一种可调整复合材料模具设计装置与设计方法

摘要

一种可调整复合材料模具设计装置与设计方法，该装置主要包括模具型面、调整装置、调整工装、模具支撑背架和角片；调整装置布置在模具型面的一侧，且具有直线位移进给功能；模具型面通过调整装置与调整工装进行连接，所述调整工装上的基准点对模具型面的精度进行测量，获得调整装置的法向位移偏差，调整装置根据法向位移偏差对模具型面进行调整，模具支撑背架在模具型面调整完成后通过角片与模具型面进行连接，本发明通过型面调整来实现了模具型面的高精度，该方法可用于遥感卫星、通信卫星中高精度反射器的研制，亦可应用于地面高精度反射器研制，满足了高精度、低热膨胀系数反射面天线模具需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模具设计装置与设计方法，特别是一种可调整复合材料模 具设计装置与设计方法，用于高精度复合材料模具的设计，属于卫星天线领域。

背景技术

反射面天线模具是一种具有一定形状、尺寸和精度要求，为反射面天线制 造的生产工具。按照模具材料不同，可将天线反射面天线模具分为金属模具和 复合材料模具等。金属模具有铝模具、铸铁模具和殷钢模具；复合材料模具有 碳纤维复合材料模具和石墨模具等。

在反射面天线固化成型过程中，反射器紧贴模具型面而固化成型，故模具 型面精度(RMS)是反射器型面加工精度的一个重要影响因素。由于天线反射 器需在中、高温下固化成型，使得模具在该温度载荷下产生热膨胀变形，造成 热膨胀变形后的模具形面形状与模具原理论形面形状不一致，使得紧贴模具固 化成型的反射器相对于反射器理论型面不一致，造成反射器型面精度变差。模 具材料热膨胀系数(CTE)越大，则模具相对于原理论形面形状的热变形量越大， 反射型面精度更差。因而，模具型面精度和热膨胀系数是衡量反射面天线模具 性能的两个关键指标，是制造高精度反射器的两个关键因素和瓶颈技术。

传统铸铁模具和铝模具通过机械加工得到，模具型面精度取决于机械加工 精度，难于得到进一步提高，且模具热膨胀系数大，故难于加工高精度反射面 天线。针对传统模具的不足，目前采取的措施有：(1)采用低热膨胀系数的模 具材料：低热膨胀系数模具材料有殷钢、碳纤维复合材料和石墨。(2)对模具 型面进行修正和补偿：模具型面补偿是通过计算模具热膨胀变形量，并将该变 形量反向补偿于模具型面得到新的模具型面方程的一种方法。在该新的模具型 面方程下，模具经热膨胀变形后膨胀至所需的理论方程。

但上述设计方法不足之处在于：(1)模具的加工方式没有改变，仍通过机 械加工方式得到，模具型面精度难于得到保证和提高。(2)模具型面补偿方法 是在假设均匀温度场条件下计算的模具型面补偿量和补偿方程，与模具实际温 度场存在一定差别，较难直接应用于工程中。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种可调整复合材 料模具设计装置与设计方法，该模具采用国内易获得的高强度碳纤维复合材料 作为模具材料以使模具具有低热膨胀系数，通过型面调整来实现了模具型面的 高精度，该方法可用于遥感卫星、通信卫星中高精度反射器的研制，亦可应用 于地面高精度反射器研制，满足了高精度、低热膨胀系数反射面天线模具需要。

本发明采取如下的技术解决方案：一种可调整复合材料模具设计装置，其 特征在于，主要包括模具型面、调整装置、调整工装、模具支撑背架和角片；

所述调整装置布置在模具型面的一侧，且具有直线位移进给功能；

所述模具型面通过调整装置与调整工装进行连接，所述调整工装上的基准 点对模具型面的精度进行测量，获得调整装置的法向位移偏差，调整装置根据 法向位移偏差对模具型面进行调整，

