內(nèi)導(dǎo)體拉絲加工研究

□ 李小青 □ 王建中

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088

1 設(shè)計(jì)背景

隨著雷達(dá)產(chǎn)品的技術(shù)更新,天線單元、同軸線、高功率饋線傳輸腔體等越來越多的雷達(dá)器件需要大批量高精度內(nèi)導(dǎo)體,內(nèi)導(dǎo)體的加工精度直接影響雷達(dá)產(chǎn)品的電信性能。一般內(nèi)導(dǎo)體加工要求統(tǒng)一外徑尺寸,通常有兩種方法用于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一外徑尺寸,一種是棒料磨削,另一種是棒料拉絲。棒料磨削降低了原材料的利用率,外徑尺寸離散度大[1],效率不高。棒料拉絲屬于冷加工,具體方法是對金屬棒料施加壓力,棒料連續(xù)通過模具,以獲得與模具孔尺寸形狀相同的制品。拉絲可以得到表面光潔的制品,并且斷面在整個(gè)長度上保持一致,不受長徑比影響。直徑波動值在0.002 mm以內(nèi),外徑尺寸穩(wěn)定。內(nèi)導(dǎo)體的生產(chǎn)長度可以很長,外徑尺寸可以很小,能夠連續(xù)加工,生產(chǎn)效率高。

某雷達(dá)含有大量天線單元,天線單元主要由內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、天線罩、反射板、連接器組成。天線單元屬于細(xì)長結(jié)構(gòu),其中內(nèi)導(dǎo)體為典型細(xì)長軸結(jié)構(gòu),直徑細(xì)小且值不為整數(shù),如4.2 mm、3.04 mm等。內(nèi)導(dǎo)體尺寸如圖1所示。采用H62黃銅棒料加工,表面質(zhì)量要求高,表面粗糙度Ra小于1.6 μm。內(nèi)導(dǎo)體的需求量大,各種尺寸型號插芯內(nèi)導(dǎo)體每年加工不少于4萬件。拉絲模具是生產(chǎn)加工內(nèi)導(dǎo)體的重要工具,是H62黃銅棒料連續(xù)拉伸過程中保證內(nèi)導(dǎo)體加工質(zhì)量的關(guān)鍵。然而,拉絲模具初次使用時(shí)常常會出現(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體直徑超差,并且拉絲后的內(nèi)導(dǎo)體表面粗糙度超差,甚至出現(xiàn)貫穿性拉痕等表面質(zhì)量問題,如圖2所示。已有的研究成果均局限于線材表面裂紋的演變過程、模具的磨損,以及線材機(jī)械或電氣性能的改變,所采用的研究方法是有限元分析方法[2-4]或冶金金相顯微分析方法[5-6]。筆者通過加工試驗(yàn)對內(nèi)導(dǎo)體直徑超差和表面粗糙度超差的原因進(jìn)行分析,對拉絲模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改善,提出內(nèi)導(dǎo)體拉絲模具的設(shè)計(jì)方法,以解決內(nèi)導(dǎo)體拉絲直徑超差和表面粗糙度超差問題,提高內(nèi)導(dǎo)體的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

▲圖1 內(nèi)導(dǎo)體尺寸

2 內(nèi)導(dǎo)體加工超差原因分析

2.1 直徑超差

內(nèi)導(dǎo)體拉絲模具如圖3所示。由圖3可以看出,拉絲模具的工作部分包括定徑區(qū)、入口區(qū)和出口區(qū)。內(nèi)導(dǎo)體直徑超差由拉絲模具定徑區(qū)直徑、定徑區(qū)長度、拉絲余量等因素決定,由此得到內(nèi)導(dǎo)體直徑超差原因結(jié)構(gòu)樹,如圖4所示。

▲圖2 內(nèi)導(dǎo)體表面質(zhì)量問題▲圖3 內(nèi)導(dǎo)體拉絲模具▲圖4 內(nèi)導(dǎo)體直徑超差原因結(jié)構(gòu)樹

