圆柱形复合材料螺旋单元成型工艺改进

张静

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

摘 要：针对采用传统工艺方法成型的圆柱形复合材料螺旋单元存在的质量问题进行分析，通过一系列工艺改进措施，解决了螺旋筒内壁贫胶、螺旋线端头过切、螺距尺寸超差、螺旋线表面起皱等问题，保证了产品质量。

关键词：螺旋单元 圆柱形 复合材料

中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（a）-0071-02

螺旋单元是由導电性良好的铜箔在低电介质载体上绕制而成。根据介质筒形状的不同，螺旋单元可分为圆柱形螺旋单元、圆锥形螺旋单元、球面螺旋单元、半球面螺旋单元等。螺旋单元不仅可以实现宽波束圆极化，还具有体积小、重量轻、结构稳定、增益较高的优点，因而在卫星通信中得到了广泛的应用[1]。为保证天线信号传输的稳定性和可靠性，设计对于螺旋单元的电性能有极高的要求，而螺旋单元介质筒的外形尺寸及表面质量、螺旋的螺距尺寸、位置精度对产品电性能都有很大影响。

复合材料螺旋单元是在玻璃纤维、芳纶纤维等低介电常数纤维增强的复合材料支撑筒上使用胶膜或与介质筒材料一致的预浸料粘接铜带后成型的一类螺旋单元。由于复合材料基体本身优异的力学性能、耐老化性能，以及较低的介电常数和线膨胀系数，复合材料螺旋单元在卫星通信技术领域中有着广阔的应用前景。

我国某型号卫星天线螺旋单元是由铜箔在玻璃钢支撑筒上绕制而成，支撑筒为圆柱形，其结构如图1所示。按照设计图纸要求，介质筒使用玻璃纤维预浸布BMS8-79/120成型，0.3mm厚的铜箔使用与介质筒材料一致的预浸料粘接。介质筒要求表面平整，无皱褶、贫胶等缺陷，外形尺寸公差±0.1mm，螺距尺寸公差±0.05mm。

1 产品质量问题分析

螺旋单元原成型工艺是采用真空袋/热压罐成型介质筒，固化后数控加工介质筒外形并刻出螺旋边缘线，使用数控下料机裁剪螺旋铜带，在铜带上铺贴一层预浸料，然后沿介质筒上的边缘线铺放螺旋铜带，制真空袋后在热压罐中进行固化。

使用上述工艺方法成型后的螺旋单元存在较多的质量问题：介质筒内壁存在多处贫胶、螺旋铜带端头局部存在过切、固化后螺旋铜带表面存在皱褶、螺距精度无法满足设计要求等。这些问题对产品电性能有较大影响，最终产品合格率仅有20%。

通过对介质筒预浸料铺贴过程进行观察分析，其内壁贫胶现象主要是由于介质筒结构为回转体，采用传统的真空袋/热压罐成型工艺，手工铺贴预浸料后抽真空过程中，预浸料压实后会出现较多皱褶，尤其是层数较多时皱褶现象更为严重，固化后在支撑筒内壁上就会有多处贫胶缺陷。

螺旋铜带是使用数控下料机下料，从节省用料和提高下料效率的角度考虑，下料程序编制时两条螺旋线共用了一条切割边，在螺旋线拐角处，下料刀存在过切现象，导致相邻螺旋铜带相应位置会出现过切豁口。

固化后螺旋单元表面铜带皱褶是由于在介质筒上铺放铜带后，局部铜带未压紧，制袋抽真空过程中，铜带压实后就会出现皱褶。

2 工艺改进措施

为改进介质筒内壁贫胶问题，支撑筒成型采用两次固化的方法。先在成型模上铺贴3层预浸料，第一层要求搭接，搭接宽度13～25mm，其他铺层要求对接，相邻铺层对接缝错开至少25mm，每层铺贴后要求进行真空压实。铺贴完成后不制真空袋，使用可接触的辅助材料——压敏胶带在外层缠绕一圈，如图2所示，使用烘箱或热压罐进行固化。固化后去除压敏胶带并对表面进行打磨清理，再铺贴剩余铺层，同样要求每层进行真空压实，缠绕压敏胶带后制软袋子，在热压罐中进行固化。成型后支撑筒外形按设计要求进行数控铣切，最终支撑筒内外表面质量及外形尺寸符合设计要求，背光检查未发现脱粘或空腔等无损质量问题。

上述成型工艺在其他的薄壁回转体结构产品上可以推广。

针对螺旋端头过切问题，优化螺旋铜带下料程序。下料前铜箔两面铺贴玻璃布，便于铜带在下料机上的吸附。在综合考虑了铜带边缘质量以及材料使用率的情况下，对下料程序进行优化，排料时在两条铜带间留出5mm间隔。铜带宽度、边缘质量符合设计要求，无过切现象。

使用数控车床在支撑筒上加工出螺旋铺贴线，操作人员按照铺贴线从端头开始铺贴铜带，铺放的同时使用压敏胶带缠绕固定铜带，固化后螺旋螺距及起止位置符合设计要求，螺旋线表面平整无皱褶。

上述改进措施通过工艺试验件以及两个批次共40件产品的验证，有效解决了螺旋单元表面褶皱、贫胶以及螺旋铜带尺寸精度、螺距和螺旋位置精度难以满足设计要求的问题，产品合格率由原来的20%一次性提高到96%。如图3所示。

3 结论

（1）支撑筒成型采用两次固化的方法。最终支撑筒内外表面质量及外形尺寸符合设计要求，背光检查未发现脱粘或空腔等无损质量问题。这种成型工艺在其他的薄壁回转体结构产品上可以推广。

（2）优化螺旋铜带下料程序。下料前铜箔两面铺贴玻璃布，便于铜带在下料机上的吸附。同时综合考虑铜带边缘质量以及材料的使用率，排料时在两条铜带间留出5mm间隔。铜带宽度、边缘质量符合设计要求。

（3）使用数控车床在支撑筒上加工出螺旋铺贴线，操作人员按照铺贴线铺贴铜带，同时使用压敏胶带缠绕固定，固化后螺旋螺距及起止位置符合设计要求。

通过成型工艺方法的改进，产品合格率由原来的20% 一次性提高到96%。

参考文献

[1] 杨放，张朋，郭陈江，等.一种应用于卫星通讯地面站的新型单臂螺旋单元及其阵列的研究[J].电讯技术，2007，47（2）：23.endprint