王清

摘要 根據(jù)圓波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)鋁釬焊拼接的工藝方法，解決了產(chǎn)品整體加工難的問(wèn)題，同時(shí)滿足了產(chǎn)品對(duì)抽真空試驗(yàn)和電氣測(cè)試性能的要求;通過(guò)電火花成型中電極的設(shè)計(jì)，圓波導(dǎo)內(nèi)腔耦合孔圓角的關(guān)鍵尺寸的實(shí)現(xiàn)：通過(guò)抽真空試驗(yàn)，分析焊接結(jié)構(gòu)的薄弱部位，對(duì)法蘭與副波導(dǎo)連接結(jié)構(gòu)、局部焊接材料進(jìn)行了改進(jìn)，保證了焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】耦合器 鋁釬焊 耦合孔 電火花成型

圓波導(dǎo)耦合器作為在線測(cè)量系統(tǒng)中的核心部件，在電氣指標(biāo)上有較高的要求。目前，耦合器的電氣指標(biāo)通常借助加工精度的控制實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，隨著新型耦合器的研發(fā)，隨之而來(lái)的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，通常直接的機(jī)械加工無(wú)法實(shí)現(xiàn)。雖然現(xiàn)在出現(xiàn)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(dá)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(lái)制造的。這對(duì)工藝設(shè)計(jì)與制造提出了嚴(yán)格要求。

本文依據(jù)耦合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了可制造性分析和工藝設(shè)計(jì)，確定加工方法，即以零件的機(jī)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(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了耦合器的成形。又通過(guò)抽真空試驗(yàn)，優(yōu)化了工藝設(shè)計(jì)，基本滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

1 工藝性分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

從結(jié)構(gòu)上分析，耦合器的主體結(jié)構(gòu)為圓波導(dǎo)，直徑D，副波導(dǎo)為矩形波導(dǎo)。主波導(dǎo)和副波導(dǎo)通過(guò)耦合孔連接。在圓波導(dǎo)中心位置上對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)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(nèi)腔耦合孔數(shù)目分類(lèi)，不同孔數(shù)目的孔距、孔深和耦合器長(zhǎng)度均不同。

從圖紙標(biāo)注及技術(shù)要求上分析：

（1）尺寸及形位公差精度為土0.03mm;

（2）內(nèi)腔表面粗糙度均小于Ral.6μm;

（3）材料為鋁合金;

（4）抽真空;

（5）內(nèi)腔表面鍍銀2μm。

1.2 可制造性分析

波導(dǎo)內(nèi)腔尺寸精度、形位精度是保證耦合器電性能指標(biāo)的關(guān)鍵工藝要素。除內(nèi)腔尺寸對(duì)電性能指標(biāo)影響外，內(nèi)壁光滑與否對(duì)信號(hào)傳輸?shù)膿p耗程度影響也很大，光滑的內(nèi)壁能很大程度上減少電性能的損耗，設(shè)計(jì)上要求波導(dǎo)內(nèi)腔表面粗糙度在Ral.6μm以下，為此，需要減小鍍銀波導(dǎo)內(nèi)腔表面的加工粗糙度達(dá)Ra0.8μm，達(dá)到低電性能損耗要求。

副波導(dǎo)與圓波導(dǎo)內(nèi)腔以耦合孔連通，如圖1所示為耦合孔連接處內(nèi)部結(jié)構(gòu)。副波導(dǎo)為薄壁深腔結(jié)構(gòu)，數(shù)控加工刀具很難加工，若使用電火花成型，加工時(shí)間長(zhǎng)，空間狹小，排屑不暢，內(nèi)腔尺寸不易保證。而釬焊變形小，接頭光滑美觀、強(qiáng)度高，適用于焊接精密、復(fù)雜的構(gòu)件。我所釬焊工藝成熟，在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接技術(shù)上具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此，考慮對(duì)耦合器進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆分，通過(guò)數(shù)控加工和電火花成型，最后將零件進(jìn)行釬焊，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)腔體制造。為滿足輕量化和精密尺寸要求，波導(dǎo)材料選用鋁合金。

2 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 釬焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

釬焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是耦合器成型的關(guān)鍵。釬焊結(jié)構(gòu)的合理拆分，影響焊接強(qiáng)度及零件加工的難易。釬焊焊縫過(guò)長(zhǎng)，焊后出現(xiàn)焊縫不連續(xù)，未焊透的可能性增加，焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱。焊接接頭不但可以在焊前裝配階段起到定位、增強(qiáng)焊接接頭強(qiáng)度的作用。在尺寸空間有限的情況下，適當(dāng)增加焊接及定位凸臺(tái)，是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常使用的方法。

2.1.1 結(jié)構(gòu)的拆分

將耦合器分解成圓波導(dǎo)、副波導(dǎo)腔體、副波導(dǎo)蓋板、法蘭盤(pán)共4部分。其中副波導(dǎo)腔體和蓋板上設(shè)計(jì)螺釘定位孔，以保證腔體和蓋板裝配精度。副波導(dǎo)腔體尺寸不變，因裝配尺寸限制，壁厚改為1.8mm。圓波導(dǎo)為整體加工成型，內(nèi)腔沒(méi)有接合，粗糙度只需通過(guò)機(jī)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(shè)計(jì)

