李漢林，湯明春，杜 兵

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

波導(dǎo)縫隙天線由于具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、口徑利用效率高等特點(diǎn)而被廣泛用于機(jī)載、艦載等武器裝備。Ka波段縫隙天線因其頻率高、波長短等特點(diǎn)對天線結(jié)構(gòu)提出了更高的精度要求。

本文針對一種Ka波段縫隙天線提出2種基于不同制造工藝的天線結(jié)構(gòu)方案，對這2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)闡述，并就各結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造難點(diǎn)及后續(xù)研究方向進(jìn)行了探討。

1 設(shè)計(jì)要求及技術(shù)難點(diǎn)

該天線是某艦載設(shè)備的核心組成部件，其性能直接影響整個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)功能。天線內(nèi)部腔體前端為2層天線輻射縫隙，輻射縫隙中間為輻射波導(dǎo)腔；后端為波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)天線性能要求，單個(gè)縫隙外形、縫隙間相對位置、輻射波導(dǎo)腔外形、功分網(wǎng)絡(luò)外形精度均需控制在±0.02 mm之內(nèi)；輻射波導(dǎo)腔及波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)腔體表面粗糙度優(yōu)于1.6；各腔體之間要求氣密，不允許腔體互通。針對本天線精度高、壁厚薄的特點(diǎn)，其技術(shù)難點(diǎn)在于：

(1)制造工藝。目前波導(dǎo)縫隙天線主要的制造工藝有裝配成型、粘接成型、焊接成型，選擇合適的制造工藝可以降低制造難度及制造成本。

(2)分型面劃分。根據(jù)制造工藝劃分腔體分型面，其原則是不破壞內(nèi)部輻射腔的整體性，拆分的零件易于加工。

(3)精度控制。將天線電氣性能允許的尺寸精度合理地分配給零件加工和成型工藝；選擇合理的工藝路線，盡量減少零部件變形。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是在滿足電氣性能的前提下，符合工程化需求。在天線設(shè)計(jì)前期，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是驗(yàn)證電氣指標(biāo)能否達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期；電氣性能達(dá)標(biāo)后進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)，工程化設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、工藝性及經(jīng)濟(jì)性。因此，在本天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選擇如下2種結(jié)構(gòu)形式：裝配成型和焊接成型。

2.1 裝配成型

裝配成型是將天線分割為若干易于加工的零件，通過螺釘裝配在一起。裝配成型的天線結(jié)構(gòu)形式簡單，易于加工，在工程實(shí)際中有著廣泛的運(yùn)用。針對本天線，其設(shè)計(jì)制造難點(diǎn)在于分型面劃分、精度分配及精度控制。

分型面劃分基本原則如下：不破壞內(nèi)部腔體的完整性，盡量從腔體端面拆分；盡量保證拆分的零件厚度相當(dāng)，不出現(xiàn)壁厚特別薄的低剛度零件；便于加工，不出現(xiàn)需多次裝夾加工成型的零件。

精度分配是將電性能允許的尺寸精度及形位公差分配給各個(gè)拆分零件及裝配工藝。各拆分零件需以拆分面為安裝基準(zhǔn)，以裝配基準(zhǔn)為加工基準(zhǔn)設(shè)計(jì)內(nèi)部腔體、輻射縫隙等特征結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)零件加工與整體裝配統(tǒng)一基準(zhǔn)，減少因基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的累積誤差。

零件精度取決于機(jī)床精度、工裝設(shè)計(jì)及典型特征細(xì)節(jié)處理。目前國內(nèi)的機(jī)床精度普遍較高，完全能滿足此天線零件加工需求；設(shè)計(jì)工裝時(shí)，盡量統(tǒng)一零件的加工基準(zhǔn)，減少累積誤差；對精度要求高的典型特征(如輻射縫隙)進(jìn)行去毛刺處理，保證典型特征表面的光潔度。

