精密制造平板裂縫天線(xiàn)技術(shù)

徐芳 夏琳軍

摘要：以高強(qiáng)度鋁合金為材料的平板裂縫天線(xiàn)具有高增益、低副瓣、體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，可以顯著提高雷達(dá)產(chǎn)品的靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確跟蹤。但由于變形控制的問(wèn)題，加工精度和口面尺寸受到一定制約。本文作者根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)概述了平板裂縫天線(xiàn)的機(jī)械加工工藝方法和技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)高速切削加工環(huán)節(jié)進(jìn)行了重點(diǎn)論述，為鋁合金薄壁件的精密加工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：平板裂縫天線(xiàn)；精密制造；高速加工

金屬薄板的尺寸界定通常為h/b≤（1/5～1/8），其中：h為板材厚度，b為較小邊長(zhǎng)。金屬薄板在機(jī)械加工中主要存在的問(wèn)題是變形控制難度較大。對(duì)于薄板薄壁類(lèi)結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，由于局部材料厚度的不均勻，精密加工難度更大。以廣泛應(yīng)用于雷達(dá)產(chǎn)品的平板裂縫天線(xiàn)為例，造成饋電腔變形的因素有材料殘余內(nèi)應(yīng)力釋放、切削力和切削熱過(guò)大、材料去除率不均勻、焊接過(guò)程中散熱不均勻等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件整體平面度、相對(duì)位置度等關(guān)鍵指標(biāo)保證困難。必須采用精密制造技術(shù)，對(duì)加工工藝進(jìn)行合理的組配，選擇合理的參數(shù)。

一、平板裂縫天線(xiàn)的加工工藝性分析

（一）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及要求

以高強(qiáng)度鋁合金為材料的平板裂縫天線(xiàn)具有高增益、低副瓣、體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，可較大幅度地提高雷達(dá)產(chǎn)品的靈敏度，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)產(chǎn)品的精確跟蹤。近二十年來(lái)，隨著平板天線(xiàn)技術(shù)在理論和加工方式上的不斷成熟，其在民用機(jī)載氣象雷達(dá)、港管雷達(dá)、尋的雷達(dá)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。平板裂縫天線(xiàn)作為多層復(fù)雜腔體的整體結(jié)構(gòu)，由饋電板、輻射板和激勵(lì)波導(dǎo)等零件焊接而成。

設(shè)計(jì)要求天線(xiàn)輻射面范圍內(nèi)平面度0.05mm，饋電縫及腔體、契形孔等相對(duì)位置度誤差要控制在±0.02mm之內(nèi)，材料去除率達(dá)到95%以上。

（二）加工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)

在切削加工過(guò)程中，為降低切削力和切削熱以及材料去除不均勻性的影響，我們采用粗精加工分段并輔以中間去應(yīng)力穩(wěn)定化處理（根據(jù)零件的復(fù)雜程度選擇）的工藝流程?？蛇x擇的焊接工藝方法有真空釬焊和鹽浴釬焊，需綜合考慮結(jié)構(gòu)件尺寸、生產(chǎn)效率、焊后處理、設(shè)備能力等幾方面因素確定。全部工藝流程如下圖示：

二、精密制造關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

高速加工技術(shù)是指采用超硬合金材料的刀具，通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度來(lái)提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。高速加工薄壁薄板件相對(duì)傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性：切削力小，工件產(chǎn)生的讓刀變形相應(yīng)減少，易于保證零件的尺寸精度和形位精度。切削熱對(duì)零件的影響減少，零件加工熱變形小。

（一）裝夾

平板裂縫天線(xiàn)屬較大型薄壁件，強(qiáng)度低、剛性差，夾緊宜采用真空吸附方法，使零件緊貼于夾具表面，其工作系統(tǒng)為：

對(duì)于雙面有薄壁槽的結(jié)構(gòu)件，可以先加工槽少的一面，加工完后在此面槽腔內(nèi)填充石膏作為翻面加工的定位基準(zhǔn)并防止吸附導(dǎo)致零件變形，再進(jìn)行真空吸附裝夾和加工。

（二）設(shè)備選用

我們選用德國(guó)生產(chǎn)的DMU125P五軸四聯(lián)動(dòng)加工中心，主軸結(jié)構(gòu)采用HSK型式，可配備HSK40或JT50等多種形式的刀柄。加工完畢后，需使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。