所述模具支撑背架在模具型面调整完成后通过角片与模具型面进行连接。

所述调整工装的刚度大于模具型面的刚度。

所述模具支撑背架通过角片以粘接和/或机械连接的方式与模具型面连接。

所述调整装置均匀布置于模具型面工作面的同侧或背侧。

一种可调整复合材料模具设计装置的可调整复合材料模具设计方法，包括 以下步骤：

(1)确定调整装置的安装位置；

(2)根据步骤(1)中确定的调整装置安装位置，设计模具型面和模具型 面调整工装；

(3)将设计得到的模具型面和调整工装通过调整装置进行安装连接；

(4)通过调整工装上的基准点对模具型面的精度进行测量；

(5)根据(4)中模具型面精度测量数据计算各调整装置处的法向位移偏 差；

(6)根据(5)中计算得到的各调整装置处的法向位移偏差，对调整装置 施加所需调整量，对模具型面进行调整；

(7)当所有调整装置调整完成后，对模具型面的精度进行测量，若模具型 面精度没有提高，则进入步骤，否则返回步骤；

(8)根据步骤中确定的调整装置安装位置，设计框架结构模具支撑背架；

(9)将模具型面与模具支撑背架通过角片进行连接；

(10)拆除调整装置和调整工装，得到最终的复合材料模具。

根据中模具型面精度测量数据计算各调整装置处的法向位移偏差，具体由 公式：

给出，其中，Δz为调整装置处的法向位移值，为模具型面曲面方 程；f为模具型面焦距；(x_实测,y_实测,z_实测)为调整装置处实测值。

所述模具型面为复合材料层压板结构，按照准各向同性铺层进行设计，铺 层层数n根据模具型面的初始型面精度和目标精度计算得到。

所述调整工装的最大位移变形量应小于模具型面最大位移变形量的 1/100。

所述模具支撑背架各筋板均为复合材料层压板结构，按照准各向同性铺层 进行设计。

所述模具支撑背架各筋板的厚度大于或等于5mm。

本发明与现有技术相比有益效果为：

本发明中的模具型面精度通过若干调整装置对模具型面进行调整得到，而 非通过机械加工方式得到，提出了一种模具加工新途径，且提高了模具型面加 工的精度。

附图说明

图1为本发明中调整装置示意图；

图2为本发明中模具粘接示意图；

图3按同心正六边形分布的调整装置位置分布示意图；

图4为本发明的方法流程图。

图5为本发明中调整工装。

图6为本发明中复合材料模具。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明，具体如下：

如图1所示为本发明中调整装置示意图，如图2所示为本发明中模具粘接示 意图，从图1和图2可知，本发明中的一种可调整复合材料模具设计装置，其特 征在于，主要包括模具型面1、调整装置2、调整工装3、模具支撑背架4和角片 5；

所述调整装置2布置在模具型面1的一侧，且具有直线位移进给功能；调整 装置2的位置可以根据需要任意布置，优选为均匀布置于模具型面1工作面的同 侧或背侧，如图3所示为按同心正六边形分布的调整装置位置分布示意图。

所述模具型面1具备低热膨胀特点，优选为碳纤维复合材料，模具型面1为 刚性或半刚性薄壳结构，具有一定初始型面精度，通过调整装置2与调整工装3 进行连接，所述调整工装3上的基准点对模具型面1的型面精度进行测量，获得 调整装置2的法向位移偏差，调整装置2根据法向位移偏差对模具型面1进行调 整，调整工装3不限于图中结构形式，调整工装3的刚度大于模具型面1的刚度， 其作用是为若干调整装置2提供安装平台，并为模具型面1和调整装置2提供支 撑。

所述模具支撑背架4在模具型面1调整完成后通过角片5与模具型面1以 粘接、机械连接或粘接与机械连接组合方式进行型面固定，模具支撑背架4可 设计为与调整工装3通用的结构，也可由调整工装3替代，且具体的结构不限 于图中结构形式，只要能满足保持模具型面1精度并使得模具具有足够的刚度 以满足加工反射面天线的要求即可。模具支撑背架4可与模具型面1材料相同， 也可采用其他的材料。角片5可与模具型面1材料相同，也可采用其他的材料。

如图4所示为本发明的方法流程图，从图4可知，本发明提出的一种可调整 复合材料模具设计方法，包括以下步骤：

(1)确定调整装置2的安装位置；

(2)根据步骤(1)中确定的调整装置2安装位置，确定模具型面1中与 调整装置2连接的埋件安装位置。模具型面为复合材料层压板结构，按照准各 向同性铺层([0°/±45°/90°]ns，n＝1、2、3、…)进行设计，以保证模具 型面具有相同的面内刚度和热膨胀系数。其中，模具型面铺层层数n由模具型 面初始型面精度和目标精度，经通用有限元分析软件计算得到。其计算算法介 绍如下：

设调整装置数量为a，模具型面测量点个数为b，根据模具型面初始型面 精度按公式(I)计算得各调整装置的初始法向偏差为

其中，Δz为调整装置处的法向位移值，为模具型面曲面方程； f为模具型面焦距；(x_实测,y_实测,z_实测)为调整装置处实测值。

对第i(i＝1、2、3、…、a)个调整装置调整施加法向调整位移δ_i时，模具 型面边界约束为：约束其他a-1个调整装置X、Y、Z三个方向平移量，则在各 点产生的位移变形量矩阵C_(a+b)×6为：

$\overrightarrow{s}=F·\overrightarrow{\delta }---\left(II\right)$

$\overrightarrow{s}=\left[\begin{array}{ccccc}{s}_1& ...& s_i& ...& s_b\end{array}\right]---\left(III\right)$

其中，矩阵$\overrightarrow{\delta }={\left(\begin{array}{ccccc}{\delta }_1& ...& {\delta }_i& ...& {\delta }_a\end{array}\right)}^T$为调整装置法向位移偏差矩阵，当调整 第i个调整时，其余a-1个调整装置法向位移偏差设置为0；矩阵F_b×a为模具型 面刚度矩阵，矩阵中；

