【摘要】：高速飛行器天線是典型的高性能零件,不僅具有優(yōu)良的電氣性能,而且必須滿足一定的強(qiáng)度和剛度要求,是飛行器實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航、遙感測(cè)控和微波通訊等功能的關(guān)鍵零件,該類天線通常由工程塑料基底表層覆蓋金屬圖案制造而成。隨著應(yīng)用需求的發(fā)展,在要求該類天線滿足更高電氣性能要求的同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化。因此,新型超高性能復(fù)雜曲面跨尺度圖案天線應(yīng)運(yùn)而生,該新型零件表層圖案特征尺寸跨度大(數(shù)十微米～數(shù)百毫米)、形狀復(fù)雜、幾何精度要求高(微米級(jí))、邊緣質(zhì)量要求高(主要為輪廓度)。鑒于該類零件的以上特點(diǎn),導(dǎo)致現(xiàn)有加工技術(shù)制造效率較低、精度難以保證,嚴(yán)重制約了我國高速飛行器的整體性能提升。隨著高速飛行器的快速發(fā)展,該新型天線需求量增加與加工效率低的矛盾也日益突顯,因此,研究工程塑料復(fù)雜曲面零件表層跨尺度圖案的高精高效數(shù)字化加工方法具有重要的意義。在對(duì)復(fù)雜曲面零件表層金屬圖案加工中,近年來新興發(fā)展的激光加工、微細(xì)銑削等技術(shù)為該類零件表層跨尺度圖案的精密制造提供了有益的借鑒。因此,本文在分析現(xiàn)有單一工藝手段優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了激光加工與微細(xì)銑削組合的加工工藝,即借助高速數(shù)控激光加工的高效率,實(shí)現(xiàn)大面域金屬覆層的高效去除；借助微細(xì)銑削加工的高精度,實(shí)現(xiàn)微小區(qū)域及宏觀圖案邊緣的精密制造。針對(duì)目前仍制約該方法工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵性工藝難題,本文開展了一系列研究工作,包括慮及機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的激光高效精密加工技術(shù)、微細(xì)銑削毛刺抑制方法和多工藝組合五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工裝備研制等,并基于以上研究內(nèi)容開展了典型零件——超高性能復(fù)雜曲面跨尺度圖案天線的加工實(shí)驗(yàn),具體研究內(nèi)容如下：(1)零件表層圖案具有復(fù)雜變曲率特征,受機(jī)床動(dòng)態(tài)性能制約,激光高速加工中進(jìn)給速度存在時(shí)變性,易誘發(fā)激光燒蝕去除量不均、軌跡輪廓誤差大,加工后圖案邊緣質(zhì)量下降等問題,需開展慮及機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的復(fù)雜圖案激光高效精密加工技術(shù)研究。通過激光單因素加工試驗(yàn)研究,為最佳工藝參數(shù)組合的選取提供了依據(jù)�；跓崮芷胶庠�,建立了以恒定去除量為約束的激光能量與進(jìn)給速度關(guān)聯(lián)模型,研究了激光輸出能量根據(jù)實(shí)際進(jìn)給速度自適應(yīng)調(diào)整的控制算法,并結(jié)合提出的保證復(fù)雜變曲率圖案輪廓精度分區(qū)域變速度加工方法,形成了慮及機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的激光加工進(jìn)給速度與激光功率協(xié)同控制技術(shù)。通過以上研究,確保了宏觀圖案邊緣的光順一致,為微細(xì)銑削清邊加工奠定基礎(chǔ)。(2)面向激光熱燒蝕去除機(jī)理制約下的局部微小圖案制造困難、大面域激光高速加工圖案存在“斜坡”狀邊緣與熱影響區(qū),采用微細(xì)銑削進(jìn)行微小圖案的精密制造與大尺寸圖案邊緣修整。同時(shí)慮及金屬覆層與基底結(jié)合力弱、刀具尺寸小和被加工材料延展性好等因素,開展微銑加工零件表層圖案毛刺抑制方法研究。通過試驗(yàn)研究得到了合理的工藝參數(shù)范圍及加工策略,并以毛刺尺寸最小為目標(biāo),提出了基于二階響應(yīng)曲面法的多工藝參數(shù)同步優(yōu)化方法,得到滿足圖案邊緣質(zhì)量要求的工藝參數(shù)組合。此外,研究了基于隨形加工原理的零件自由表面切深控制方法,克服了復(fù)雜曲面零件存在制造、安裝等誤差引起的金屬覆層切削過量或殘留,實(shí)現(xiàn)了零件表層圖案的高質(zhì)量制造。(3)提出了“激光大面域高效去除+微銑制造微小圖案與清邊”復(fù)雜曲面表層跨尺度圖案加工方法,并基于該方法研制了多工藝組合的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)字化加工裝備。通過將兩種工藝手段精密銜接,實(shí)現(xiàn)了零件的一次裝夾和跨尺度制造。同時(shí),借助數(shù)控機(jī)床的精密定位功能,提高了復(fù)雜曲面零件表層圖案的制造精度,保障了該類零件單元和批次的一致性。最后,利用所提出的“激光大面域高效去除+微銑制造微小圖案與清邊”加工方法與研制的多工藝組合五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)字化加工裝備,進(jìn)行了典型復(fù)雜曲面表層跨尺度圖案類零件——新型高性能高速飛行器天線的加工實(shí)驗(yàn)。所加工的復(fù)雜曲面零件表層圖案最小特征尺寸150μm,最大特征尺寸20mm,圖案的對(duì)稱度和幾何尺寸誤差小于±20μm。零件制造結(jié)果表明,本文所提出的多工藝組合加工方法與裝備能夠?qū)崿F(xiàn)工程塑料復(fù)雜曲面零件表層跨尺度金屬圖案的精密制造。
【圖文】：

