周明智，朱春臨，陳奇海，張 沖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

精密熔模鑄造技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品中的應(yīng)用

周明智，朱春臨，陳奇海，張 沖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

精密熔模鑄造是一種先進(jìn)的凈成型技術(shù)，具有高精度、高效、低耗等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)產(chǎn)品的研制中具有很大的應(yīng)用前景。文中結(jié)合雷達(dá)產(chǎn)品幾種典型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和要求，探討了幾種影響產(chǎn)品精密鑄造成型的關(guān)鍵技術(shù)，給出了應(yīng)用精密鑄造成型方法所取得的顯著效果。最后，為進(jìn)一步推動(dòng)精密鑄造技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品中的應(yīng)用，指出了當(dāng)前制約其應(yīng)用的主要問(wèn)題及發(fā)展方向。

雷達(dá)產(chǎn)品；熔模鑄造；高效

引 言

為滿足電訊設(shè)計(jì)及輕量化要求，薄壁、深腔鋁合金殼體零件及各類(lèi)波導(dǎo)、振子類(lèi)器件在雷達(dá)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)加工方法在制造此類(lèi)零件時(shí)，普遍存在材料消耗大、工序多、成本高、效率低等問(wèn)題，不能適應(yīng)雷達(dá)裝備的批產(chǎn)要求。精密熔模鑄造是一種切削少或無(wú)切削的近凈成型技術(shù)，它效率高，成本低，可成型各種復(fù)雜構(gòu)件，在航空、航天、汽車(chē)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。目前，國(guó)外先進(jìn)精鑄技術(shù)的尺寸精度最高可達(dá)CT3級(jí)，表面粗糙度小于1.6 μm，工件外輪廓最大尺寸可在1 m以上，最小壁厚小于0.8 mm。該技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，給雷達(dá)微波部件的高效低成本制造提供了一條新的路徑。本文結(jié)合雷達(dá)產(chǎn)品中一些具有代表性的微波功能部件的研制需求，介紹了精密鑄造技術(shù)的應(yīng)用及影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，為該技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣提供借鑒。

1 熔模鑄造關(guān)鍵技術(shù)及其在雷達(dá)產(chǎn)品中的應(yīng)用

1.1 熔模鑄造關(guān)鍵技術(shù)

雷達(dá)產(chǎn)品微波功能部件多為薄壁、深腔的異型結(jié)構(gòu)，對(duì)尺寸精度、表面粗糙度等有較高要求，根據(jù)雷達(dá)的設(shè)計(jì)及使用要求，對(duì)精密熔模鑄造中的關(guān)鍵技術(shù)要求體現(xiàn)在以下4個(gè)方面[2]：

1) 精密化熔模制作技術(shù)。雷達(dá)的波導(dǎo)器件對(duì)成型表面質(zhì)量要求較高，雷達(dá)產(chǎn)品如數(shù)字陣列模塊(DAM)殼體具有大型、薄壁、深腔、多筋條等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)蠟?zāi)５哪Ａ鲜湛s、強(qiáng)度等有要求。模料的性質(zhì)和蠟?zāi)５谋砻尜|(zhì)量對(duì)鋁合金熔模鑄件的表面粗糙度有很大影響。為了生產(chǎn)大型、薄壁、復(fù)雜鑄件，必須研制收縮更小、強(qiáng)度更高、長(zhǎng)期保存不易變形的性能優(yōu)良的模料。目前，國(guó)內(nèi)在各類(lèi)液態(tài)壓注模料、填充模料、水溶性模料以及塑料模料的研制方面都有了較大的發(fā)展。壓蠟設(shè)備的研究和制造也取得了較大的進(jìn)步，出現(xiàn)了大型壓蠟機(jī)，為研制雷達(dá)產(chǎn)品中大型制件奠定了基礎(chǔ)[3]。

