高速切削加工在平板裂縫天線中的應(yīng)用

陳陸幫 伍萬斌 余洪利 白海峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230031）

鋁合金平板裂縫天線由于具有高增益、低副瓣、體積小、重量輕、攜帶方便及其優(yōu)良的電訊性能，在機(jī)載火控、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及無人機(jī)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高、成本高和加工易變形。本文通過對裂縫天線在加工過程中充分利用高速切削加工工藝方法，對加工質(zhì)量、效率等有效控制進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 各層零件機(jī)械加工難點(diǎn)

（1）第1層為平板類零件，從圖1大致可以看出整個(gè)輻射板上有200多個(gè)長寬不等、對波導(dǎo)腔中心的偏置尺寸不同、精度很高的狹縫槽，縫槽尺寸均不等，整個(gè)底面的平面度為0.05 mm，壁厚為1 mm，是一個(gè)大面積的鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件，該零件裝夾難度高，裂縫內(nèi)圓角R≤0.4 mm，在加工過程中因零件的抖動(dòng)容易斷刀。

（2）第2層為盒體類零件，內(nèi)腔底面壁厚為1±0.02 mm，平面度0.1 mm，加工過程中由于材料內(nèi)應(yīng)力重新分配及工件受熱導(dǎo)致底面變形，底壁厚度公差±0.02 mm很難控制，而且工件外形較大，普通壓板或虎鉗裝夾存在問題。

（3）第3層為波導(dǎo)腔零件，兩面都有臺(tái)階結(jié)構(gòu)，第1面加工完后第2面同樣存在裝夾困難問題，且內(nèi)腔圓角R≤0.4 mm，深度8.25 mm，屬于深圓角，用普通加工方法及刀具根本無法加工。

（4）法蘭盤作為天線整件與饋線連接部分，要求定位精確，如何保證波導(dǎo)連接口面與波導(dǎo)腔對稱度±0.02 mm，也是一個(gè)難點(diǎn)。

2 高速切削技術(shù)的應(yīng)用

高速銑削一般采用高的銑削速度，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，小的徑向和軸向銑削深度。銑削時(shí)，大量的銑削熱被切屑帶走，因此工件的表面溫度較低。本文加工所采用的設(shè)備為高速銑削中心C1200V，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到30 000 r/min。隨著銑削速度的提高，銑削力略有減小，表面質(zhì)量提高，加工生產(chǎn)效率隨著增加。圖2為銑削速度對加工性能的影響。

由于銑削力較小，工件熱變形減小，高速銑削的精度很高。銑削深度如果較小，而進(jìn)給較快，這樣加工表面的粗糙度值很小，銑削鋁合金時(shí)可達(dá)Ra0.4～0.6 μm，銑削鋼件時(shí)可達(dá)Ra0.2～0.4 μm。

3 機(jī)械加工工藝方案

3.1 工藝流程

傳統(tǒng)的工藝方法為了控制加工變形，需要采用多次粗加工和退火去應(yīng)力，以控制工件內(nèi)應(yīng)力，減小變形，這樣加工效率極為低下。普通機(jī)床在加工薄壁件時(shí)由于切削力較大，工件容易產(chǎn)生變形，且受機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速限制，無法使用直徑小于1.5 mm的刀具;即使勉強(qiáng)使用，也會(huì)造成在加工小圓角時(shí)頻繁斷刀。而高速切削加工由于機(jī)床轉(zhuǎn)速高達(dá)30 000 r/min以上，相對于傳統(tǒng)數(shù)控切削加工的切削力小30%左右，切削熱98%以上被切屑和刀具帶走，故加工引起的變形較小。因此，可利用高速銑削對工件進(jìn)行精加工來減小工件變形。

圖3是傳統(tǒng)工藝方法與高速切削工藝方法的對比。通過兩種工藝方法的對比，在加工周期的控制上，傳統(tǒng)工藝方法大致需要3～4周的加工時(shí)間，而采用高速切削的工藝方法，僅需要3～4天的時(shí)間，效率提高明顯。

3.2 高速銑削編程與仿真

3.2.1 編程軟件的選擇

高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了高速切削機(jī)床和高速切削刀具，合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的。國內(nèi)外比較成熟適用于高速加工編程的軟件有西門子公司的UnigraphicsNX、英國Del-CAM公司的 PowerMill、以色列的 Cimatron，美國 CNC Software，Inc。本文所采用的編程軟件為美國 CNC Software，Inc公司開發(fā)的CAD/CAM一體化軟件Mastercam。

3.2.2 數(shù)控編程的優(yōu)化

數(shù)控編程時(shí)，首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)，這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命;最后要盡量使刀具載荷均勻，這會(huì)直接影響刀具的壽命.

