一種大型天線扼流圈加工技術(shù)研究

孫廣宇 劉 暄 倪 娜 張博威 趙德新

一種大型天線扼流圈加工技術(shù)研究

孫廣宇 劉 暄 倪 娜 張博威 趙德新

（天津航天機電設(shè)備研究所，天津 300458）

扼流圈是在天線設(shè)計基礎(chǔ)上用于改善電磁波傳輸多徑效應(yīng)、改善輻射效率、提高輻照均勻度的重要結(jié)構(gòu)，零件公差要求嚴(yán)格。由于材料為硬質(zhì)鋁合金，加工過程中切削量大，材料加工過程變形量大，導(dǎo)致尺寸精度難以保證，加工難度系數(shù)高。分析了扼流圈零件及影響其加工精度的因素，通過工藝方法、切削參數(shù)、裝夾方式的選擇，采取對應(yīng)的加工余量控制、應(yīng)力控制、振動控制等手段，提高加工質(zhì)量，保證了加工精度。

扼流圈；硬質(zhì)鋁合金；尺寸精度

1 引言

扼流圈是天線的重要部件，其尺寸精度直接影響天線對多徑效應(yīng)的抑制[1]。決定了天線的相位中心穩(wěn)定度和定位精度。為了滿足扼流圈的精度要求，對扼流圈的加工提出了嚴(yán)格的要求。

2 扼流圈零件的分析

扼流圈零件如圖1所示，零件材料采用2A12 H112，具有三層同心圓槽，壁厚1.5mm，底面平面度為0.2。從圖上分析可以看出，大切削量條件下保證三層同心圓槽尺寸精度為扼流圈加工難點。

圖1 扼流圈結(jié)構(gòu)示意圖

扼流圈零件精度要求高、尺寸大、切削量大、壁薄、剛性差、材料易變形，加工制造過程存在零件合格率低、加工質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，是典型的高精度難加工零件。

3 扼流圈機加工影響因素分析

3.1 工件變形

扼流圈加工坯料為硬質(zhì)鋁合金2A12 H112，加工過程需要切削大量金屬材料，切削后材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，工件內(nèi)部殘余應(yīng)力會導(dǎo)致工件嚴(yán)重變形，尺寸超差，工件報廢[2]。

加工過程中，由于大量切削材料，需要較大裝夾力，不當(dāng)?shù)难b夾方式也會導(dǎo)致工件變形，并隨著金屬材料切削過程越發(fā)明顯，直至導(dǎo)致工件報廢。

3.2 切削振動

扼流圈為大型薄壁零件，加工過程中的材料去除率極大，薄壁零件自身的剛度在加工過程中始終處于較為顯著的變化狀態(tài)，銑削加工變形和加工振動不斷變化，導(dǎo)致工件的表面加工質(zhì)量差，粗糙度大，嚴(yán)重影響了薄壁零件的整體使用性能[3]。

4 扼流圈零件加工保證措施

4.1 工藝路線安排

扼流圈零件為典型的大型薄壁環(huán)形零件，中間開有90mm×90mm方孔，因而加工時主要需要考慮中間方孔的加工時機和零件的裝夾方式。方孔加工后會存在材料的應(yīng)力釋放，導(dǎo)致零件發(fā)生扭狀變形。由于零件最小壁厚僅為1.5mm，若采用常規(guī)的徑向力裝夾，會導(dǎo)致扼流圈徑向尺寸超差。

若在零件粗銑階段加工方孔，材料應(yīng)力釋放后再半精加工和精加工，可以保證應(yīng)力釋放條件下零件的加工精度；若采用底面粘接，軸向壓緊的無徑向力裝夾方式，可以減少加工由于裝夾力導(dǎo)致的零件徑向應(yīng)變，從而提高加工精度，保證加工質(zhì)量。扼流圈加工工藝路線如圖2所示。

圖2 扼流圈工藝路線

4.2 工藝措施

結(jié)合扼流圈零件的結(jié)構(gòu)特點，加工過程中影響因素，依據(jù)零件的加工工藝路線，制定產(chǎn)品加工階段的工藝措施。

4.2.1 采用底面粘接、軸向裝夾的方式

圖3 精車工序裝夾方式

如圖3所示，扼流圈裝夾采用底面粘接、軸向裝夾的方式，減少了加工工件所受徑向力作用以及扼流圈徑向形變，提高加工精度。

圖4為該裝夾方式下有限元分析，分析結(jié)果顯示，位移最大值位于中間方孔邊緣及最內(nèi)圈外徑，最大位移為0.51μm，扼流圈內(nèi)圈最大徑向位移為0.124μm，對精度影響很小。

4.2.2 刀具及切削參數(shù)

該零件坯料為硬鋁材料，切削力大小對零件精度有很大的影響。自制雙刀尖端面車刀解決切削應(yīng)力問題，同時，該刀有一刀兩用的功能，解決刀座受限問題。切削參數(shù)選擇如表1所示。

