異形波導(dǎo)腔體成型工藝研究

謝朝云

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所， 南京 211153)

0 引 言

作為雷達饋線系統(tǒng)的樞紐，方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈的制造精度對雷達的性能有很大影響。某三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈主要由A波段上通道、A波段下通道、B波段上通道、B波段下通道、C波段通道、內(nèi)導(dǎo)體等部件組成。本文所述異形波導(dǎo)腔體(圖1所示)是鉸鏈的關(guān)鍵部件，其加工精度對電性能有著極大的影響。異形波導(dǎo)腔體內(nèi)腔分別為A、C波段微波通道，外壁是B波段微波通道的組成部分。異形波導(dǎo)腔體還作為后續(xù)裝配定位基準(zhǔn)，其尺寸精度、形位公差精度要求極高。在試制階段因釬焊工藝參數(shù)選擇不太合適及電鑄芯模精度參數(shù)等問題導(dǎo)致異形波導(dǎo)腔體成品不滿足設(shè)計要求。經(jīng)過努力，技術(shù)人員摸索出了一套合理的成型工藝方法，解決了這一難點，制造出滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的異形波導(dǎo)腔體，為生產(chǎn)合格的三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈提供了保證。

1 異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)型式

異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。圖中，位號1、位號3部分因安裝連接需要做成法蘭盤形狀；位號2部分(含安裝法蘭)上下通道為長方形微波通道，類似波導(dǎo)管形式；位號4部分為細(xì)長圓管形式。

2 工藝方案選擇

通過對異形波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu)型式的分析，借鑒相關(guān)產(chǎn)品的實際經(jīng)驗，認(rèn)為采用整體機械加工是不可能的，必須對異形波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu)進行工藝性優(yōu)化設(shè)計，分解成具有可加工性的零件。按異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)型式可分解成兩部分：左半部由法蘭盤1(位號1)、異形波導(dǎo)管(位號2)、法蘭盤2(位號3)釬焊組合成波導(dǎo)管組件(見圖2)；右半部圓管(位號4)部分由電鑄方法成型。異形波導(dǎo)腔體的成型工藝方法采用機械加工、釬焊和電鑄組合成型。

本方案擬定的異形波導(dǎo)腔體成型工藝過程如下：齊套法蘭盤1、法蘭盤2、異形波導(dǎo)管→法蘭盤1、法蘭盤2、異形波導(dǎo)管修配銀釬焊間隙→釬焊前清洗→釬焊成波導(dǎo)管組件→焊后清洗→機加工→波導(dǎo)管組件與芯模裝配→電鑄成型→機加工→退模→機加工→表面處理。

3 關(guān)鍵技術(shù)

從異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)型式和工藝路線可以看出，法蘭盤機加工成型較為容易，在此不做介紹。異形波導(dǎo)管及圓管部分成型較難，其主要難點是：(1)異形波導(dǎo)管的成型，(2)波導(dǎo)管組件的釬焊成型，(3)異形波導(dǎo)腔體圓管部分的電鑄成型。

3.1 異形波導(dǎo)管的成型

異形波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)型式如圖3所示。

異形波導(dǎo)管采用機加工的方法成型。選用黃銅H62棒料，退火后留余量粗銑成長方形，再采用線切割技術(shù)加工長方形內(nèi)腔到尺寸，這樣可以獲得高精度的波導(dǎo)腔體。以高精度的波導(dǎo)腔體為定位基準(zhǔn)，配制專用芯模作為工裝，裝夾后精銑加工外形的平面及口部臺階部分，而左側(cè)圓形臺階則由車加工完成。需要注意的是，該芯模要同時考慮與車加工裝夾的通用性，采用同一定位基準(zhǔn)、銑加工與車加工通用工裝有利于保證成品精度[1]。

3.2 波導(dǎo)管組件的釬焊成型

波導(dǎo)管組件將作為圓管段電鑄成型的基體，其內(nèi)腔是裝配電鑄芯模的定位基準(zhǔn)，精度要求較高。法蘭盤1、法蘭盤2、異形波導(dǎo)管所用材料均為黃銅H62，采用手工火焰方法釬焊成型。工藝設(shè)計特別要求釬焊以波導(dǎo)管內(nèi)腔作為定位基準(zhǔn)，并設(shè)置輔助工裝，保證焊接精度。

3.2.1 銅合金的釬焊性

黃銅是銅鋅合金。當(dāng)黃銅含鋅量低于15%時，表面氧化物主要由Cu2O組成，其中含有ZnO的微粒；當(dāng)黃銅含鋅量大于20%時，其表面氧化物主要由ZnO組成。銅的氧化物和鋅的氧化物比較容易去除，所以黃銅H62的釬焊性比較好。為防止溫度過高造成鋅的析出和揮發(fā)，影響釬縫質(zhì)量，釬焊黃銅時必須使用釬劑[2]。

