一種等相天線吸波材料切割工藝的研究

張建民

(中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

吸波材料是指吸收、衰減投射到它表面的電磁波，并將其電磁波能轉化成熱能消耗掉或是電磁波因干涉而損失的一類材料[1]。吸波材料種類繁多，主要有下面幾種分類方法:按吸波原理分為干涉型和吸波型；按材料的成型工藝分為涂覆型和結構型(也稱超材料吸波體)；按損耗機理分為電損耗型、磁損耗型和介電損耗型。某型設備的天線系統由5個相位相同的雙向輻射天線組成，天線腔體形狀為圓形，如圖1所示。這類天線需要在腔體中安裝吸波材料，吸波材料如圖2所示。該吸波材料是由海綿體灰黑碳纖維、石墨烯和磁性材料混合組成的一種高分子材料，底部附有3M不干膠，這類材料屬于電損耗型材料。

圖1 天線腔體圖

圖2 吸波材料

該吸波材料規格為指定厚度的板類型材，裝入天線腔體的內部前，需要將其裁剪成圓形。為減小吸波材料對電性能的影響，其外形不能有毛邊.加工表面要整齊光滑，尺寸需要保持一致。吸波材料是一種導電纖維混編的復合材料，質地柔軟，具有復合材料質輕、強度高的特點[2]；但可切削加工性差，需要合理設計專用工裝，進行工藝試驗，試制吸波材料零件，滿足天線電性能測試要求。

1 吸波材料的基本理論

吸波材料的吸收機理為電磁波與物質相互作用，入射的電磁波通過吸收材料轉換為熱能或其他形式的能量，從而最大限度地減少電磁波的回波能量。本天線采用的吸波材料是電損耗型材料[3]，當電磁波照射到吸波材料上時，吸波材料產生感應電流，感應電流又產生與外界磁場有180°相位差的反向磁場，從而與外界磁場相抵消，達到減少外界電磁場的能量，減少反射。此時吸波材料需要滿足阻抗匹配和衰減特性。阻抗匹配是指電磁波能夠最大程度地入射到材料內。衰減特性是指進入材料的電磁波能夠被損耗掉。

吸波材料應使入射到材料的電磁波反射最小，即材料的等效表面阻抗Zc等于自由空間波長λ0，則吸波材料的的反射系數可表示為[4]：

(1)

吸收材料應使電磁波盡可能地損耗在其內部，此要求材料的電磁參數滿足一定條件，可用衰減參數表示單位長度波的衰減量[5]：

(2)

式中：ω為入射波的角頻率；c為電磁波在真空中的傳播速度；μ=μ′-jμ″，ε=ε′-jε″分別為材料的復磁導率和復介電常數。

從式中可以看出，對于一定厚度的吸收材料，不同的μ″、ε″和ε′，可以實現的衰減量不同。

對于裝入某天線的吸收材料來說，吸收材料的等效電路分析模型如圖3所示。

圖3 吸波結構單元模型及等效電路

吸波材料的反射系數為Г，根據傳輸線理論：

(3)

而吸波材料和介質基層分界面處的輸入阻抗表示為Z2：

(4)

式中：η0、η1、η2分別表示自由空間波阻抗吸波材料波阻抗以及介質基層波阻抗；k1和k2為在吸波材料和介質基層中電磁波傳播時的波矢量，都由材料性質決定。

由以上各式看出，吸波材料的磁導率與介電常數對電磁波的吸收和反射有直接影響。

由于使用的吸收材料不是理想的無限大平面，因此天線腔體內部吸收材料的吸收性能及對電磁波的相位影響就具有不一致性。同時，厚度的不均勻性可能導致復介電常數的虛部與復磁導率的虛部不一樣。對于天線的相位一致性，就要求吸收材料的厚度、大小盡量一致。

2 某天線內部吸收材料零件的加工情況及天線電性能測試結果

某天線內部吸收材料零件采用傳統的切割方法，使用手術刀手工切割，針對吸波材料零件的形狀，在圓規上加裝手術刀片，自制成圓規刀，用于切割吸波材料。根據零件形狀可分為3類：第1類是單獨的圓形，第2類是內外同心圓，第3類是內外偏心圓。

為了找出吸波材料零件的加工問題，調查2018年1月至8月吸波材料零件的加工情況，對一次性加工合格率進行統計，如表1和表2所示。統計結果顯示：內外偏心圓尺寸超差和內外同心圓不同心在所有特征中占比達到82.39%，這2個因素是吸波材料零件一次性加工合格率低的主要原因。

