內導體拉絲加工研究

□ 李小青 □ 王建中

中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088

1 設計背景

隨著雷達產品的技術更新,天線單元、同軸線、高功率饋線傳輸腔體等越來越多的雷達器件需要大批量高精度內導體,內導體的加工精度直接影響雷達產品的電信性能。一般內導體加工要求統一外徑尺寸,通常有兩種方法用于實現統一外徑尺寸,一種是棒料磨削,另一種是棒料拉絲。棒料磨削降低了原材料的利用率,外徑尺寸離散度大[1],效率不高。棒料拉絲屬于冷加工,具體方法是對金屬棒料施加壓力,棒料連續通過模具,以獲得與模具孔尺寸形狀相同的制品。拉絲可以得到表面光潔的制品,并且斷面在整個長度上保持一致,不受長徑比影響。直徑波動值在0.002 mm以內,外徑尺寸穩定。內導體的生產長度可以很長,外徑尺寸可以很小,能夠連續加工,生產效率高。

某雷達含有大量天線單元,天線單元主要由內導體、外導體、天線罩、反射板、連接器組成。天線單元屬于細長結構,其中內導體為典型細長軸結構,直徑細小且值不為整數,如4.2 mm、3.04 mm等。內導體尺寸如圖1所示。采用H62黃銅棒料加工,表面質量要求高,表面粗糙度Ra小于1.6 μm。內導體的需求量大,各種尺寸型號插芯內導體每年加工不少于4萬件。拉絲模具是生產加工內導體的重要工具,是H62黃銅棒料連續拉伸過程中保證內導體加工質量的關鍵。然而,拉絲模具初次使用時常常會出現內導體直徑超差,并且拉絲后的內導體表面粗糙度超差,甚至出現貫穿性拉痕等表面質量問題,如圖2所示。已有的研究成果均局限于線材表面裂紋的演變過程、模具的磨損,以及線材機械或電氣性能的改變,所采用的研究方法是有限元分析方法[2-4]或冶金金相顯微分析方法[5-6]。筆者通過加工試驗對內導體直徑超差和表面粗糙度超差的原因進行分析,對拉絲模具進行優化設計和改善,提出內導體拉絲模具的設計方法,以解決內導體拉絲直徑超差和表面粗糙度超差問題,提高內導體的加工質量和生產效率。

▲圖1 內導體尺寸

2 內導體加工超差原因分析

2.1 直徑超差

內導體拉絲模具如圖3所示。由圖3可以看出,拉絲模具的工作部分包括定徑區、入口區和出口區。內導體直徑超差由拉絲模具定徑區直徑、定徑區長度、拉絲余量等因素決定,由此得到內導體直徑超差原因結構樹,如圖4所示。

▲圖2 內導體表面質量問題▲圖3 內導體拉絲模具▲圖4 內導體直徑超差原因結構樹

在內導體實際加工過程中,發現棒料拉絲后內導體直徑d1略大于拉絲模具定徑區直徑D,說明在拉絲過程中內導體的外徑存在彈性變形。另一方面,拉絲前銅棒料原始直徑d0越大,d1與D的差值越大,即d1與D的差值與d0的大小可能存在一定變量關系。

由于生產條件限定,采用普通車床進行拉絲,拉絲的銅棒料直徑大都在0.5～5 mm之間。針對以上條件,使用φ4.8 mm銅棒料,正常拉絲余量為0.2 mm。依據經驗,對拉絲模具的定徑區長度分別取0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm進行拉絲試驗,結果見表1。由表1數據可以發現:定徑區過長,摩擦力較大,銅棒料拉絲后易引起內導體直徑縮小或內導體斷裂;定徑區過短,難以獲得形狀穩定、尺寸精確、表面質量良好的內導體,同時拉絲模具定徑區孔徑還會很快被磨損[7]。當定徑區長度取1～1.5 mm時,內導體表面質量最佳。

表1 拉絲試驗結果

通過試驗確認,內導體直徑與銅棒料拉絲余量關系不大,無論拉絲余量是0.1 mm、0.2 mm,還是0.3 mm,內導體直徑都幾乎不變。因此,拉絲余量一般采用0.1～0.2 mm。

