毫米波有源相控陣裂縫天線制造工藝專業(yè)技術.doc

Technical Proposal for SAC 3-Pluse And Shielded Room 毫米波有源相控陣裂縫天線制造工藝技術管理提醒： 本帖被 大秦 從 雷達 移動到本區(qū)(2007-11-26)圖片： 圖片： 毫米波有源相控陣裂縫天線制造工藝技術 姚春蓉 (中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036) 摘要：介紹了機載毫米波有源相控陣雷達裂縫面陣天線的結(jié)構(gòu)、技術要求以及制造難點，對天線制造的工藝方案、工藝路線以及加工方法進行了詳細闡述，并對主要工藝技術難題的解決進行了分析探討。關鍵詞：雷達；毫米波；有源相控陣裂縫陣天線；制造工藝 Technology for Making a Certain Millimetre-wave Active Phased-array Radar Cracked-array Antenna YAO Chun-rong (Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China) ：The structure,technica requirements and making difficulties of a certain millimetre-wave active phased-array radar crack-array antenna are introduced. The technological project, process and methods are expatiated in detail , and solutions to main technological difficulties are analyzed and discussed.： Radar; Millimetre-wave; Active phased-array cracked-array antenna; Making technology 一、引言現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭要求機載雷達作用距離遠、能對多個目標進行搜索與跟蹤、自身生存能力強、完成多功能多模式工作，并且可靠性高，維修性好。有源相控陣技術具有上述諸方面的優(yōu)勢，成為現(xiàn)代機載雷達的優(yōu)先選用技術。本文對機載毫米波有源相控陣雷達裂縫面陣天線的結(jié)構(gòu)特點、工藝方案和主要工藝技術難點及解決措施進行了分析和探討。 二、裂縫陣天線結(jié)構(gòu)特點與技術要求毫米波裂縫陣天線是機載有源相控陣雷達的重要組成部分，也是關鍵部件之一。該天線由若干個裂縫線源組合成裂縫面陣，每根線源裂縫寬小于1 mm，深度和傾角各不相同，尺寸精度要求高，波導精度達國家II級波導要求。由于單個裂縫線源的厚度很小，除去波導腔體內(nèi)尺寸,單邊壁厚只有0.47 mm，要實現(xiàn)長300多毫米的裂縫線源與功分器的硬連接相當困難，為此，在進行4單元裂縫陣研制時 結(jié)構(gòu)上采用了裂縫線源與功分器一體化的結(jié)構(gòu)形式, 將單根天線的裂縫線源和功分器波導腔體做在一塊鋁板上，再將這樣相同的多個腔體同向重疊焊接后開裂縫，形成完整的裂縫面陣（見圖1和圖2，圖2為4單元裂縫陣天線示意圖）。該毫米波裂縫陣天線的主要工藝技術難點表現(xiàn)在：（1）裂縫陣的加工；（2）組裝精度的保證；（4）焊接技術的保證；（3）加工變形的控制；（5）裂縫陣毛刺的清理；（6）天線“三防”的解決。