面向多余物防控的雷達(dá)冷板流道加工工藝改進(jìn)

□ 仇 志 □ 李 源 □ 金 嵐 □ 馬小杰 □ 魏鵬鵬

上海航天電子技術(shù)研究所 上海 201109

1 研究背景

目前,雷達(dá)普遍采用液體冷卻方式為收發(fā)組件進(jìn)行降溫。冷板產(chǎn)品作為液體冷卻系統(tǒng)的核心部件,外表面為組件安裝載體,內(nèi)部接通高速流動(dòng)的冷卻液,通過冷卻液循環(huán)流動(dòng)帶走收發(fā)組件發(fā)熱產(chǎn)生的熱量[1-2]。

筆者面向多余物防控,針對當(dāng)前冷板組件流道加工工藝展開分析,重點(diǎn)研究水壓沖洗去除多余物的效果,以及工藝流程對多余物產(chǎn)生與加工精度的影響,提出優(yōu)化改進(jìn)的工藝,并開展試驗(yàn)驗(yàn)證。筆者的改進(jìn)可以為后續(xù)雷達(dá)等產(chǎn)品的冷板流道設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)提供參考。

2 現(xiàn)有加工工藝流程

雷達(dá)冷板流道現(xiàn)有加工工藝流程為:先在冷板基體毛坯頂部加工出和蓋板配合的臺階面;再將蓋板和冷板基體裝配在一起,使用氬弧焊進(jìn)行焊接;焊接完成后,加工流道底部孔口和收發(fā)組件安裝面等其余特征;焊接和機(jī)械加工完成后,以去離子水對流道進(jìn)行沖洗。這一加工工藝通過先焊接后精加工的流程避免焊接對流道底部孔口及安裝面產(chǎn)生熱變形影響的問題,但同時(shí)也會帶來孔口加工多余物進(jìn)入封閉流道難以去除的風(fēng)險(xiǎn)。這一風(fēng)險(xiǎn)當(dāng)前以去離子水進(jìn)行水壓沖洗的方式解決。

▲圖1 冷板產(chǎn)品三維模型

3 水壓沖洗去除多余物分析

為了解現(xiàn)有加工工藝中水壓沖洗能否有效清理雷達(dá)冷板流道內(nèi)殘留多余物,以冷板流道為研究對象,進(jìn)行流場仿真計(jì)算。提取冷板流道三維模型,如圖2所示。設(shè)置觀察截面A和B,進(jìn)行仿真計(jì)算。

▲圖2 冷板流道三維模型

使用ANSYS Fluent軟件對三維流道模型進(jìn)行仿真計(jì)算,入口速度為4 m/s,出口壓力為0,求解瞬態(tài)情況下冷板流道內(nèi)部流場流速分布,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由流速分布可見,冷板流道內(nèi)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域流速較低,不足1 m/s,局部區(qū)域甚至接近于0。進(jìn)一步分析冷板流道流速流線,如圖4所示,發(fā)現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域流場紊亂,存在旋渦現(xiàn)象,流體顯然無法沖走流道內(nèi)殘留的多余物。將入口流速改為2 m/s和6 m/s,繼續(xù)進(jìn)行流場仿真計(jì)算,流速流線分別如圖5和圖6所示,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域內(nèi)紊亂旋渦依舊存在,且流速較低,無法有效沖走殘留的多余物。

▲圖3 冷板流道流速分布

▲圖4 冷板流道流速流線

▲圖5 入口流速2 m/s時(shí)流速流線

4 流道內(nèi)部情況檢查

上述分析結(jié)果表明,雷達(dá)冷板流道加工過程中殘留的多余物在水壓沖洗方式下難以完全排出。使用UMS-P20工業(yè)內(nèi)窺鏡對已完成生產(chǎn)的冷板產(chǎn)品流道內(nèi)部進(jìn)行多余物檢查,發(fā)現(xiàn)流道內(nèi)部存在鋁屑、大顆?；覊m、飛邊、毛刺、氧化物結(jié)晶等多種多余物,如圖7所示。產(chǎn)品合格率不足80%,并且再次沖洗后檢查結(jié)果一致。

▲圖6 入口流速6 m/s時(shí)流速流線

現(xiàn)有加工工藝首先將蓋板和冷板基體焊接在一起,后續(xù)加工其余特征,尤其是加工底部孔口時(shí)容易引入鋁屑、大顆?；覊m等多余物。另一方面,加工過程中污濁切削液的混入也會造成流道內(nèi)表面被氧化為結(jié)晶固體。合蓋焊接后,流道內(nèi)存在的毛刺、飛邊也難以去除,長時(shí)間被冷卻液沖洗后容易脫落,同樣會成為多余物。通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證,水壓沖洗方式并不能解決殘留多余物的問題。

5 工藝改進(jìn)

