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        某新型高精度功分器加工技術(shù)

        2022-06-20 09:53:56華巍王成黃君王勇張群
        金屬加工(冷加工) 2022年5期
        關鍵詞:功分器內(nèi)腔釬焊

        華巍,王成,黃君,王勇,張群

        安徽博微長安電子有限公司 安徽六安 237000

        1 序言

        功分器是微波接收、發(fā)射及頻率合成系統(tǒng)中不可缺少的部件,廣泛應用于雷達、微波通信和電子對抗等領域。隨著我國雷達事業(yè)的發(fā)展,小型化、高頻率超寬帶微波功分器需求迅猛增加,已經(jīng)成為了現(xiàn)代雷達重要的發(fā)展方向,這就給功分器的設計及加工制造帶來了新的挑戰(zhàn)[1,2]。

        圖1所示某新型功分器主體結(jié)構(gòu)是由整塊鋁板加工型腔而成,雙面用蓋板分別真空釬焊成形。型腔要求整體加工精度±0.03mm,上、下面平面度0.05mm;內(nèi)部腔體在40倍放大鏡下觀察無毛刺,且波導腔內(nèi)邊緣不允許有倒角;真空釬焊焊料均勻填滿焊縫,內(nèi)部焊縫無明顯溢出。加工制造難度極大。

        圖1 某新型功分器

        2 技術(shù)難點分析

        功分器整體結(jié)構(gòu)尺寸為1 6 m m×3 0 0 m m×500mm,采用上、下蓋板與中間殼體真空釬焊拼焊而成,材料選用3A21鋁合金。主要技術(shù)難點如下。

        1)中間殼體外形及上、下面平面度要求高,普通數(shù)控銑床及裝夾方式難以保證尺寸要求。

        2)波導內(nèi)腔表面粗糙度值Ra=1.6mm,在40倍放大鏡下觀察無毛刺。由于不允許用金屬工具去除毛刺,波導腔內(nèi)邊緣不允許有倒角,所以用普通數(shù)控加工極難保證。

        3)雙面要求真空釬焊一次成形,成形后面型精度0.05mm,且要求焊縫均勻、一致性好,無明顯焊料溢流,無明顯焊接縫隙,真空釬焊難度極大。

        4)焊接后的精加工要求腔體內(nèi)部應無切削料、線切割油泥等多余物,使控制過程復雜,可操作性差,質(zhì)量難以保證。

        3 無毛刺切削控制

        新型功分器主盒體殼體基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個殼體的主要加工量在于腔體的加工,為了保證腔體內(nèi)部尺寸精度,采用高速銑削加工,既能提高效率,又能提高精度及工件的表面質(zhì)量。加工順序為先加工上、下面及外形,再以外形定位銑削波導內(nèi)腔。裝夾方式上采用自制的真空吸盤裝夾,不但便于加工,而且可有效控制加工變形??紤]到零件精度高的特點,在加工之前、下料之后采取去應力退火處理,從而消除內(nèi)應力釋放對后期加工精度可能造成的影響。最后由鉗工進行收尾工作,清理工作臺面,在40倍放大鏡下用牙簽去除毛刺及多余物。

        圖2 新型功分器主盒體殼體基本結(jié)構(gòu)

        通過以上控制措施,很好地解決了工件的加工精度難題。具體工藝路線為:下料→退火→高速銑削→鉗工。

        對于波導內(nèi)腔表面粗糙度值Ra=1.6mm、在40倍放大鏡下觀察無毛刺以及波導腔內(nèi)邊緣不允許有倒角的加工要求,工藝上必須進行特殊處理方能滿足要求。尤其是在40倍放大鏡下無毛刺的要求,公司毫無加工經(jīng)驗。國內(nèi)外對無毛刺加工的研究相對較少,王貴成教授于2002年首次提出了少無毛刺切削加工的概念[3],同年,Bo-LinHsu博士提出了著名的EOS理論,指出在端銑過程中,毛刺尺寸很大程度上取決于刀尖的退出順序,合理的刀尖退出順序能有效減少銑削毛刺的生成。有文獻指出,基于正交試驗和人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法,優(yōu)化切削參數(shù)能有效減少切削毛刺的生成[4]。

        經(jīng)查閱資料,總結(jié)得出目前常用的無毛刺加工方法如圖3所示。該功分器零件結(jié)構(gòu)已經(jīng)多次優(yōu)化,不能改動;在加工方法上,由于材料及結(jié)構(gòu)限制,所以目前只能采用機械切削加工。嘗試從切削過程控制、切削參數(shù)調(diào)整和刀具選擇3方面進行質(zhì)量控制,以達到設計要求。

        圖3 目前常用的無毛刺加工方法

        (1)切削過程控制 為防止內(nèi)腔邊緣毛刺的產(chǎn)生,考慮到毛刺的棱角效應,在切削加工時,應使出刀口位于零件棱角較大的部位。本零件的加工切入點在腔體內(nèi)部,加工順序為由腔體內(nèi)部向外部切削,禁止沿外圍邊部切入。