表1 一次性加工合格率統計表

表2 不合格特征統計表

由表1和表2可知，采用手工切割方法加工需要指定專人才能操作，不僅生產效率低，而且零件一致性差，很難保證一次性加工合格。為了提高合格率，需要改進切割工藝。

通過裝配上面的合格吸收材料，對天線性能的相位一致性測試結果進行統計。圖4和圖5是3個天線在某頻點的相位方向圖：圖4為基本一致的相位方向圖，由圖可知他們的電特性相位基本一致，滿足使用條件；圖5為不一致的相位方向圖，由圖可知他們的電特性相位相差很大，其中只有2個基本一致，另一只明顯不一致，因此這組天線完全不能滿足使用要求。經過統計發現，滿足相位一致配組的幾率只有60%，需要的天線備量較大，經濟效益差，需要改進吸收材料的切割工藝設計。

圖4 基本一致的相位方向圖

圖5 不一致的相位方向圖

3 工藝流程設計對比分析

傳統的吸波材料零件切割加工一般采用手術刀手工切割，針對吸波材料零件的形狀，在圓規上加裝手術刀片，自制成圓規刀，用于切割吸波材料。首先，將整塊吸波材料按數量切割成單件；再按照圖紙尺寸調整圓規刀，然后切割外圓(有的還需要再次調整圓規刀切割內圓，對于內外偏心圓的零件，還需要加工同一尺寸的不銹鋼模板)；在切割外圓后，用模板在零件上劃內圓加工線；找到偏心內圓中心后，按照圖紙尺寸調整圓規刀，切割偏心內圓。

查找資料，并且通過對加工過程跟蹤，采用一種自制工裝，對一種吸波材料零件的加工過程可以進行優化改進[6]。

3.1 模板切割工藝

對以往單獨的切割模板改進，設計一個組合型切割模板。新型切割模板由底板和蓋板組成，底板上有一圓柱形凸臺作為定位基準，如圖6所示。吸波材料切割出內圓后通過凸臺定位，壓上蓋板夾緊再切割外圓。

圖6 組合切割模板圖

3.2 機用刀具切割工藝

設計一個可以在數控機床上使用的切割刀具，刀具由刀柄、橫桿、刀架和刀片組成，如圖7所示。通過刀柄安裝在數控機床上，在橫桿上采用激光雕刻尺寸刻度，將橫桿插入刀柄，采用螺釘緊固，再將刀架和刀片組合成切刀，懸掛在橫桿上，調整到所需尺寸后固定。2個刀頭同時切割外圓和內孔，可以保證同軸度。切割內外偏心圓時，采用數控編程加工，拆卸一個刀頭先加工內孔，通過加工程序偏移偏心距尺寸，再切割外圓，數控編程能夠同時加工多個零件。

圖7 機用切割刀具模型圖

采用模板切割工藝，可以解決內外同心圓不同心和外徑超差的加工問題，但是在切割內外偏心圓時，稍有不慎還是會出現偏心距尺寸超差的現象。該工藝方法提高了加工合格率，和傳統的加工方法一樣，手工切割加工效率低，對操作人員技術水平要求高。采用數控刀具切割工藝，可以解決內外偏心圓尺寸超差、內外同心圓不同心和外徑超差等加工問題，有效地提高了合格率。刀具既可以同時加工外圓和內孔；又可以適用于多種零件加工，通用性較強，使用方便；配合數控編程，還能一次加工多個零件。在刀片使用一段時間被磨損后，僅需更換刀片又可以繼續使用，延長了刀具的使用壽命[7]。用數控加工代替手工切割，不僅能夠保證尺寸一致性，而且可以提高加工效率。

比較2種工藝方法，數控機用刀具切割工藝的優勢明顯，不僅能提高吸波材料切割合格率，而且能提高加工效率，滿足加工方法改進的需求。切割時按照圖紙尺寸要求，調整刀片在橫桿上的位置，數控刀具的橫桿上有刻度值，刀片安裝在刀架上，通過刀架滑動到刻度線處，再加上刀片到刀架邊緣的尺寸，即可得到所需的尺寸，具體的工藝流程如圖8所示。

