異形波導(dǎo)腔體成型工藝研究

謝朝云

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所， 南京 211153)

0 引 言

作為雷達(dá)饋線系統(tǒng)的樞紐，方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈的制造精度對(duì)雷達(dá)的性能有很大影響。某三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈主要由A波段上通道、A波段下通道、B波段上通道、B波段下通道、C波段通道、內(nèi)導(dǎo)體等部件組成。本文所述異形波導(dǎo)腔體(圖1所示)是鉸鏈的關(guān)鍵部件，其加工精度對(duì)電性能有著極大的影響。異形波導(dǎo)腔體內(nèi)腔分別為A、C波段微波通道，外壁是B波段微波通道的組成部分。異形波導(dǎo)腔體還作為后續(xù)裝配定位基準(zhǔn)，其尺寸精度、形位公差精度要求極高。在試制階段因釬焊工藝參數(shù)選擇不太合適及電鑄芯模精度參數(shù)等問(wèn)題導(dǎo)致異形波導(dǎo)腔體成品不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)努力，技術(shù)人員摸索出了一套合理的成型工藝方法，解決了這一難點(diǎn)，制造出滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的異形波導(dǎo)腔體，為生產(chǎn)合格的三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈提供了保證。

1 異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)型式

異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。圖中，位號(hào)1、位號(hào)3部分因安裝連接需要做成法蘭盤(pán)形狀；位號(hào)2部分(含安裝法蘭)上下通道為長(zhǎng)方形微波通道，類(lèi)似波導(dǎo)管形式；位號(hào)4部分為細(xì)長(zhǎng)圓管形式。

2 工藝方案選擇

通過(guò)對(duì)異形波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu)型式的分析，借鑒相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為采用整體機(jī)械加工是不可能的，必須對(duì)異形波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，分解成具有可加工性的零件。按異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)型式可分解成兩部分：左半部由法蘭盤(pán)1(位號(hào)1)、異形波導(dǎo)管(位號(hào)2)、法蘭盤(pán)2(位號(hào)3)釬焊組合成波導(dǎo)管組件(見(jiàn)圖2)；右半部圓管(位號(hào)4)部分由電鑄方法成型。異形波導(dǎo)腔體的成型工藝方法采用機(jī)械加工、釬焊和電鑄組合成型。

本方案擬定的異形波導(dǎo)腔體成型工藝過(guò)程如下：齊套法蘭盤(pán)1、法蘭盤(pán)2、異形波導(dǎo)管→法蘭盤(pán)1、法蘭盤(pán)2、異形波導(dǎo)管修配銀釬焊間隙→釬焊前清洗→釬焊成波導(dǎo)管組件→焊后清洗→機(jī)加工→波導(dǎo)管組件與芯模裝配→電鑄成型→機(jī)加工→退模→機(jī)加工→表面處理。

3 關(guān)鍵技術(shù)

從異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)型式和工藝路線可以看出，法蘭盤(pán)機(jī)加工成型較為容易，在此不做介紹。異形波導(dǎo)管及圓管部分成型較難，其主要難點(diǎn)是：(1)異形波導(dǎo)管的成型，(2)波導(dǎo)管組件的釬焊成型，(3)異形波導(dǎo)腔體圓管部分的電鑄成型。

3.1 異形波導(dǎo)管的成型

異形波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)型式如圖3所示。

異形波導(dǎo)管采用機(jī)加工的方法成型。選用黃銅H62棒料，退火后留余量粗銑成長(zhǎng)方形，再采用線切割技術(shù)加工長(zhǎng)方形內(nèi)腔到尺寸，這樣可以獲得高精度的波導(dǎo)腔體。以高精度的波導(dǎo)腔體為定位基準(zhǔn)，配制專(zhuān)用芯模作為工裝，裝夾后精銑加工外形的平面及口部臺(tái)階部分，而左側(cè)圓形臺(tái)階則由車(chē)加工完成。需要注意的是，該芯模要同時(shí)考慮與車(chē)加工裝夾的通用性，采用同一定位基準(zhǔn)、銑加工與車(chē)加工通用工裝有利于保證成品精度[1]。

3.2 波導(dǎo)管組件的釬焊成型

波導(dǎo)管組件將作為圓管段電鑄成型的基體，其內(nèi)腔是裝配電鑄芯模的定位基準(zhǔn)，精度要求較高。法蘭盤(pán)1、法蘭盤(pán)2、異形波導(dǎo)管所用材料均為黃銅H62，采用手工火焰方法釬焊成型。工藝設(shè)計(jì)特別要求釬焊以波導(dǎo)管內(nèi)腔作為定位基準(zhǔn)，并設(shè)置輔助工裝，保證焊接精度。

3.2.1 銅合金的釬焊性

黃銅是銅鋅合金。當(dāng)黃銅含鋅量低于15%時(shí)，表面氧化物主要由Cu2O組成，其中含有ZnO的微粒；當(dāng)黃銅含鋅量大于20%時(shí)，其表面氧化物主要由ZnO組成。銅的氧化物和鋅的氧化物比較容易去除，所以黃銅H62的釬焊性比較好。為防止溫度過(guò)高造成鋅的析出和揮發(fā)，影響釬縫質(zhì)量，釬焊黃銅時(shí)必須使用釬劑[2]。

