某小孔耦合的耦合器制造工藝

王清

摘要 根據圓波導耦合器結構特點，通過鋁釬焊拼接的工藝方法，解決了產品整體加工難的問題，同時滿足了產品對抽真空試驗和電氣測試性能的要求;通過電火花成型中電極的設計，圓波導內腔耦合孔圓角的關鍵尺寸的實現：通過抽真空試驗，分析焊接結構的薄弱部位，對法蘭與副波導連接結構、局部焊接材料進行了改進，保證了焊接結構的強度。

【關鍵詞】耦合器 鋁釬焊 耦合孔 電火花成型

圓波導耦合器作為在線測量系統中的核心部件，在電氣指標上有較高的要求。目前，耦合器的電氣指標通常借助加工精度的控制實現。同時，隨著新型耦合器的研發，隨之而來的結構也越來越復雜，通常直接的機械加工無法實現。雖然現在出現了3D打印等新型成型方法，但是受微波元件的材料及敏感電氣性能的特殊要求，加工精度上難以達到使用要求，因此目前大部分還是將切削、焊接、放電加工等加以組合來制造的。這對工藝設計與制造提出了嚴格要求。

本文依據耦合器的結構特點和設計要求，進行了可制造性分析和工藝設計，確定加工方法，即以零件的機械加工、局部電火花成形加工、整體釬焊成形的多種工藝方法運用，實現了耦合器的成形。又通過抽真空試驗，優化了工藝設計，基本滿足產品的設計要求。

1 工藝性分析

1.1 結構特點分析

從結構上分析，耦合器的主體結構為圓波導，直徑D，副波導為矩形波導。主波導和副波導通過耦合孔連接。在圓波導中心位置上對稱設計有耦合孔，耦合孔半徑為r，孔間距為d，孔深度為t，小孔倒圓角半徑r0，以內腔耦合孔數目分類，不同孔數目的孔距、孔深和耦合器長度均不同。

從圖紙標注及技術要求上分析：

（1）尺寸及形位公差精度為土0.03mm;

（2）內腔表面粗糙度均小于Ral.6μm;

（3）材料為鋁合金;

（4）抽真空;

（5）內腔表面鍍銀2μm。

1.2 可制造性分析

波導內腔尺寸精度、形位精度是保證耦合器電性能指標的關鍵工藝要素。除內腔尺寸對電性能指標影響外，內壁光滑與否對信號傳輸的損耗程度影響也很大，光滑的內壁能很大程度上減少電性能的損耗，設計上要求波導內腔表面粗糙度在Ral.6μm以下，為此，需要減小鍍銀波導內腔表面的加工粗糙度達Ra0.8μm，達到低電性能損耗要求。

副波導與圓波導內腔以耦合孔連通，如圖1所示為耦合孔連接處內部結構。副波導為薄壁深腔結構，數控加工刀具很難加工，若使用電火花成型，加工時間長，空間狹小，排屑不暢，內腔尺寸不易保證。而釬焊變形小，接頭光滑美觀、強度高，適用于焊接精密、復雜的構件。我所釬焊工藝成熟，在焊接結構設計和焊接技術上具有豐富的經驗，因此，考慮對耦合器進行結構拆分，通過數控加工和電火花成型，最后將零件進行釬焊，實現波導腔體制造。為滿足輕量化和精密尺寸要求，波導材料選用鋁合金。

2 工藝結構設計

2.1 釬焊結構設計

釬焊結構設計是耦合器成型的關鍵。釬焊結構的合理拆分，影響焊接強度及零件加工的難易。釬焊焊縫過長，焊后出現焊縫不連續，未焊透的可能性增加，焊接結構強度減弱。焊接接頭不但可以在焊前裝配階段起到定位、增強焊接接頭強度的作用。在尺寸空間有限的情況下，適當增加焊接及定位凸臺，是焊接結構設計中通常使用的方法。

2.1.1 結構的拆分

將耦合器分解成圓波導、副波導腔體、副波導蓋板、法蘭盤共4部分。其中副波導腔體和蓋板上設計螺釘定位孔，以保證腔體和蓋板裝配精度。副波導腔體尺寸不變，因裝配尺寸限制，壁厚改為1.8mm。圓波導為整體加工成型，內腔沒有接合，粗糙度只需通過機械加工保證;耦合孔尺寸及位置精度也能保證。