（1）保持恒定的切削條件

隨著高速加工的進(jìn)行，保持恒定的切削載荷非常重要，可以采取高速順銑、冷卻液連續(xù)冷卻的切削加工方式。在加工參數(shù)方面采用高轉(zhuǎn)速（25 000 r/min），小吃刀量（1 mm/刀）分層切削。下刀采用螺旋式，進(jìn)刀方式為行切，加工順序?yàn)閺闹虚g向兩邊對稱加工。在加工R0.4 mm圓角時(shí)先采用直徑1 mm刀銑出，再用直徑0.8 mm的刀具分層（0.05 mm/刀）精銑。

（2）保持相等的材料去除率

在高速切削加工過程，保持恒定的加工去除率，首先要控制切削余量的均勻性，可以很好地保證切削尺寸的穩(wěn)定和切削熱的帶走。此外，刀具受力均勻，也延長了刀具的壽命。同時(shí)，工件的粗糙度得到有效保障。

（3）高速切削走刀方式的選擇

在高速切削加工中，走刀方式的選擇對工件的加工質(zhì)量有著重要的意義。對于帶有敞口型腔的區(qū)域，應(yīng)盡量從材料的外面走刀。對于沒有型腔的封閉區(qū)域，宜采用螺旋進(jìn)刀方式，在局部區(qū)域進(jìn)行切入。在高速切削加工中，由于機(jī)床加速的局限性，容易造成時(shí)間的浪費(fèi)，急?；蚣眲?dòng)則會(huì)破壞表面精度，且有可能因?yàn)檫^切而產(chǎn)生拉或在外拐角處咬邊。所以應(yīng)盡量減少刀具的急速換向，選擇單一路徑切削模式進(jìn)行順銑，不中斷切削過程和刀具路徑，盡量減少刀具的切入切出次數(shù)，以獲得相對穩(wěn)定的切削過程。

加工仿真見圖4。

3.3 裝夾方式的選擇

因?yàn)楣ぜ楸”诳涨唤Y(jié)構(gòu)，面積較大，采用虎鉗裝夾會(huì)有一個(gè)側(cè)向力引起工件翹曲變形;壓板裝夾只能壓緊四周，中間部位同樣會(huì)有翹曲變形。為此，在加工中我們采用真空吸盤裝夾方式吸緊工件，以防止加工振顫和變形。

真空吸盤加工的前提條件是定位面必須是平面，不能有臺(tái)階結(jié)構(gòu)，所以第三層波導(dǎo)腔臺(tái)階工件只能用真空吸盤裝夾加工第一面;加工第二面因第一面已有臺(tái)階無法使用真空吸盤裝夾，為此我們利用工件第一面上的螺紋孔采取背面螺栓拉緊吊裝原理來裝夾。具體裝夾方式見圖5。

3.4 高速切削的刀具

高速切削時(shí)，對不同的工件材料選用與其合理匹配的刀具材料和允許的切削條件，才能獲得最佳的切削效果。據(jù)此，針對目前生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的鋁合金、鑄鐵、鋼及合金和耐熱合金等的高速切削，已發(fā)展的刀具材料主要有金剛石、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具、涂層刀具、硬質(zhì)合金刀具等。

目前在高速銑削加工中，應(yīng)用最多的是整體硬質(zhì)合金刀具，其次是機(jī)夾硬質(zhì)合金刀具。在高轉(zhuǎn)速下應(yīng)用機(jī)夾刀具加工時(shí)，應(yīng)注意刀具的動(dòng)平衡等級(jí)以及最高許用轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語

平板裂縫天線是機(jī)載和星載預(yù)警雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)的關(guān)鍵組件，它的制造精度的高低將直接影響到雷達(dá)的性能，通過高速切削加工的合理應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)工藝方法效率低下的缺點(diǎn)。采用高速銑削制造平板裂縫天線的工藝方法在我所已經(jīng)很成熟，但是造價(jià)高昂的高速銑以及主軸壽命的限制決定了其成本也很高。后期，我們將利用普通加工中心制造裂縫天線進(jìn)行試驗(yàn)，在保證天線電訊性能及技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，以降低加工制造成本。

［1］張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］機(jī)械工程手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［3］金屬機(jī)械加工工藝人員手冊［M］.上海:科學(xué)技術(shù)出版社，1979.

［4］林朝平.模具數(shù)控高速切削加工的工藝分析與工藝處理［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2007（9）:60－61.

［5］周華，石彥華.高速切削機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用［J］.現(xiàn)代制造工程，2008（8）:124－127.