3.2.2 釬料、釬劑選擇

焊接時選用銀基釬料。銀基釬料的熔點適中，具有良好的強度、韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性。釬焊過程中熔態(tài)釬料對母材的潤濕主要取決于釬劑的作用。釬焊接頭的強度和抗腐蝕性主要取決于釬料以及它和母材的作用和關(guān)系。釬劑在釬焊過程中去膜能力要強，對母材腐蝕作用要小，釬縫致密性好，不會形成夾渣，并易于清洗[2]。

3.2.3 釬焊前清洗

需釬焊的工件必須進行焊前清洗，以去除各種油污、較厚的氧化膜，獲得良好的釬縫。波導(dǎo)管組件的各組成零件釬焊前清洗均采用以下工藝流程：有機溶劑去油→干燥→化學(xué)除油→熱水洗→冷水洗→光亮酸洗→冷水洗→鈍化處理→冷水洗→熱水洗→烘干。

3.2.4 釬焊前裝配

釬焊間隙對焊縫質(zhì)量影響極大。間隙過小，釬料不易均勻漫流；間隙過大，不易填滿釬縫，易產(chǎn)生缺陷。通過試驗，對釬焊參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，選擇最佳配合間隙。在預(yù)裝配時根據(jù)實際尺寸修整間隙來保證設(shè)計要求。零件在裝配好后不得再進行互換。為保證較好的截面尺寸及形位公差，必須采用輔助焊接工裝。零件裝配好后在釬縫處涂上調(diào)成糊狀的釬劑，但不應(yīng)涂得過多，以免釬料流失造成浪費[3]。

3.2.5 釬焊加熱規(guī)范

采用手工火焰加熱，將零件加熱到釬劑熔化(此時溫度已接近釬焊溫度)再繼續(xù)對零件進行加熱，同時將棒狀釬料蘸上釬劑加在零件釬縫適當(dāng)部位，不允許用火焰直接將釬料吹落。必須使零件均勻加熱，不可集中加熱某處，防止零件過燒。如果釬料能自動熔化和鋪展在零件表面，則表明零件溫度以達到釬焊溫度，可以對釬縫填充釬料。

3.2.6 釬焊后清洗

釬劑殘渣有一定的腐蝕性，釬焊后的零件必須進行清洗。釬焊后的釬縫忌用堿洗，因此釬劑殘渣最好用稀酸溶液清洗。釬焊后以較快的速度冷卻，有利于增加釬縫的強度，但不能用水激冷[3]。本工藝方案是將工件冷卻到100 ℃以下后，放入10%～20%檸檬酸水溶液槽中沸煮，再用冷、熱水仔細(xì)沖洗干凈后烘干(或吹干)。

3.3 異形波導(dǎo)腔體圓管部分的電鑄成型

異形波導(dǎo)腔體圓管部分如圖1所示位號4部分。

電鑄方法可將難于加工的腔體內(nèi)表面轉(zhuǎn)換成加工芯模外表面，使加工變得較為容易，可以滿足設(shè)計要求。電鑄設(shè)計的基本原則是既要滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求又要符合電鑄制造條件，既要力求加工簡單、操作方便又要保證形狀精度、粗糙度和連接強度。如何保證波導(dǎo)管組件與圓管部分的連接可靠是異形波導(dǎo)腔體電鑄成型的關(guān)鍵技術(shù)。異形波導(dǎo)腔體的電鑄連接可靠性解決方法如下：

(1) 波導(dǎo)管組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

由于異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)特點，需要保證波導(dǎo)管組件與圓管部分電鑄成一體后連接強度不低于本體的強度。為達到這一目的，必須考慮改變法蘭盤連接處形狀，使其電鑄層保持平滑過渡，以防止應(yīng)力突變。因機械加工不可能達到?jīng)]有臺階的連接，為此將法蘭盤2需電鑄處由圓柱形改為圓錐形，角度30°，需要將該前端壁厚加工的很薄，控制在0.3 mm以下較為理想。

(2) 電鑄芯模設(shè)計

電鑄芯模材質(zhì)的選擇由產(chǎn)品形狀、精度、表面粗糙度要求、成本等因素綜合考慮。鋁合金作為小批生產(chǎn)的饋線類零件的芯模是一種常用和最經(jīng)濟的制造方法。因波導(dǎo)管組件與芯模采用過盈配合，脫摸困難，故選用一次性使用的鋁合金芯模，材質(zhì)為2A12，既具有足夠的強度又便于電鑄后的腐蝕退摸。

