毫米波喇叭制造工藝研究

張 舒 杜 兵 王 帥

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，揚州 225101）

在微波器件的設(shè)計中，波導(dǎo)腔體的精度要求是隨著波導(dǎo)口徑的不斷減小而增加，而且內(nèi)腔結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。毫米波喇叭尺寸小，精度高。例如，BJ320矩形波導(dǎo)口徑尺寸偏差為±0.02 mm，表面粗糙度要求為0.8～1.6 μm。生產(chǎn)過程中最突出的問題是微波器件內(nèi)腔精度要求高，傳輸?shù)碾娦阅懿粷M足指標(biāo)要求。本文針對毫米波喇叭的技術(shù)要求，在工藝分析的基礎(chǔ)上合理安排工藝路線，開展相關(guān)工藝試驗。

1 結(jié)構(gòu)工藝性審查

毫米波喇叭不僅形狀復(fù)雜，而且精度要求高。在結(jié)構(gòu)工藝性審查時，工藝人員積極與設(shè)計師溝通，借鑒同類產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗，認為采用整體機械加工是不可行的，必須對毫米波喇叭結(jié)構(gòu)進行工藝性優(yōu)化設(shè)計，分解成具有可加工性的零件[1]。經(jīng)過多次討論，最終將毫米波喇叭拆分為3個部分，分別為前腔、八面體腔和后腔。過渡處采用法蘭盤對接，通過圓柱銷定位與螺釘連接，如圖1所示。

毫米波喇叭材料選用銅合金，前腔和后腔的結(jié)構(gòu)采用上、下片形式，將機加工困難的多面體內(nèi)腔獨立出來。這種結(jié)構(gòu)形式將復(fù)雜腔體分解為多個簡單波導(dǎo)連接，減小毫米波喇叭的生產(chǎn)難度，有利于提高產(chǎn)品合格率。

2 工藝方案

2.1 工藝分析

按照毫米波喇叭的結(jié)構(gòu)形式可將其分為兩種類型，前腔和后腔屬于上、下片類型，中間八面體腔屬于異形腔體類型。前腔和后腔的外形不規(guī)則，定位基準(zhǔn)面小，壁厚薄，受力容易變形?？偨Y(jié)以往的加工經(jīng)驗，增加工藝基準(zhǔn)用于定位。八面體腔的形狀復(fù)雜，難以用機加工方法制造。對于這種垂直于波導(dǎo)軸線的截面形狀及尺寸沿著軸線而變化的過渡波導(dǎo)器件，采用電鑄成形。電鑄具有極高的復(fù)制精度和重復(fù)精度，適于制造具有復(fù)雜形狀和精度要求高的零件[2]。

2.2 前腔和后腔的工藝過程

前腔和后腔將口徑中心作為設(shè)計基準(zhǔn)，加工時受形狀限制不能用中心定位，只能用外表面定位。由于外表面對于口徑中心存在對稱度誤差，會造成定位誤差，因此采用定位銷孔作為工藝基準(zhǔn)，銷孔尺寸偏差為±0.01 mm。它的精度要求高于前腔和后腔的尺寸精度，可以將定位誤差控制在允許范圍內(nèi)。先加工毛坯外形作為粗基準(zhǔn)定位，后由加工中心粗加工，待熱處理后再精加工。前腔和后腔的工藝過程為“備料→粗加工→熱處理→精加工→修整拋光→試裝→表面處理→裝配”。

2.3 八面體腔的工藝過程

電鑄波導(dǎo)的芯模材料一般選用鋁合金，然后在芯模上電鑄銅，退除芯模后再在內(nèi)表面鍍銀。合理設(shè)計芯模是電鑄的第一步。芯模的設(shè)計如圖2所示。

外、內(nèi)棱角均應(yīng)進行倒圓，其外棱倒圓的圓弧半徑為1 mm。內(nèi)角倒圓的圓弧半徑不得小于電鑄層的厚度值，以免電鑄層內(nèi)棱角處太薄而外棱角處過厚[3]。電鑄波導(dǎo)兩端應(yīng)預(yù)留加工余量，以便切去端頭的不良電鑄層。此外，至少一端有不電鑄表面，以作為機加工的工藝基準(zhǔn)。圖2中雙點劃線區(qū)域為不電鑄表面。銀釬焊時用弱還原焰加熱零件，有利于加熱溫度均勻。達到釬焊溫度時，在焊縫處加入銀基釬料，進而利用毛細漫流作用完成零件的釬焊[4]。八面體腔的加工工藝過程為“備料→加工芯模→修整拋光→電鑄→熱處理→加工外形→腐蝕內(nèi)芯→焊接法蘭盤→精加工→修整拋光→表面處理”。

3 工藝試驗

3.1 試驗材料與方法

3.1.1 試驗材料

毫米波喇叭的前腔和后腔選用材料為熱軋黃銅板H62，八面體腔選用材料為標(biāo)準(zhǔn)陰極銅。

3.1.2 試驗方法

機械加工采用北京精雕三軸CNC加工中心JDCT1200T，選用硬質(zhì)合金銑刀，通過在樣件上試切選取最優(yōu)的工藝參數(shù)。電鑄按照工藝規(guī)范的要求進行，分別采用直流電鑄工藝與周期換向電流電鑄工藝對電鑄層性能進行比較。電鑄波導(dǎo)的釬焊采用火焰銀釬焊，對比不同焊前處理方式的焊接質(zhì)量。

