某波導(dǎo)天線工藝設(shè)計(jì)與制造

羅仕安

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

波導(dǎo)天線是某彈載設(shè)備的重要組成部分，用以完成測(cè)量信號(hào)的收發(fā)傳輸?shù)热蝿?wù)。天線性能指標(biāo)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝于彈體上并與彈體外表面共形，其將承受溫度、振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境的影響，為天線工藝設(shè)計(jì)與制造提出了嚴(yán)格要求。

為滿足波導(dǎo)天線信號(hào)傳輸性能要求，保證彈載工作環(huán)境下的可靠性，依據(jù)天線組成，進(jìn)行可制造性分析和工藝設(shè)計(jì)，制定加工流程，開展工藝驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)天線設(shè)計(jì)與制造最優(yōu)化，保證波導(dǎo)天線性能和環(huán)境適應(yīng)性要求，并達(dá)到提高波導(dǎo)天線生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本的目的。

1 可制造性分析

經(jīng)電訊設(shè)計(jì)，波導(dǎo)天線主要由波導(dǎo)和安裝法蘭組成，如圖1所示。

波導(dǎo)內(nèi)腔尺寸精度，如長(zhǎng)度尺寸U±0.02mm、寬度尺寸V±0.02mm、深度尺寸X±0.02mm，位置精度，如波導(dǎo)腔和安裝面的垂直度0.05mm，都是保證波導(dǎo)天線電性能指標(biāo)的關(guān)鍵工藝要素。除波導(dǎo)內(nèi)腔尺寸對(duì)電性能指標(biāo)影響外，內(nèi)壁光滑與否對(duì)信號(hào)傳輸?shù)膿p耗程度影響也很大，光滑的內(nèi)壁能很大程度上減少電性能的損耗，波導(dǎo)天線要求其波導(dǎo)腔表面粗糙度在Ra1.6μm 以下，為此,需要減小鍍銀波導(dǎo)內(nèi)腔表面的加工粗糙度達(dá)Ra0.8μm，達(dá)到低電性能損耗要求。

波導(dǎo)腔體內(nèi)腔兩相鄰面間成直角，沒(méi)有圓角過(guò)渡，由于單純的刀具加工不能清角，而電火花成型加工效率低、成本高。因此，對(duì)波導(dǎo)腔體工藝設(shè)計(jì)，將波導(dǎo)腔體進(jìn)行可制造性拆分加工，選擇 “標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)” 或通過(guò)數(shù)控銑和電火花線切割完成波導(dǎo)及法蘭的 “整體波導(dǎo)” 加工，再通過(guò)精密焊接組裝一體，實(shí)現(xiàn)天線波導(dǎo)腔體制造；為滿足輕量化和精密焊接要求，波導(dǎo)組件的材料選用Al-Mn 合金制造。

采用 “標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)” 方案實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)天線制造，需根據(jù)可制造性要求，將波導(dǎo)天線設(shè)計(jì)為法蘭盤、波導(dǎo)管、板、反射板四部分組成，見(jiàn)圖2。選用與工作頻段相匹配的鋁合金標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)管，然后通過(guò)精密釬焊技術(shù)先焊接法蘭盤和波導(dǎo)管，再焊接板和反射板實(shí)現(xiàn)四個(gè)組件拼裝焊接。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)天線組成圖Fig.2 The composition structure of the standard waveguide antenna

由于波導(dǎo)天線安裝于彈體上，工藝設(shè)計(jì)時(shí)法蘭和板與彈體安裝面需要留余量2mm，用于焊接后加工獲得理想的安裝表面。

在 “標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)” 方案下，波導(dǎo)天線的法蘭盤和標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的尺寸精度和位置關(guān)系依靠焊接夾具保證，見(jiàn)圖3，由于焊接夾具和焊接組件之間必須留有一定量的間隙，釬焊時(shí)零件熱膨脹變形，導(dǎo)致波導(dǎo)管延伸量，在焊接裝夾狀態(tài)下，使得熱膨脹的波導(dǎo)只能向法蘭端面延伸，難以保證波導(dǎo)天線關(guān)鍵尺寸X±0.02mm、法蘭盤和標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的垂直度0.05mm 的實(shí)現(xiàn)。工藝驗(yàn)證顯示由于焊接時(shí)造成的熱變形，垂直度只能達(dá)到0.1mm，即使通過(guò)增加墊片調(diào)整到最好狀態(tài)也 只 能 到 達(dá)0.07mm，為后續(xù)法蘭盤安裝面數(shù)控加工帶來(lái)了困難，需要采用杠桿表對(duì)X、Y、Z 三個(gè)方向進(jìn)行找正，顯著降低了生產(chǎn)效率。同時(shí)，由于焊接組件多，焊縫長(zhǎng)，容易出現(xiàn)焊接缺陷，并可能導(dǎo)致缺陷處涂覆層起泡，影響天線外觀質(zhì)量，見(jiàn)圖4。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)天線焊接裝配示意圖Fig.3 The scheme of the welding assembly for the standard waveguide antenna

采用 “整體波導(dǎo)” 方案實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)天線制造，需根據(jù)獨(dú)立性和信息量最小原則，將法蘭盤和波導(dǎo)管集成一體為 “整體波導(dǎo)”，由整體波導(dǎo)、板、反射板三部分組成，通過(guò)精密釬焊將三部分拼裝焊接形成波導(dǎo)天線，如圖5所示。在 “整體波導(dǎo)” 方案下，板和反射板加工與 “標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)” 方案一致，整體波導(dǎo)采用數(shù)控銑加工和線切割加工實(shí)現(xiàn)，波導(dǎo)腔關(guān)鍵尺寸X±0.02mm，波導(dǎo)與法蘭端面的垂直度0.05mm 均能得到直接保證，避免了焊接熱膨脹變形影響，與板和反射板精密焊接后無(wú)需后續(xù)機(jī)械加工，不需預(yù)留切削加工余量，大大簡(jiǎn)化了加工流程。