2.1.2 焊接接頭設計

矩形波導壁厚不大于2mm，深度約60mm，屬于薄壁深腔。考慮到加熱膨脹和冷卻過程的收縮變形，若要保證焊后整體尺寸公差，在零件焊接前需提出很高的加工精度，因此焊接裝配定位及合理的接頭形似尤為重要。

將副波導與圓波導接合部分設計在圓波導上，即在圓波導上設計一個凸臺。凸臺高度根據耦合孔深度而定，這樣可以通過機械加工保證耦合孔深度、孔距尺寸，耦合孔及圓角也可以在圓波導零件加工階段完成。凸臺的長度與副波導腔體底部空缺長度一致。為了保證焊接前裝配副波導腔體與凸臺接合平整，在副波導腔體圓弧增加了0.5-lmm直段。

此外，由于副波導與圓波導連接空間有限，為了增加焊接接頭強度，在圓波導上設計了對稱的焊接定位凸臺。凸臺上定位孔確保副波導腔體與蓋板焊接前裝配時位置。

2.2 工具電極的設計

電極設計是電火花加工中的關鍵點之一。由于耦合孔底部為圓柱腔與矩形腔相交處，且底部還有圓角，這就使得加工中電極的型面損耗不一，故損耗規律復雜，尺寸控制更加困難。如圖2所示為加工耦合孔圓角的工具電極，在電極的設計上主要考慮以下幾個方面的問題：

（1）放電間隙余量的確定。放電間隙因所選用的工藝策略和工藝參數的不同而不同。

（2）工具電極圓弧的確定。工具電極外形根據工件型腔而定。由于該耦合孔的特殊位置，電極的設計也具有典型性，不但要根據圓角設計過度圓弧面，還要考慮電極加工時圓波導中心及孔中心易于找正。

3 工藝制造流程設計

耦合器制造流程如圖3所示。零件加工包括圓波導、副波導腔體、蓋板、法蘭、定位螺釘及鋁螺釘。其中，圓波導的加工較復雜，除了采用數控加工，耦合孔圓角則使用電火花成型。這種拼焊的方法，尺寸精度可以得到控制，降低了加工難度和生產成本。

4 工藝驗證及優化

為了驗證工藝方案的可靠性，在第一批耦合器加工完成后，進行了抽真空試驗。試驗中出現了副波導、法蘭盤變形、焊后銑法蘭端面時焊縫露出現象。經分析，副波導壁厚過薄，使得強度不夠。但是因裝配空間限制，壁厚無法增加。考慮到更換焊接材料以提高強度。

4.1 抽真空試驗

抽真空試驗：P-10-5

4.2 工藝方法優化

通過加工過程中發現的問題及最后抽真空試驗結果，對工藝方法進行了以下改進。

4.2.1 材料的更換

鍛鋁鋁合金是A1-Mg-Si-Cu系合金，具有中等強度、良好的塑性和焊接性能、良好的耐蝕性能。為了提高耦合器的強度，將焊接材料普通鋁合金改成鍛鋁鋁合金。

4.2.2 法蘭盤結構及尺寸改變

如圖4所示，為釬焊常用的法蘭與波導連接形式。

由于該工件要進行充氣試驗，對密封性有較高要求，同時，波導壁厚薄，經試驗表明，這種常規的連接形式僅在釬焊后銑工加工法蘭端面時焊縫就已出現縫隙，并且在充氣試驗時法蘭變形，這樣無法保證密封性要求。改進后的法蘭與副波導裝配后，在端面上留出一些高度。這種結構，一方面，法蘭在厚度上有所增加，充氣試驗時法蘭不會變形;另一方面，法蘭內腔增加了臺階，在焊后銑端面時不會因為銑到焊縫而漏氣。經焊后銑削及充氣試驗證明，該種法蘭結構很好地保證了使用強度和密封性要求。

經過工藝優化后加工成的耦合器通過了氣密性試驗，之前的變形情況再沒有出現。

5 總結

（1）以常規的加工方法，通過合理的焊接結構設計，實現了圓一矩波導小孔耦合的耦合器成型，并滿足了使用要求;

（2）電極的設計突破了以往針對單一截面，首次對兩種相交截曲面進行設計，以合理的設計參數，實現了耦合孔圓角的加工，保證了電氣性能;

（3）改進了法蘭結構，解決了法蘭變形、整體漏氣的問題;

（4）通過抽真空試驗，將焊接材料改為強度較高且焊接性能較好的鍛鋁。

參考文獻

[1]丁德志，金來福，徐金平，桂勇鋒，李佩，基于小孔耦合的毫米波寬帶定向耦合器研究[J].火控雷達技術，2016.