作板的理论型面为基准，沿其法线方向向下偏移a+b，b表示所述蜂窝芯的厚度，得到所述蜂窝芯的下表面；最后，以所述工作板的理论型面为基准，沿其法线方向向下偏移a+b+c，c表示所述背板的厚度，得到所述背板的下表面，最终建立所述蜂窝夹层结构面板的整体三维模型。

7.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于，最终得到的所述小口径大曲率超精密天线面板的工作板反射面的型面误差在20μm以内。

8.根据权利要求1或2所述的成形方法，其特征在于，利用木材加工制作木质的渐进成形模具。

Images