軍民兩用雷達(dá)天線薄壁件關(guān)鍵制造技術(shù)路徑研究

曾天俊

（揚(yáng)州恒星精密機(jī)械有限公司，江蘇 揚(yáng)州225127）

0 引言

雷達(dá)技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)已成為現(xiàn)代軍事電子裝備的重要組成部分，蘇、美、英、法等國家每年的雷達(dá)經(jīng)費(fèi)（包括科研費(fèi)、采購費(fèi)和維護(hù)費(fèi)）占年度國防經(jīng)費(fèi)的比例在不斷提高。在雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展過程中，其應(yīng)用不再局限于軍事領(lǐng)域，目前也廣泛應(yīng)用于輪船、民用飛機(jī)、汽車、氣象預(yù)報(bào)（圖1）等多個(gè)民用領(lǐng)域。

圖1 測(cè)風(fēng)雷達(dá)

天線（圖2）作為雷達(dá)轉(zhuǎn)換空間能量和處理空域信號(hào)的重要組成部分，直接影響著整個(gè)雷達(dá)裝置的質(zhì)量和性能，但現(xiàn)階段民用雷達(dá)多顯笨重，在有限的空間內(nèi)使用往往以犧牲靈活性或輻射效率為代價(jià)，因此，天線材料向輕型方向發(fā)展勢(shì)在必行，這就對(duì)薄壁件的性能質(zhì)量與生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。但傳統(tǒng)薄壁件加工各環(huán)節(jié)存在著切割過程中慢走絲加工間隙狀態(tài)判別不準(zhǔn)確，張力大小精確性和分布均勻性差；銑削過程中工件的回彈讓刀與加工振動(dòng)現(xiàn)象非常明顯，易產(chǎn)生應(yīng)力變形，薄壁件銑削加工誤差大；釬焊過程中溫度對(duì)母材熔蝕影響顯著且不易控制，釬焊原子擴(kuò)散不均勻，釬焊接頭性能不穩(wěn)定，殘余應(yīng)力難以完全消除等諸多問題。這嚴(yán)重制約著雷達(dá)天線薄壁件制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的要求，因此，在保證成品率的基礎(chǔ)上對(duì)雷達(dá)天線薄壁件高效制造技術(shù)的變革已迫在眉睫。

1 研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)路徑

1.1 薄壁件切割慢走絲加工系統(tǒng)與工藝研究

采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和方法，開展慢走絲加工技術(shù)恒力控制器的研究，研究單個(gè)脈沖能量、電參數(shù)、伺服速度、主電源電壓等參數(shù)對(duì)慢走絲恒力控制器的影響，實(shí)現(xiàn)加工過程中張力大小的精確控制和張力分布的均勻性控制；研究慢走絲線切割的工藝對(duì)智能電源的參數(shù)要求，優(yōu)化電火花線切割脈沖能量、電參數(shù)對(duì)智能電源的影響，開發(fā)一種智能電源混合檢測(cè)判別方法，達(dá)到對(duì)慢走絲線切割加工間隙狀態(tài)的準(zhǔn)確判別，實(shí)現(xiàn)智能電源的精確脈沖控制，提高薄壁件慢走絲切割加工表面加工質(zhì)量。

圖2 雷達(dá)天線

基于沙迪克機(jī)床的走絲系統(tǒng)建立模型，薄壁件切割慢走絲加工系統(tǒng)的電極絲張力采用雙機(jī)轉(zhuǎn)速差加載式張力裝置，張力執(zhí)行部件采用力矩控制電機(jī)。慢走絲線切割機(jī)張力系統(tǒng)由電極絲、送絲電機(jī)、收絲電機(jī)、繞線管、排絲輪、導(dǎo)線輪、放大器、張力調(diào)節(jié)裝置等構(gòu)成。設(shè)計(jì)薄壁件線切割慢走絲加工系統(tǒng)的走絲路徑簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 薄壁件切割慢走絲加工系統(tǒng)走絲路徑簡(jiǎn)圖