由于天線結(jié)構(gòu)緊湊尺寸精度要求極高，加工難度很大，需要進行工藝方法和工藝參數(shù)的摸索。 三、工藝方案和工藝路線的確定裂縫陣天線加工制造中最重要的制約因素是裂縫的加工。目前可用于裂縫加工的方法有以下幾種：1數(shù)控銑削加工數(shù)控銑主要依靠數(shù)控機床的高精度保證天線裂縫陣各尺寸和形位精度要求，銑加工中最突出的問題：一是刀具，由于裂縫寬度很窄，所選銑刀尺寸很小剛性低有效切削刃短，加工中斷刀的幾率大，一旦出現(xiàn)斷刀容易形成表面缺陷，對裂縫尺寸精度的影響很大；二是變形問題，銑加工中切削熱的釋放容易引起裂縫變形，影響使用；三是毛刺問題，銑削后縫隙毛刺的清理是一項復雜而費力的事情，如果清理不徹底，將嚴重影響天線的電氣性能。2線切割加工隨著高精度數(shù)控線切割機床的不斷發(fā)展，線切割加工以其變形小、尺寸精度高而得到了普遍的應用。線切割加工裂縫以直縫加工最具優(yōu)越性，傾斜縫的加工需要改裝線切割設備，主要應用在單根天線的加工。3電火花加工電火花加工裂縫天線具有加工變形小尺寸精度高等優(yōu)點，缺點是存在電極損耗，主要技術難度在于電極的制造。4激光加工用高精度數(shù)控激光設備加工裂縫應該是目前幾種方法中最佳的選擇，激光加工具有如下優(yōu)點：(1)不受刀具尺寸和剛度限制，激光光斑大小可以聚焦到微米級，能量密度高，輸出功率可以調(diào)節(jié)，可加工裂縫寬度可達0.01 mm；(2)激光加工屬于非接觸加工，沒有明顯的機械力，加工速度快,熱影響區(qū)小，可以防止加工變形；(3)沒有工具損耗，保證加工尺寸精度一致性；(4)無毛刺，受激光光斑照射區(qū)域的金屬以蒸氣形式快速爆炸式高速噴射而出，不存在毛刺。激光加工適用于各種裂縫和裂縫面陣的加工，但由于影響因素多，需反復試驗尋找合理的工藝參數(shù)才能達到所需加工精度和表面粗糙度要求。根據(jù)以上分析，考慮到研制進度要求，結(jié)合本單位實際加工能力，選擇了數(shù)控銑削加工方法，采取先利用高精度數(shù)控設備銑出平面波導型腔，再組裝焊接，然后用高精度數(shù)控設備加工裂縫的工藝路線。裂縫加工刀具采用美國進口硬質(zhì)合金銑刀，直徑 1 mm，能滿足小于1 mm寬裂縫的加工要求；通過工藝試驗，確定銑加工切削工藝參數(shù),最大程度降低切削熱，減小加工變形，減小刀具切削力；組裝精度的保證依靠設計精密的定位夾具滿足要求；采用焊接變形較小的真空鋁釬焊工藝控制焊接變形。 試制過程分階段進行：先用標準波導管進行單根天線的試制，以解決裂縫的銑削難題；然后試制4單元裂縫面陣，以解決組裝和焊接技術裂縫面陣的加工以及加工變形的控制等問題，為更多單元面陣天線的試制提供技術支撐。生產(chǎn)組織時，每階段都預投工藝試驗件（多投12件先行加工），以檢驗電路和結(jié)構(gòu)設計的正確性，驗證工藝方案的可行性以及摸索確定工藝參數(shù)。 四、主要工藝技術難題及解決措施1加工和焊接變形的控制（1）加工變形的控制為滿足組裝前單個裂縫線源外形尺寸和兩面平行度要求，考慮到薄鋁板加工變形很大,工藝上采取：選用厚板毛坯，去掉板材軋制過程中形成的表面高應力層；以加工腔體的方法在數(shù)控加工中心（MIKRON）采用高速切削原理分粗精銑保波導腔體及厚度尺寸精度；工序間輔以多次熱處理去應力校平；最后線切割外形等加工手段,減少組裝前的加工應力變形。