一種等相天線吸波材料切割工藝的研究

張建民

(中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

吸波材料是指吸收、衰減投射到它表面的電磁波，并將其電磁波能轉(zhuǎn)化成熱能消耗掉或是電磁波因干涉而損失的一類材料[1]。吸波材料種類繁多，主要有下面幾種分類方法:按吸波原理分為干涉型和吸波型；按材料的成型工藝分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型(也稱超材料吸波體)；按損耗機理分為電損耗型、磁損耗型和介電損耗型。某型設備的天線系統(tǒng)由5個相位相同的雙向輻射天線組成，天線腔體形狀為圓形，如圖1所示。這類天線需要在腔體中安裝吸波材料，吸波材料如圖2所示。該吸波材料是由海綿體灰黑碳纖維、石墨烯和磁性材料混合組成的一種高分子材料，底部附有3M不干膠，這類材料屬于電損耗型材料。

圖1 天線腔體圖

圖2 吸波材料

該吸波材料規(guī)格為指定厚度的板類型材，裝入天線腔體的內(nèi)部前，需要將其裁剪成圓形。為減小吸波材料對電性能的影響，其外形不能有毛邊.加工表面要整齊光滑，尺寸需要保持一致。吸波材料是一種導電纖維混編的復合材料，質(zhì)地柔軟，具有復合材料質(zhì)輕、強度高的特點[2]；但可切削加工性差，需要合理設計專用工裝，進行工藝試驗，試制吸波材料零件，滿足天線電性能測試要求。

1 吸波材料的基本理論

吸波材料的吸收機理為電磁波與物質(zhì)相互作用，入射的電磁波通過吸收材料轉(zhuǎn)換為熱能或其他形式的能量，從而最大限度地減少電磁波的回波能量。本天線采用的吸波材料是電損耗型材料[3]，當電磁波照射到吸波材料上時，吸波材料產(chǎn)生感應電流，感應電流又產(chǎn)生與外界磁場有180°相位差的反向磁場，從而與外界磁場相抵消，達到減少外界電磁場的能量，減少反射。此時吸波材料需要滿足阻抗匹配和衰減特性。阻抗匹配是指電磁波能夠最大程度地入射到材料內(nèi)。衰減特性是指進入材料的電磁波能夠被損耗掉。

吸波材料應使入射到材料的電磁波反射最小，即材料的等效表面阻抗Zc等于自由空間波長λ0，則吸波材料的的反射系數(shù)可表示為[4]：

(1)

吸收材料應使電磁波盡可能地損耗在其內(nèi)部，此要求材料的電磁參數(shù)滿足一定條件，可用衰減參數(shù)表示單位長度波的衰減量[5]：

(2)

式中：ω為入射波的角頻率；c為電磁波在真空中的傳播速度；μ=μ′-jμ″，ε=ε′-jε″分別為材料的復磁導率和復介電常數(shù)。

從式中可以看出，對于一定厚度的吸收材料，不同的μ″、ε″和ε′，可以實現(xiàn)的衰減量不同。

對于裝入某天線的吸收材料來說，吸收材料的等效電路分析模型如圖3所示。

圖3 吸波結(jié)構(gòu)單元模型及等效電路

吸波材料的反射系數(shù)為Г，根據(jù)傳輸線理論：

(3)

而吸波材料和介質(zhì)基層分界面處的輸入阻抗表示為Z2：

(4)

式中：η0、η1、η2分別表示自由空間波阻抗吸波材料波阻抗以及介質(zhì)基層波阻抗；k1和k2為在吸波材料和介質(zhì)基層中電磁波傳播時的波矢量，都由材料性質(zhì)決定。

由以上各式看出，吸波材料的磁導率與介電常數(shù)對電磁波的吸收和反射有直接影響。

由于使用的吸收材料不是理想的無限大平面，因此天線腔體內(nèi)部吸收材料的吸收性能及對電磁波的相位影響就具有不一致性。同時，厚度的不均勻性可能導致復介電常數(shù)的虛部與復磁導率的虛部不一樣。對于天線的相位一致性，就要求吸收材料的厚度、大小盡量一致。

2 某天線內(nèi)部吸收材料零件的加工情況及天線電性能測試結(jié)果

某天線內(nèi)部吸收材料零件采用傳統(tǒng)的切割方法，使用手術刀手工切割，針對吸波材料零件的形狀，在圓規(guī)上加裝手術刀片，自制成圓規(guī)刀，用于切割吸波材料。根據(jù)零件形狀可分為3類：第1類是單獨的圓形，第2類是內(nèi)外同心圓，第3類是內(nèi)外偏心圓。

為了找出吸波材料零件的加工問題，調(diào)查2018年1月至8月吸波材料零件的加工情況，對一次性加工合格率進行統(tǒng)計，如表1和表2所示。統(tǒng)計結(jié)果顯示：內(nèi)外偏心圓尺寸超差和內(nèi)外同心圓不同心在所有特征中占比達到82.39%，這2個因素是吸波材料零件一次性加工合格率低的主要原因。