1.2 薄壁件高速小切削用量銑削加工技術(shù)研究

分析切削三要素對(duì)銑削過程的切削力與切削熱的影響規(guī)律，結(jié)合切削力與切削熱對(duì)零件變形的影響，選擇開展最佳切削加工的三要素；通過銑削刀具的材料、剛度、幾何角度對(duì)刀具磨損影響規(guī)律的研究，設(shè)計(jì)高壽命硬質(zhì)合金涂層刀具；研究真空吸盤預(yù)變形銑削加工方法，從而消除銑削加工過程中的應(yīng)力變形；開發(fā)薄壁件快速銑削加工仿真平臺(tái)，預(yù)測(cè)薄壁件銑削加工誤差，從而優(yōu)化加工工藝，提高加工質(zhì)量與效率。

刀具切入工件時(shí)，切削力及其時(shí)間方面的變動(dòng)對(duì)所需動(dòng)力、工件的尺寸與形狀精度、己加工表面粗糙度、加工變質(zhì)層、刀具耐用度等所有可加工性的項(xiàng)目有直接或間接的影響。切削力的影響如圖4所示。

圖4 切削力的影響

1.3 薄壁件加工過程抗變形方法填充支撐工藝研究

將機(jī)油和自制經(jīng)物理化學(xué)改性后的生物質(zhì)秸稈纖維粉末按照特定的比例混合，填充到薄壁零件的腔體中，并研究設(shè)計(jì)一套薄壁件彈性變形量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在對(duì)填充混合物進(jìn)行外部加壓的過程中進(jìn)行彈性變形量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高薄壁件的整體剛度，改變零件的固有振動(dòng)頻率，減輕顫振，減少薄壁零件的切削加工變形，從而解決其因剛性差與顫振而產(chǎn)生的影響工件表面質(zhì)量的問題，保證薄壁件的加工精度和表面質(zhì)量。

所述填充支撐方法的特征在于如下步驟：

（1）計(jì)算薄壁件外表面凹槽的體積，并利用計(jì)算所得凹槽體積，按照一定質(zhì)量比配制機(jī)油和秸稈纖維粉末混合填充物，使得填充物的總體積大于凹槽體積的20%；

（2）去除薄壁件外表面上的零件毛刺后，用丙酮或酒精將零件凹槽清洗干凈，清除凹槽內(nèi)的油污和金屬切屑；

（3）將填充混合物填充到清洗過的薄壁件外表面凹槽內(nèi)，在填充過程中，對(duì)油面混合物施加外部壓力，并利用百分表對(duì)薄壁件的彈性變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得薄壁件的彈性變形值，所述薄壁件的彈性變形值小于薄壁件加工精度的25%；

（4）加工完成后取出填充混合物。

1.4 薄壁件分段式真空釬焊關(guān)鍵技術(shù)研究

真空釬焊時(shí)，為了獲得優(yōu)質(zhì)的釬縫，關(guān)鍵的條件是使液態(tài)釬料能夠充分地流入并致密地填滿全部釬焊間隙，并與母材基體金屬很好地進(jìn)行相互的物理化學(xué)作用，形成新合金，在冷凝結(jié)晶后，得到合乎要求的釬焊接頭。

通過分析釬料量、釬焊裝配間隙對(duì)釬焊接頭組織性能的影響規(guī)律，進(jìn)行接頭形狀設(shè)計(jì)與最佳釬料量及合理釬焊裝配間隙的研究，獲得組織致密性能良好的釬焊接頭；考慮到材料的熱脹冷縮性能，用熱輻射方法加熱真空釬焊爐，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到釬料熔點(diǎn)溫度，保持恒溫以完成焊接，并采用隨爐冷卻的加工工藝，保證較低的焊接變形；適當(dāng)?shù)哪覆谋韺尤芙庥阝F料中，可以使母材金屬以純凈的表面與釬料直接接觸，不僅有利于改善潤濕性，而且母材中有些元素溶解于釬料中，對(duì)釬料成分起合金化作用，在靠近基體金屬的釬縫附近形成固溶體，能提高釬焊接頭的強(qiáng)度。

