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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(dá)、微波通信和電子對(duì)抗等領(lǐng)域。隨著我國(guó)雷達(dá)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(dá)重要的發(fā)展方向,這就給功分器的設(shè)計(jì)及加工制造帶來(lái)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(wú)毛刺,且波導(dǎo)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(wú)明顯溢出。加工制造難度極大。
2 技術(shù)難點(diǎn)分析
功分器整體結(jié)構(gòu)尺寸為16mm × 300mm ×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(diǎn)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(dǎo)內(nèi)腔表面粗糙度值Ra=1.6μm,在40倍放大鏡下觀察無(wú)毛刺。由于不允許用金屬工具去除毛刺,波導(dǎo)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(wú)明顯焊料溢流,無(wú)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(wú)切削料、線切割油泥等多余物,使控制過(guò)程復(fù)雜,可操作性差,質(zhì)量難以保證。
3 無(wú)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(gè)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?yàn)橄燃庸ど?、下面及外形,再以外形定位銑削波?dǎo)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(diǎn),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(duì)后期加工精度可能造成的影響。最后由鉗工進(jìn)行收尾工作,清理工作臺(tái)面,在40倍放大鏡下用牙簽去除毛刺及多余物。
通過(guò)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(duì)于波導(dǎo)內(nèi)腔表面粗糙度值Ra=1.6μm、在40倍放大鏡下觀察無(wú)毛刺以及波導(dǎo)腔內(nèi)邊緣不允許有倒角的加工要求,工藝上必須進(jìn)行特殊處理方能滿足要求。尤其是在40倍放大鏡下無(wú)毛刺的要求,公司毫無(wú)加工經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)毛刺加工的研究相對(duì)較少,王貴成教授于2002年首次提出了少無(wú)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(guò)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(xiàn)指出,基于正交試驗(yàn)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(wú)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(dòng);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(jī)械切削加工。嘗試從切削過(guò)程控制、切削參數(shù)調(diào)整和刀具選擇3方面進(jìn)行質(zhì)量控制,以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
(1)切削過(guò)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(shí),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(diǎn)在腔體內(nèi)部,加工順序?yàn)橛汕惑w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(shì),基于此,在切削深度設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)該余量進(jìn)行多次精銑,邊銑邊去毛刺,精銑過(guò)程中反復(fù)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(shuō)明的是,深度方向精加工時(shí),為了防止硬點(diǎn)的產(chǎn)生,第一刀切削進(jìn)給量必須較小。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),第一刀取0.03mm進(jìn)給量,效果良好。在切削寬度選擇上,經(jīng)多次試驗(yàn),選擇以60%的刀具直徑加工,效果最佳。目前我公司機(jī)床所能達(dá)到的最大有效轉(zhuǎn)速為15000r/min,經(jīng)多次試驗(yàn),本次加工線速度選擇200mm/min。通過(guò)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(qiáng)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(shì)。這是由于刀具前角增加,導(dǎo)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(huì)使切削刃與刀頭的強(qiáng)度降低,刀頭的導(dǎo)熱面積和容熱體積減小。因此過(guò)分地增大前角,有可能導(dǎo)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(jì)有帶保護(hù)的修光刃,能有效降低加工零件的表面粗糙度值;同時(shí)在前角設(shè)計(jì)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(jiàn)基本無(wú)毛刺,且內(nèi)腔邊緣無(wú)倒角,符合設(shè)計(jì)要求。
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(shí)極易產(chǎn)生變形以及焊縫不均勻。經(jīng)多次焊接試驗(yàn),最終確定了焊接工藝路線,其中的關(guān)鍵控制點(diǎn)如下。
(1)清洗 設(shè)計(jì)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(dāng)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(guò)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。
5 精加工時(shí)多余物控制
真空釬焊后精加工時(shí),腔體內(nèi)部的多余物主要產(chǎn)生在加工端口孔及臺(tái)階處,端面形狀如圖6所示。加工工序?yàn)楦咚巽娤鳌榉乐苟嘤辔镞M(jìn)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(jìn)入內(nèi)腔后,將很難清理出來(lái),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(shí),發(fā)現(xiàn)仍有切削多余物進(jìn)入內(nèi)腔,導(dǎo)致零件報(bào)廢。為了解決此難題,嘗試對(duì)堵頭進(jìn)行封蠟處理(見(jiàn)圖7),加工完成后去除封蠟,取出堵頭并進(jìn)行超聲波清洗,有效控制了加工多余物的進(jìn)入。
6 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)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(shí)現(xiàn)了無(wú)毛刺加工。通過(guò)焊接關(guān)鍵點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了多余物的控制,最終實(shí)現(xiàn)了新型雷達(dá)功分器的成功試制。