表1 一次性加工合格率統(tǒng)計表

表2 不合格特征統(tǒng)計表

由表1和表2可知，采用手工切割方法加工需要指定專人才能操作，不僅生產(chǎn)效率低，而且零件一致性差，很難保證一次性加工合格。為了提高合格率，需要改進切割工藝。

通過裝配上面的合格吸收材料，對天線性能的相位一致性測試結(jié)果進行統(tǒng)計。圖4和圖5是3個天線在某頻點的相位方向圖：圖4為基本一致的相位方向圖，由圖可知他們的電特性相位基本一致，滿足使用條件；圖5為不一致的相位方向圖，由圖可知他們的電特性相位相差很大，其中只有2個基本一致，另一只明顯不一致，因此這組天線完全不能滿足使用要求。經(jīng)過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，滿足相位一致配組的幾率只有60%，需要的天線備量較大，經(jīng)濟效益差，需要改進吸收材料的切割工藝設計。

圖4 基本一致的相位方向圖

圖5 不一致的相位方向圖

3 工藝流程設計對比分析

傳統(tǒng)的吸波材料零件切割加工一般采用手術刀手工切割，針對吸波材料零件的形狀，在圓規(guī)上加裝手術刀片，自制成圓規(guī)刀，用于切割吸波材料。首先，將整塊吸波材料按數(shù)量切割成單件；再按照圖紙尺寸調(diào)整圓規(guī)刀，然后切割外圓(有的還需要再次調(diào)整圓規(guī)刀切割內(nèi)圓，對于內(nèi)外偏心圓的零件，還需要加工同一尺寸的不銹鋼模板)；在切割外圓后，用模板在零件上劃內(nèi)圓加工線；找到偏心內(nèi)圓中心后，按照圖紙尺寸調(diào)整圓規(guī)刀，切割偏心內(nèi)圓。

查找資料，并且通過對加工過程跟蹤，采用一種自制工裝，對一種吸波材料零件的加工過程可以進行優(yōu)化改進[6]。

3.1 模板切割工藝

對以往單獨的切割模板改進，設計一個組合型切割模板。新型切割模板由底板和蓋板組成，底板上有一圓柱形凸臺作為定位基準，如圖6所示。吸波材料切割出內(nèi)圓后通過凸臺定位，壓上蓋板夾緊再切割外圓。

圖6 組合切割模板圖

3.2 機用刀具切割工藝

設計一個可以在數(shù)控機床上使用的切割刀具，刀具由刀柄、橫桿、刀架和刀片組成，如圖7所示。通過刀柄安裝在數(shù)控機床上，在橫桿上采用激光雕刻尺寸刻度，將橫桿插入刀柄，采用螺釘緊固，再將刀架和刀片組合成切刀，懸掛在橫桿上，調(diào)整到所需尺寸后固定。2個刀頭同時切割外圓和內(nèi)孔，可以保證同軸度。切割內(nèi)外偏心圓時，采用數(shù)控編程加工，拆卸一個刀頭先加工內(nèi)孔，通過加工程序偏移偏心距尺寸，再切割外圓，數(shù)控編程能夠同時加工多個零件。

圖7 機用切割刀具模型圖

采用模板切割工藝，可以解決內(nèi)外同心圓不同心和外徑超差的加工問題，但是在切割內(nèi)外偏心圓時，稍有不慎還是會出現(xiàn)偏心距尺寸超差的現(xiàn)象。該工藝方法提高了加工合格率，和傳統(tǒng)的加工方法一樣，手工切割加工效率低，對操作人員技術水平要求高。采用數(shù)控刀具切割工藝，可以解決內(nèi)外偏心圓尺寸超差、內(nèi)外同心圓不同心和外徑超差等加工問題，有效地提高了合格率。刀具既可以同時加工外圓和內(nèi)孔；又可以適用于多種零件加工，通用性較強，使用方便；配合數(shù)控編程，還能一次加工多個零件。在刀片使用一段時間被磨損后，僅需更換刀片又可以繼續(xù)使用，延長了刀具的使用壽命[7]。用數(shù)控加工代替手工切割，不僅能夠保證尺寸一致性，而且可以提高加工效率。

比較2種工藝方法，數(shù)控機用刀具切割工藝的優(yōu)勢明顯，不僅能提高吸波材料切割合格率，而且能提高加工效率，滿足加工方法改進的需求。切割時按照圖紙尺寸要求，調(diào)整刀片在橫桿上的位置，數(shù)控刀具的橫桿上有刻度值，刀片安裝在刀架上，通過刀架滑動到刻度線處，再加上刀片到刀架邊緣的尺寸，即可得到所需的尺寸，具體的工藝流程如圖8所示。

