CN116345180A - 一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺 - Google Patents

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CN116345180A CN202310248305.3A CN202310248305A CN116345180A CN 116345180 A CN116345180 A CN 116345180A CN 202310248305 A CN202310248305 A CN 202310248305A CN 116345180 A CN116345180 A CN 116345180A
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Abstract

本发明公开了一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，包括：首先设计三维正交拼接框架模具；其次完成工作面板、背板、封边条的分块开缝等设计并展开下料图；再次按照“分块边界‑定位孔‑标志点‑应力缝”顺序进行切割下料，确保下料形状和位置精度满足±0.1mm；接着完成框架模具的拼装及精度调整，使得框架面型面精度优于0.040mm；然后通过定位、铺层、涂胶后进行面板的负压成形及固化；最后粘接封边条、填充应力缝隙并抛光后，进行表面喷涂。本发明能实现10m2以上超大型复杂面板成形，典型型面RMS精度优于0.045mm。本发明适用于小批量复杂曲面高精度超大尺寸反射面板的制造。

Description

一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺
技术领域
本发明属于反射面天线制造领域，具体涉及一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，特别适用于超大尺寸高精度复杂曲面(包括非解析曲面)的成形要求，尤其适用于高精度反射面天线的小批量定制。
背景技术
高精度反射面板是微波通信、雷达、隐身领域的核心部件，常应用于大口径通信天线、射电望远镜和紧缩测试场等领域。针对超大尺寸、超宽频带、复杂极端工况环境等测试需求，需提高反射面口径利用率进而降低技术风险和生产成本，因此高精度面板工程难度日益增加，进而对高精度复杂面板设计和制造提出更高的要求和挑战。
目前常用面板制造和成形主要有：蒙皮与骨架胶铆成形、实体模具拉压成形、精密机械加工、非金属复合基材机加后表面金属化处理、夹层板柔性模负压成形等工艺。根据申请人在大量的研究与实践了解，现有技术中主要存在以下不足：1)传统蒙皮与骨架铆接成形工艺简单成本低，但是不满足高精度(型面精度优于10-2mm)应用场景；2)实体模具拉压成形精度能达到亚毫米级，针对小批量定制化需求模具成本极高；3)机械加工精度高，但是加工周期长、加工成本高；4)复合材料机加后表面金属化处理，要求专用工艺设备，生产周期长、工序复杂且造价高；5)夹层板柔性模负压成形工艺成熟，但是不能满足局部凹凸过渡变化的复杂型面(含非解析曲面)成形的精度要求，同时多层粘胶夹层结构成型脱模后存在内部应力和回弹现象，特别是在高温工况下胶层软化导致面板产生不可恢复的变形，夹层板结构高温环境适应性较差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，实现复杂型面面板所要求的大尺寸、曲面复杂非解析、高精度、环境适应性好等技术目标。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，适用于包括非解析曲面的大尺寸复杂曲面、10-2mm级精度要求的面板成形，所述高精度拼装框架模具蒙皮负压复合面板包括框架模具、工作面板、背板、封边条，在高精度真空负压基准平台上通过室温固化黏胶剂粘接成形，包括如下步骤：
步骤一：进行三维正交框架模具设计；
步骤二：进行面板分块及各板料下料设计；
步骤三：进行下料切割：首先按照“外边框-定位孔-安装孔-应力缝隙”的顺序采用激光切割机进行切割，切割形状和位置精度误差均要求≤0.1mm；
步骤四：进行框架模具拼装及精度调整；
