面向多余物防控的雷达冷板流道加工工艺改进

□ 仇 志 □ 李 源 □ 金 岚 □ 马小杰 □ 魏鹏鹏

上海航天电子技术研究所 上海 201109

1 研究背景

目前,雷达普遍采用液体冷却方式为收发组件进行降温。冷板产品作为液体冷却系统的核心部件,外表面为组件安装载体,内部接通高速流动的冷却液,通过冷却液循环流动带走收发组件发热产生的热量[1-2]。

笔者面向多余物防控,针对当前冷板组件流道加工工艺展开分析,重点研究水压冲洗去除多余物的效果,以及工艺流程对多余物产生与加工精度的影响,提出优化改进的工艺,并开展试验验证。笔者的改进可以为后续雷达等产品的冷板流道设计与工艺设计提供参考。

2 现有加工工艺流程

雷达冷板流道现有加工工艺流程为:先在冷板基体毛坯顶部加工出和盖板配合的台阶面;再将盖板和冷板基体装配在一起,使用氩弧焊进行焊接;焊接完成后,加工流道底部孔口和收发组件安装面等其余特征;焊接和机械加工完成后,以去离子水对流道进行冲洗。这一加工工艺通过先焊接后精加工的流程避免焊接对流道底部孔口及安装面产生热变形影响的问题,但同时也会带来孔口加工多余物进入封闭流道难以去除的风险。这一风险当前以去离子水进行水压冲洗的方式解决。

▲图1 冷板产品三维模型

3 水压冲洗去除多余物分析

为了解现有加工工艺中水压冲洗能否有效清理雷达冷板流道内残留多余物,以冷板流道为研究对象,进行流场仿真计算。提取冷板流道三维模型,如图2所示。设置观察截面A和B,进行仿真计算。

▲图2 冷板流道三维模型

使用ANSYS Fluent软件对三维流道模型进行仿真计算,入口速度为4 m/s,出口压力为0,求解瞬态情况下冷板流道内部流场流速分布,计算结果如图3所示。由流速分布可见,冷板流道内Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域流速较低,不足1 m/s,局部区域甚至接近于0。进一步分析冷板流道流速流线,如图4所示,发现Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域流场紊乱,存在旋涡现象,流体显然无法冲走流道内残留的多余物。将入口流速改为2 m/s和6 m/s,继续进行流场仿真计算,流速流线分别如图5和图6所示,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域内紊乱旋涡依旧存在,且流速较低,无法有效冲走残留的多余物。

▲图3 冷板流道流速分布

▲图4 冷板流道流速流线

▲图5 入口流速2 m/s时流速流线

4 流道内部情况检查

上述分析结果表明,雷达冷板流道加工过程中残留的多余物在水压冲洗方式下难以完全排出。使用UMS-P20工业内窥镜对已完成生产的冷板产品流道内部进行多余物检查,发现流道内部存在铝屑、大颗粒灰尘、飞边、毛刺、氧化物结晶等多种多余物,如图7所示。产品合格率不足80%,并且再次冲洗后检查结果一致。

▲图6 入口流速6 m/s时流速流线

现有加工工艺首先将盖板和冷板基体焊接在一起,后续加工其余特征,尤其是加工底部孔口时容易引入铝屑、大颗粒灰尘等多余物。另一方面,加工过程中污浊切削液的混入也会造成流道内表面被氧化为结晶固体。合盖焊接后,流道内存在的毛刺、飞边也难以去除,长时间被冷却液冲洗后容易脱落,同样会成为多余物。通过仿真与试验验证,水压冲洗方式并不能解决残留多余物的问题。

5 工艺改进

5.1 调整底部孔口加工顺序

氩弧焊利用钨极和工件之间的电弧使金属熔化而形成焊缝,虽然可以很好地控制热量输入,但是由于焊接速度较慢,具有一定范围的热影响区,并可能造成焊接变形[4-5]。对此,现有加工工艺首先进行合盖焊接,再加工其余特征,避免焊接变形带来的不利影响。但现有加工工艺来源于工作经验,不利的影响缺乏理论与试验分析评估。通过对现有加工工艺分析,调整加工顺序,先精加工特征,后焊接端部封口,是值得采用的改进方案。以下对焊接过程的热量传递进行仿真计算,为加工顺序调整提供理论依据。

应用Abaqus软件对焊接过程进行仿真计算。室温为20 ℃,采用双椭球体热源,焊接电压、电流分别为140 A、16 V,热效率为0.8,焊接速度为5 mm/min,热量传递云图如图8所示。焊接刚结束时,仅靠近焊缝区域温度较高,最高温度达1 000 ℃。随后热量从焊缝处逐渐传递至四周,冷却1.5 s时,冷板表面最高温度位于焊缝处,降为226 ℃,底部依旧保持室温。冷却3 min后,焊缝处温度降为38 ℃,底部依旧保持室温20 ℃。由此可见,焊接会造成焊缝周围温度大幅度变化,进而引发结构变形,远离焊缝的冷板底部区域不会受到焊接温度的影响。

▲图8 热量传递云图

根据仿真计算结果,冷板靠近焊缝区域仍需在焊接后进行加工,避免焊接变形的影响。远离焊缝的冷板底部孔口区域可以选择在合盖焊接前加工,对后续焊接工序不会造成不利影响。

根据上述分析结果,改进工艺时,可以对冷板基体底部孔口提前加工,随后加工冷板基体顶部台阶面,此时流道为两端贯穿,便于清理加工孔口时引入的铝屑、大颗粒灰尘等多余物。

5.2 增加工序

冷板基体内部流道清洗完成后,增加多余物检验工序,包括内窥镜检验流道内部表面是否残留多余物,放大镜检验顶部台阶面和底部孔口处是否存在飞边、毛刺等缺陷。

另一方面,增加装配工艺堵头工序,使用两个尼龙材料制作的堵头将流道底部孔口封堵,如图9所示。此举可以避免后续焊接、加工时引入铝屑、大颗粒灰尘、污浊切削液等多余物。

▲图9 装配工艺堵头

改进后冷板流道加工工艺流程如图10所示。

▲图10 改进后冷板流道加工工艺流程

6 改进效果

对加工工艺改进后雷达冷板流道加工结果进行检测,内窥镜检测照片如图11所示。冷板流道内壁面光洁,无任何多余物和毛刺、飞边,符合设计要求。通过MED-4030T投影仪检测流道底部孔口,如图12所示。孔径为16.629 mm,圆度误差为0.032 9 mm,均满足设计要求。可见焊接热量没有造成影响,验证了仿真计算的正确性。

▲图11 内窥镜检测照片

在满足设计图纸要求的前提下,采用改进后的加工工艺,可以大大降低冷板流道内部产生多余物的风险,对提升产品合格率和质量稳定性具有重要意义。

7 结束语

通过对雷达冷板流道现有加工工艺进行分析,得出现有加工工艺存在流道残留多余物的风险,并且无法清洗排出。对冷板流道加工工艺进行改进,验证了改进方案的优越性,从根源上杜绝了冷板流道内部残留多余物的风险,提高了产品的质量和稳定性。

对于雷达冷板类零件,流道内多余物防控应在设计、加工、检验环节加以重视。设计冷板流道结构时,需要考虑后续加工、清洗和检测方便。加工工艺师应强化加工过程中流道内多余物的防控,通过调整工序从根源上杜绝多余物,同时使用合理、先进的多余物清除手段,如高压磨料流清洗[6]等。检验人员需要对冷板流道进行100%检验,并使用特殊手段对难以检测的区域进行检测,如X射线检测仪、工业内窥镜、清洁度检测设备等。