4 專用工裝的力學性能仿真

圖8 工藝流程圖

為了滿足長期使用的要求，需要選擇合適的材料，在眾多方案中選出2種材料，分別為45號鋼和304不銹鋼，通過力學性能仿真選擇最優方案。作為在數控機床上使用的刀具，還需要有足夠的承載能力，保證工作時安全可靠。切割時刀具承受了多載荷的作用：一是切削刀刃上受到切削力的作用；二是刀具整體受到旋轉時的慣性離心力作用。實際切割時，切削力是個變量。為了簡化問題，將力學性能分析的原始參數設置如下：主軸轉速為2 000 r/min，切割切削力為2 N，2個刀片同時切割最大極限圓直徑150 mm和最小極限圓直徑32 mm。仿真結果顯示,最大疲勞應力值為35.191 MPa，仿真情況如圖9和圖10所示。

圖9 刀具切割仿真圖

圖10 刀具最大應力位置圖

為了確保機用切割刀具有足夠的強度，把許用應力作為實際工作應力的最高限度，即要求工作應力不得超過材料的許用應力。對于塑性材料(大多數結構鋼和鋁合金)，其許用應力σp為[8]：

(4)

式中：σlim為材料強度的極限值(MPa)；S為安全系數，為大于1的數值。

45號鋼屬于塑性材料，調質處理后它的抗拉強度σb≥600 MPa，屈服強度σs≥355 MPa。一般情況下，疲勞強度為抗拉強度的30%，σlim=600×30%=180 MPa，按抗疲勞斷裂計算，一般S=1.5～3，按照最大值3計算，許用應力σp=60 MPa。304不銹鋼屬于塑性材料，不能通過熱處理強化，它的抗拉強度σb≥520 MPa，疲勞強度σlim=520×30%=156 MPa，許用應力σp=52 MPa。仿真得出的最大疲勞應力既小于45號鋼的許用應力，也小于304不銹鋼的許用應力。在力學性能一致的情況下，304不銹鋼的耐蝕性更好，適合長期使用。因此，材料選用304不銹鋼，機用切割刀具可以在數控機床上穩定運行，工作安全可靠。

5 切割工藝的試驗驗證

5.1 試驗材料與方法

機用切割刀具由橫梁、豎桿、刀片固定架和刀片組成。所有零件的材料均選用304不銹鋼。通過機械加工完成零件生產任務，不銹鋼無需表面處理，清洗干凈后，按照設計圖紙裝配成一個整體。采用機用切割刀具裁剪吸波材料，通過檢驗吸波材料尺寸的合格率，驗證機用切割刀具的使用效果。

5.2 專用工裝的加工及驗證情況

根據設計方案繪制圖紙，編寫加工工藝過程，工藝過程為：備料→機械加工→線切割→修整→刻線→裝配。機用切割刀具的各組成部分加工完成后，按照圖紙要求進行尺寸檢驗，尺寸檢驗合格后再進行裝配，確保機用切割刀具的尺寸精度滿足要求。

采用研制的數控刀具切割吸波材料，分別加工2種類型的零件，一種為內外偏心圓，另一種為內外同心圓，數量各3件。加工完成后，按照圖紙要求進行尺寸檢驗，尺寸檢驗記錄如表3所示。

從尺寸檢驗結果可知，內外偏心圓和內外同心圓的零件一次性加工全部合格，合格率為100%。因此，采用數控刀具切割吸波材料能夠滿足設計要求。

表3 吸波材料尺寸檢驗表

5.3 天線電性能測試結果

通過在天線內腔裝配使用新工藝切割的吸波材料進行驗證測試，圖11為3個天線相位方向圖比較形成的所有測試頻率點的相位差匯總圖。由圖11可知，他們之間的電特性相位一致較好，能夠很好地滿足使用條件。經過統計，發現滿足相位一致配組率可以達到95%，這樣需要天線備量較小，從而獲得較好的經濟效益。因此，通過對吸收材料的切割工藝改進取得很好的效果。

圖11 測試頻率點的相位差匯總圖

5.4 切割工藝試驗小結

一次性加工合格率從47.5%提高到100%，運用機用切割刀具加工吸波材料零件，合格率提升顯著。單套設備需要的吸波材料零件共200個，采用手工切割方法，加工需要8 h，采用數控刀具切割只需要1 h，加工效率明顯提高,同時也提高了天線要求的性能以及天線相位的配對率。

6 結束語

針對天線吸波材料加工合格率低的問題，開展加工工藝研究，進行了數控切割工具的設計、仿真和加工，通過產品試制工藝試驗，驗證了數控刀具切割工藝的可行性。與手工切割方法相比，采用數控刀具切割吸波材料提高了合格率，減少了生產成本；提高了加工效率，縮短了加工周期；降低了工作難度，能夠極好地滿足天線的電性能要求。成功研制機用切割刀具，實現吸波材料零件的批量生產，具有實用價值及推廣意義。