3.2.2 釬料、釬劑選擇

焊接時(shí)選用銀基釬料。銀基釬料的熔點(diǎn)適中，具有良好的強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性。釬焊過(guò)程中熔態(tài)釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕主要取決于釬劑的作用。釬焊接頭的強(qiáng)度和抗腐蝕性主要取決于釬料以及它和母材的作用和關(guān)系。釬劑在釬焊過(guò)程中去膜能力要強(qiáng)，對(duì)母材腐蝕作用要小，釬縫致密性好，不會(huì)形成夾渣，并易于清洗[2]。

3.2.3 釬焊前清洗

需釬焊的工件必須進(jìn)行焊前清洗，以去除各種油污、較厚的氧化膜，獲得良好的釬縫。波導(dǎo)管組件的各組成零件釬焊前清洗均采用以下工藝流程：有機(jī)溶劑去油→干燥→化學(xué)除油→熱水洗→冷水洗→光亮酸洗→冷水洗→鈍化處理→冷水洗→熱水洗→烘干。

3.2.4 釬焊前裝配

釬焊間隙對(duì)焊縫質(zhì)量影響極大。間隙過(guò)小，釬料不易均勻漫流；間隙過(guò)大，不易填滿(mǎn)釬縫，易產(chǎn)生缺陷。通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)釬焊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇最佳配合間隙。在預(yù)裝配時(shí)根據(jù)實(shí)際尺寸修整間隙來(lái)保證設(shè)計(jì)要求。零件在裝配好后不得再進(jìn)行互換。為保證較好的截面尺寸及形位公差，必須采用輔助焊接工裝。零件裝配好后在釬縫處涂上調(diào)成糊狀的釬劑，但不應(yīng)涂得過(guò)多，以免釬料流失造成浪費(fèi)[3]。

3.2.5 釬焊加熱規(guī)范

采用手工火焰加熱，將零件加熱到釬劑熔化(此時(shí)溫度已接近釬焊溫度)再繼續(xù)對(duì)零件進(jìn)行加熱，同時(shí)將棒狀釬料蘸上釬劑加在零件釬縫適當(dāng)部位，不允許用火焰直接將釬料吹落。必須使零件均勻加熱，不可集中加熱某處，防止零件過(guò)燒。如果釬料能自動(dòng)熔化和鋪展在零件表面，則表明零件溫度以達(dá)到釬焊溫度，可以對(duì)釬縫填充釬料。

3.2.6 釬焊后清洗

釬劑殘?jiān)幸欢ǖ母g性，釬焊后的零件必須進(jìn)行清洗。釬焊后的釬縫忌用堿洗，因此釬劑殘?jiān)詈糜孟∷崛芤呵逑础ｂF焊后以較快的速度冷卻，有利于增加釬縫的強(qiáng)度，但不能用水激冷[3]。本工藝方案是將工件冷卻到100 ℃以下后，放入10%～20%檸檬酸水溶液槽中沸煮，再用冷、熱水仔細(xì)沖洗干凈后烘干(或吹干)。

3.3 異形波導(dǎo)腔體圓管部分的電鑄成型

異形波導(dǎo)腔體圓管部分如圖1所示位號(hào)4部分。

電鑄方法可將難于加工的腔體內(nèi)表面轉(zhuǎn)換成加工芯模外表面，使加工變得較為容易，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。電鑄設(shè)計(jì)的基本原則是既要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求又要符合電鑄制造條件，既要力求加工簡(jiǎn)單、操作方便又要保證形狀精度、粗糙度和連接強(qiáng)度。如何保證波導(dǎo)管組件與圓管部分的連接可靠是異形波導(dǎo)腔體電鑄成型的關(guān)鍵技術(shù)。異形波導(dǎo)腔體的電鑄連接可靠性解決方法如下：

(1) 波導(dǎo)管組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要保證波導(dǎo)管組件與圓管部分電鑄成一體后連接強(qiáng)度不低于本體的強(qiáng)度。為達(dá)到這一目的，必須考慮改變法蘭盤(pán)連接處形狀，使其電鑄層保持平滑過(guò)渡，以防止應(yīng)力突變。因機(jī)械加工不可能達(dá)到?jīng)]有臺(tái)階的連接，為此將法蘭盤(pán)2需電鑄處由圓柱形改為圓錐形，角度30°，需要將該前端壁厚加工的很薄，控制在0.3 mm以下較為理想。

(2) 電鑄芯模設(shè)計(jì)

電鑄芯模材質(zhì)的選擇由產(chǎn)品形狀、精度、表面粗糙度要求、成本等因素綜合考慮。鋁合金作為小批生產(chǎn)的饋線類(lèi)零件的芯模是一種常用和最經(jīng)濟(jì)的制造方法。因波導(dǎo)管組件與芯模采用過(guò)盈配合，脫摸困難，故選用一次性使用的鋁合金芯模，材質(zhì)為2A12，既具有足夠的強(qiáng)度又便于電鑄后的腐蝕退摸。

