高速切削加工在平板裂縫天線中的應用

陳陸幫 伍萬斌 余洪利 白海峰

（中國電子科技集團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、攜帶方便及其優良的電訊性能，在機載火控、導彈制導以及無人機等領域均有廣泛應用。但其結構復雜、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，對加工質量、效率等有效控制進行詳細闡述。

1 各層零件機械加工難點

（1）第1層為平板類零件，從圖1大致可以看出整個輻射板上有200多個長寬不等、對波導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，整個底面的平面度為0.05 mm，壁厚為1 mm，是一個大面積的鋁合金薄壁結構件，該零件裝夾難度高，裂縫內圓角R≤0.4 mm，在加工過程中因零件的抖動容易斷刀。

（2）第2層為盒體類零件，內腔底面壁厚為1±0.02 mm，平面度0.1 mm，加工過程中由于材料內應力重新分配及工件受熱導致底面變形，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層為波導腔零件，兩面都有臺階結構，第1面加工完后第2面同樣存在裝夾困難問題，且內腔圓角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，如何保證波導連接口面與波導腔對稱度±0.02 mm，也是一個難點。

2 高速切削技術的應用

高速銑削一般采用高的銑削速度，適當的進給量，小的徑向和軸向銑削深度。銑削時，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備為高速銑削中心C1200V，轉速可以達到30 000 r/min。隨著銑削速度的提高，銑削力略有減小，表面質量提高，加工生產效率隨著增加。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，而進給較快，這樣加工表面的粗糙度值很小，銑削鋁合金時可達Ra0.4～0.6 μm，銑削鋼件時可達Ra0.2～0.4 μm。

3 機械加工工藝方案

3.1 工藝流程

傳統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力，以控制工件內應力，減小變形，這樣加工效率極為低下。普通機床在加工薄壁件時由于切削力較大，工件容易產生變形，且受機床主軸轉速限制，無法使用直徑小于1.5 mm的刀具;即使勉強使用，也會造成在加工小圓角時頻繁斷刀。而高速切削加工由于機床轉速高達30 000 r/min以上，相對于傳統數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行精加工來減小工件變形。

圖3是傳統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，傳統工藝方法大致需要3～4周的加工時間，而采用高速切削的工藝方法，僅需要3～4天的時間，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切削特殊的工藝要求，除了高速切削機床和高速切削刀具，合適的CAM編程軟件也是至關重要的。國內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公司開發的CAD/CAM一體化軟件Mastercam。

3.2.2 數控編程的優化

數控編程時，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，這會直接影響加工質量和機床主軸等零件的壽命;最后要盡量使刀具載荷均勻，這會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、冷卻液連續冷卻的切削加工方式。在加工參數方面采用高轉速（25 000 r/min），小吃刀量（1 mm/刀）分層切削。下刀采用螺旋式，進刀方式為行切，加工順序為從中間向兩邊對稱加工。在加工R0.4 mm圓角時先采用直徑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，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量有著重要的意義。對于帶有敞口型腔的區域，應盡量從材料的外面走刀。對于沒有型腔的封閉區域，宜采用螺旋進刀方式，在局部區域進行切入。在高速切削加工中，由于機床加速的局限性，容易造成時間的浪費，急停或急動則會破壞表面精度，且有可能因為過切而產生拉或在外拐角處咬邊。所以應盡量減少刀具的急速換向，選擇單一路徑切削模式進行順銑，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，以獲得相對穩定的切削過程。

加工仿真見圖4。

3.3 裝夾方式的選擇

因為工件為薄壁空腔結構，面積較大，采用虎鉗裝夾會有一個側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，不能有臺階結構，所以第三層波導腔臺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，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。據此，針對目前生產中廣泛應用的鋁合金、鑄鐵、鋼及合金和耐熱合金等的高速切削，已發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、硬質合金刀具等。

目前在高速銑削加工中，應用最多的是整體硬質合金刀具，其次是機夾硬質合金刀具。在高轉速下應用機夾刀具加工時，應注意刀具的動平衡等級以及最高許用轉速。

4 結語

平板裂縫天線是機載和星載預警雷達、合成孔徑雷達的關鍵組件，它的制造精度的高低將直接影響到雷達的性能，通過高速切削加工的合理應用，解決了傳統工藝方法效率低下的缺點。采用高速銑削制造平板裂縫天線的工藝方法在我所已經很成熟，但是造價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行試驗，在保證天線電訊性能及技術指標的基礎上，以降低加工制造成本。

［1］張伯霖.高速切削技術及應用［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［2］機械工程手冊［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［3］金屬機械加工工藝人員手冊［M］.上海:科學技術出版社，1979.

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

［5］周華，石彥華.高速切削機床的關鍵技術及其應用［J］.現代制造工程，2008（8）:124－127.