步骤五：进行面板负压压膜及自然固化；
步骤六：进行封边及面板表面处理。
进一步地，所述步骤一包括：
1.1)在靠近背板方向作与待成形面板工作曲面的几何中心点处的法向垂直，且与待成形面板的几何中心点的距离为选定框架模型厚度的平面为成形基准面；
1.2)根据工作面板厚度计算待成形面板工作曲面的等距面，得到框架模具面；
1.3)取框架模具面的边界，沿基准面法向拉伸至成形基准面获得边界拉伸面；取边界拉伸面与成形基准面的交集得基准截面；接合框架模具面、边界拉伸面以及基准截面获得封闭的面板三维包络边界；
1.4)根据选定好的框模间距、框模筋条厚度，在成形基准平面上分别绘制横向和纵向框架筋条中心线位置草图，确保中心线位置草图投影覆盖区域大于面板三维包络面在基准面的投影范围大小，其中框模筋条厚度在3mm以上；
1.5)中心线位置草图沿成形基准面法向拉伸形成肋阵列，以三维包络边界作为分割边界，分割肋阵列留取内部部分得到框架模具整体数模；
1.6)完成纵横筋条拼接处止口、角件安装孔位、调整结构安装接口、工作面板定位孔柱销等设计；
1.7)取各个筋条中间截面投影生成筋条下料图。
进一步地，所述步骤二包括：
2.1)在工作面板分块及下料设计正中，首先按照保证中心区精度原则根据材料及加工能力大小进行工作面板分块确定分块位置，分块缝隙总宽度按照缝厚比0.3确定，分块缝隙全部开通；其次通过有限元模拟确定应力缝隙位置及长度，应力缝隙宽度按照缝厚比0.2确定，分块后的单块面板整体不断开，应力缝隙上每400mm长度内至少保留不＜2mm的连接区；接着按照工作状态变形最小优化确定工作面板标志点位置，预留φ0.1mm圆形孔；之后根据筋条上工作面板定位孔位柱销位置确定工作面板上定位方形孔，其孔径比筋条上的定位孔位柱销单边大0.1mm～0.2mm；再次通过曲面展开生成工作面板展开面；然后在展开面上确定以预留φ0.1mm圆形孔展开图形的中心为圆心开出φ1.0mm的标志孔位置；最后通过曲面展开生成工作面板下料图；
2.2)在背板分块及下料设计中，首先基准截面边缘内缩10mm后，在保证刚度条件下根据材料大小进行背板分块，其中要求背板分割线与面板分割线避免重合，正交交错，开缝方法与步骤2.1)相同；其次按照工作状态变形最小优化确定工作面板标志点在背板上的投影位置预留调整机构安装接口位置；最后通过曲面展开生成背板下料图；
2.3)封边条下料设计：首先截取拉伸边界面朝工作面板方向偏离成形基准面2mm以上部分为封边条曲面；其次通过曲面展开封边条曲面生成封边条展开图；最后根据材料长度及边缘结构分割封边条展开图形成封边条下料图。
进一步地，所述步骤四包括：首先在0级及以上成形平台上，将各筋条按照设计的位置通过螺栓和角件进行粗拼装；其次采用激光跟踪仪或关节臂对粗拼装后的框架筋条上端面进行测量并与理论框架面进行对比，根据误差分布通过调整角件螺栓、局部毛刺去除抛光、筋条底部垫薄垫片对框架模精度进行反复调整，直至框架型面RMS精度小于0.040mm；精度调整到位后逐个检查锁紧角件连接螺栓，要求每个螺栓均打好螺纹胶用以防松。
进一步地，所述步骤五包括：首先将工作面板、背板粘胶面打毛后，采用95％以上工业酒精清洁并热风干燥；其次将工作面板、背板与框架模具筋条表面接触部分满涂黏胶剂；接着在大理石成形平台上逐层铺设并定位背板、框架模具、工作面板、垫板；接着根据型面贴膜应力分析选择合适的负压压力采用真空罩进行负压成形，负压贴膜时间2～4小时；最后是面板的常温自然固化，固化时间满足大于黏胶剂70％固化程度时间。
进一步地，所述步骤六包括：首先采用金属修补剂将封边条与工作面板、背板进行粘胶密封；其次采用金属导电修补剂填充应力缝隙处后采用800目以上砂纸抛光片或羊毛轮进行抛光；之后对反射面整体进行喷涂，使得底漆和面漆的喷涂均匀且厚度均小于0.02mm，其中工作面采用透波率>97％以上的透波漆；最后对喷涂好反射面进行精度复测，最终型面RMS精度典型值小于0.045mm。
进一步地，由相互正交的横纵两种筋条通过角件由螺纹连接而成。
进一步地，采用筋条的中心线投影作为筋条的下料图，保证框架模具的精度。
进一步地，采用激光跟踪仪实时测量并调整能修正下料切割误差，提高框架模具的精度。
进一步地，工作面板厚度为0.5mm～1.5mm，筋条厚度在3mm以上，背板及封边条厚度1.0mm～1.5mm。