因加工裂縫的波導面壁厚很小，若4個裂縫線源組裝焊接前先加工裂縫，則存在以下問題：加工線源波導腔時，由于波導側(cè)壁剛性極低，很容易發(fā)生向內(nèi)塌陷變形；焊接時，波導側(cè)壁邊不便焊料設置，容易造成虛焊或多余焊液流入波導腔形成焊疤不便去除，影響波導傳輸，且焊接變形很大；焊前加工裂縫，波導裂縫面被分割成無數(shù)小的懸臂薄片，單個薄片剛性更低，變形傾向更大，整個波導裂縫面將變成波紋狀排列的傘形齒，無法校形，無法焊接，更無以保證組裝后裂縫面陣的平面度要求。為此，工藝上采?。汉负蠹庸ち芽p；在開裂縫的波導側(cè)壁預留加工余量，焊后再加工保壁厚；根據(jù)德國切削物理學家Salomon切削理論，采用高速切削降低切削熱等措施，解決了薄壁加工和焊接變形、焊料設置和裂縫面陣的高平面度等問題。（2）焊接變形的控制在控制焊接變形方面，采用焊接變形較小的真空鋁釬焊工藝，并按照工藝試驗件確定的焊接工藝參數(shù)進行焊接，包括焊料厚度的選擇、焊料布局、焊接溫度和時間的設定，以及焊前裝夾方式的確定等來減少焊接變形。2 組裝定位精度的保證組裝裂縫面陣天線時必須保證：各單元波導入口的相對位置精度；裂縫面波導窄邊內(nèi)壁處于同一平面內(nèi)，否則將導致天線與T/R組件無法連接、后續(xù)加工裂縫時部分裂縫不通等現(xiàn)象。為此工藝設計時，設計制作高精度的定位芯子定位各波導口的相對位置，保證各單元線源波導窄邊內(nèi)壁處于同一平面內(nèi)，并用定位銷作固定，從而保證了以上要求。同時，定位芯子還將在后續(xù)裂縫陣加工中，起工藝基準作用。3高精度天線裂縫陣的加工（1）機床選擇和切削參數(shù)的確定為保證天線裂縫陣各尺寸和形位精度要求（56級左右），選擇在高精度數(shù)控加工中心（MIKRON）進行加工，該機床定位精度和重復定位精度都在0.008 mm以上，可進行高速切削，避免切削熱引起的加工變形。通過工藝試驗件和單根天線的加工，確定滿足設計要求的工藝參數(shù)。（2）加工刀具的確定加工小于1 mm寬的裂縫需要特殊刀具。選用美國進口專用硬質(zhì)合金銑刀，該銑刀尺寸和剛度能滿足裂縫的加工要求。（3）裝夾定位方式和加工順序的確定以組裝時的定位芯子定位找正，使各天線單元線源波導內(nèi)壁平行于加工平面，從而保證加工后裂縫面壁厚的均勻性。由于鋁釬焊強度有限，為防止加工時切削力拉傷裂縫面，加工順序確定為：找正精銑底面精銑裂縫面精銑裂縫陣。4.裂縫陣毛刺的清理 4個腔體重疊焊接后，形成4個半封閉的波導腔（圖2），在兩端封閉情況下整個天線的加工性較好，但加工裂縫時進入線源波導腔的切屑和毛刺無法清除，將嚴重影響波導傳輸。為方便切屑的清除和組焊時定位裝夾，采取兩端先銑通，最后焊接兩端蓋板的結(jié)構(gòu)形式。毛刺的清理主要靠高級鉗工使用各種自制工具（小銼刀、小鉤、芯片等）進行手工清理，需要操作者具有認真負責、耐心細致的工作態(tài)度和工作作風。 五、有待繼續(xù)試驗研究解決的問題1天線“三防”問題本階段主要解決加工實現(xiàn)問題，未對天線的“三防”措施進行細致的考慮，在實際裝備中必須根據(jù)設備環(huán)境條件進行有效的“三防”處理。2電解去毛刺問題受目前條件限制，采用手工去除裂縫陣和波導腔內(nèi)的毛刺比較麻煩，不適應將來批量生產(chǎn)的需要，應采取快捷有效的工藝方法來解決?？紤]采用電解法去毛刺，但需要經(jīng)過工藝試驗，摸索電解工藝參數(shù)。 六、結(jié)束語毫米波裂縫陣天線結(jié)構(gòu)尺寸小，精度要求高，加工難度大，通過工藝試驗和設計精密的工裝夾具，應用高精度數(shù)控加工設備、數(shù)控焊接設備，依靠高級技師精湛的技藝，成功完成了4單