2) 型殼制備技術(shù)。為了獲得滿意的成型精度及組織質(zhì)量，雷達(dá)產(chǎn)品部件對(duì)型殼綜合性能要求高，型殼不僅要具有一定的剛強(qiáng)度、良好的表面質(zhì)量及透氣性，還要有耐高溫的性能。目前用于鋁合金熔模鑄造的型殼主要有石膏型殼和陶瓷型殼2種。石膏型殼的優(yōu)點(diǎn)是能精確復(fù)制模樣，尺寸精度高，表面粗糙度為0.8～3.2 μm；石膏熱導(dǎo)率低，可以鑄造薄壁的鑄件；可用硅橡膠或硫化橡膠鑲制模樣，制造形狀復(fù)雜的鑄件。石膏型殼的主要缺點(diǎn)是激冷作用差，當(dāng)鑄件壁厚差異大時(shí)，厚大處容易出現(xiàn)縮松、縮孔等缺陷；石膏透氣性差，鑄件易形成氣孔、嗆火等缺陷。陶瓷型殼主要由粘結(jié)劑及耐火材料組成。粘結(jié)劑的性能對(duì)陶瓷型殼的質(zhì)量和制殼周期有重要影響，目前主要采用硅溶膠。硅溶膠的主要優(yōu)點(diǎn)是型殼耐高溫、強(qiáng)度大、抗蠕變能力強(qiáng)、涂料配制及使用方便、無(wú)環(huán)境污染、型殼及鑄件品質(zhì)高、鑄件廢品率及返修率低。但硅溶膠型殼生產(chǎn)成本高、周期長(zhǎng)。近年來(lái)，已研制開(kāi)發(fā)出了層間干燥時(shí)間更短的聚合物增強(qiáng)快干硅溶膠，制殼周期已大大縮短。

3) 鋁合金的熔煉技術(shù)。為了滿足雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)鑄件的綜合組織及性能要求，需對(duì)鋁合金進(jìn)行精煉和變質(zhì)細(xì)化處理。精煉主要是為了去除氣體和非金屬氧化物雜物，以消除鑄件中的氣孔及夾雜物。目前精煉的方法以旋轉(zhuǎn)葉輪法和噴射溶劑法為主，即向鋁合金溶液中通入惰性氣體和粉狀溶劑以達(dá)到除渣和除氫的目的。此外，鑄造用鋁合金中硅含量較高，通常要進(jìn)行變質(zhì)處理，對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，由于澆注持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)在較多使用中間合金長(zhǎng)效變質(zhì)劑(如Al-Sr)進(jìn)行變質(zhì)。

4) 鑄造成型技術(shù)。對(duì)于熔模鑄造，可以采用重力鑄造也可以采用反重力鑄造技術(shù)。對(duì)于雷達(dá)微波組件，采用真空鑄造可以獲得成型質(zhì)量及組織性能優(yōu)良的鑄件。采用低壓鑄造或差壓鑄造可以通過(guò)對(duì)對(duì)充型過(guò)程壓力的控制，減少金屬充填過(guò)程的紊流和飛濺，獲得晶粒更加細(xì)小、組織致密的大型薄壁殼體類(lèi)制件。

1.2 熔模鑄造技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品中的應(yīng)用

熔模鑄造技術(shù)的不斷發(fā)展，使該技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品中逐步得到有效應(yīng)用。