在內(nèi)導(dǎo)體實(shí)際加工過程中,發(fā)現(xiàn)棒料拉絲后內(nèi)導(dǎo)體直徑d1略大于拉絲模具定徑區(qū)直徑D,說明在拉絲過程中內(nèi)導(dǎo)體的外徑存在彈性變形。另一方面,拉絲前銅棒料原始直徑d0越大,d1與D的差值越大,即d1與D的差值與d0的大小可能存在一定變量關(guān)系。

由于生產(chǎn)條件限定,采用普通車床進(jìn)行拉絲,拉絲的銅棒料直徑大都在0.5～5 mm之間。針對以上條件,使用φ4.8 mm銅棒料,正常拉絲余量為0.2 mm。依據(jù)經(jīng)驗(yàn),對拉絲模具的定徑區(qū)長度分別取0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm進(jìn)行拉絲試驗(yàn),結(jié)果見表1。由表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):定徑區(qū)過長,摩擦力較大,銅棒料拉絲后易引起內(nèi)導(dǎo)體直徑縮小或內(nèi)導(dǎo)體斷裂;定徑區(qū)過短,難以獲得形狀穩(wěn)定、尺寸精確、表面質(zhì)量良好的內(nèi)導(dǎo)體,同時(shí)拉絲模具定徑區(qū)孔徑還會很快被磨損[7]。當(dāng)定徑區(qū)長度取1～1.5 mm時(shí),內(nèi)導(dǎo)體表面質(zhì)量最佳。

表1 拉絲試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)確認(rèn),內(nèi)導(dǎo)體直徑與銅棒料拉絲余量關(guān)系不大,無論拉絲余量是0.1 mm、0.2 mm,還是0.3 mm,內(nèi)導(dǎo)體直徑都幾乎不變。因此,拉絲余量一般采用0.1～0.2 mm。

綜上所述,控制內(nèi)導(dǎo)體直徑,必須嚴(yán)格控制拉絲模具定徑區(qū)直徑?？刂贫◤絽^(qū)直徑,必須找到內(nèi)導(dǎo)體直徑與拉絲模具定徑區(qū)直徑之間的關(guān)系。

2.2 表面粗糙度超差

應(yīng)用現(xiàn)有的拉絲模具設(shè)計(jì)試驗(yàn)[8],先測出拉絲模具定徑區(qū)表面粗糙度,然后將銅棒料拉絲成內(nèi)導(dǎo)體,再檢測內(nèi)導(dǎo)體表面粗糙度,結(jié)果見表2。由表1和表2確認(rèn),拉絲模具定徑區(qū)長度、銅棒料拉伸速度、拉絲余量不是造成表面粗糙度超差的主要原因,拉絲模具的工作部分,即拉絲模具定徑區(qū)、入口區(qū)、出口區(qū)的自身表面粗糙度才是主要原因。

表2 表面粗糙度檢測結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可知,為獲得表面粗糙度Ra小于1.6 μm的合格內(nèi)導(dǎo)體,拉絲模具定徑區(qū)孔壁表面粗糙度Ra必須小于0.4 μm。只有保證所采購的拉絲模具定徑區(qū)孔壁表面粗糙度Ra小于0.4 μm,才能滿足銅棒料拉絲后內(nèi)導(dǎo)體的表面粗糙度要求。

3 內(nèi)導(dǎo)體直徑與拉絲模具定徑區(qū)直徑關(guān)系

由上述試驗(yàn)分析可知,拉絲模具定徑區(qū)直徑直接影響銅棒料拉絲后內(nèi)導(dǎo)體實(shí)際直徑。為了找出銅棒料拉絲后內(nèi)導(dǎo)體直徑與拉絲模具定徑區(qū)直徑之間的關(guān)系,進(jìn)行試驗(yàn)[4]。試驗(yàn)銅棒料長度為500 mm,尺寸公差為±0.015 mm,拉絲模具定徑區(qū)直徑與銅棒料直徑見表3。