本发明综合了实体模具和柔性模具的优点，提出一种正交拼装框架模具复合面板成形工艺，最终成形的面板由工作面、背板、封边条与框架模具粘胶成形，其型面精度取决于框架模具模面的精度，成形过程及成型后面板中基本不存在残留应力和回弹，根据目前工艺水平单块成形峰峰值误差小于0.2mm，RMS精度优于0.045mm。该工艺的优点在于：
1)由于有框架模具衬底故能采用更薄材料作为工作面，进而更容易实现复杂曲面(如大曲率、非解析曲面等)面板的成形要求；
2)只要保证负压成形过程中工作面的贴膜以及使用过程中不发生开胶就能保证型面精度以及精度长期稳定性，因此面板具有更好的环境适用性，应用范围广。
3)反射面结构简单比刚度大、单块成形面积大、成形应力小无回弹、型面成形精度高、固化时间短成形效率高等特点。特别适合10m2以上超大尺寸复杂型面天线反射面的小批量定制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺流程图；
图2为本发明一种高精度拼装框架模蒙皮负压复合面板结构示意图；
图3为本发明实施例中待成形面板理论曲面示意图；
图4为本发明实施例中成形基准面示意图；
图5为本发明实施例中面板包络面及三维正交中心线草图示意图；
图6为本发明实施例中框架模具、面板及背板细节示意图；
图7为本发明实施例中负压成形示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图2所示，本发明提供了一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板，其由工作面板1、框架模具2、背板3、封边条4以及室温固化结构黏胶剂5负压贴膜固化复合成形，其中框架模具2包括横向筋条、纵向筋条、连接角件以及连接螺栓。如图3所示，本发明实施例中工作面中心区域是焦距为5400mm的旋转抛物面，边缘区域为非解析曲面，在设计坐标系中XOY平面投影尺寸为4500mm×2100mm，工作面表面积为11.23m2，具有面积大、型面复杂、成形难度大的特点。为说明清晰见，本实施例基于CATIA软件进行可视化造型，如图1所示，具体的实施过程包括如下步骤：
步骤一：三维正交框架模具设计：
1.1)在靠近背板方向作与待成形面板工作曲面的几何中心点处的法向垂直，且与待成形面板的几何中心点的距离为选定框架模型厚度60mm的平面为成形基准面(以下简称基准面)，如图4所示。
1.2)根据工作面板板料厚度1.0mm计算待成形面板工作曲面的等距面，即得到框架模具面；取框架模具面的边界，沿基准面法向拉伸至成形基准面获得边界拉伸面；取边界拉伸面与基准面的交集得基准截面；接合框架模具面、边界拉伸面以及基准截面获得封闭的面板三维包络边界，如图5所示。
1.3)选定横向和纵向框模间距为150mm×150mm、框模筋条厚度4mm，在成形基准平面上分别绘制横向和纵向筋条中心线草图，其中中心线位置草图投影覆盖区域大于面板三维包络面在基准面的投影200mm。
1.4)中心线草图沿成形基准面法向拉伸形成肋阵列，以三维包络边界作为分割边界，分割肋阵列留取内部部分即得到框架模具三维数模；
1.5)完成纵横筋条拼接处止口、角件安装孔位、调整结构安装接口、工作面板定位孔柱销等设计，取各个筋条中间截面投影生成筋条下料图，如图6所示。
步骤二：各蒙皮分块及下料设计：
2.1)工作面板分块及下料设计：首先按照保证中心区精度原则根据材料及加工能力大小进行工作面板分块确定分块位置，分块缝隙总宽度按照缝厚比0.3确定，分块缝隙全部开通；其次通过有限元模拟确定应力缝隙位置及长度，应力缝隙宽度按照缝厚比0.2确定，分块后的单块面板整体不断开，应力缝隙上每400mm长度内至少保留不＜2mm的连接区；接着按照工作状态变形最小优化确定工作面板标志点位置，预留φ0.1mm圆形孔；之后根据筋条上工作面板定位孔位柱销位置确定工作面板上定位方形孔，其孔径比筋条上的定位孔位柱销单边大0.1mm～0.2mm；再次通过曲面展开生成工作面板展开面；然后在展开面上确定以预留φ0.1mm圆形孔展开图形的中心为圆心开出φ1.0mm的标志孔位置，参见图6。
2.2)背板分块及下料设计：首先基准截面边缘内缩10mm后，在保证刚度条件下根据材料大小进行背板分块，其中要求背板分割线与面板分割线避免重合，尽量正交交错，开缝方法与步骤2.1相同；其次按照工作状态变形最小优化确定工作面板标志点在背板上的投影位置预留调整机构安装接口位置；最后通过曲面展开生成背板下料图。
