某新型高精度功分器加工技術(shù)

華巍，王成，黃君，王勇，張群

安徽博微長安電子有限公司 安徽六安 237000

1 序言

功分器是微波接收、發(fā)射及頻率合成系統(tǒng)中不可缺少的部件，廣泛應(yīng)用于雷達、微波通信和電子對抗等領(lǐng)域。隨著我國雷達事業(yè)的發(fā)展，小型化、高頻率超寬帶微波功分器需求迅猛增加，已經(jīng)成為了現(xiàn)代雷達重要的發(fā)展方向，這就給功分器的設(shè)計及加工制造帶來了新的挑戰(zhàn)[1，2]。

圖1所示某新型功分器主體結(jié)構(gòu)是由整塊鋁板加工型腔而成，雙面用蓋板分別真空釬焊成形。型腔要求整體加工精度±0.03mm，上、下面平面度0.05mm；內(nèi)部腔體在40倍放大鏡下觀察無毛刺，且波導腔內(nèi)邊緣不允許有倒角；真空釬焊焊料均勻填滿焊縫，內(nèi)部焊縫無明顯溢出。加工制造難度極大。

圖1 某新型功分器

2 技術(shù)難點分析

功分器整體結(jié)構(gòu)尺寸為1 6 m m×3 0 0 m m×500mm，采用上、下蓋板與中間殼體真空釬焊拼焊而成，材料選用3A21鋁合金。主要技術(shù)難點如下。

1）中間殼體外形及上、下面平面度要求高，普通數(shù)控銑床及裝夾方式難以保證尺寸要求。

2）波導內(nèi)腔表面粗糙度值Ra=1.6mm，在40倍放大鏡下觀察無毛刺。由于不允許用金屬工具去除毛刺，波導腔內(nèi)邊緣不允許有倒角，所以用普通數(shù)控加工極難保證。

3）雙面要求真空釬焊一次成形，成形后面型精度0.05mm，且要求焊縫均勻、一致性好，無明顯焊料溢流，無明顯焊接縫隙，真空釬焊難度極大。

4）焊接后的精加工要求腔體內(nèi)部應(yīng)無切削料、線切割油泥等多余物，使控制過程復雜，可操作性差，質(zhì)量難以保證。

3 無毛刺切削控制

新型功分器主盒體殼體基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個殼體的主要加工量在于腔體的加工，為了保證腔體內(nèi)部尺寸精度，采用高速銑削加工，既能提高效率，又能提高精度及工件的表面質(zhì)量。加工順序為先加工上、下面及外形，再以外形定位銑削波導內(nèi)腔。裝夾方式上采用自制的真空吸盤裝夾，不但便于加工，而且可有效控制加工變形?？紤]到零件精度高的特點，在加工之前、下料之后采取去應(yīng)力退火處理，從而消除內(nèi)應(yīng)力釋放對后期加工精度可能造成的影響。最后由鉗工進行收尾工作，清理工作臺面，在40倍放大鏡下用牙簽去除毛刺及多余物。

圖2 新型功分器主盒體殼體基本結(jié)構(gòu)

通過以上控制措施，很好地解決了工件的加工精度難題。具體工藝路線為：下料→退火→高速銑削→鉗工。

對于波導內(nèi)腔表面粗糙度值Ra=1.6mm、在40倍放大鏡下觀察無毛刺以及波導腔內(nèi)邊緣不允許有倒角的加工要求，工藝上必須進行特殊處理方能滿足要求。尤其是在40倍放大鏡下無毛刺的要求，公司毫無加工經(jīng)驗。國內(nèi)外對無毛刺加工的研究相對較少，王貴成教授于2002年首次提出了少無毛刺切削加工的概念[3]，同年，Bo-LinHsu博士提出了著名的EOS理論，指出在端銑過程中，毛刺尺寸很大程度上取決于刀尖的退出順序，合理的刀尖退出順序能有效減少銑削毛刺的生成。有文獻指出，基于正交試驗和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，優(yōu)化切削參數(shù)能有效減少切削毛刺的生成[4]。

經(jīng)查閱資料，總結(jié)得出目前常用的無毛刺加工方法如圖3所示。該功分器零件結(jié)構(gòu)已經(jīng)多次優(yōu)化，不能改動；在加工方法上，由于材料及結(jié)構(gòu)限制，所以目前只能采用機械切削加工。嘗試從切削過程控制、切削參數(shù)調(diào)整和刀具選擇3方面進行質(zhì)量控制，以達到設(shè)計要求。

圖3 目前常用的無毛刺加工方法

（1）切削過程控制 為防止內(nèi)腔邊緣毛刺的產(chǎn)生，考慮到毛刺的棱角效應(yīng)，在切削加工時，應(yīng)使出刀口位于零件棱角較大的部位。本零件的加工切入點在腔體內(nèi)部，加工順序為由腔體內(nèi)部向外部切削，禁止沿外圍邊部切入。

