焊接后的陣列天線類零件干切削加工技術研究

楊 杰

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610000）

3A21和6063鋁合金由于良好的焊接性能，被廣泛應用于需要焊接的風冷、液冷及各種陣列天線類零件中。陣列天線類零件是3A21和6063材料應用的代表性零件，由多層帶有復雜波導腔及裂縫的薄板零件經真空釬焊組焊而成。這兩種材料的共性是有著良好的焊接性能、一定的耐蝕性和較高的塑性，可切削性能不良，極易粘刀，給切削加工造成困難。如果在干切削這種惡劣的加工環境下，加工難度更是可想而知。下文將從陣列天線的結構特點、機床刀具選擇、合理選擇切削用量以及合理控制切削環境等方面提出焊接后的陣列天線類零件的加工對策。

1 陣列天線類零件結構工藝性分析

1.1 陣列天線的結構特點

陣列天線由多層材料為3A21或6063的薄板零件經真空釬焊焊接而成，每一層都布滿形狀復雜的波導腔、裂縫及減重槽，波導腔精度較高（公差±0.02），表面粗糙度為1.6。焊接后需要加工的部分為一般型腔、凸臺、各種通孔、盲孔及螺紋孔，除少數公差在0到+0.03的定位孔以外單就精度來講并不高，波導腔面表面粗糙度為1.6，其余為3.2。某陣列天線零件實物圖如圖1所示。

圖1 某陣列天線零件

1.2 加工工藝分析

焊接前的薄板零件由于波導腔及裂縫精度及表面質量要求高，采用真空吸盤吸附裝夾，在三軸高速銑機床上加工，完成后及時清洗零件上殘留切削液，以防止波導腔面被腐蝕。

眾所周知，波導腔面需要很高的精度及表面質量，雖然3A21和6063具有一定的耐蝕性，但如果焊接后的陣列天線類零件加工中使用了切削液，由于波導腔內部形狀復雜，人們難以完全清理所有波導腔區域，這就造成了零件仍然會有一定概率出現波導腔面被切削液腐蝕的情況發生。

于是，專業工藝人員明確要求此類焊接后的零件加工禁止使用切削液，采用干切削加工杜絕波導腔面發生腐蝕，并對波導口進行堵塞，以免切屑進入波導腔內部無法完全排出影響產品電路信號。

即使在有切削液的加工環境下切削3A21/6063材料，如果切削參數不當也很容易發生粘刀現象。而在干切削加工環境下，由于失去了切削液的潤滑、冷卻、輔助排屑等作用，刀具在加工中承受的負荷增大，切削溫度升高，刀具與零件均易發生熱變形，刀具磨損加劇，使用壽命縮短，加工表面質量降低，產生毛刺大，更容易發生粘刀現象導致刀具損壞、零件報廢、主軸受損。如何避免粘刀并提高效率，保證干切削環境下加工順利滿足設計要求是筆者研究的重點

2 干切削要點

2.1 工藝系統選擇

2.1.1 機床選擇

在常規加工中，刀具切削零件產生的切削熱被切削液帶走，而干切削時產生的切削熱會大量聚集于刀具和零件，溫度升高極易造成3A21和6063這類材料發生粘刀現象。而高速銑方式加工的顯著特點就是高轉速、高切削速度、低吃刀深度，快速進給產生的切削熱大部分被切屑迅速帶走，只有少部分熱量傳遞到刀具和零件，從而大大降低粘刀的可能，并且切削效率是普通數控機床加工效率的數倍。所以，采用高速銑方式干切削此類零件是更好的選擇。

精度高，加工區域小，自帶微量潤滑系統，且配備探頭方便找正波導口定位的米克朗HsM600/HsM600U機床是干切削此類零件的最佳選擇。

2.1.2 夾具的選擇

焊接后的陣列天線及功放盒體類零件外形較規則，選用通用夾具精密虎鉗即可裝夾。

2.1.3 刀具的選擇

由于材料易粘刀，在刀具選擇方面應優選排屑性能好的刀具，且能承受較高的切削速度，盡量選擇大螺旋角的高速銑整體硬質合金刀，優選排屑槽更寬大的兩刃銑刀，以降低粘刀的可能。

2.2 冷卻方式

2.2.1 常溫風冷

HsM600/HsM600U機床自帶微量潤滑油霧冷卻系統，利用氣液兩相流體的混合體以高壓霧化的方式噴射到加工區，達到潤滑、冷卻、排屑的效果，但如果使用油霧，很容易滲入波導腔內部難以清潔，所以加工過程中需要在程序中加入一段海德漢系統301指令關閉油霧（見圖2），僅以壓縮空氣對準刀尖，提供冷卻降溫作用。并且，高速銑加工通常采用低吃刀深度，所產生的切屑更小，壓縮空氣能把切屑吹走，起到輔助排屑的作用。

