某新型高精度功分器加工技術

華巍，王成，黃君，王勇，張群

安徽博微長安電子有限公司 安徽六安 237000

1 序言

功分器是微波接收、發射及頻率合成系統中不可缺少的部件，廣泛應用于雷達、微波通信和電子對抗等領域。隨著我國雷達事業的發展，小型化、高頻率超寬帶微波功分器需求迅猛增加，已經成為了現代雷達重要的發展方向，這就給功分器的設計及加工制造帶來了新的挑戰[1，2]。

圖1所示某新型功分器主體結構是由整塊鋁板加工型腔而成，雙面用蓋板分別真空釬焊成形。型腔要求整體加工精度±0.03mm，上、下面平面度0.05mm；內部腔體在40倍放大鏡下觀察無毛刺，且波導腔內邊緣不允許有倒角；真空釬焊焊料均勻填滿焊縫，內部焊縫無明顯溢出。加工制造難度極大。

圖1 某新型功分器

2 技術難點分析

功分器整體結構尺寸為1 6 m m×3 0 0 m m×500mm，采用上、下蓋板與中間殼體真空釬焊拼焊而成，材料選用3A21鋁合金。主要技術難點如下。

1）中間殼體外形及上、下面平面度要求高，普通數控銑床及裝夾方式難以保證尺寸要求。

2）波導內腔表面粗糙度值Ra=1.6mm，在40倍放大鏡下觀察無毛刺。由于不允許用金屬工具去除毛刺，波導腔內邊緣不允許有倒角，所以用普通數控加工極難保證。

3）雙面要求真空釬焊一次成形，成形后面型精度0.05mm，且要求焊縫均勻、一致性好，無明顯焊料溢流，無明顯焊接縫隙，真空釬焊難度極大。

4）焊接后的精加工要求腔體內部應無切削料、線切割油泥等多余物，使控制過程復雜，可操作性差，質量難以保證。

3 無毛刺切削控制

新型功分器主盒體殼體基本結構如圖2所示。整個殼體的主要加工量在于腔體的加工，為了保證腔體內部尺寸精度，采用高速銑削加工，既能提高效率，又能提高精度及工件的表面質量。加工順序為先加工上、下面及外形，再以外形定位銑削波導內腔。裝夾方式上采用自制的真空吸盤裝夾，不但便于加工，而且可有效控制加工變形。考慮到零件精度高的特點，在加工之前、下料之后采取去應力退火處理，從而消除內應力釋放對后期加工精度可能造成的影響。最后由鉗工進行收尾工作，清理工作臺面，在40倍放大鏡下用牙簽去除毛刺及多余物。

圖2 新型功分器主盒體殼體基本結構

通過以上控制措施，很好地解決了工件的加工精度難題。具體工藝路線為：下料→退火→高速銑削→鉗工。

對于波導內腔表面粗糙度值Ra=1.6mm、在40倍放大鏡下觀察無毛刺以及波導腔內邊緣不允許有倒角的加工要求，工藝上必須進行特殊處理方能滿足要求。尤其是在40倍放大鏡下無毛刺的要求，公司毫無加工經驗。國內外對無毛刺加工的研究相對較少，王貴成教授于2002年首次提出了少無毛刺切削加工的概念[3]，同年，Bo-LinHsu博士提出了著名的EOS理論，指出在端銑過程中，毛刺尺寸很大程度上取決于刀尖的退出順序，合理的刀尖退出順序能有效減少銑削毛刺的生成。有文獻指出，基于正交試驗和人工神經網絡方法，優化切削參數能有效減少切削毛刺的生成[4]。

經查閱資料，總結得出目前常用的無毛刺加工方法如圖3所示。該功分器零件結構已經多次優化，不能改動；在加工方法上，由于材料及結構限制，所以目前只能采用機械切削加工。嘗試從切削過程控制、切削參數調整和刀具選擇3方面進行質量控制，以達到設計要求。

圖3 目前常用的無毛刺加工方法

（1）切削過程控制 為防止內腔邊緣毛刺的產生，考慮到毛刺的棱角效應，在切削加工時，應使出刀口位于零件棱角較大的部位。本零件的加工切入點在腔體內部，加工順序為由腔體內部向外部切削，禁止沿外圍邊部切入。