基于上述理論，通過比較不同釬焊條件對(duì)釬焊接頭組織性能的影響規(guī)律，研究釬料對(duì)母材溶解達(dá)到飽和形成性能優(yōu)良的擴(kuò)散接頭時(shí)恒溫溫度、真空度、焊接時(shí)間等參數(shù)的最優(yōu)匹配。

1.5 薄壁件裂紋真空釬焊修復(fù)工藝研究

針對(duì)薄壁件上可能產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行修復(fù)方法的技術(shù)研究，獲得一套薄壁件裂紋修復(fù)的完整工藝流程。

修復(fù)的步驟如下：

（1）采用電解加工方法將薄壁件裂紋周圍部分的金屬去除，形成涵蓋裂紋的、貫通高溫合金薄壁件壁厚的矩形或圓形的修復(fù)槽或修復(fù)孔；

（2）將電解加工后的高溫合金薄壁件置于裝有清水或丙酮或酒精的超聲波清洗機(jī)中清洗后烘干；

（3）采用與高溫合金薄壁件相同或相近的材料制造修復(fù)鑲塊，修復(fù)鑲塊的厚度大于修復(fù)槽或修復(fù)孔處高溫合金薄壁件的壁厚；

（4）將修復(fù)鑲塊嵌入高溫合金薄壁件的修復(fù)槽或修復(fù)孔中，通過點(diǎn)焊將修復(fù)鑲塊定位；

（5）用325目的混合有粘結(jié)劑的合金粉末填充修復(fù)鑲塊與修復(fù)槽或修復(fù)孔之間的間隙，合金粉末的材料與高溫合金薄壁件相同或相近；

（6）將高溫合金薄壁件送入真空爐中進(jìn)行熱處理，使薄壁件待修部位的合金粉末燒結(jié)為與修復(fù)鑲塊和修復(fù)槽或修復(fù)孔連接的有多孔特征的合金粉末燒結(jié)體；

（7）在合金粉末燒結(jié)體和修復(fù)鑲塊上放置成分與薄壁件材料相近的、混合有粘結(jié)劑的粉末釬料，為防止液態(tài)釬料漫流，在合金粉末燒結(jié)體周圍的薄壁件表面涂覆市售的止焊劑，將高溫合金薄壁件送入真空爐中進(jìn)行真空釬焊和擴(kuò)散熱處理，隨后進(jìn)行擴(kuò)散熱處理，隨爐冷卻或者充氬氣冷卻到室溫；

（8）對(duì)釬焊后的薄壁件的修復(fù)部位進(jìn)行機(jī)械打磨加工，使修復(fù)部位的型面尺寸恢復(fù)為修復(fù)前的型面尺寸。

具體技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 薄壁件裂紋真空釬焊修復(fù)技術(shù)路線

1.6 薄壁件加工過程中殘余應(yīng)力形成機(jī)理與去應(yīng)力技術(shù)研究

首先開始工藝實(shí)驗(yàn)及仿真的局部切削過程，殘余應(yīng)力分布規(guī)律的復(fù)雜性與不同的工藝條件有著直接的關(guān)系，進(jìn)一步結(jié)合有限元等方法研究殘余應(yīng)力不同區(qū)域亞表面分布及多次切削重分布規(guī)律以及不同殘余應(yīng)力分布對(duì)加工變形的影響。搭建薄壁件加工殘余應(yīng)力及精度控制搭建理論平臺(tái)，通過以上實(shí)驗(yàn)與仿真研究，從殘余應(yīng)力生成機(jī)理研究，基于切削力、熱及殘余應(yīng)力控制的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，到工件加工殘余應(yīng)力分布規(guī)律的研究，構(gòu)建殘余應(yīng)力與加工精度預(yù)測(cè)模型；對(duì)銑削力、熱、殘余應(yīng)力生成機(jī)理進(jìn)一步研究，研究殘余應(yīng)力分布及其對(duì)工件變形的影響，綜合各影響因素影響因子進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化；采用熱處理與超聲振動(dòng)相結(jié)合的去應(yīng)力技術(shù)進(jìn)行殘余應(yīng)力的快速、徹底消除方法的研究，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，獲得不同振幅（即激振應(yīng)力不同）、不同激振時(shí)間對(duì)超聲振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力效果的影響規(guī)律。