如圖1所示，本天線劃分成4個(gè)獨(dú)立零件進(jìn)行加工，先加工大致外形及精加工接觸面，加工完成后將4個(gè)零件組合加工共用定位銷孔，并設(shè)計(jì)與定位銷孔相匹配的工裝，加工各零件內(nèi)部腔體及輻射縫隙時(shí)，以此工裝為加工基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)4個(gè)零件的同一基準(zhǔn)加工，減少因零件加工基準(zhǔn)不統(tǒng)一而產(chǎn)生的誤差。采用空走刀等手段去除輻射縫隙內(nèi)的毛刺，并使用三坐標(biāo)投影儀等手段對尺寸進(jìn)行檢測。

圖1 分型面劃分圖

檢測合格的零件，先用預(yù)先設(shè)計(jì)的定位銷定位，再用螺釘緊固，螺釘涂螺紋膠，裝配完成后天線外形如圖2所示。

圖2 天線外形圖

2.2 焊接成型

目前國內(nèi)外天線產(chǎn)品的焊接主要采用真空釬焊或鹽浴釬焊工藝，真空釬焊因不使用釬劑、成品率高等特點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用，本天線具有精度高、縫隙小等特點(diǎn)，選擇采用真空釬焊。真空釬焊是將釬料加熱到合適的溫度(高于釬料液相線，低于母材固相線溫度)，利用液態(tài)釬料在母材表面潤濕和毛細(xì)作用填入母材焊縫接頭，形成材料之間的連接。針對本天線，焊接成型的難點(diǎn)在于：焊接性能驗(yàn)證、焊接分型面劃分、焊接件結(jié)構(gòu)形式等。

真空釬焊過程是一系列復(fù)雜的線性及非線性過程，包括相變過程、釬料流動(dòng)、材料伸縮、熱應(yīng)力及形變等，需進(jìn)行前期焊接性能驗(yàn)證，包括焊接伸縮率驗(yàn)證、釬料流動(dòng)率驗(yàn)證及焊接溫度控制驗(yàn)證等，以驗(yàn)證結(jié)果為指導(dǎo)實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力求將上述問題的影響降低到最低。

焊接分型面劃分直接關(guān)系焊接方案及焊接質(zhì)量，分型面劃分原則是要便于焊接，盡量遠(yuǎn)離天線電性能區(qū)，盡量保證大面接觸焊接。大量研究證明，一次焊接成型方案優(yōu)于二次或多次焊接成型方案，故本方案設(shè)計(jì)之初，優(yōu)選如上文裝配成型方案所述的零件拆分方案，但此拆分方案會出現(xiàn)大面與很多小面接觸焊接的狀況，容易形成虛焊，且焊接時(shí)工裝需大面積擠壓直縫隙端面，極易造成縫隙收縮，影響電氣性能。故本天線采取二次焊接工藝完成焊接，將天線分為輻射單元和功分網(wǎng)絡(luò)單元。先將輻射單元和功分網(wǎng)絡(luò)單元分別焊接成型，再將這2個(gè)單元焊接在一起完成天線單元的焊接。2次焊接選擇溫度梯度較大的釬料，將二次焊接對一次焊接的影響降低到最小。

焊接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮前期焊接性能驗(yàn)證結(jié)果，如根據(jù)前期釬料流動(dòng)率驗(yàn)證結(jié)果，將釬料變形量折算成零件焊接面尺寸預(yù)留量；根據(jù)釬料溢出量設(shè)置釬料溢出區(qū)，將釬料流動(dòng)控制在釬料溢出區(qū)內(nèi)等。

