工程塑料复杂曲面零件表层跨尺度金属图案精密制造技术

发布时间：2019-10-23 23:36

【摘要】：高速飞行器天线是典型的高性能零件,不仅具有优良的电气性能,而且必须满足一定的强度和刚度要求,是飞行器实现定位导航、遥感测控和微波通讯等功能的关键零件,该类天线通常由工程塑料基底表层覆盖金属图案制造而成。随着应用需求的发展,在要求该类天线满足更高电气性能要求的同时还要实现轻量化、小型化。因此,新型超高性能复杂曲面跨尺度图案天线应运而生,该新型零件表层图案特征尺寸跨度大(数十微米～数百毫米)、形状复杂、几何精度要求高(微米级)、边缘质量要求高(主要为轮廓度)。鉴于该类零件的以上特点,导致现有加工技术制造效率较低、精度难以保证,严重制约了我国高速飞行器的整体性能提升。随着高速飞行器的快速发展,该新型天线需求量增加与加工效率低的矛盾也日益突显,因此,研究工程塑料复杂曲面零件表层跨尺度图案的高精高效数字化加工方法具有重要的意义。在对复杂曲面零件表层金属图案加工中,近年来新兴发展的激光加工、微细铣削等技术为该类零件表层跨尺度图案的精密制造提供了有益的借鉴。因此,本文在分析现有单一工艺手段优缺点的基础上,提出了激光加工与微细铣削组合的加工工艺,即借助高速数控激光加工的高效率,实现大面域金属覆层的高效去除；借助微细铣削加工的高精度,实现微小区域及宏观图案边缘的精密制造。针对目前仍制约该方法工业应用的关键性工艺难题,本文开展了一系列研究工作,包括虑及机床动态特性的激光高效精密加工技术、微细铣削毛刺抑制方法和多工艺组合五轴联动数控加工装备研制等,并基于以上研究内容开展了典型零件——超高性能复杂曲面跨尺度图案天线的加工实验,具体研究内容如下：(1)零件表层图案具有复杂变曲率特征,受机床动态性能制约,激光高速加工中进给速度存在时变性,易诱发激光烧蚀去除量不均、轨迹轮廓误差大,加工后图案边缘质量下降等问题,需开展虑及机床动态特性的复杂图案激光高效精密加工技术研究。通过激光单因素加工试验研究,为最佳工艺参数组合的选取提供了依据。基于热能平衡原理,建立了以恒定去除量为约束的激光能量与进给速度关联模型,研究了激光输出能量根据实际进给速度自适应调整的控制算法,并结合提出的保证复杂变曲率图案轮廓精度分区域变速度加工方法,形成了虑及机床动态性能的激光加工进给速度与激光功率协同控制技术。通过以上研究,确保了宏观图案边缘的光顺一致,为微细铣削清边加工奠定基础。(2)面向激光热烧蚀去除机理制约下的局部微小图案制造困难、大面域激光高速加工图案存在“斜坡”状边缘与热影响区,采用微细铣削进行微小图案的精密制造与大尺寸图案边缘修整。同时虑及金属覆层与基底结合力弱、刀具尺寸小和被加工材料延展性好等因素,开展微铣加工零件表层图案毛刺抑制方法研究。通过试验研究得到了合理的工艺参数范围及加工策略,并以毛刺尺寸最小为目标,提出了基于二阶响应曲面法的多工艺参数同步优化方法,得到满足图案边缘质量要求的工艺参数组合。此外,研究了基于随形加工原理的零件自由表面切深控制方法,克服了复杂曲面零件存在制造、安装等误差引起的金属覆层切削过量或残留,实现了零件表层图案的高质量制造。(3)提出了“激光大面域高效去除+微铣制造微小图案与清边”复杂曲面表层跨尺度图案加工方法,并基于该方法研制了多工艺组合的五轴联动数字化加工装备。通过将两种工艺手段精密衔接,实现了零件的一次装夹和跨尺度制造。同时,借助数控机床的精密定位功能,提高了复杂曲面零件表层图案的制造精度,保障了该类零件单元和批次的一致性。最后,利用所提出的“激光大面域高效去除+微铣制造微小图案与清边”加工方法与研制的多工艺组合五轴联动数字化加工装备,进行了典型复杂曲面表层跨尺度图案类零件——新型高性能高速飞行器天线的加工实验。所加工的复杂曲面零件表层图案最小特征尺寸150μm,最大特征尺寸20mm,图案的对称度和几何尺寸误差小于±20μm。零件制造结果表明,本文所提出的多工艺组合加工方法与装备能够实现工程塑料复杂曲面零件表层跨尺度金属图案的精密制造。
【图文】：

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而且必须满足一定的强度和刚度要求，从而适应使用过程中的高温、高压、大过载和强逡逑振动等恶劣环境。该类天线通常由工程塑料基底表层覆盖金属图案制造而成，，典型产品逡逑包括平面螺旋天线、圆锥螺旋天线等，如图１．１所示。逡逑Wr2逡逑（ａ）平面螺旋天线逦（ｂ）圆锥螺旋天线逡逑图１．１典型高速飞行器天线逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ邋ｓｉｇｎａｌ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｄｅｖｉｃｅ邋ｗｉｔｈ邋ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ逡逑近年来随着高速飞行器的性能需求不断提升、应用环境日趋恶劣，对该类天线零件逡逑又提出了频带范围更宽、功率负载更大和抗电击穿等更高电气性能要求ｆ６’７ｉ。虽然通过逡逑大幅增加原有平面螺旋天线径向尺寸、圆锥螺旋天线轴向尺寸，可Ｗ实现上更高电气逡逑性能，但却无法满足轻量化、小型化应用需求。因此，超高性能复杂曲面跨尺度图案天逡逑线下简称超高性能天线）应运而生ｗ’ｗｉｉ。它１＾高强度、高介电系数的工程塑料聚逡逑酷亚胺为基底，具有Ｈ维立体结构与复杂曲面，表层覆盖形状复杂的高精度铜质功能图逡逑案［４’１２＇１４］。典型的超高性能天线如图１．２所示，其表面覆铜层厚度为ｌＯ＾ｍ，最小特征尺逡逑寸仅为８０＾ｕｎ，表面金属带线图案的对称度和尺寸误差要求小于±２０＾１１１１。逡逑－１邋－逡逑

天线,精密制造技术,跨尺度,工程塑料

新型高性能天线
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V243.4;V261

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