4 專用工裝的力學性能仿真

圖8 工藝流程圖

為了滿足長期使用的要求，需要選擇合適的材料，在眾多方案中選出2種材料，分別為45號鋼和304不銹鋼，通過力學性能仿真選擇最優(yōu)方案。作為在數(shù)控機床上使用的刀具，還需要有足夠的承載能力，保證工作時安全可靠。切割時刀具承受了多載荷的作用：一是切削刀刃上受到切削力的作用；二是刀具整體受到旋轉(zhuǎn)時的慣性離心力作用。實際切割時，切削力是個變量。為了簡化問題，將力學性能分析的原始參數(shù)設置如下：主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，切割切削力為2 N，2個刀片同時切割最大極限圓直徑150 mm和最小極限圓直徑32 mm。仿真結(jié)果顯示,最大疲勞應力值為35.191 MPa，仿真情況如圖9和圖10所示。

圖9 刀具切割仿真圖

圖10 刀具最大應力位置圖

為了確保機用切割刀具有足夠的強度，把許用應力作為實際工作應力的最高限度，即要求工作應力不得超過材料的許用應力。對于塑性材料(大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金)，其許用應力σp為[8]：

(4)

式中：σlim為材料強度的極限值(MPa)；S為安全系數(shù)，為大于1的數(shù)值。

45號鋼屬于塑性材料，調(diào)質(zhì)處理后它的抗拉強度σb≥600 MPa，屈服強度σs≥355 MPa。一般情況下，疲勞強度為抗拉強度的30%，σlim=600×30%=180 MPa，按抗疲勞斷裂計算，一般S=1.5～3，按照最大值3計算，許用應力σp=60 MPa。304不銹鋼屬于塑性材料，不能通過熱處理強化，它的抗拉強度σb≥520 MPa，疲勞強度σlim=520×30%=156 MPa，許用應力σp=52 MPa。仿真得出的最大疲勞應力既小于45號鋼的許用應力，也小于304不銹鋼的許用應力。在力學性能一致的情況下，304不銹鋼的耐蝕性更好，適合長期使用。因此，材料選用304不銹鋼，機用切割刀具可以在數(shù)控機床上穩(wěn)定運行，工作安全可靠。

5 切割工藝的試驗驗證

5.1 試驗材料與方法

機用切割刀具由橫梁、豎桿、刀片固定架和刀片組成。所有零件的材料均選用304不銹鋼。通過機械加工完成零件生產(chǎn)任務，不銹鋼無需表面處理，清洗干凈后，按照設計圖紙裝配成一個整體。采用機用切割刀具裁剪吸波材料，通過檢驗吸波材料尺寸的合格率，驗證機用切割刀具的使用效果。

5.2 專用工裝的加工及驗證情況

根據(jù)設計方案繪制圖紙，編寫加工工藝過程，工藝過程為：備料→機械加工→線切割→修整→刻線→裝配。機用切割刀具的各組成部分加工完成后，按照圖紙要求進行尺寸檢驗，尺寸檢驗合格后再進行裝配，確保機用切割刀具的尺寸精度滿足要求。

采用研制的數(shù)控刀具切割吸波材料，分別加工2種類型的零件，一種為內(nèi)外偏心圓，另一種為內(nèi)外同心圓，數(shù)量各3件。加工完成后，按照圖紙要求進行尺寸檢驗，尺寸檢驗記錄如表3所示。

從尺寸檢驗結(jié)果可知，內(nèi)外偏心圓和內(nèi)外同心圓的零件一次性加工全部合格，合格率為100%。因此，采用數(shù)控刀具切割吸波材料能夠滿足設計要求。

表3 吸波材料尺寸檢驗表

5.3 天線電性能測試結(jié)果

通過在天線內(nèi)腔裝配使用新工藝切割的吸波材料進行驗證測試，圖11為3個天線相位方向圖比較形成的所有測試頻率點的相位差匯總圖。由圖11可知，他們之間的電特性相位一致較好，能夠很好地滿足使用條件。經(jīng)過統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)滿足相位一致配組率可以達到95%，這樣需要天線備量較小，從而獲得較好的經(jīng)濟效益。因此，通過對吸收材料的切割工藝改進取得很好的效果。

圖11 測試頻率點的相位差匯總圖

5.4 切割工藝試驗小結(jié)

一次性加工合格率從47.5%提高到100%，運用機用切割刀具加工吸波材料零件，合格率提升顯著。單套設備需要的吸波材料零件共200個，采用手工切割方法，加工需要8 h，采用數(shù)控刀具切割只需要1 h，加工效率明顯提高,同時也提高了天線要求的性能以及天線相位的配對率。

6 結(jié)束語

針對天線吸波材料加工合格率低的問題，開展加工工藝研究，進行了數(shù)控切割工具的設計、仿真和加工，通過產(chǎn)品試制工藝試驗，驗證了數(shù)控刀具切割工藝的可行性。與手工切割方法相比，采用數(shù)控刀具切割吸波材料提高了合格率，減少了生產(chǎn)成本；提高了加工效率，縮短了加工周期；降低了工作難度，能夠極好地滿足天線的電性能要求。成功研制機用切割刀具，實現(xiàn)吸波材料零件的批量生產(chǎn)，具有實用價值及推廣意義。