3.2 喇叭內(nèi)腔加工試驗

銑削時，用立銑刀粗加工喇叭內(nèi)腔，去除喇叭內(nèi)腔絕大部分材料，預(yù)留精加工余量，再用小直徑立銑刀精加工至最終尺寸。切削用量對切削力和切削溫度都有影響，尤其是精加工時，合理設(shè)置數(shù)控加工程序可以提高表面切削質(zhì)量。查表確定切削速度和進給量，然后計算機床主軸轉(zhuǎn)速和進給速度，計算公式為[5]：

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速，r·min-1；vc為切削速度，m·min-1；d為刀具直徑，mm；vf為進給速度，mm·min-1；fz為銑刀每齒進給量，mm；n為主軸轉(zhuǎn)速，r·min-1；z為所選銑刀的齒數(shù)。

采用硬質(zhì)合金銑刀切削鋁合金時，常用切削速度為200～500 m·min-1。當(dāng)?shù)毒咧睆綖? mm左右時，所需的主軸轉(zhuǎn)速至少為6×104r·min-1，一般設(shè)備無法達到。在無法達到最佳主軸轉(zhuǎn)速的情況下，小直徑刀具多采用小切深、中進給的工藝參數(shù)，保持切削力較小和良好的散熱。粗加工時，可選較大的每齒進給量，以提高加工效率。精加工時，為了滿足加工精度和表面粗糙度要求，應(yīng)將每齒進給量控制在0.05 mm以內(nèi)。數(shù)控編程生成NC代碼上傳至加工中心進行試切加工，總結(jié)切削試切經(jīng)驗選取工藝參數(shù)。粗加工時，采 用3 mm的2齒 刀 具，vf為600 mm·min-1，n為5 500 r·min-1，每齒進給量為0.05 mm。精加工時，采用2 mm的2齒刀具，局部區(qū)域采用1 mm的2齒刀 具，vf為200 mm·min-1，n為5 000 r·min-1，每 齒進給量為0.02 mm。

3.3 八面體腔的電鑄試驗

為了達到設(shè)計要求的復(fù)雜型面和表面粗糙度，電鑄溶液必須具備較好的分散能力和覆蓋能力，保證電鑄層均勻、致密。徐惠宇進行了直流電鑄和脈沖電鑄試驗，對金相結(jié)構(gòu)、孔隙率和微觀硬度等方面進行分析和測量，發(fā)現(xiàn)脈沖電流能夠細化晶粒、提高微觀硬度等[6]。研究成果表明，脈沖電鑄工藝能改善產(chǎn)品性能。

硫酸鹽電鑄銅工藝的分類有兩種：一是按電源輸出波形劃分；二是按溶液含量劃分。按照電源劃分時，可分為直流電鑄和周期換向電鑄。通常對溶液的分散能力和覆蓋能力要求高的場合才使用后者。按照溶液含量劃分時，可分為高主鹽低硫酸型和低主鹽高硫酸型。通常對溶液的分散能力和深鍍能力要求較高的場合才使用后者。對電鑄層的均勻性要求高時，應(yīng)采用低主鹽高硫酸型溶液，并采用周期換向電源進行電鑄。電鑄試驗采用低主鹽高硫酸型溶液，對比直流和周期換向電流的八面體腔電鑄層性能，測試結(jié)果如表1所示。

表1 電鑄層性能測試結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)電鑄銅層比較厚時，直流電鑄銅層的強度與塑性明顯降低，而周期換向電流電鑄銅層仍有相當(dāng)高的強度與塑性。

3.4 八面體腔的釬焊試驗

焊接時，出現(xiàn)過電鑄波導(dǎo)和法蘭盤釬焊時波導(dǎo)口徑尺寸變形的現(xiàn)象。雍定鄭從零件結(jié)構(gòu)、加工方法以及內(nèi)部組織變化等方面開展研究，通過熱處理工藝使高頻微波組件尺寸穩(wěn)定的方法來解決變形問題[7]?？趶匠叽缱冃蔚膯栴}還需要進行試驗探索。試驗采用兩種方案，第一種按照波導(dǎo)管釬焊的通用方法，第二種采用箱式爐熱處理預(yù)熱后再釬焊。釬焊試驗口徑尺寸測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 釬焊試驗口徑尺寸測試數(shù)據(jù)

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，熱處理電鑄試樣比未熱處理電鑄試樣尺寸變形小，尺寸變形量在公差范圍內(nèi)?？梢?，熱處理可以改善材料的組織性能和尺寸穩(wěn)定性，解決口徑尺寸變形的問題。

4 結(jié)語

通過開展毫米波喇叭制造工藝研究進行加工、電鑄和釬焊試驗，優(yōu)化工藝參數(shù)后研制的毫米波喇叭滿足設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)、工藝與生產(chǎn)的共同協(xié)作是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一方面從結(jié)構(gòu)工藝性出發(fā)協(xié)同設(shè)計結(jié)構(gòu)與工藝，另一方面針對特殊形狀等要求優(yōu)化工藝參數(shù)。