精密制造平板裂缝天线技术

徐芳 夏琳军

摘要：以高强度铝合金为材料的平板裂缝天线具有高增益、低副瓣、体积小、质量轻的优点，可以显著提高雷达产品的灵敏度，实现对目标的精确跟踪。但由于变形控制的问题，加工精度和口面尺寸受到一定制约。本文作者根据多年实践经验总结概述了平板裂缝天线的机械加工工艺方法和技术要点，对高速切削加工环节进行了重点论述，为铝合金薄壁件的精密加工提供借鉴。

关键词：平板裂缝天线；精密制造；高速加工

金属薄板的尺寸界定通常为h/b≤（1/5～1/8），其中：h为板材厚度，b为較小边长。金属薄板在机械加工中主要存在的问题是变形控制难度较大。对于薄板薄壁类结构件来说，由于局部材料厚度的不均匀，精密加工难度更大。以广泛应用于雷达产品的平板裂缝天线为例，造成馈电腔变形的因素有材料残余内应力释放、切削力和切削热过大、材料去除率不均匀、焊接过程中散热不均匀等，导致结构件整体平面度、相对位置度等关键指标保证困难。必须采用精密制造技术，对加工工艺进行合理的组配，选择合理的参数。

一、平板裂缝天线的加工工艺性分析

（一）设计结构及要求

以高强度铝合金为材料的平板裂缝天线具有高增益、低副瓣、体积小、质量轻的优点，可较大幅度地提高雷达产品的灵敏度，实现雷达产品的精确跟踪。近二十年来，随着平板天线技术在理论和加工方式上的不断成熟，其在民用机载气象雷达、港管雷达、寻的雷达等领域获得了广泛应用。平板裂缝天线作为多层复杂腔体的整体结构，由馈电板、辐射板和激励波导等零件焊接而成。

设计要求天线辐射面范围内平面度0.05mm，馈电缝及腔体、契形孔等相对位置度误差要控制在±0.02mm之内，材料去除率达到95%以上。

（二）加工工艺过程设计

在切削加工过程中，为降低切削力和切削热以及材料去除不均匀性的影响，我们采用粗精加工分段并辅以中间去应力稳定化处理（根据零件的复杂程度选择）的工艺流程。可选择的焊接工艺方法有真空钎焊和盐浴钎焊，需综合考虑结构件尺寸、生产效率、焊后处理、设备能力等几方面因素确定。全部工艺流程如下图示：

二、精密制造关键技术要点

高速加工技术是指采用超硬合金材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。高速加工薄壁薄板件相对传统加工具有显著的优越性：切削力小，工件产生的让刀变形相应减少，易于保证零件的尺寸精度和形位精度。切削热对零件的影响减少，零件加工热变形小。

（一）装夹

平板裂缝天线属较大型薄壁件，强度低、刚性差，夹紧宜采用真空吸附方法，使零件紧贴于夹具表面，其工作系统为：

对于双面有薄壁槽的结构件，可以先加工槽少的一面，加工完后在此面槽腔内填充石膏作为翻面加工的定位基准并防止吸附导致零件变形，再进行真空吸附装夹和加工。

（二）设备选用

我们选用德国生产的DMU125P五轴四联动加工中心，主轴结构采用HSK型式，可配备HSK40或JT50等多种形式的刀柄。加工完毕后，需使用三坐标测量机进行检测。

（三）切削参数选择

切削参数要根据机床刚性、刀具直径、刀具长度、工件材料、粗加工或精加工模式而定。平板裂缝天线材料为铝合金6063，由于硬度、强度低、导热性好，切削加工容易。在相同切削条件下，铝合金的切削功率仅为软钢的1/2。铝合金导热性好，约为45#钢的3倍，切削温度不致太高。总结各参数选择的原则为：

切削速度：铝合金的切削速度可选择范围较大，但设计要求零件表面粗糙度达到1.6，可通过选择较高的切削速度来达到。切削速度的提高无疑会加剧刀具的磨损，但可以有效提高加工效率，同时在一定的高速切削范围内提高零件表面的加工质量。考虑设备的稳定使用，我们选用转速为8000～10000rpm.。

进给量：加大进给量对薄壁加工不利，但过小时，挤压代替了切削，发热严重，造成粘滞，不但影响零件表面粗糙度，而且使零件变形增大。我们在粗铣、半精铣、精铣三种模式下选择不同的进给量，数值由2000mm/min～200mm/min。

吃刀量：从切削力、残余应力、切削温度等因素考虑，高速切削参数的选择原则是小轴向切深、大径向切深。而且在小轴向切深的情况下，径向切深在一定限度内的增加并不会增大薄壁变形。考虑加工效率，我们在粗铣、半精铣、精铣三种模式选用不同的进给量，轴向切深从1mm逐步降至0.2mm，径向切深在2mm左右。

（四）焊接

1.焊接方法的选择。由于壁厚薄，并内置多条焊缝，一般铝合金的钎焊方法不适合于平板裂缝天线的焊接。由于铝合金的钎焊温度和它的熔点非常接近，钎焊温度和均匀性的控制非常重要。目前只能选择真空钎焊和盐浴钎焊。

真空钎焊的优点是无腐蚀性，无环境污染，钎缝成型美观，设备自动化程度高。缺点是生产效率低，热均匀性不如盐浴焊，目前还不能进行大尺寸铝合金零件的焊接。

盐浴钎焊的优点是热均匀性好、钎缝成型质量好，生产效率高，非常适合大尺寸零件的大批量生产。缺点是钎剂盐中的氟化物具有强腐蚀性，对设备腐蚀严重，挥发气体对人体的健康有不利影响，需要进行较大的环保投入。

由于我们所焊平板天线的外形尺寸达到800mm以上，故选择采用盐浴钎焊的方法进行焊接。

2.变形控制要点。控制焊接变形是平板天线焊接工艺中的最大难题之一。天线钎焊温度为600℃左右，此时铝材料的屈服点、强度极限和弹性模量几乎为零，零件受拘束或较小外力就会引起塑性变形。在钎焊的预热、焊接和冷却过程中，如果加热和冷却过程不能保证均匀吸热和散热，由于局部材料厚度不均匀，天线截面不对称，变形不均匀产生内应力，当内应力达到材料屈服强度时产生塑性变形。因此，在工艺方法选定后，焊接夹具的设计和使用就非常关键。主要要求达到对焊接件支撑面的平面度、足够的热刚性、定位压紧机构不妨碍被焊材料的自由伸缩。

三、结束语

按照以上工艺方法和路线，通过对技术要点的研究、试验、参数优化选择，制造的平板天线平面度达到0.46mm<0.5mm，馈电缝及腔体、契形孔相对位置度误差控制在±0.02mm之内，满足了设计要求。

参考文献：

[1]张武.裂缝波导数控高速加工工艺研究[J].《第八届全国雷达学术年会论文集》，2002年

[2]张启运.钎焊文集[M].北京师范大学出版集团