（2）切削參數(shù)調(diào)整 一般情況下，毛刺高度隨著切削深度的增大呈現(xiàn)增加趨勢，基于此，在切削深度設(shè)計上，要求先采用端銑刀加工型腔大部，在深度及側(cè)邊單邊各留0.15mm左右余量采用周銑刀加工，周銑時對該余量進行多次精銑，邊銑邊去毛刺，精銑過程中反復變換方向，待余量加工完畢后，再加一次空銑，以最大限度去除毛刺。值得說明的是，深度方向精加工時，為了防止硬點的產(chǎn)生，第一刀切削進給量必須較小。經(jīng)反復試驗，第一刀取0.03mm進給量，效果良好。在切削寬度選擇上，經(jīng)多次試驗，選擇以60%的刀具直徑加工，效果最佳。目前我公司機床所能達到的最大有效轉(zhuǎn)速為15000r/min，經(jīng)多次試驗，本次加工線速度選擇200mm/min。通過切削參數(shù)的調(diào)整，較好地解決了加工毛刺難題。

（3）刀具選擇 在考慮刀具強度和使用性能的情況下，優(yōu)化刀具前角、后角，鈍圓半徑等，以減小切削變形和切削力，從而最大限度地減小界限切削深度，減小毛刺的影響程度。一般情況下，隨著刀具前角的增加，毛刺高度呈減小趨勢。這是由于刀具前角增加，導致切屑受到的剪切應(yīng)變減小，所以兩側(cè)方向毛刺尺寸減小。但是增大前角會使切削刃與刀頭的強度降低，刀頭的導熱面積和容熱體積減小。因此過分地增大前角，有可能導致切削刃處出現(xiàn)彎曲應(yīng)力，造成崩刃。在材質(zhì)上，優(yōu)先選用硬質(zhì)合金材質(zhì)刀具，既能提高精度，又能減少毛刺。

定制美福（M.A.FORD）牌D1×1.5×8×D6×50兩刃微型硬質(zhì)合金銑刀作為最終精加工刀具。該刀具在底齒部分設(shè)計有帶保護的修光刃，能有效降低加工零件的表面粗糙度值；同時在前角設(shè)計上應(yīng)盡量大，以較少毛刺生成和提高切削精度。

圖4為在40倍放大鏡下觀察局部毛刺，可見基本無毛刺，且內(nèi)腔邊緣無倒角，符合設(shè)計要求。

圖4 在40倍放大鏡下觀察局部毛刺

4 真空釬焊變形及焊縫控制

該零件的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其在真空釬焊時極易產(chǎn)生變形以及焊縫不均勻。經(jīng)多次焊接試驗，最終確定了焊接工藝路線，其中的關(guān)鍵控制點如下。

（1）清洗 設(shè)計特定塑料工裝固定在金屬清洗框底部，用于隔離金屬框與零件表面，避免劃傷零件。焊前具體清洗流程為：溶劑清洗→堿液清洗→冷水清洗→超聲波清洗→去離子水清洗→烘干。

（2）焊片預(yù)處理 焊片采用激光切割成形，焊前采用適當砂紙打磨。

（3）裝配 裝配操作人員十指均佩戴橡膠指套制作定位工裝，以保證定位和裝配用的夾具、工裝清潔，不允許存在油污或銹漬。

通過采取以上措施，成功保證了焊接質(zhì)量。焊接后焊縫外觀質(zhì)量如圖5所示。

圖5 焊接后焊縫外觀質(zhì)量

5 精加工時多余物控制

真空釬焊后精加工時，腔體內(nèi)部的多余物主要產(chǎn)生在加工端口孔及臺階處，端面形狀如圖6所示。加工工序為高速銑削。為防止多余物進入內(nèi)腔，一般的處理方式是在入口處堵或者加工后清理。由于結(jié)構(gòu)所限，一旦多余物進入內(nèi)腔后，將很難清理出來，因此該零件只能是設(shè)法在入口處堵。特殊的端面結(jié)構(gòu)使得堵頭尺寸較難控制，且為了便于裝配堵頭，堵頭的尺寸比端口方孔要小。前期試件加工時，發(fā)現(xiàn)仍有切削多余物進入內(nèi)腔，導致零件報廢。為了解決此難題，嘗試對堵頭進行封蠟處理（見圖7），加工完成后去除封蠟，取出堵頭并進行超聲波清洗，有效控制了加工多余物的進入。

圖6 端面形狀

圖7 對堵頭進行封蠟處理

6 結(jié)束語

通過合理選擇加工設(shè)備和裝夾方式，調(diào)整加工參數(shù)及合理選用刀具等措施，基本實現(xiàn)了無毛刺加工。通過焊接關(guān)鍵點控制，掌握了真空釬焊要領(lǐng)。采取堵頭外加封蠟的新方法，成功實現(xiàn)了多余物的控制，最終實現(xiàn)了新型雷達功分器的成功試制。