2.3)封边条下料设计：首先截取拉伸边界面离开只准面2mm以上部分为封边条曲面；其次通过曲面展开封边条曲面生成封边条展开图；最后根据材料长度及边缘结构分割封边条展开图形成封边条下料图。
步骤三：切割下料：首先按照“外边框-定位孔-安装孔-应力缝隙”的顺序采用激光切割机进行切割，切割形状和位置精度误差均要求≤0.1mm。
步骤四：框架模具拼装及精度调整：首先在0级及以上成形平台上，将各筋条按照设计的位置通过螺栓和角件进行粗拼装；其次采用激光跟踪仪(或关节臂等测量设备)对粗拼装后的框架筋条上端面进行测量并与理论框架面进行对比，根据误差分布可以通过调整角件螺栓、局部毛刺去除抛光、筋条底部垫薄垫片等方法对框架模精度进行反复调整，直至框架型面RMS精度小于0.040mm；精度调整到位后逐个检查锁紧角件连接螺栓，要求每个螺栓均打好螺纹胶用以防松。
步骤五：面板负压贴膜及自然固化：首先将工作面板1、背板3的粘胶面打毛后，采用95％以上工业酒精清洁并热风干燥；其次将工作面板1、背板3与框架模具2的筋条表面接触部分满涂黏胶剂5；接着在大理石成形平台8上逐层铺设并定位背板3、框架模具2、工作面板1、垫板6；接着根据型面贴膜应力分析选择合适的负压压力采用真空罩7进行负压成形，设置真空系统9负压贴膜时间2～4小时；最后是面板的常温自然固化，固化时间满足大于黏胶剂70％固化程度时间为宜，如图7所示。
步骤六：封边及面板表面处理：首先采用采用金属修补剂将封边条与工作面板、背板进行粘胶密封；其次采用金属导电修补剂填充应力缝隙处后采用800目以上砂纸抛光片或羊毛轮进行抛光；之后对反射面整体进行喷涂，要求底漆和面漆的喷涂均与且厚度均小于0.02mm，其中工作面推荐采用透波率>97％以上的透波漆；最后对喷涂好反射面进行精度复测，最终型面RMS精度典型值一般要求小于0.045mm。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，适用于包括非解析曲面的大尺寸复杂曲面、10-2mm级精度要求的面板成形，所述高精度拼装框架模具蒙皮负压复合面板包括框架模具、工作面板、背板、封边条，在高精度真空负压基准平台上通过室温固化黏胶剂粘接成形，其特征在于，所述高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺包括如下步骤：
步骤一：进行三维正交框架模具设计；
步骤二：进行面板分块及各板料下料设计；
步骤三：进行下料切割：首先按照外边框-定位孔-安装孔-应力缝隙的顺序采用激光切割机进行切割，切割形状和位置精度误差均要求≤0.1mm；
步骤四：进行框架模具拼装及精度调整；
步骤五：进行面板负压压膜及自然固化；
步骤六：进行封边及面板表面处理。
2.根据权利要求1所述的一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，其特征在于，所述步骤一包括：
1.1)在靠近背板方向作与待成形面板工作曲面的几何中心点处的法向垂直，且与待成形面板的几何中心点的距离为选定框架模型厚度的平面为成形基准面；
1.2)根据工作面板厚度计算待成形面板工作曲面的等距面，得到框架模具面；
1.3)取框架模具面的边界，沿基准面法向拉伸至成形基准面获得边界拉伸面；取边界拉伸面与成形基准面的交集得基准截面；接合框架模具面、边界拉伸面以及基准截面获得封闭的面板三维包络边界；
1.4)根据选定好的框模间距、框模筋条厚度，在成形基准平面上分别绘制横向和纵向框架筋条中心线位置草图，确保中心线位置草图投影覆盖区域大于面板三维包络面在基准面的投影范围大小，其中框模筋条厚度在3mm以上；
1.5)中心线位置草图沿成形基准面法向拉伸形成肋阵列，以三维包络边界作为分割边界，分割肋阵列留取内部部分得到框架模具整体数模；
1.6)完成纵横筋条拼接处止口、角件安装孔位、调整结构安装接口、工作面板定位孔柱销等设计；
1.7)取各个筋条中间截面投影生成筋条下料图。
3.根据权利要求1所述的一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，其特征在于，所述步骤二包括：
