精密制造平板裂縫天線技術

徐芳 夏琳軍

摘要：以高強度鋁合金為材料的平板裂縫天線具有高增益、低副瓣、體積小、質量輕的優點，可以顯著提高雷達產品的靈敏度，實現對目標的精確跟蹤。但由于變形控制的問題，加工精度和口面尺寸受到一定制約。本文作者根據多年實踐經驗總結概述了平板裂縫天線的機械加工工藝方法和技術要點，對高速切削加工環節進行了重點論述，為鋁合金薄壁件的精密加工提供借鑒。

關鍵詞：平板裂縫天線；精密制造；高速加工

金屬薄板的尺寸界定通常為h/b≤（1/5～1/8），其中：h為板材厚度，b為較小邊長。金屬薄板在機械加工中主要存在的問題是變形控制難度較大。對于薄板薄壁類結構件來說，由于局部材料厚度的不均勻，精密加工難度更大。以廣泛應用于雷達產品的平板裂縫天線為例，造成饋電腔變形的因素有材料殘余內應力釋放、切削力和切削熱過大、材料去除率不均勻、焊接過程中散熱不均勻等，導致結構件整體平面度、相對位置度等關鍵指標保證困難。必須采用精密制造技術，對加工工藝進行合理的組配，選擇合理的參數。

一、平板裂縫天線的加工工藝性分析

（一）設計結構及要求

以高強度鋁合金為材料的平板裂縫天線具有高增益、低副瓣、體積小、質量輕的優點，可較大幅度地提高雷達產品的靈敏度，實現雷達產品的精確跟蹤。近二十年來，隨著平板天線技術在理論和加工方式上的不斷成熟，其在民用機載氣象雷達、港管雷達、尋的雷達等領域獲得了廣泛應用。平板裂縫天線作為多層復雜腔體的整體結構，由饋電板、輻射板和激勵波導等零件焊接而成。

設計要求天線輻射面范圍內平面度0.05mm，饋電縫及腔體、契形孔等相對位置度誤差要控制在±0.02mm之內，材料去除率達到95%以上。

（二）加工工藝過程設計

在切削加工過程中，為降低切削力和切削熱以及材料去除不均勻性的影響，我們采用粗精加工分段并輔以中間去應力穩定化處理（根據零件的復雜程度選擇）的工藝流程。可選擇的焊接工藝方法有真空釬焊和鹽浴釬焊，需綜合考慮結構件尺寸、生產效率、焊后處理、設備能力等幾方面因素確定。全部工藝流程如下圖示：

二、精密制造關鍵技術要點

高速加工技術是指采用超硬合金材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質量的現代加工技術。高速加工薄壁薄板件相對傳統加工具有顯著的優越性：切削力小，工件產生的讓刀變形相應減少，易于保證零件的尺寸精度和形位精度。切削熱對零件的影響減少，零件加工熱變形小。

（一）裝夾

平板裂縫天線屬較大型薄壁件，強度低、剛性差，夾緊宜采用真空吸附方法，使零件緊貼于夾具表面，其工作系統為：

對于雙面有薄壁槽的結構件，可以先加工槽少的一面，加工完后在此面槽腔內填充石膏作為翻面加工的定位基準并防止吸附導致零件變形，再進行真空吸附裝夾和加工。

（二）設備選用

我們選用德國生產的DMU125P五軸四聯動加工中心，主軸結構采用HSK型式，可配備HSK40或JT50等多種形式的刀柄。加工完畢后，需使用三坐標測量機進行檢測。

（三）切削參數選擇

切削參數要根據機床剛性、刀具直徑、刀具長度、工件材料、粗加工或精加工模式而定。平板裂縫天線材料為鋁合金6063，由于硬度、強度低、導熱性好，切削加工容易。在相同切削條件下，鋁合金的切削功率僅為軟鋼的1/2。鋁合金導熱性好，約為45#鋼的3倍，切削溫度不致太高。總結各參數選擇的原則為：

切削速度：鋁合金的切削速度可選擇范圍較大，但設計要求零件表面粗糙度達到1.6，可通過選擇較高的切削速度來達到。切削速度的提高無疑會加劇刀具的磨損，但可以有效提高加工效率，同時在一定的高速切削范圍內提高零件表面的加工質量。考慮設備的穩定使用，我們選用轉速為8000～10000rpm.。

進給量：加大進給量對薄壁加工不利，但過小時，擠壓代替了切削，發熱嚴重，造成粘滯，不但影響零件表面粗糙度，而且使零件變形增大。我們在粗銑、半精銑、精銑三種模式下選擇不同的進給量，數值由2000mm/min～200mm/min。

吃刀量：從切削力、殘余應力、切削溫度等因素考慮，高速切削參數的選擇原則是小軸向切深、大徑向切深。而且在小軸向切深的情況下，徑向切深在一定限度內的增加并不會增大薄壁變形。考慮加工效率，我們在粗銑、半精銑、精銑三種模式選用不同的進給量，軸向切深從1mm逐步降至0.2mm，徑向切深在2mm左右。

（四）焊接

1.焊接方法的選擇。由于壁厚薄，并內置多條焊縫，一般鋁合金的釬焊方法不適合于平板裂縫天線的焊接。由于鋁合金的釬焊溫度和它的熔點非常接近，釬焊溫度和均勻性的控制非常重要。目前只能選擇真空釬焊和鹽浴釬焊。

真空釬焊的優點是無腐蝕性，無環境污染，釬縫成型美觀，設備自動化程度高。缺點是生產效率低，熱均勻性不如鹽浴焊，目前還不能進行大尺寸鋁合金零件的焊接。

鹽浴釬焊的優點是熱均勻性好、釬縫成型質量好，生產效率高，非常適合大尺寸零件的大批量生產。缺點是釬劑鹽中的氟化物具有強腐蝕性，對設備腐蝕嚴重，揮發氣體對人體的健康有不利影響，需要進行較大的環保投入。

由于我們所焊平板天線的外形尺寸達到800mm以上，故選擇采用鹽浴釬焊的方法進行焊接。

2.變形控制要點。控制焊接變形是平板天線焊接工藝中的最大難題之一。天線釬焊溫度為600℃左右，此時鋁材料的屈服點、強度極限和彈性模量幾乎為零，零件受拘束或較小外力就會引起塑性變形。在釬焊的預熱、焊接和冷卻過程中，如果加熱和冷卻過程不能保證均勻吸熱和散熱，由于局部材料厚度不均勻，天線截面不對稱，變形不均勻產生內應力，當內應力達到材料屈服強度時產生塑性變形。因此，在工藝方法選定后，焊接夾具的設計和使用就非常關鍵。主要要求達到對焊接件支撐面的平面度、足夠的熱剛性、定位壓緊機構不妨礙被焊材料的自由伸縮。

三、結束語

按照以上工藝方法和路線，通過對技術要點的研究、試驗、參數優化選擇，制造的平板天線平面度達到0.46mm<0.5mm，饋電縫及腔體、契形孔相對位置度誤差控制在±0.02mm之內，滿足了設計要求。

參考文獻：

[1]張武.裂縫波導數控高速加工工藝研究[J].《第八屆全國雷達學術年會論文集》，2002年

[2]張啟運.釬焊文集[M].北京師范大學出版集團