则型面调整后b个模具型面上的测量点的在模具型面分析坐标系下位移偏 差量Δx_i、Δy_i、Δz_i(i＝1、2、…、b)分别为：

Δx_i＝s_i·cosα_i

Δy_i＝s_i·cosβ_i

Δz_i＝s_i·cosγ_i(V)

其中，cosα_i、cosβ_i、cosγ_i为模具型面上第i个测量点在分析坐标系下的方 向余弦。

则调整第i个调整装置后，模具型面各测量点新坐标值为：

x′_i＝x_i+Δx_i

y′_i＝y_i+Δy_i

z′_i＝z_i+Δz_i(VI)

则调整第i个调整装置后，根据式(I)计算得到模具型面各测量点法向偏 差和型面精度RMS分别为：

${\mathrm{\Delta z}}_i={z_i}^{\prime }-\frac{x_i^{\prime 2}+y_i^{\prime 2}}{4f}---\left(VII\right)$

$RMS=\sqrt{\frac{1}{b}\underset{i=1}{\overset{b}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta z}}_i^2}---\left(VIII\right)$

按该计算方法，依次对a个调整装置进行调整。直至所有调整装置法向位 移偏差均被调整后，计算模具型面最终形面精度，并确定模具型面铺层层数n。

(3)待模具型面1设计完成后，根据模型型面1刚度和连接埋件位置， 借助于通用有限元分析软件对调整工装3按构架式结构，如图5所示，进行结 构设计，由板材和棒材通过先螺钉连接和焊接的方法加工得到，以对调整工装 为模具型面和调整装置提供刚性支撑。调整工装3周边设计有基准点，以对模 具型面1精度进行测量。在模具型面1调整时，调整工装3最大位移变形量应 比模具型面1最大位移变形量小2个数量级，即若模具型面1最大位移变形量 为Δsmm，则调整工装3的最大位移变形量应小于Δs/100mm；

(4)将设计得到的模具型面1和调整工装3通过调整装置2进行安装连 接；

(5)通过调整工装3上的基准点对模具型面1的精度进行测量；

(6)根据(4)中模具型面1精度测量数据计算各调整装置2处的法向位 移偏差；具体由公式(I)给出：

其中，Δz为调整装置处的法向位移值，为模具型面曲面方程； f为模具型面焦距；(x_实测,y_实测,z_实测)为调整装置处实测值。

(7)根据(5)中计算得到的各调整装置2处的法向位移偏差，对调整装 置2施加所需调整量，对模具型面1进行调整；

(8)当所有调整装置2调整完成后，对模具型面1的精度进行测量，若 模具型面1精度没有提高，则进入步骤(8)，否则返回步骤(5)；

(9)根据步骤(1)中确定的调整装置2安装位置，设计模具支撑背架4。 模具支撑背架4采用框架式结构，各筋板均为复合材料层压板结构，按照准各 向同性铺层([0°/±45°/90°]ns，n＝1、2、3、…)进行设计，以保证支撑 背架4和模具型面1具有相同的热膨胀系数，厚度大于或等于5mm，以保证 支撑背架4具有足够的刚度；各筋板间通过U型卡槽进行装配后通过角片5进 行粘接，如图6所示；

(10)将模具型面1与模具支撑背架4通过角片5进行连接；

(11)拆除调整装置2和调整工装3，得到最终的复合材料模具，如图6 所示。

本发明的工作原理为：

为满足模具的低热膨胀系数要求，模具型面1为碳纤维复合材料薄壳结构， 利用模具型面1刚性或半刚性薄壳结构和型面法向刚度弱的特点，通过若干具 有直线位移进给能力的调整装置2施加法向调整位移来对模具型面进行型面调 整1，以获得高精度模具型面1。调整装置2按均匀分布或其他分布方式布置 于模具型面1上，并通过调整装置2将模具型面1连接于调整工装3上。法向 位移调整量可根据模具型面1测量结果和模具型面曲面方程计算得到。待模具 型面1调整完成后，将模具型面1和模具支撑背架4通过角片5进行粘接，角 片5固化完成后，拆除调整工装3，得到最终的复合材料模具。

模具型面1的刚度决定了每个调整装置2调整面积(或区域)的大小，调 整点的调整区域越大，则该模具型面1的可调整性越好，所需要的调整装置2 的数量就越少。而通过适当增加调整装置的数量，又总能将模具型面1调整到 所需要的型面精度，因此，模具型面1刚度与调整装置2数目对模具型面1最 终能达到的型面精度起决定性作用。

本发明中的模具型面材料为国内易获取的高强度系列碳纤维单向带或碳 布。与可机械加工的模具预浸料相比，材料容易获得且价格低，不依赖于进口。

本发明中经调整得到的模具型面精度优于通过机械加工方式得到的模具型 面精度，调整能达到的型面精度优于0.030mmRMS。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。