而且必須滿足一定的強(qiáng)度和剛度要求，從而適應(yīng)使用過程中的高溫、高壓、大過載和強(qiáng)逡逑振動(dòng)等惡劣環(huán)境。該類天線通常由工程塑料基底表層覆蓋金屬圖案制造而成，，典型產(chǎn)品逡逑包括平面螺旋天線、圓錐螺旋天線等，如圖１．１所示。逡逑Wr2逡逑（ａ）平面螺旋天線邐（ｂ）圓錐螺旋天線逡逑圖１．１典型高速飛行器天線逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ邋ｓｉｇｎａｌ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｄｅｖｉｃｅ邋ｗｉｔｈ邋ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ逡逑近年來隨著高速飛行器的性能需求不斷提升、應(yīng)用環(huán)境日趨惡劣，對(duì)該類天線零件逡逑又提出了頻帶范圍更寬、功率負(fù)載更大和抗電擊穿等更高電氣性能要求ｆ６’７ｉ。雖然通過逡逑大幅增加原有平面螺旋天線徑向尺寸、圓錐螺旋天線軸向尺寸，可Ｗ實(shí)現(xiàn)上更高電氣逡逑性能，但卻無法滿足輕量化、小型化應(yīng)用需求。因此，超高性能復(fù)雜曲面跨尺度圖案天逡逑線下簡稱超高性能天線）應(yīng)運(yùn)而生ｗ’ｗｉｉ。它１＾高強(qiáng)度、高介電系數(shù)的工程塑料聚逡逑酷亞胺為基底，具有Ｈ維立體結(jié)構(gòu)與復(fù)雜曲面，表層覆蓋形狀復(fù)雜的高精度銅質(zhì)功能圖逡逑案［４’１２＇１４］。典型的超高性能天線如圖１．２所示，其表面覆銅層厚度為ｌＯ＾ｍ，最小特征尺逡逑寸僅為８０＾ｕｎ，表面金屬帶線圖案的對(duì)稱度和尺寸誤差要求小于±２０＾１１１１。逡逑－１邋－逡逑

新型高性能天線
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V243.4;V261

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本文編號(hào)：2552281