薄壁裂縫線源成型的預反變形研究

張滿意，祝天宇

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

裂縫線源是平面陣雷達天線中較為常見和重要的零件，也是天線制造中較為困難的零件。隨著平面陣天線技術的不斷發展和廣泛應用，對裂縫線源的成型精度提出了更高的要求，如何控制其成型后的變形量成為加工中的關鍵技術。

某雷達裂縫線源的材料為3A21鋁波導，長度為2 098 mm，截面尺寸為22.86 mm×10.16 mm×1.0 mm，屬于典型的薄壁細長件。初始試驗件加工時，采用單側直接銑削裂縫，銑削后的裂縫線源變形量遠大于設計要求。由于該型波導管尺寸小、壁薄、強度低且線源裂縫的尺寸公差要求很高，線源加工完成后不宜采用以往的校形工藝。

為解決該裂縫線源成型的變形問題，本文提出利用該型薄壁鋁波導管強度不高、剛性差的特點，根據線源試驗件成型后的變形狀態及變形量，對薄壁波導管進行預先反變形處理以提高線源成型精度。

1 薄壁裂縫線源預先反變形分析

反變形法廣泛應用于焊接技術和結構件校形技術方面。在結構件校形過程中，工件在校正載荷作用下發生彈塑性變形。由于彈性變形是可逆的，而塑性變形是不可逆的，所以彈塑性彎曲后有一部分變形得到回復，另一部分被殘留下來。對于發生彎曲變形的零件，通過施加滿足特定曲率關系的相應校正載荷，對變形零件進行精確校正。焊接技術上采用的是預先反變形法，預先模擬計算焊接受熱不均導致的工件變形量，以該變形量的反方向預先使工件產生變形，通過預先的反變形量來抵消焊接過程中的應力變形，從而得到最終的理想形狀。[1]

裂縫線源的原材料為標準型材3A21波導管，通過多次拉制成形。在拉制成形過程中，四周管壁產生了拉應力。在后續的釬焊焊接及銑削裂縫時，由于一窄邊上焊縫收縮拉應力增大，而對面的窄邊上多處開縫拉應力消除，綜合導致波導管管壁的應力平衡被打破而產生橫梁式彎曲變形(如圖1)。將線源兩端放置在測量平臺上，按圖1所示位置測量。無預反變形直接銑削成型裂縫線源的變形量如圖2所示。

圖1 裂縫線源變形示意圖

分析圖1、2中裂縫線源成型后的梁式彎曲變形量。為提高其直線度，工藝設計時將薄壁鋁波導放置在預反變形工裝內，利用其強度低的特性，通過施加外力使其產生反向橫梁式彎曲，以抵消后續工序中線源應力失衡而產生的應力變形。

2 薄壁裂縫波導管預反變形數值模擬

2.1 薄壁波導管基本力學性能參數

對于相同材料、壁厚與截面尺寸不同的型材，其力學性能具有明顯的各向異性，拉、壓狀態下力學性能存在差異；不同熱處理狀態，力學性能相差很大。但是，在同一型材不同側壁或沿型材長度方向不同位置取試樣，其力學性能差別不大。在薄壁波導管寬度為24.86 mm的兩壁上沿管材長度方向切割試樣,通過拉伸試驗獲得的3A21薄壁波導管基本力學性能參數如表1所示[2-3]。

表1 3A21薄壁波導管基本力學性能參數

2.2 有限元建模

薄壁裂縫波導管預反變形是一個復雜的彈塑性大變形過程，涉及幾何非線性、材料非線性等。本文基于ANSYS/LS-DYNA平臺建立三維有限元模型。裂縫波導管定義為雙線性彈塑性材料模型，采用SHELL163薄殼單元網格；工裝定義為剛體，采用SOLID164實體單元網格。

2.3 預反變形仿真結果

2.3.1 薄壁裂縫波導管預反變形最大彎曲狀態

圖3為薄壁裂縫波導管預反變形至最大彎曲狀態且沒有卸載時的應力分布(超過此彎曲值時，波導回彈變形后，預反變形模擬值將大于圖2中的變形值，線源成型后易成“S”形狀態)。從圖中可以看出，薄壁裂縫波導管處于彈塑性變形狀態，頂部側邊的壓應力值與底部側邊的拉應力值均小于屈服應力σ0.2，達到工藝要求。

圖4為最大彎曲狀態時薄壁裂縫波導管內腔變化圖。從圖中可以看出，波導管內腔光滑、無失穩起皺現象[4]，滿足圖紙設計要求。

2.3.2 薄壁裂縫波導管預反變形回彈分析

薄壁裂縫波導管預反變形工藝技術須考慮金屬材料的彎曲回彈效應。在波導管彎曲預反變形工序中，高度非線性變形過程會導致在波導坯料中產生大量的彈性應變能。波導坯料與工裝動態接觸過程中存儲的彈性能在成形載荷消失以后釋放，使得波導坯料向著原有幾何構形變形或回彈[5]。因此，在薄壁裂縫波導管預反變形過程中最后形狀不僅取決于工裝的輪廓形狀，也取決于波導坯料在塑性變形時存儲的彈性能總量。但是，在預反變形過程中存儲的彈性能總量是許多過程參數(如材料性質、載荷)的函數[5]。用傳統的方法很難預測回彈變形，從而使得薄壁裂縫波導管預反變形工裝設計難以確定。

本文利用ANSYS/LS-DYNA顯式-隱式序列分析模擬薄壁裂縫波導管預反變形卸載后的回彈變形，避免了：1)彎曲量過大，應力超過材料屈服極限時波導管截面尺寸發生不可逆改變，導致工件報廢；2)彎曲量太小，應力達不到材料彈性極限，波導管的預反變形工藝不起作用。圖5為薄壁裂縫波導管預反變形至最大彎曲狀態卸載后的回彈變形圖，最大回彈量為23.77 mm。結合圖4、圖5可知，中心處最大預反變形為29.55-23.77=5.78 mm，可以抵消圖2中的大部分變形，滿足工藝分析、設計要求。

3 薄壁裂縫線源成型預反變形處理

將薄壁裂縫波導管預反變形技術應用到某雷達薄壁裂縫線源成型的加工，驗證工藝的可行性、數值模擬的準確性、工裝設計的可靠性。

3.1 預反變形工裝設計

分析圖2中的變形量，依據預反變形數值模擬結果設計了裂縫波導預反變形工裝，見圖6。圖中的曲面半徑R=21 400 mm，中心彎曲量為29.55 mm。

3.2 薄壁裂縫線源成型主要工藝過程

采用預先反變形法后薄壁裂縫線源成型的主要工藝過程如下:

(1) 原材料波導管通過下料獲得足夠的尺寸；

(2) 通過校彎工裝對波導管窄邊進行校彎，產生預反變形；

(3) 在凸面窄邊實施火焰釬焊焊接；

(4) 利用專用工裝對波導管進行裝夾；

(5) 數控銑進行波導管裂縫銑削。

3.3 結果分析

選擇與表1相同的測量位置，其測量結果見圖7。由圖7可以看出，采用預先反變形技術的裂縫線源的加工變形得到較好控制，提高了裂縫線源的加工質量。采用該工藝方法批量生產的雷達裂縫線源經暗室測試完全滿足電訊性能要求。

4 結束語

通過薄壁波導管預反變形技術研究，顯著減小了某雷達薄壁裂縫線源成型過程中的彎曲變形量，保證了線源的成型精度，單根線源的質量穩定性和整個天線面陣的平面度也得到提高。