表3 拉絲模具定徑區(qū)直徑與銅棒料尺寸

根據(jù)實(shí)際內(nèi)導(dǎo)體尺寸要求,確定拉絲銅棒料的直徑在0.5～5 mm之間,選定直徑小于5 mm的銅棒作為試驗(yàn)材料。

按設(shè)計(jì)及工藝要求制作不同定徑區(qū)直徑的拉絲模具,模具材料選擇45號鋼。將拉絲模具定徑區(qū)直徑按0.1 mm分檔,分別用千分尺測量每個(gè)拉絲模具的定徑區(qū)直徑[10],做好記錄。

按拉絲工藝分別進(jìn)行拉絲,記錄實(shí)際拉絲后的內(nèi)導(dǎo)體直徑,并與拉絲模具定徑區(qū)直徑一一對應(yīng)。

匯總拉絲模具定徑區(qū)直徑與內(nèi)導(dǎo)體直徑實(shí)測值,見表4。

表4 拉絲模具定徑區(qū)直徑與內(nèi)導(dǎo)體直徑對照

基于表4分析拉絲模具定徑區(qū)直徑與內(nèi)導(dǎo)體直徑之間的關(guān)系,找出規(guī)律,繪制內(nèi)導(dǎo)體直徑與拉絲模具定徑區(qū)直徑關(guān)系散點(diǎn)圖,如圖5所示。由圖5可以看出,銅棒料拉絲后內(nèi)導(dǎo)體直徑與拉絲模具定徑區(qū)直徑之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系。

▲圖5 內(nèi)導(dǎo)體直徑與拉絲模具定徑區(qū)直徑關(guān)系散點(diǎn)圖

為了計(jì)算圖5中的線性因數(shù),首先計(jì)算所有拉絲模具定徑區(qū)直徑與銅棒料拉絲后內(nèi)導(dǎo)體直徑之間的相關(guān)因數(shù)。當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體直徑在0.5～5 mm之間時(shí),線性因數(shù)在0.994 7～0.998 0之間,且會有0～0.011 mm的誤差。設(shè)拉絲模具定徑區(qū)直徑誤差不得大于0.004 mm,將線性因數(shù)分為兩段。當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體直徑小于4 mm時(shí),取線性因數(shù)K1為0.996 9,拉絲模具定徑區(qū)直徑誤差在0.004 mm以內(nèi),滿足內(nèi)導(dǎo)體圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸要求。內(nèi)導(dǎo)體直徑為4～5 mm時(shí),取線性因數(shù)K2為0.995 5,拉絲模具定徑區(qū)直徑誤差在0.004 mm以內(nèi),滿足內(nèi)導(dǎo)體圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸要求。線性因數(shù)計(jì)算表見表5。確定線性因數(shù)K1和K2,已知銅棒料拉絲后內(nèi)導(dǎo)體直徑,可以得到選用的拉絲模具定徑區(qū)直徑。

表5 線性因數(shù)計(jì)算表

4 實(shí)例驗(yàn)證

5 結(jié)束語

筆者通過分析內(nèi)導(dǎo)體加工過程中出現(xiàn)的問題,驗(yàn)證拉絲模具表面粗糙度Ra達(dá)到0.4 μm以下即可使銅棒料拉絲后內(nèi)導(dǎo)體的表面粗糙度滿足要求,并通過試驗(yàn)獲得了設(shè)計(jì)拉絲模具定徑區(qū)直徑的重要參數(shù)——線性因數(shù),為今后航空航天、軍工電子方面細(xì)長軸內(nèi)導(dǎo)體類零件的加工提供了參考依據(jù),可以通過一次拉絲成型得到滿足設(shè)計(jì)要求的內(nèi)導(dǎo)體,一致性好,效率高。