        (2)切削參數(shù)調(diào)整 一般情況下,毛刺高度隨著切削深度的增大呈現(xiàn)增加趨勢,基于此,在切削深度設計上,要求先采用端銑刀加工型腔大部,在深度及側(cè)邊單邊各留0.15mm左右余量采用周銑刀加工,周銑時對該余量進行多次精銑,邊銑邊去毛刺,精銑過程中反復變換方向,待余量加工完畢后,再加一次空銑,以最大限度去除毛刺。值得說明的是,深度方向精加工時,為了防止硬點的產(chǎn)生,第一刀切削進給量必須較小。經(jīng)反復試驗,第一刀取0.03mm進給量,效果良好。在切削寬度選擇上,經(jīng)多次試驗,選擇以60%的刀具直徑加工,效果最佳。目前我公司機床所能達到的最大有效轉(zhuǎn)速為15000r/min,經(jīng)多次試驗,本次加工線速度選擇200mm/min。通過切削參數(shù)的調(diào)整,較好地解決了加工毛刺難題。

        (3)刀具選擇 在考慮刀具強度和使用性能的情況下,優(yōu)化刀具前角、后角,鈍圓半徑等,以減小切削變形和切削力,從而最大限度地減小界限切削深度,減小毛刺的影響程度。一般情況下,隨著刀具前角的增加,毛刺高度呈減小趨勢。這是由于刀具前角增加,導致切屑受到的剪切應變減小,所以兩側(cè)方向毛刺尺寸減小。但是增大前角會使切削刃與刀頭的強度降低,刀頭的導熱面積和容熱體積減小。因此過分地增大前角,有可能導致切削刃處出現(xiàn)彎曲應力,造成崩刃。在材質(zhì)上,優(yōu)先選用硬質(zhì)合金材質(zhì)刀具,既能提高精度,又能減少毛刺。

        定制美福(M.A.FORD)牌D1×1.5×8×D6×50兩刃微型硬質(zhì)合金銑刀作為最終精加工刀具。該刀具在底齒部分設計有帶保護的修光刃,能有效降低加工零件的表面粗糙度值;同時在前角設計上應盡量大,以較少毛刺生成和提高切削精度。

        圖4為在40倍放大鏡下觀察局部毛刺,可見基本無毛刺,且內(nèi)腔邊緣無倒角,符合設計要求。

        圖4 在40倍放大鏡下觀察局部毛刺

        4 真空釬焊變形及焊縫控制

        該零件的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其在真空釬焊時極易產(chǎn)生變形以及焊縫不均勻。經(jīng)多次焊接試驗,最終確定了焊接工藝路線,其中的關鍵控制點如下。

        (1)清洗 設計特定塑料工裝固定在金屬清洗框底部,用于隔離金屬框與零件表面,避免劃傷零件。焊前具體清洗流程為:溶劑清洗→堿液清洗→冷水清洗→超聲波清洗→去離子水清洗→烘干。

        (2)焊片預處理 焊片采用激光切割成形,焊前采用適當砂紙打磨。

        (3)裝配 裝配操作人員十指均佩戴橡膠指套制作定位工裝,以保證定位和裝配用的夾具、工裝清潔,不允許存在油污或銹漬。

        通過采取以上措施,成功保證了焊接質(zhì)量。焊接后焊縫外觀質(zhì)量如圖5所示。

        圖5 焊接后焊縫外觀質(zhì)量

        5 精加工時多余物控制

        真空釬焊后精加工時,腔體內(nèi)部的多余物主要產(chǎn)生在加工端口孔及臺階處,端面形狀如圖6所示。加工工序為高速銑削。為防止多余物進入內(nèi)腔,一般的處理方式是在入口處堵或者加工后清理。由于結(jié)構(gòu)所限,一旦多余物進入內(nèi)腔后,將很難清理出來,因此該零件只能是設法在入口處堵。特殊的端面結(jié)構(gòu)使得堵頭尺寸較難控制,且為了便于裝配堵頭,堵頭的尺寸比端口方孔要小。前期試件加工時,發(fā)現(xiàn)仍有切削多余物進入內(nèi)腔,導致零件報廢。為了解決此難題,嘗試對堵頭進行封蠟處理(見圖7),加工完成后去除封蠟,取出堵頭并進行超聲波清洗,有效控制了加工多余物的進入。

        圖6 端面形狀

        圖7 對堵頭進行封蠟處理

        6 結(jié)束語

        通過合理選擇加工設備和裝夾方式,調(diào)整加工參數(shù)及合理選用刀具等措施,基本實現(xiàn)了無毛刺加工。通過焊接關鍵點控制,掌握了真空釬焊要領。采取堵頭外加封蠟的新方法,成功實現(xiàn)了多余物的控制,最終實現(xiàn)了新型雷達功分器的成功試制。

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