根據(jù)異形波導(dǎo)腔體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電鑄芯模設(shè)計(jì)成如圖4所示結(jié)構(gòu)型式。

圖4 電鑄芯模

因異形波導(dǎo)腔體的內(nèi)外表面粗糙度直接影響微波傳輸?shù)乃p系數(shù)，對(duì)電性能影響較大。試驗(yàn)階段對(duì)電鑄芯模表面粗糙度要求較低，生產(chǎn)的成品電性能不達(dá)要求。工藝優(yōu)化后，電鑄芯模加工精度應(yīng)不低于波導(dǎo)腔體本身的精度，表面粗糙度要求為Ra0.4～0.8。

(3) 波導(dǎo)管組件與芯模配合形式選擇

波導(dǎo)管組件與芯模配合形式如圖5所示。

理論分析，過(guò)盈配合的電鑄連接強(qiáng)度最高。波導(dǎo)管組件與芯模采用過(guò)盈配合，過(guò)盈量為0.03 mm合適，熱套法裝配。裝配時(shí)通過(guò)配車(chē)加工使波導(dǎo)管組件上的孔與芯模過(guò)盈量為0.03 mm左右。波導(dǎo)管組件將加熱到80 ℃～100 ℃，經(jīng)熱漲后可以順利地套在芯模上，冷卻后可保持足夠的連接強(qiáng)度。特別注意的是，裝配后需校正芯模的直線度為0.04 mm。這是保證電鑄后形位公差精度的前提條件。

(4) 電鑄工藝設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所要求的表面粗糙度，保證電鑄層的細(xì)致、勻整，電鑄溶液必須具備較好的分散能力、光亮性和整平性，沉積速度要快，要穩(wěn)定和易于調(diào)整。電鑄時(shí)波導(dǎo)管組件與圓管部分的連接處易形成電鑄死角，要在相應(yīng)部位沉積較厚的銅層較為困難，必須增加輔助陽(yáng)極，并有意識(shí)地控制局部電鑄的方法來(lái)保證異形波導(dǎo)腔體的電鑄質(zhì)量。因生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，在電鑄過(guò)程中需要多次將工件取出，去除電鑄瘤，并經(jīng)除油酸洗妥善防護(hù)后再繼續(xù)電鑄。為了保護(hù)加工基準(zhǔn)，各處非電鍍面及內(nèi)腔均需妥善防護(hù)。

由于鋁合金的性質(zhì)比較活潑，電鑄前必須對(duì)鋁材進(jìn)行表面預(yù)處理即浸鋅處理。浸鋅時(shí)間和浸鋅溶液溫度對(duì)鋅層質(zhì)量均有重要影響。為獲得結(jié)構(gòu)緊密、結(jié)晶細(xì)致、結(jié)合力良好的浸層，選用2次浸鋅工藝，即第1次浸鋅在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的硝酸溶液中浸蝕15 s，清水洗凈后再在第1次浸鋅的溶液中第2次浸鋅，時(shí)間15 s。浸鋅溶液溫度20 ℃左右時(shí)效果最佳[4]。

電鑄工藝過(guò)程包括前處理、電鑄過(guò)程和脫模后處理，其過(guò)程為：鍍前檢查→有機(jī)溶劑去油→干燥→化學(xué)去油→硝酸出光→浸鋅酸鹽→退鋅→2次浸鋅→預(yù)鍍氫化銅→浸稀硫酸→電鑄銅→機(jī)加工→退模。

(5) 電鑄成型后機(jī)加工

電鑄層厚度達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求后即轉(zhuǎn)入機(jī)加工(車(chē)加工)。機(jī)加工時(shí)，要求以芯模預(yù)留基準(zhǔn)段找正，滿(mǎn)足工藝設(shè)計(jì)要求后加工。加工時(shí)注意吃刀量要小，仔細(xì)觀察電鑄層有無(wú)缺陷，如有缺陷必須及時(shí)處理。

(6) 機(jī)加工后的退模

機(jī)加工滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行退模。為提高生產(chǎn)效率，在電鑄芯模兩端打孔可以加快退模速度。

4 異形波導(dǎo)腔體的表面防護(hù)

異形波導(dǎo)腔體的表面防護(hù)采用鍍銀處理。異形波導(dǎo)腔體安裝在三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈內(nèi)部。由于三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈內(nèi)部屬于密閉環(huán)境，對(duì)異形波導(dǎo)腔體表面進(jìn)行鍍銀處理后，不但具有良好的電性能，還可以有效地進(jìn)行防護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了異形波導(dǎo)腔體的關(guān)鍵制造技術(shù)，工藝路線合理，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)保證了新型結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。采用本文制造技術(shù)加工的異形波導(dǎo)腔體符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，裝入三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈后滿(mǎn)足裝配精度要求。三路方位旋轉(zhuǎn)鉸鏈達(dá)到了優(yōu)良的電性能指標(biāo)，并在實(shí)際使用中得到了驗(yàn)證，合格率為100%，已經(jīng)用于某重點(diǎn)產(chǎn)品的批次生產(chǎn)。