(1) 散熱殼體零件。該類(lèi)構(gòu)件(如收發(fā)模塊的殼體、裝放箱等)具有一定批量，在結(jié)構(gòu)上多為深腔、薄壁、多筋條構(gòu)件，若采用機(jī)加工方法，則加工效率及材料利用率低下，綜合成本高，而采用精密鑄造技術(shù)則表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。如某產(chǎn)品的收發(fā)模塊殼體即DAM殼體(見(jiàn)圖1)，其最大外部尺寸在700 mm以上，整體呈現(xiàn)大平面結(jié)構(gòu)；零件兩面分布大量的散熱筋條、走線槽和裝配槽，內(nèi)壁筋條厚度最薄處只有0.8 mm。該典型的大型復(fù)雜、薄壁、深腔構(gòu)件，采用熔模精鑄方法成型具有重要意義，同時(shí)也有很大的挑戰(zhàn)性。根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)尺寸要求并結(jié)合精鑄工藝，擬定了鑄件毛坯圖，確定了精鑄工藝方案，其主要要求包括：完整鑄出所有結(jié)構(gòu)部位，且冶金質(zhì)量?jī)?yōu)良，符合II類(lèi)鑄件檢驗(yàn)要求。經(jīng)多次試制，在制模和成型質(zhì)量上均取得了重大突破，見(jiàn)圖1(a)，實(shí)現(xiàn)了近凈成型，見(jiàn)圖1(b)，在進(jìn)行局部少量的精加工后，制件的精度及組織質(zhì)量滿足要求，見(jiàn)圖1(c)。經(jīng)初步測(cè)算，與傳統(tǒng)的機(jī)加工方法相比，成型方法可使單個(gè)殼體的加工成本降低30%～40%。

圖1 DAM殼體

(2) 波導(dǎo)振子類(lèi)器件。微波波導(dǎo)元件的質(zhì)量是決定雷達(dá)使用性能和可靠性的關(guān)鍵之一。由于電訊的要求，波導(dǎo)元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，對(duì)波導(dǎo)腔體每個(gè)內(nèi)腔通道的尺寸精度和表面粗糙度以及位置公差的要求很高。對(duì)于一些微波波導(dǎo)元件及其系統(tǒng)的加工成型，采用機(jī)械加工方法，即使是單件的波導(dǎo)元件，也需要分成幾塊甚至幾十塊分別進(jìn)行加工，然后再組合裝配成型，效率十分低下。國(guó)外在20世紀(jì)50年代末就開(kāi)始了波導(dǎo)器件的精鑄工作，目前已進(jìn)入實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。研究表明，采用鑄造方法成型和采用機(jī)加工方法獲得的波導(dǎo)器件，在加工表面的粗糙度相同的情況下，采用鑄造成型方法時(shí)的傳輸效率更高。這主要是因?yàn)榘纪共黄降蔫T造截面棱角不分明，而機(jī)加工截面呈現(xiàn)銳齒形。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究及應(yīng)用公開(kāi)報(bào)道相對(duì)較少。由于波導(dǎo)器件一般為薄壁的異形結(jié)構(gòu)，對(duì)有電訊傳輸部位的結(jié)構(gòu)尺寸精度及表面質(zhì)量要求高，因此，此類(lèi)構(gòu)件一般采用石膏型殼制作。采用石膏型殼的另一好處是縮短了型殼制備的時(shí)間，滿足批量加工的需要。圖2為采用石膏型殼整體成型的天線振子單元，表面粗糙度小于3.2 μm，尺寸精度不低于CT4級(jí)，經(jīng)檢測(cè)，整體精密成型的振子滿足電訊指標(biāo)要求。圖3為利用石膏型殼精密鑄造成型的喇叭波導(dǎo)，工件的最小壁厚為1 mm，表面粗造度小于3.2 μm，尺寸精度達(dá)到CT3級(jí)。

圖2 整體精密鑄造的天線振子

圖3 精密鑄造的喇叭波導(dǎo)

(3) 雷達(dá)結(jié)構(gòu)受力件。此類(lèi)構(gòu)件要承受外力載荷作用，形狀復(fù)雜，單一的機(jī)械加工難以滿足構(gòu)件形狀及精度要求。如某產(chǎn)品的U型框架及底座，如采用機(jī)加工方法不僅加工效率低，周期長(zhǎng)，且因構(gòu)件形狀復(fù)雜及初始毛坯中的殘余應(yīng)力影響，機(jī)加工無(wú)法滿足構(gòu)件精度要求。采用精密熔模鑄造的方法研制，可實(shí)現(xiàn)整體框架一次成型，經(jīng)局部少量加工后即可滿足使用要求。圖4為采用快速成型方法同熔模鑄造方法相結(jié)合研制的支架及底座。經(jīng)測(cè)算采用上述方法可使整個(gè)產(chǎn)品的加工周期縮短30%以上，綜合成本降低50%。