矩形波導(dǎo)壁厚不大于2mm，深度約60mm，屬于薄壁深腔?？紤]到加熱膨脹和冷卻過(guò)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(dǎo)與圓波導(dǎo)接合部分設(shè)計(jì)在圓波導(dǎo)上，即在圓波導(dǎo)上設(shè)計(jì)一個(gè)凸臺(tái)。凸臺(tái)高度根據(jù)耦合孔深度而定，這樣可以通過(guò)機(jī)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(dǎo)零件加工階段完成。凸臺(tái)的長(zhǎng)度與副波導(dǎo)腔體底部空缺長(zhǎng)度一致。為了保證焊接前裝配副波導(dǎo)腔體與凸臺(tái)接合平整，在副波導(dǎo)腔體圓弧增加了0.5-lmm直段。

此外，由于副波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接空間有限，為了增加焊接接頭強(qiáng)度，在圓波導(dǎo)上設(shè)計(jì)了對(duì)稱(chēng)的焊接定位凸臺(tái)。凸臺(tái)上定位孔確保副波導(dǎo)腔體與蓋板焊接前裝配時(shí)位置。

2.2 工具電極的設(shè)計(jì)

電極設(shè)計(jì)是電火花加工中的關(guān)鍵點(diǎn)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(guī)律復(fù)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(shè)計(jì)上主要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)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(shù)的不同而不同。

（2）工具電極圓弧的確定。工具電極外形根據(jù)工件型腔而定。由于該耦合孔的特殊位置，電極的設(shè)計(jì)也具有典型性，不但要根據(jù)圓角設(shè)計(jì)過(guò)度圓弧面，還要考慮電極加工時(shí)圓波導(dǎo)中心及孔中心易于找正。

3 工藝制造流程設(shè)計(jì)

耦合器制造流程如圖3所示。零件加工包括圓波導(dǎo)、副波導(dǎo)腔體、蓋板、法蘭、定位螺釘及鋁螺釘。其中，圓波導(dǎo)的加工較復(fù)雜，除了采用數(shù)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(chǎn)成本。

4 工藝驗(yàn)證及優(yōu)化

為了驗(yàn)證工藝方案的可靠性，在第一批耦合器加工完成后，進(jìn)行了抽真空試驗(yàn)。試驗(yàn)中出現(xiàn)了副波導(dǎo)、法蘭盤(pán)變形、焊后銑法蘭端面時(shí)焊縫露出現(xiàn)象。經(jīng)分析，副波導(dǎo)壁厚過(guò)薄，使得強(qiáng)度不夠。但是因裝配空間限制，壁厚無(wú)法增加。考慮到更換焊接材料以提高強(qiáng)度。

4.1 抽真空試驗(yàn)

抽真空試驗(yàn)：P-10-5

4.2 工藝方法優(yōu)化

通過(guò)加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及最后抽真空試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)工藝方法進(jìn)行了以下改進(jìn)。

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(qiáng)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(qiáng)度，將焊接材料普通鋁合金改成鍛鋁鋁合金。

4.2.2 法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)及尺寸改變

如圖4所示，為釬焊常用的法蘭與波導(dǎo)連接形式。

由于該工件要進(jìn)行充氣試驗(yàn)，對(duì)密封性有較高要求，同時(shí)，波導(dǎo)壁厚薄，經(jīng)試驗(yàn)表明，這種常規(guī)的連接形式僅在釬焊后銑工加工法蘭端面時(shí)焊縫就已出現(xiàn)縫隙，并且在充氣試驗(yàn)時(shí)法蘭變形，這樣無(wú)法保證密封性要求。改進(jìn)后的法蘭與副波導(dǎo)裝配后，在端面上留出一些高度。這種結(jié)構(gòu)，一方面，法蘭在厚度上有所增加，充氣試驗(yàn)時(shí)法蘭不會(huì)變形;另一方面，法蘭內(nèi)腔增加了臺(tái)階，在焊后銑端面時(shí)不會(huì)因?yàn)殂姷胶缚p而漏氣。經(jīng)焊后銑削及充氣試驗(yàn)證明，該種法蘭結(jié)構(gòu)很好地保證了使用強(qiáng)度和密封性要求。

經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化后加工成的耦合器通過(guò)了氣密性試驗(yàn)，之前的變形情況再?zèng)]有出現(xiàn)。

5 總結(jié)

（1）以常規(guī)的加工方法，通過(guò)合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了圓一矩波導(dǎo)小孔耦合的耦合器成型，并滿足了使用要求;

（2）電極的設(shè)計(jì)突破了以往針對(duì)單一截面，首次對(duì)兩種相交截曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了耦合孔圓角的加工，保證了電氣性能;

（3）改進(jìn)了法蘭結(jié)構(gòu)，解決了法蘭變形、整體漏氣的問(wèn)題;

（4）通過(guò)抽真空試驗(yàn)，將焊接材料改為強(qiáng)度較高且焊接性能較好的鍛鋁。

參考文獻(xiàn)

[1]丁德志，金來(lái)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(dá)技術(shù)，2016.