（三）切削參數(shù)選擇

切削參數(shù)要根據(jù)機(jī)床剛性、刀具直徑、刀具長(zhǎng)度、工件材料、粗加工或精加工模式而定。平板裂縫天線(xiàn)材料為鋁合金6063，由于硬度、強(qiáng)度低、導(dǎo)熱性好，切削加工容易。在相同切削條件下，鋁合金的切削功率僅為軟鋼的1/2。鋁合金導(dǎo)熱性好，約為45#鋼的3倍，切削溫度不致太高。總結(jié)各參數(shù)選擇的原則為：

切削速度：鋁合金的切削速度可選擇范圍較大，但設(shè)計(jì)要求零件表面粗糙度達(dá)到1.6，可通過(guò)選擇較高的切削速度來(lái)達(dá)到。切削速度的提高無(wú)疑會(huì)加劇刀具的磨損，但可以有效提高加工效率，同時(shí)在一定的高速切削范圍內(nèi)提高零件表面的加工質(zhì)量?？紤]設(shè)備的穩(wěn)定使用，我們選用轉(zhuǎn)速為8000～10000rpm.。

進(jìn)給量：加大進(jìn)給量對(duì)薄壁加工不利，但過(guò)小時(shí)，擠壓代替了切削，發(fā)熱嚴(yán)重，造成粘滯，不但影響零件表面粗糙度，而且使零件變形增大。我們?cè)诖帚?、半精銑、精銑三種模式下選擇不同的進(jìn)給量，數(shù)值由2000mm/min～200mm/min。

吃刀量：從切削力、殘余應(yīng)力、切削溫度等因素考慮，高速切削參數(shù)的選擇原則是小軸向切深、大徑向切深。而且在小軸向切深的情況下，徑向切深在一定限度內(nèi)的增加并不會(huì)增大薄壁變形?？紤]加工效率，我們?cè)诖帚?、半精銑、精銑三種模式選用不同的進(jìn)給量，軸向切深從1mm逐步降至0.2mm，徑向切深在2mm左右。

（四）焊接

1.焊接方法的選擇。由于壁厚薄，并內(nèi)置多條焊縫，一般鋁合金的釬焊方法不適合于平板裂縫天線(xiàn)的焊接。由于鋁合金的釬焊溫度和它的熔點(diǎn)非常接近，釬焊溫度和均勻性的控制非常重要。目前只能選擇真空釬焊和鹽浴釬焊。

真空釬焊的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)腐蝕性，無(wú)環(huán)境污染，釬縫成型美觀，設(shè)備自動(dòng)化程度高。缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，熱均勻性不如鹽浴焊，目前還不能進(jìn)行大尺寸鋁合金零件的焊接。

鹽浴釬焊的優(yōu)點(diǎn)是熱均勻性好、釬縫成型質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，非常適合大尺寸零件的大批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)是釬劑鹽中的氟化物具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，揮發(fā)氣體對(duì)人體的健康有不利影響，需要進(jìn)行較大的環(huán)保投入。

由于我們所焊平板天線(xiàn)的外形尺寸達(dá)到800mm以上，故選擇采用鹽浴釬焊的方法進(jìn)行焊接。

2.變形控制要點(diǎn)?？刂坪附幼冃问瞧桨逄炀€(xiàn)焊接工藝中的最大難題之一。天線(xiàn)釬焊溫度為600℃左右，此時(shí)鋁材料的屈服點(diǎn)、強(qiáng)度極限和彈性模量幾乎為零，零件受拘束或較小外力就會(huì)引起塑性變形。在釬焊的預(yù)熱、焊接和冷卻過(guò)程中，如果加熱和冷卻過(guò)程不能保證均勻吸熱和散熱，由于局部材料厚度不均勻，天線(xiàn)截面不對(duì)稱(chēng)，變形不均勻產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生塑性變形。因此，在工藝方法選定后，焊接夾具的設(shè)計(jì)和使用就非常關(guān)鍵。主要要求達(dá)到對(duì)焊接件支撐面的平面度、足夠的熱剛性、定位壓緊機(jī)構(gòu)不妨礙被焊材料的自由伸縮。

三、結(jié)束語(yǔ)

按照以上工藝方法和路線(xiàn)，通過(guò)對(duì)技術(shù)要點(diǎn)的研究、試驗(yàn)、參數(shù)優(yōu)化選擇，制造的平板天線(xiàn)平面度達(dá)到0.46mm<0.5mm，饋電縫及腔體、契形孔相對(duì)位置度誤差控制在±0.02mm之內(nèi)，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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