圖2 海德漢301指令

2.2.2 渦流管制冷低溫風冷

壓縮空氣噴射進渦流管渦流室后，氣流以高達100萬r/min的速度旋轉著流向渦流管熱氣端（右側）出口，一部分氣流通過控制閥流出，剩余的氣體被阻擋后，在原氣流內圈以同樣的轉速反向旋轉，并流向渦流管冷氣端（左端）。在此過程中，兩股氣流發生熱交換，內環氣流變得很冷，從左側流出，外環氣流則變得很熱，從右側流出。冷氣流的溫度及流量大小可通過調節渦流管熱氣端閥門控制。渦流管熱氣端出氣比例越高，則渦流管冷氣端氣流的溫度就越低，流量也相應減少，如圖3所示。

圖3 渦流管制冷原理

采用渦流管制冷低溫風冷最低溫度可達-30°，能更加有效地降溫，提高刀具壽命，提高表面粗糙度，減少零件熱變形，防止粘刀。

2.3 數控程序編制要點

2.3.1 切削參數選擇

在切削參數的選擇方面，主軸轉數、吃刀深度、進給速度受選擇的刀具以及冷卻方式影響較大，可根據試切試驗確定，在此不給出具體數值。

2.3.2 下刀方式

銑刀如果直接垂直下刀，底刃所受切削力大，容易出現粘刀以及積屑瘤。而鉆頭由于排屑斷屑性能大大優于銑刀，所以用鉆頭鉆出預鉆孔再用銑刀在預鉆孔位置快速垂直下刀可避免粘刀并提高效率。

開闊空間區域，下刀可從加工區域外部直接用銑刀快速垂直下刀，由外往內切削，以提高效率。

封閉空間區域，下刀可采用先鉆頭預鉆孔再用銑刀快速垂直下刀和直接銑刀斜線下刀兩種方式。前者適用于大的內腔開粗，后者適用于小的封閉切削區域以及底面精銑。采用銑刀斜線下刀時下刀角度不能過大，且進給速度不能太大，否則易出現粘刀、擠削切削、積屑瘤、毛刺硬化等加工現象，直接導致刀具壽命縮短、零件表面粗糙度下降。下刀角度一般選擇1.5°～2°即可，如圖4所示。

圖4 下刀角度設置

2.3.3 分粗精加工

由于缺乏切削液的潤滑作用，如果不分精加工直接銑到最終尺寸，干切削的表面粗糙度要明顯更差，所以側面以及底面都需要留0.05mm精加工余量，才能保證1.6的表面粗糙度。

2.3.4 小孔的干切削方法

孔越大，排屑越容易，孔越小則反之，用銑刀加工則越容易出現粘刀現象。小直徑銑刀一旦發生粘刀，往往刀具立即折斷，同時造成孔的損傷，零件有可能報廢。所以，對于小孔加工優先采用鉆頭，且先鉆孔后擴孔，以保證干切削環境下的孔徑和表面粗糙度，如表1所示。

2.3.5 去毛刺

干切削加工中產生的毛刺更多更大，不利于鉗工手工操作去毛刺，可利用高速銑的高轉速快速進給空走刀迅速去除毛刺，以極短的時間取代長時間的手工去毛刺，大大縮短后續鉗工工序的操作時間。由于3A21/6063材料軟，僅僅在頂面空走一刀并不能完全去掉毛刺，會有小部分毛刺下翻，這時還應在側面空走一刀才能完全去除毛刺。HsM600/HsM600U機床XYZ三軸的重復定位精度都在0.003mm左右，所以去毛刺時頂面、側面都要留0.005mm余量，余量留得多則殘余毛刺多，余量留得少則有可能產生接刀痕影響表面質量。

表1 小孔加工方法

3 結論

對于焊接后的陣列天線類零件干切削加工，通過選擇高速銑加工方式，以及常溫風冷或者效果更優的渦流管制冷低溫風冷散熱降溫，在數控程序編制時采用合理的切削參數、下刀方式，加工時粗精加工分開并以合理的方法加工干切削時難加工的小孔，最后快速空走刀去毛刺。這樣不僅能解決干切削狀態下各種困難避免粘刀、滿足圖紙設計及加工工藝要求，保證加工精度，提高加工效率實現高效切削，而且大大降低后續鉗工工序的勞動強度，縮短工序時間，值得推廣。