薄壁件加工過程中殘余應(yīng)力形成機(jī)理與去應(yīng)力具體技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 薄壁件加工過程中殘余應(yīng)力形成機(jī)理與去應(yīng)力技術(shù)路線

2 技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)

本研究創(chuàng)新地采用基于慢走絲加工技術(shù)的薄壁件切割工藝，通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)恒力控制器研究，實(shí)現(xiàn)了加工過程中張力大小的精確控制和張力分布的均勻性控制；創(chuàng)新地采用真空吸盤使薄壁件產(chǎn)生一定的預(yù)變形，從而消除了銑削加工過程中的應(yīng)力變形；創(chuàng)新地采用薄壁件分段式真空釬焊工藝，避免了焊接氧化作用的影響，提高了焊縫的組織和結(jié)合性能；創(chuàng)新地采用定位鑲塊、高溫?zé)Y(jié)、真空釬焊、隨爐冷卻后機(jī)械打磨的方法，消除了薄壁件在加工過程中可能產(chǎn)生的裂紋；創(chuàng)新地采用混合物外部加壓的方法增強(qiáng)薄壁件加工剛度，改變零件的固有頻率，減輕震顫，減少了薄壁零件的切削加工變形。最終形成一套軍民兩用雷達(dá)天線薄壁件關(guān)鍵制造技術(shù)，主要技術(shù)理論指標(biāo)如下：

（1）腔體粗糙度：Ra≤0.8；

（2）縫槽精度≤±0.01mm；

（3）輻射面變形量≤0.03mm；

（4）腔體耐壓：1.5 MPa；

（5）釬焊縫強(qiáng)度：50 MPa；

（6）表面硬度：HB60；

（7）駐波比＜1.6；

（8）副瓣增益＜12dB；

（9）振動(dòng)跌落試驗(yàn)＞9g；

（10）高精度薄壁件殘余應(yīng)力消除率≥99%。

并且具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）生產(chǎn)效率高、能源消耗低，生產(chǎn)周期短，制造成本低，產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)；

（2）薄壁件慢走絲切割加工表面加工質(zhì)量相對(duì)于傳統(tǒng)加工工藝得到大幅提高；

（3）采用復(fù)合切削工藝生產(chǎn)的薄壁件，整體或部分無需或僅需少量的后續(xù)加工，大幅提高了材料的利用率；

（4）薄壁件殘余應(yīng)力得到快速、徹底的消除；

（5）在復(fù)合切削加工車間，勞動(dòng)者的工作時(shí)間得到大幅縮短，生產(chǎn)條件得到極大改善，符合未來清潔制造和綠色制造的趨勢(shì)，也大幅降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

3 結(jié)語

本研究針對(duì)當(dāng)前雷達(dá)天線薄壁件制造過程中常因殘余應(yīng)力、切削力、切削熱、裝夾力等因素的影響產(chǎn)生加工變形甚至報(bào)廢的現(xiàn)象和問題，探究創(chuàng)新軍民兩用雷達(dá)天線薄壁件的加工工藝和加工技術(shù)路徑，著力解決制約我國軍民兩用雷達(dá)天線薄壁件制造技術(shù)的瓶頸問題，加強(qiáng)我國先進(jìn)的雷達(dá)天線薄壁件制造技術(shù)研究和工程應(yīng)用，推動(dòng)整個(gè)薄壁件制造工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，并期望打破歐美雷達(dá)工業(yè)發(fā)達(dá)國家在雷達(dá)天線薄壁件高精度成型技術(shù)上的壟斷，盡快推出滿足急需的商品，逐步擋住高價(jià)進(jìn)口，搶灘國際市場(chǎng)，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益以及產(chǎn)業(yè)化前景十分巨大。