根據(jù)異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)特點，電鑄芯模設(shè)計成如圖4所示結(jié)構(gòu)型式。

圖4 電鑄芯模

因異形波導(dǎo)腔體的內(nèi)外表面粗糙度直接影響微波傳輸?shù)乃p系數(shù)，對電性能影響較大。試驗階段對電鑄芯模表面粗糙度要求較低，生產(chǎn)的成品電性能不達要求。工藝優(yōu)化后，電鑄芯模加工精度應(yīng)不低于波導(dǎo)腔體本身的精度，表面粗糙度要求為Ra0.4～0.8。

(3) 波導(dǎo)管組件與芯模配合形式選擇

波導(dǎo)管組件與芯模配合形式如圖5所示。

理論分析，過盈配合的電鑄連接強度最高。波導(dǎo)管組件與芯模采用過盈配合，過盈量為0.03 mm合適，熱套法裝配。裝配時通過配車加工使波導(dǎo)管組件上的孔與芯模過盈量為0.03 mm左右。波導(dǎo)管組件將加熱到80 ℃～100 ℃，經(jīng)熱漲后可以順利地套在芯模上，冷卻后可保持足夠的連接強度。特別注意的是，裝配后需校正芯模的直線度為0.04 mm。這是保證電鑄后形位公差精度的前提條件。

(4) 電鑄工藝設(shè)計

為滿足設(shè)計所要求的表面粗糙度，保證電鑄層的細(xì)致、勻整，電鑄溶液必須具備較好的分散能力、光亮性和整平性，沉積速度要快，要穩(wěn)定和易于調(diào)整。電鑄時波導(dǎo)管組件與圓管部分的連接處易形成電鑄死角，要在相應(yīng)部位沉積較厚的銅層較為困難，必須增加輔助陽極，并有意識地控制局部電鑄的方法來保證異形波導(dǎo)腔體的電鑄質(zhì)量。因生產(chǎn)周期較長，在電鑄過程中需要多次將工件取出，去除電鑄瘤，并經(jīng)除油酸洗妥善防護后再繼續(xù)電鑄。為了保護加工基準(zhǔn)，各處非電鍍面及內(nèi)腔均需妥善防護。

由于鋁合金的性質(zhì)比較活潑，電鑄前必須對鋁材進行表面預(yù)處理即浸鋅處理。浸鋅時間和浸鋅溶液溫度對鋅層質(zhì)量均有重要影響。為獲得結(jié)構(gòu)緊密、結(jié)晶細(xì)致、結(jié)合力良好的浸層，選用2次浸鋅工藝，即第1次浸鋅在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的硝酸溶液中浸蝕15 s，清水洗凈后再在第1次浸鋅的溶液中第2次浸鋅，時間15 s。浸鋅溶液溫度20 ℃左右時效果最佳[4]。

電鑄工藝過程包括前處理、電鑄過程和脫模后處理，其過程為：鍍前檢查→有機溶劑去油→干燥→化學(xué)去油→硝酸出光→浸鋅酸鹽→退鋅→2次浸鋅→預(yù)鍍氫化銅→浸稀硫酸→電鑄銅→機加工→退模。

(5) 電鑄成型后機加工

電鑄層厚度達到工藝設(shè)計要求后即轉(zhuǎn)入機加工(車加工)。機加工時，要求以芯模預(yù)留基準(zhǔn)段找正，滿足工藝設(shè)計要求后加工。加工時注意吃刀量要小，仔細(xì)觀察電鑄層有無缺陷，如有缺陷必須及時處理。

(6) 機加工后的退模

機加工滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求后進行退模。為提高生產(chǎn)效率，在電鑄芯模兩端打孔可以加快退模速度。

4 異形波導(dǎo)腔體的表面防護

異形波導(dǎo)腔體的表面防護采用鍍銀處理。異形波導(dǎo)腔體安裝在三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈內(nèi)部。由于三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈內(nèi)部屬于密閉環(huán)境，對異形波導(dǎo)腔體表面進行鍍銀處理后，不但具有良好的電性能，還可以有效地進行防護。

5 結(jié)束語

本文重點介紹了異形波導(dǎo)腔體的關(guān)鍵制造技術(shù)，工藝路線合理，通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計保證了新型結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。采用本文制造技術(shù)加工的異形波導(dǎo)腔體符合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，裝入三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈后滿足裝配精度要求。三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈達到了優(yōu)良的電性能指標(biāo)，并在實際使用中得到了驗證，合格率為100%，已經(jīng)用于某重點產(chǎn)品的批次生產(chǎn)。