圓錐喇叭天線關(guān)鍵制造技術(shù)

許業(yè)林，黃艷云，鄭 杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥 230088)

喇叭天線具有工作頻帶寬、功率容量大、輻射特性好、方向性適中、構(gòu)造相對簡單、制造成本低等特點(diǎn)，因此其用途比較廣泛，通常在雷達(dá)和微波輻射當(dāng)中用作定向天線，在拋物面天線等大型天線結(jié)構(gòu)中用作饋源喇叭，以及在其他天線的測試當(dāng)中用作校準(zhǔn)和測試工具等。它是一種波導(dǎo)管終端漸變張開的圓形或矩形截面的微波天線，一般由一段均勻波導(dǎo)和一段喇叭組成。即一種波導(dǎo)或同軸端口一端的尺寸小，而另一端尺寸大的矩形或圓形波導(dǎo)器件[1-3]。

喇叭天線分為矩形喇叭天線和圓錐喇叭天線。由于圓錐喇叭天線的圓形波導(dǎo)終端逐漸張開且對稱性良好，因此其應(yīng)用更為廣泛。本文即針對一種圓錐形喇叭天線(見圖1)的精密制造展開詳述。

圖1 圓錐喇叭天線

1 喇叭天線精密制造總體工藝路線

天線零件波導(dǎo)內(nèi)壁、連接器孔等各尺寸位置精度要求±0.02 mm。波導(dǎo)腔內(nèi)壁焊接后無法加工，因此應(yīng)在焊前各層零件加工時(shí)設(shè)計(jì)完善的加工方法以保證各波導(dǎo)腔尺寸精度和焊接質(zhì)量的要求。

喇叭天線整體精密加工分為3個(gè)階段(見圖2)：焊前零件單層精密加工→真空精密焊接→焊后精密加工。

圖2 圓錐喇叭天線加工過程示意圖

2 制造要點(diǎn)分析

2.1 零件精密加工工藝要點(diǎn)

1)上下層天線板加工屬于厚板類零件高精度加工，波導(dǎo)腔尺寸精度要求±0.02 mm，因此，精加工時(shí)應(yīng)保證各層板波導(dǎo)腔上平面的平面度控制在±0.02 mm以內(nèi)。

上下板定位孔的位置精度是保證喇叭天線焊后質(zhì)量的一個(gè)重要因素，需通過合理的加工方法進(jìn)行控制。另外，腔體內(nèi)精加工時(shí)的表面粗糙度及定位銷孔的最佳配合間隙也是必須考慮的重要因素。

2)中層板精密加工工藝要點(diǎn)主要是在保證其平面度的基礎(chǔ)上，控制定位孔與波導(dǎo)槽的位置精度，保證定位孔與喇叭外形尺寸的對稱度等要求。

2.2 真空焊接工藝要點(diǎn)

喇叭天線真空焊接過程中，重點(diǎn)關(guān)注焊接后的焊縫強(qiáng)度和焊縫的熔化漫溢情況，焊縫應(yīng)成型美觀，釬料無未熔化現(xiàn)象。所有的釬縫邊緣應(yīng)形成連續(xù)、均勻、圓滑的焊角，不允許有外部未釬透的情況。另外，焊接接頭應(yīng)無起皮、起泡、殘余釬劑，外部氣孔的直徑應(yīng)小于釬縫表面平均寬度的50%，最大孔徑不超過1 mm。

2.3 焊后精加工工藝要點(diǎn)

喇叭天線焊后精加工應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注連接器孔端的加工及其基準(zhǔn)找正問題，另外，應(yīng)關(guān)注圓錐喇叭的薄壁變形開裂問題及其圓錐角度保證情況。

3 精密制造關(guān)鍵技術(shù)

3.1 零件精加工關(guān)鍵技術(shù)

波導(dǎo)腔相關(guān)尺寸精度均要求±0.02 mm。三層板的尺寸一致性要求較高。圓錐喇叭天線下層板如圖3所示，未注尺寸公差為±0.02 mm。

圖3 圓錐喇叭天線下層板

1)平面度。

采用熱處理去除應(yīng)力，真空吸盤裝夾，高速銑反復(fù)多次翻面加工上下平面等方式，保證零件上平面的平面度控制在0.01 mm[4-6]。

2)中板定位孔與喇叭尺寸對稱度。

中板定位孔與喇叭尺寸對稱度，采用專用工裝裝夾，孔和零件外形采用慢走絲線切割一次加工成型的方式保證對稱度要求(見圖4)。

圖4 中板定位孔與外形一次成型

3)定位銷孔的最佳配合間隙。

通過焊接試驗(yàn)確定銷孔的最佳配合間隙，在上下層板定位孔加工時(shí)采用加刀補(bǔ)精銑定位孔及與波導(dǎo)腔一次成型的方式，同時(shí)配合在線塞規(guī)自檢，保證定位孔的位置及尺寸精度，確保銷孔最佳配合間隙[7-9]。