如圖3所示，將輻射單元?jiǎng)澐譃樘炀€條、上蓋板、下蓋板。天線條是關(guān)鍵零件，為保證輻射單元精度，將前后輻射縫隙端面及中間輻射腔一體化設(shè)計(jì)，在與上下蓋板接觸位置設(shè)置釬料溢出槽，防止焊接時(shí)釬料流入輻射腔體內(nèi)；上、下蓋板上設(shè)計(jì)與輻射腔體相對應(yīng)的凸臺，在保證輻射腔體尺寸的同時(shí)，將釬料溢出區(qū)與輻射腔體隔離；零件采用高精度機(jī)床加工，采用空走刀等手段去除輻射縫隙內(nèi)的毛刺，加工完成后采用三坐標(biāo)投影儀等測試儀器檢測。焊接工裝壓接在上下蓋板端面，設(shè)計(jì)彈性工裝保證焊接面接觸良好；輻射單元焊接完成后進(jìn)行密封性試驗(yàn)，保證各腔體之間氣密。

圖3 輻射單元拆分圖

如圖4所示，將功分網(wǎng)絡(luò)組件劃分為功分腔體與蓋板兩部分。功分腔體前端面是與輻射單元的焊接面，在前端面設(shè)置為凸臺形式，凸臺端面與輻射單元接觸焊接，凸臺高度高于輻射單元上與之配合的槽深，確保焊接接觸面接觸良好；凸臺周邊設(shè)置釬料溢出區(qū)，保證釬料不流入內(nèi)部腔體；設(shè)計(jì)彈性焊接工裝，確保焊接面接觸良好。焊接完成后進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，確保焊接牢固可靠。

圖4 功分網(wǎng)絡(luò)單元拆分圖

如圖5所示，將輻射單元與波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)單元用低溫焊料焊接在一起形成天線。設(shè)計(jì)彈性焊接工裝確保焊接面接觸良好。焊接完成后進(jìn)行X光檢測及氣密性檢測，確保焊接質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

3 實(shí)物加工情況及后續(xù)研究方向

圖5 天線外形圖

根據(jù)上述制定的工藝路線，對2種天線進(jìn)行實(shí)物試制驗(yàn)證，裝配成型的天線外形圖如圖6所示，真空釬焊的天線外形圖如圖7所示。經(jīng)檢測，天線性能均能滿足設(shè)計(jì)需求。

圖6 裝配成型天線外形圖

圖7 焊接成型天線外形圖

通過實(shí)物試制可以得出如下結(jié)論：裝配成型的天線成品率幾乎是100%，但在后期可能存在由于振動(dòng)、沖擊等因素造成螺釘松動(dòng)、精度降低的風(fēng)險(xiǎn)，雖然采用了螺紋膠等手段，但這一風(fēng)險(xiǎn)無法徹底釋放，如何提高天線的強(qiáng)度及剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是裝配成型天線后續(xù)研究的方向；焊接成型的天線整體強(qiáng)度、剛度均優(yōu)于裝配成型的天線，但焊接過程是不可控過程，每一個(gè)環(huán)節(jié)均會對產(chǎn)品性能產(chǎn)生不可估量的影響，需通過多輪試制，確定合適的焊接參數(shù)、裝夾工裝，制造難度較大，成品率較低，如何提高成品率是焊接成型天線后續(xù)研究的方向。

后續(xù)設(shè)計(jì)中需從下面幾個(gè)方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化：針對裝配成型的天線，優(yōu)化連接形式設(shè)計(jì)，并采用膠水等輔助手段提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；針對成型的天線，使用有限元數(shù)值分析手段模擬焊接過程，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)焊接工裝，再通過實(shí)物焊接修正工裝設(shè)計(jì)，以提高焊接成品率。

4 結(jié)束語

本文以工程研制周期為基礎(chǔ)，在工程研制的不同階段提出了不同的設(shè)計(jì)思路及方案，滿足不同階段的需求：在產(chǎn)品性能驗(yàn)證階段提出了天線裝配成型的設(shè)計(jì)思路，解決基本問題；性能驗(yàn)證完成后，從工程應(yīng)用出發(fā)，提出了焊接成型的設(shè)計(jì)思路；分析了這兩種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢及不足，并就改進(jìn)方向提出了自己的看法。

上述均為作者在天線設(shè)計(jì)時(shí)的膚淺認(rèn)識，希望能為天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供些許幫助。