（2）切削參數調整 一般情況下，毛刺高度隨著切削深度的增大呈現增加趨勢，基于此，在切削深度設計上，要求先采用端銑刀加工型腔大部，在深度及側邊單邊各留0.15mm左右余量采用周銑刀加工，周銑時對該余量進行多次精銑，邊銑邊去毛刺，精銑過程中反復變換方向，待余量加工完畢后，再加一次空銑，以最大限度去除毛刺。值得說明的是，深度方向精加工時，為了防止硬點的產生，第一刀切削進給量必須較小。經反復試驗，第一刀取0.03mm進給量，效果良好。在切削寬度選擇上，經多次試驗，選擇以60%的刀具直徑加工，效果最佳。目前我公司機床所能達到的最大有效轉速為15000r/min，經多次試驗，本次加工線速度選擇200mm/min。通過切削參數的調整，較好地解決了加工毛刺難題。

（3）刀具選擇 在考慮刀具強度和使用性能的情況下，優化刀具前角、后角，鈍圓半徑等，以減小切削變形和切削力，從而最大限度地減小界限切削深度，減小毛刺的影響程度。一般情況下，隨著刀具前角的增加，毛刺高度呈減小趨勢。這是由于刀具前角增加，導致切屑受到的剪切應變減小，所以兩側方向毛刺尺寸減小。但是增大前角會使切削刃與刀頭的強度降低，刀頭的導熱面積和容熱體積減小。因此過分地增大前角，有可能導致切削刃處出現彎曲應力，造成崩刃。在材質上，優先選用硬質合金材質刀具，既能提高精度，又能減少毛刺。

定制美福（M.A.FORD）牌D1×1.5×8×D6×50兩刃微型硬質合金銑刀作為最終精加工刀具。該刀具在底齒部分設計有帶保護的修光刃，能有效降低加工零件的表面粗糙度值；同時在前角設計上應盡量大，以較少毛刺生成和提高切削精度。

圖4為在40倍放大鏡下觀察局部毛刺，可見基本無毛刺，且內腔邊緣無倒角，符合設計要求。

圖4 在40倍放大鏡下觀察局部毛刺

4 真空釬焊變形及焊縫控制

該零件的結構形式決定了其在真空釬焊時極易產生變形以及焊縫不均勻。經多次焊接試驗，最終確定了焊接工藝路線，其中的關鍵控制點如下。

（1）清洗 設計特定塑料工裝固定在金屬清洗框底部，用于隔離金屬框與零件表面，避免劃傷零件。焊前具體清洗流程為：溶劑清洗→堿液清洗→冷水清洗→超聲波清洗→去離子水清洗→烘干。

（2）焊片預處理 焊片采用激光切割成形，焊前采用適當砂紙打磨。

（3）裝配 裝配操作人員十指均佩戴橡膠指套制作定位工裝，以保證定位和裝配用的夾具、工裝清潔，不允許存在油污或銹漬。

通過采取以上措施，成功保證了焊接質量。焊接后焊縫外觀質量如圖5所示。

圖5 焊接后焊縫外觀質量

5 精加工時多余物控制

真空釬焊后精加工時，腔體內部的多余物主要產生在加工端口孔及臺階處，端面形狀如圖6所示。加工工序為高速銑削。為防止多余物進入內腔，一般的處理方式是在入口處堵或者加工后清理。由于結構所限，一旦多余物進入內腔后，將很難清理出來，因此該零件只能是設法在入口處堵。特殊的端面結構使得堵頭尺寸較難控制，且為了便于裝配堵頭，堵頭的尺寸比端口方孔要小。前期試件加工時，發現仍有切削多余物進入內腔，導致零件報廢。為了解決此難題，嘗試對堵頭進行封蠟處理（見圖7），加工完成后去除封蠟，取出堵頭并進行超聲波清洗，有效控制了加工多余物的進入。

圖6 端面形狀

圖7 對堵頭進行封蠟處理

6 結束語

通過合理選擇加工設備和裝夾方式，調整加工參數及合理選用刀具等措施，基本實現了無毛刺加工。通過焊接關鍵點控制，掌握了真空釬焊要領。采取堵頭外加封蠟的新方法，成功實現了多余物的控制，最終實現了新型雷達功分器的成功試制。