表1 切削參數(shù)表

4.3 操作過程保證措施

4.3.1 加工余量控制

扼流圈三個同心槽的切削順序從兩方面考慮。從裝夾剛度：由于零件粘接點位于最外圈均布三點，最外圈裝夾剛度最大，如先車削最外圈圓槽，會導(dǎo)致加工時裝夾剛度下降，影響內(nèi)部圓槽加工，如圖5所示。從尺寸公差帶：內(nèi)部三圈圓環(huán)尺寸公差帶寬度為0.1mm，最外圈圓滑公差帶寬度為0.2mm，因此先車削內(nèi)圈，最后車削扼流圈最外圈外圓尺寸，將加工誤差留給公差帶最寬的外圓尺寸，有利于保證加工尺寸精度。

圖5 扼流圈粘接裝夾示意圖

4.3.2 去應(yīng)力處理控制

硬質(zhì)鋁合金毛坯在粗銑加工后內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力一方面影響材料的屈服強度，另一方面由于應(yīng)力釋放影響后續(xù)工序的加工精度。因此在粗加工和半精加工之間退火去應(yīng)力，保證半精加工精度。半精加工后采用深冷進行冷熱循環(huán)穩(wěn)定化處理，經(jīng)過兩次冷熱循環(huán)，去除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，強化鋁合金結(jié)構(gòu)[4]，提高了后續(xù)精車加工成品率，保證了零件尺寸精度和加工質(zhì)量。

4.3.3 振動控制

切削振動是影響薄壁件加工精度和質(zhì)量的重要因素，加工過程中增加輔助支撐，增大工件剛度、平衡切削力、抑制加工振動是保證加工質(zhì)量的重要方法。加工過程中，在扼流圈端面槽內(nèi)放置防震墊[5]，提高扼流圈各圈剛度，經(jīng)多次試切，采用棉布加水作為支撐效果最佳，扼流圈機械加工精度可以達到IT8以上。

5 結(jié)束語

扼流圈零件采用底面粘接、軸向裝夾的微應(yīng)力裝夾方式，選用合理的切削參數(shù)，降低了裝夾應(yīng)力和切削應(yīng)力對工件的影響。通過去應(yīng)力退火和冷熱循環(huán)相結(jié)合的熱處理方式，消除殘余應(yīng)力對工件的影響；通過合理的加工余量控制合理分配尺寸公差，保證零件加工精度；通過增加輔助支撐增大工件剛度，消除機械振動對零件精度的影響。

以上零件的加工方法同樣適用于相近材料的機械加工，如鎂鋁合金材質(zhì)的扼流圈等。裝夾應(yīng)力導(dǎo)致的變形問題可借鑒底面粘接軸向固定的微應(yīng)力裝夾方式，殘余應(yīng)力導(dǎo)致的加工變形可以借鑒去應(yīng)力退火和冷熱循環(huán)相結(jié)合的處理方式，含多圈結(jié)構(gòu)的扼流圈零件可以采用有內(nèi)而外的加工余量控制方式。

1 高玉平，劉子懿，徐勁松，等. 單頻GPS接收機天線扼流圈的研制與測試[J]. 時間頻率學(xué)報，2006(1)：51～57

2 王軍峰. 減少機械加工材料變形對品質(zhì)的影響[J]. 工程技術(shù)與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟，2010(6)：40

3 錢時林. 機械加工過程中的振動問題分析及解決策略[J]. 工藝與裝備，2016(6)：129～134

4 陳振華，謝配孺，姜勇，等. 鈦合金深冷及冷熱循環(huán)處理研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報， 2014(7)：1～5

5 崔惠婷，陳蔚芳，馮婷. 裝夾優(yōu)化抑制薄壁件加工振動研究[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2016(5)：138～142

Research on Processing Technology of A Large Antenna Choke Ring

Sun Guangyu Liu Xuan Ni Na Zhang Bowei Zhao Dexin

(Tianjin Institute of Aerospace Mechanical and Electrical Equipment, Tianjin 300458)

Choke is an important structure based on the antenna design to improve the multi-path effect of electromagnetic wave transmission, the radiation efficiency and the uniformity of light illumination. The dimensional tolerances of parts are strict. Because the material is hard aluminum alloy, the cutting amount is large, the deformation of the material processing is large, the dimensional accuracy is difficult to ensure and the processing difficulty coefficient is high. This paper analyzes the process technology of choke, through choosing technique, cutting parameter, clamping method and taking steps to control working allowance, stress and vibration. The processing quality is improved and working accuracy is guaranteed.

choke；hard aluminum alloy；full size accuracy

孫廣宇（1985），碩士，機械工程專業(yè)；研究方向：天線制造技術(shù)、工藝管理。

2020-08-25