2.1)在工作面板分块及下料设计中，首先按照保证中心区精度原则根据材料及加工能力大小进行工作面板分块确定分块位置，分块缝隙总宽度按照缝厚比0.3确定，分块缝隙全部开通；其次通过有限元模拟确定应力缝隙位置及长度，应力缝隙宽度按照缝厚比0.2确定，分块后的单块面板整体不断开，应力缝隙上每400mm长度内至少保留不小于2mm的连接区；接着按照工作状态变形最小优化确定工作面板标志点位置，预留直径0.1mm圆形孔；之后根据筋条上工作面板定位孔位柱销位置确定工作面板上定位方形孔，其孔径比筋条上的定位孔位柱销单边大0.1mm～0.2mm；再次通过曲面展开生成工作面板展开面；然后在工作面板展开面上确定以预留直径0.1mm圆形孔展开图形的中心为圆心开出直径1.0mm的标志孔位置；最后通过曲面展开生成工作面板下料图；
2.2)在背板分块及下料设计中，首先基准截面边缘内缩10mm后，在保证刚度条件下根据材料大小进行背板分块，其中要求背板分割线与面板分割线避免重合，正交交错，开缝方法与步骤2.1)相同；其次按照工作状态变形最小优化确定工作面板标志点在背板上的投影位置，预留调整机构安装接口位置；最后通过曲面展开生成背板下料图；
2.3)封边条下料设计：首先截取拉伸边界面超工作面板方向偏移成形基准面2mm以上部分为封边条曲面；其次通过曲面展开封边条曲面生成封边条展开图；最后根据材料长度及边缘结构分割封边条展开图形成封边条下料图。
4.根据权利要求3所述的一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，其特征在于，所述步骤四包括：首先在0级及以上成形平台上，将各筋条按照设计的位置通过螺栓和角件进行粗拼装；其次采用激光跟踪仪或关节臂对粗拼装后的框架筋条上端面进行测量，并与理论框架面进行对比，根据误差分布通过调整角件螺栓、局部毛刺去除抛光、筋条底部垫薄垫片对框架模精度进行反复调整，直至框架型面RMS精度小于0.040mm；精度调整到位后逐个检查锁紧角件连接螺栓，每个螺栓均打好螺纹胶用以防松。
5.根据权利要求4所述的一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，其特征在于，所述步骤五包括：首先将工作面板、背板粘胶面打毛后，采用95％以上工业酒精清洁并热风干燥；其次将工作面板、背板与框架模具筋条表面接触部分满涂黏胶剂；接着在大理石成形平台上逐层铺设并定位背板、框架模具、工作面板、垫板；接着根据型面贴膜应力分析选择合适的负压压力采用真空罩进行负压成形，负压贴膜时间2～4小时；最后是面板的常温自然固化，固化时间满足大于黏胶剂70％固化程度时间。
6.根据权利要求5所述的一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，其特征在于，所述步骤六包括：首先采用金属修补剂将封边条与工作面板、背板进行粘胶密封；其次采用金属导电修补剂填充应力缝隙处后采用800目以上砂纸抛光片或羊毛轮进行抛光；之后对反射面整体进行喷涂，使得底漆和面漆的喷涂均匀且厚度均小于0.02mm，其中工作面采用透波率>97％以上的透波漆；最后对喷涂好反射面进行精度复测，最终型面RMS精度典型值小于0.045mm。
7.根据权利要求1所述的一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，其特征在于，由相互正交的横纵两种筋条通过角件由螺纹连接而成。
8.根据权利要求1所述的一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，其特征在于，采用筋条的中心线投影作为筋条的下料图，保证框架模具的精度。
9.根据权利要求1所述的一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，其特征在于，采用激光跟踪仪实时测量并调整，修正下料切割误差，提高框架模具的精度。
10.根据权利要求1所述的一种高精度拼装框架蒙皮负压复合面板成形工艺，其特征在于，工作面板厚度为0.5mm～1.5mm，筋条厚度在3mm以上，背板及封边条厚度1.0mm～1.5mm。
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