5.1 調(diào)整底部孔口加工順序

氬弧焊利用鎢極和工件之間的電弧使金屬熔化而形成焊縫,雖然可以很好地控制熱量輸入,但是由于焊接速度較慢,具有一定范圍的熱影響區(qū),并可能造成焊接變形[4-5]。對此,現(xiàn)有加工工藝首先進(jìn)行合蓋焊接,再加工其余特征,避免焊接變形帶來的不利影響。但現(xiàn)有加工工藝來源于工作經(jīng)驗(yàn),不利的影響缺乏理論與試驗(yàn)分析評估。通過對現(xiàn)有加工工藝分析,調(diào)整加工順序,先精加工特征,后焊接端部封口,是值得采用的改進(jìn)方案。以下對焊接過程的熱量傳遞進(jìn)行仿真計(jì)算,為加工順序調(diào)整提供理論依據(jù)。

應(yīng)用Abaqus軟件對焊接過程進(jìn)行仿真計(jì)算。室溫為20 ℃,采用雙橢球體熱源,焊接電壓、電流分別為140 A、16 V,熱效率為0.8,焊接速度為5 mm/min,熱量傳遞云圖如圖8所示。焊接剛結(jié)束時(shí),僅靠近焊縫區(qū)域溫度較高,最高溫度達(dá)1 000 ℃。隨后熱量從焊縫處逐漸傳遞至四周,冷卻1.5 s時(shí),冷板表面最高溫度位于焊縫處,降為226 ℃,底部依舊保持室溫。冷卻3 min后,焊縫處溫度降為38 ℃,底部依舊保持室溫20 ℃。由此可見,焊接會造成焊縫周圍溫度大幅度變化,進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)變形,遠(yuǎn)離焊縫的冷板底部區(qū)域不會受到焊接溫度的影響。

▲圖8 熱量傳遞云圖

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果,冷板靠近焊縫區(qū)域仍需在焊接后進(jìn)行加工,避免焊接變形的影響。遠(yuǎn)離焊縫的冷板底部孔口區(qū)域可以選擇在合蓋焊接前加工,對后續(xù)焊接工序不會造成不利影響。

根據(jù)上述分析結(jié)果,改進(jìn)工藝時(shí),可以對冷板基體底部孔口提前加工,隨后加工冷板基體頂部臺階面,此時(shí)流道為兩端貫穿,便于清理加工孔口時(shí)引入的鋁屑、大顆?；覊m等多余物。

5.2 增加工序

冷板基體內(nèi)部流道清洗完成后,增加多余物檢驗(yàn)工序,包括內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)流道內(nèi)部表面是否殘留多余物,放大鏡檢驗(yàn)頂部臺階面和底部孔口處是否存在飛邊、毛刺等缺陷。

另一方面,增加裝配工藝堵頭工序,使用兩個(gè)尼龍材料制作的堵頭將流道底部孔口封堵,如圖9所示。此舉可以避免后續(xù)焊接、加工時(shí)引入鋁屑、大顆?；覊m、污濁切削液等多余物。

▲圖9 裝配工藝堵頭

改進(jìn)后冷板流道加工工藝流程如圖10所示。

▲圖10 改進(jìn)后冷板流道加工工藝流程

6 改進(jìn)效果

對加工工藝改進(jìn)后雷達(dá)冷板流道加工結(jié)果進(jìn)行檢測,內(nèi)窺鏡檢測照片如圖11所示。冷板流道內(nèi)壁面光潔,無任何多余物和毛刺、飛邊,符合設(shè)計(jì)要求。通過MED-4030T投影儀檢測流道底部孔口,如圖12所示?？讖綖?6.629 mm,圓度誤差為0.032 9 mm,均滿足設(shè)計(jì)要求?？梢姾附訜崃繘]有造成影響,驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性。

▲圖11 內(nèi)窺鏡檢測照片

在滿足設(shè)計(jì)圖紙要求的前提下,采用改進(jìn)后的加工工藝,可以大大降低冷板流道內(nèi)部產(chǎn)生多余物的風(fēng)險(xiǎn),對提升產(chǎn)品合格率和質(zhì)量穩(wěn)定性具有重要意義。

7 結(jié)束語

通過對雷達(dá)冷板流道現(xiàn)有加工工藝進(jìn)行分析,得出現(xiàn)有加工工藝存在流道殘留多余物的風(fēng)險(xiǎn),并且無法清洗排出。對冷板流道加工工藝進(jìn)行改進(jìn),驗(yàn)證了改進(jìn)方案的優(yōu)越性,從根源上杜絕了冷板流道內(nèi)部殘留多余物的風(fēng)險(xiǎn),提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

對于雷達(dá)冷板類零件,流道內(nèi)多余物防控應(yīng)在設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)環(huán)節(jié)加以重視。設(shè)計(jì)冷板流道結(jié)構(gòu)時(shí),需要考慮后續(xù)加工、清洗和檢測方便。加工工藝師應(yīng)強(qiáng)化加工過程中流道內(nèi)多余物的防控,通過調(diào)整工序從根源上杜絕多余物,同時(shí)使用合理、先進(jìn)的多余物清除手段,如高壓磨料流清洗[6]等。檢驗(yàn)人員需要對冷板流道進(jìn)行100%檢驗(yàn),并使用特殊手段對難以檢測的區(qū)域進(jìn)行檢測,如X射線檢測儀、工業(yè)內(nèi)窺鏡、清潔度檢測設(shè)備等。