另外，由于 “整體波導(dǎo)” 不需要使用 “標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)” 方案中的焊接夾具，板和反射板時(shí)焊接操作簡(jiǎn)單，焊接組件少，焊縫短，不易產(chǎn)生焊接缺陷，顯著降低了焊縫涂覆后起泡的隱患，如圖6所示。

2 工藝設(shè)計(jì)

采用 “標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)” 方案進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，選用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)成形，包括波導(dǎo)熱處理退火、波導(dǎo)平直校形和波導(dǎo)管內(nèi)壁拋光等共有8 道工序；法蘭盤加工需數(shù)控銑、鉆孔等6 道工序；板和反射板的加工則僅需4 道工序；波導(dǎo)天線組裝焊接是關(guān)鍵，包括焊接、數(shù)控銑、鍍銀等共8道工序。焊接時(shí)需采用焊接夾具裝夾控制天線組裝焊接精度，同時(shí)，需控制焊接順序，先焊接法蘭盤和波導(dǎo)管，再焊接板和反射板。焊接完成后采用數(shù)控加工法蘭端面預(yù)留的加工余量以及去除焊疤，保證安裝要求，天線成形后表面鍍銀，滿足電性能要求?！皹?biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)” 方案天線制造流程如圖7所示。

采用 “整體波導(dǎo)” 方案進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，包括整體波導(dǎo)、板和反射板3 個(gè)焊接組件加工，其中板和反射板的加工工藝流程與“標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)” 方案相同，而由于波導(dǎo)和法蘭形成整體波導(dǎo)，采用數(shù)控加工完成，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)加工以及法蘭和波導(dǎo)的焊接相關(guān)工序，并且整體波導(dǎo)、板、反射板組裝焊接后，僅需對(duì)板和反射板處進(jìn)行加工，因而天線加工工序由32 道減少到22道，減少了31%，天線結(jié)構(gòu)也得到了優(yōu)化?！罢w波導(dǎo)”方案天線制造流程如圖8所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)方案天線制造流程Fig.7 The manufacturing process of the standard waveguide antenna

圖8 整體波導(dǎo)方案天線制造流程Fig.8 The manufacturing process of the holistic waveguide

“標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)”方案和 “整體波導(dǎo)” 方案制造波導(dǎo)天線工藝過(guò)程相似，先加工波導(dǎo)、板和反射板等焊接組件，然后組裝焊接，再數(shù)控加工成形，最后進(jìn)行鍍銀表面處理。但是，比較兩種方案見(jiàn)表1，采用“整體波導(dǎo)” 方案制造波導(dǎo)天線，由于波導(dǎo)和法蘭一體化工藝設(shè)計(jì)，優(yōu)化了天線焊接結(jié)構(gòu)，減少了焊接組件數(shù)量，降低了焊接組裝要求，簡(jiǎn)化了焊接夾具，焊縫長(zhǎng)度由387mm 減少到236mm，減少了39%，天線焊接過(guò)程得到良好控制，天線關(guān)鍵尺寸得到可靠保證，降低了加工難度，降低了生產(chǎn)成本87.5%，具有良好的批量生產(chǎn)性。

3 工程驗(yàn)證

在綜合比較 “標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)” 與 “整體波導(dǎo)” 兩種工藝方案基礎(chǔ)上，優(yōu)選 “整體波導(dǎo)” 方案進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，制定工藝流程，完成工藝驗(yàn)證波導(dǎo)天線制造。經(jīng)性能測(cè)試和高低溫試驗(yàn)（低溫40℃，高溫70℃）、濕熱試驗(yàn) （溫度45℃、相對(duì)濕度95%～98%）、振動(dòng)試驗(yàn)（XYZ 方向、加速度2.3g、持續(xù)時(shí)間240min）、離心試驗(yàn)以及電磁發(fā)射和敏感 度 檢 測(cè) （頻 率 范 圍2MHz～18GHz）等系列環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，天線性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求，抗惡劣環(huán)境適應(yīng)性滿足產(chǎn)品規(guī)范要求?，F(xiàn)今，生產(chǎn)完成的20套波導(dǎo)天線已應(yīng)用于某彈載設(shè)備上，保證了系統(tǒng)任務(wù)的順利完成。

表1 波導(dǎo)天線兩種制造工藝方案綜合對(duì)比表Tab.1 The comprehensive comparison between the manufacturing processes of the holistic waveguide and the standard waveguide

4 結(jié)束語(yǔ)

在關(guān)鍵部件產(chǎn)品研制中，為滿足產(chǎn)品性能和環(huán)境適應(yīng)性要求，應(yīng)依據(jù)電訊設(shè)計(jì)進(jìn)行可制造性分析和工藝設(shè)計(jì)，并對(duì)可行性工藝方案進(jìn)行制造質(zhì)量、生產(chǎn)效率、加工成本等綜合比較，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)與制造的最優(yōu)化，滿足產(chǎn)品性能、環(huán)境適應(yīng)性、工藝可靠性、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本綜合要求。

[1]李宗斌，陳富民.產(chǎn)品開發(fā)的可制造性設(shè)計(jì)方法[J].制造業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)，2002，2.