4)喇叭微細(xì)特征表面質(zhì)量。

采用高速銑設(shè)備，通過控制切削量及走刀速度保證波導(dǎo)腔內(nèi)側(cè)壁光潔度，同時(shí)配合在40倍放大鏡下去毛刺。

3.2 真空焊接質(zhì)量保證

1)焊縫強(qiáng)度：主要取決于焊片牌號的選擇。

該圓錐喇叭天線采用3A21鋁合金板料加工而成。該材料耐腐蝕且焊接性能良好，目前針對該材料最好的焊料材料是Al-Si-Mg焊料。

此焊料需具有如下特性：a.焊料成分穩(wěn)定性好，在真空焊接升溫及保溫過程中能夠保證狀態(tài)穩(wěn)定；b.焊料的熔點(diǎn)與母材的液相線溫度有合理的梯度，在焊接過程中容易發(fā)生反應(yīng)擴(kuò)散焊接；c.焊料在液體狀態(tài)時(shí)能夠具有較好的浸潤性，能在真空環(huán)境中充分滲透填充母材[5]。

通過該類常用低溫焊片的試驗(yàn)對比，該圓錐喇叭天線選擇使用牌號為Al-11.7Si-1.5Mg的焊片材料。

2)焊縫漫溢：在裝爐數(shù)量及爐溫等參數(shù)固定的前提下，焊片漫溢多基于焊片厚度的選擇。

常規(guī)真空焊片一般使用0.15 mm厚度的焊片，但由于該圓錐喇叭天線頻段較高，對焊接質(zhì)量的要求也比較高，要求焊片溶化后浸潤均勻，焊液流淌遍布均勻，沒有局部虛焊漏焊情況。通過幾種常用厚度規(guī)格的焊片焊接，焊接前后三層板厚度變化分析，焊片厚度0.1～0.12 mm的各性能對比比較理想，因此最終選用厚度0.1～0.12 mm的焊片進(jìn)行該圓錐喇叭天線的真空焊接。

真空焊接預(yù)裝時(shí)控制裝配厚度尺寸公差，三層厚度累加理論值公差控制在0.05 mm以內(nèi)，預(yù)裝后上下層平面度控制在0.03 mm以內(nèi)。

3)喇叭圓錐度。

對于在真空焊前喇叭內(nèi)圓已加工到位，后期將不再加工喇叭內(nèi)錐孔的情況，為了保證焊后喇叭內(nèi)孔的圓度要求，在真空焊接時(shí)應(yīng)考慮焊片的厚度補(bǔ)償問題。

焊片厚度可以通過3種方法進(jìn)行補(bǔ)償：1)在上下層板加工時(shí)波導(dǎo)腔表面抬高補(bǔ)償；2)把補(bǔ)償量集中放置在中層板的厚度上面；3)在焊接前加工內(nèi)喇叭孔時(shí)用焊片替代墊片來進(jìn)行焊片的厚度補(bǔ)償。第3種方式相對簡便易行，成本低廉。

4)加熱、降溫過程溫度均衡變化控制。

外形減輕腔設(shè)計(jì)一般要求規(guī)則均勻，以便于后續(xù)均勻加壓，以及各熱電偶的位置放置；加熱、保溫及降溫各階段焊接時(shí)間曲線應(yīng)根據(jù)材料種類、裝爐量、工件壁厚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、溫度均勻性等多方面影響進(jìn)行綜合考慮設(shè)置。

3.3 焊后精加工關(guān)鍵技術(shù)

1)薄壁錐面車削防變形。

設(shè)計(jì)制作專用刀具，采用低速小切削進(jìn)刀方式車削，喇叭內(nèi)腔采用膠木棒輔助支撐，防止喇叭薄壁面變形扭裂。

2)喇叭天線波導(dǎo)腔內(nèi)部多余物防護(hù)。

通過設(shè)計(jì)制作聚四氟乙烯專用堵頭防止機(jī)械加工中切削屑進(jìn)入，中轉(zhuǎn)過程中的波導(dǎo)腔兩端頭3M膠帶封堵，及焊接前的專業(yè)清洗等方式，避免喇叭天線波導(dǎo)腔內(nèi)的多余物進(jìn)入。

4 結(jié)語

本文對圓錐喇叭天線的整個(gè)精密成型過程的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方式進(jìn)行了分析，重點(diǎn)從圓錐喇叭天線各個(gè)加工階段的關(guān)鍵技術(shù)要求及關(guān)鍵技術(shù)質(zhì)量控制方法進(jìn)行闡述，解決了圓錐喇叭天線精密加工過程中的一些技術(shù)難點(diǎn)及問題，為圓錐喇叭天線的精密制造提供了一定的借鑒與參考。