圖4 快速精密鑄造的支架類(lèi)受力件

2 存在的問(wèn)題及展望

雖然精密鑄造技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品的加工制造中顯示出了很大的潛力和應(yīng)用前景，但要進(jìn)一步推廣該項(xiàng)技術(shù)，許多工作還有待完善。

首先，要從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)前端介入，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，并綜合考慮產(chǎn)品的前后端加工工藝，充分發(fā)揮精密鑄造的批量化高效生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。

第二，需基于雷達(dá)產(chǎn)品的特點(diǎn)及要求，進(jìn)一步提高精密鑄造工藝水平，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)大型結(jié)構(gòu)件的精確成型，以減少后續(xù)機(jī)械加工量。同時(shí)要加強(qiáng)鑄造用鋁合金的研究，滿足力學(xué)、熱學(xué)及防護(hù)性能要求。

第三，加強(qiáng)精鑄件后續(xù)工藝研究及性能測(cè)試，包括熱處理、等靜壓致密化處理、材料表面處理及防護(hù)、連接工藝等方面的研究，完善鑄件的各項(xiàng)熱力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)等測(cè)試。

最后，要加快發(fā)展快速鑄造技術(shù)[4]，進(jìn)一步縮短產(chǎn)品研制周期，適應(yīng)不同批量產(chǎn)品的加工要求，如加強(qiáng)快速成型技術(shù)研究，使快速成型技術(shù)與蠟?zāi)Ｖ苽浼夹g(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速精密鑄造。

3 結(jié)束語(yǔ)

熔模鑄造技術(shù)是一種先進(jìn)的近凈成型制造技術(shù)，隨著成型技術(shù)的發(fā)展及雷達(dá)產(chǎn)品研制需求的增加，該項(xiàng)技術(shù)必將得到進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。在雷達(dá)產(chǎn)品的熔模鑄造技術(shù)方面，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)鑄型精度、鑄件內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量控制及其后續(xù)加工工藝等方面的研究，制訂和完善相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，促進(jìn)熔模鑄造技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品中的應(yīng)用和發(fā)展。

[1] 鄭亞虹,王自東.復(fù)雜薄壁精密鋁合金鑄件鑄造技術(shù)進(jìn)展[J]. 鑄造，2010(8):796-799.

[2] 劉國(guó)利.鋁合金熔模鑄造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 特種鑄造及有色合金，2010(1):72-74.

[3] 梁艷峰,董晟全,丁宏,等. 復(fù)雜薄壁件熔模鑄造制模工藝的研究[J]. 鑄造，2010(8):800-808.

[4] 王雅先. 激光選區(qū)快速成型技術(shù)在鑄造行業(yè)的應(yīng)用[J]. 鑄造技術(shù)，2010(9):1259-1260.

周明智(1973-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事精密成型、新材料制備、工藝過(guò)程仿真研究工作。

Application of Investment Casting to Radar Component Manufacture

ZHOU Ming-zhi，ZHU Chun-lin，CHEN Qi-hai，ZHANG Chong

(The38thResearchInstituteofCETC，Hefei230088,China)

The investment casting is an advanced near net shape technology with high precision, high efficiency and low loss performance. It has great potential in the radar component manufacture. In this paper some key technologies which affect the quality of the casting work piece are discussed, combined with the structure and requirements of several typical radar components. Some effective applications in radar components are given. To promote further application of the investment casting to radar components, the development trend and the main problems which restrict the technology development are pointed out.

radar components; investment casting; high efficiency

2013-01-28

TG241

A

1008-5300(2013)04-0046-03