綜上所述,控制內導體直徑,必須嚴格控制拉絲模具定徑區直徑?？刂贫◤絽^直徑,必須找到內導體直徑與拉絲模具定徑區直徑之間的關系。

2.2 表面粗糙度超差

應用現有的拉絲模具設計試驗[8],先測出拉絲模具定徑區表面粗糙度,然后將銅棒料拉絲成內導體,再檢測內導體表面粗糙度,結果見表2。由表1和表2確認,拉絲模具定徑區長度、銅棒料拉伸速度、拉絲余量不是造成表面粗糙度超差的主要原因,拉絲模具的工作部分,即拉絲模具定徑區、入口區、出口區的自身表面粗糙度才是主要原因。

表2 表面粗糙度檢測結果

由表2數據可知,為獲得表面粗糙度Ra小于1.6 μm的合格內導體,拉絲模具定徑區孔壁表面粗糙度Ra必須小于0.4 μm。只有保證所采購的拉絲模具定徑區孔壁表面粗糙度Ra小于0.4 μm,才能滿足銅棒料拉絲后內導體的表面粗糙度要求。

3 內導體直徑與拉絲模具定徑區直徑關系

由上述試驗分析可知,拉絲模具定徑區直徑直接影響銅棒料拉絲后內導體實際直徑。為了找出銅棒料拉絲后內導體直徑與拉絲模具定徑區直徑之間的關系,進行試驗[4]。試驗銅棒料長度為500 mm,尺寸公差為±0.015 mm,拉絲模具定徑區直徑與銅棒料直徑見表3。

表3 拉絲模具定徑區直徑與銅棒料尺寸

根據實際內導體尺寸要求,確定拉絲銅棒料的直徑在0.5～5 mm之間,選定直徑小于5 mm的銅棒作為試驗材料。

按設計及工藝要求制作不同定徑區直徑的拉絲模具,模具材料選擇45號鋼。將拉絲模具定徑區直徑按0.1 mm分檔,分別用千分尺測量每個拉絲模具的定徑區直徑[10],做好記錄。

按拉絲工藝分別進行拉絲,記錄實際拉絲后的內導體直徑,并與拉絲模具定徑區直徑一一對應。

匯總拉絲模具定徑區直徑與內導體直徑實測值,見表4。

表4 拉絲模具定徑區直徑與內導體直徑對照

基于表4分析拉絲模具定徑區直徑與內導體直徑之間的關系,找出規律,繪制內導體直徑與拉絲模具定徑區直徑關系散點圖,如圖5所示。由圖5可以看出,銅棒料拉絲后內導體直徑與拉絲模具定徑區直徑之間呈現出線性關系。

▲圖5 內導體直徑與拉絲模具定徑區直徑關系散點圖

為了計算圖5中的線性因數,首先計算所有拉絲模具定徑區直徑與銅棒料拉絲后內導體直徑之間的相關因數。當內導體直徑在0.5～5 mm之間時,線性因數在0.994 7～0.998 0之間,且會有0～0.011 mm的誤差。設拉絲模具定徑區直徑誤差不得大于0.004 mm,將線性因數分為兩段。當內導體直徑小于4 mm時,取線性因數K1為0.996 9,拉絲模具定徑區直徑誤差在0.004 mm以內,滿足內導體圖紙設計尺寸要求。內導體直徑為4～5 mm時,取線性因數K2為0.995 5,拉絲模具定徑區直徑誤差在0.004 mm以內,滿足內導體圖紙設計尺寸要求。線性因數計算表見表5。確定線性因數K1和K2,已知銅棒料拉絲后內導體直徑,可以得到選用的拉絲模具定徑區直徑。

表5 線性因數計算表

4 實例驗證

5 結束語

筆者通過分析內導體加工過程中出現的問題,驗證拉絲模具表面粗糙度Ra達到0.4 μm以下即可使銅棒料拉絲后內導體的表面粗糙度滿足要求,并通過試驗獲得了設計拉絲模具定徑區直徑的重要參數——線性因數,為今后航空航天、軍工電子方面細長軸內導體類零件的加工提供了參考依據,可以通過一次拉絲成型得到滿足設計要求的內導體,一致性好,效率高。