张 舒 杜 兵 王 帅

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所，扬州 225101）

在微波器件的设计中，波导腔体的精度要求是随着波导口径的不断减小而增加，而且内腔结构也比较复杂。毫米波喇叭尺寸小，精度高。例如，BJ320矩形波导口径尺寸偏差为±0.02 mm，表面粗糙度要求为0.8～1.6 μm。生产过程中最突出的问题是微波器件内腔精度要求高，传输的电性能不满足指标要求。本文针对毫米波喇叭的技术要求，在工艺分析的基础上合理安排工艺路线，开展相关工艺试验。

1 结构工艺性审查

毫米波喇叭不仅形状复杂，而且精度要求高。在结构工艺性审查时，工艺人员积极与设计师沟通，借鉴同类产品的生产经验，认为采用整体机械加工是不可行的，必须对毫米波喇叭结构进行工艺性优化设计，分解成具有可加工性的零件[1]。经过多次讨论，最终将毫米波喇叭拆分为3个部分，分别为前腔、八面体腔和后腔。过渡处采用法兰盘对接，通过圆柱销定位与螺钉连接，如图1所示。

毫米波喇叭材料选用铜合金，前腔和后腔的结构采用上、下片形式，将机加工困难的多面体内腔独立出来。这种结构形式将复杂腔体分解为多个简单波导连接，减小毫米波喇叭的生产难度，有利于提高产品合格率。

2 工艺方案

2.1 工艺分析

按照毫米波喇叭的结构形式可将其分为两种类型，前腔和后腔属于上、下片类型，中间八面体腔属于异形腔体类型。前腔和后腔的外形不规则，定位基准面小，壁厚薄，受力容易变形。总结以往的加工经验，增加工艺基准用于定位。八面体腔的形状复杂，难以用机加工方法制造。对于这种垂直于波导轴线的截面形状及尺寸沿着轴线而变化的过渡波导器件，采用电铸成形。电铸具有极高的复制精度和重复精度，适于制造具有复杂形状和精度要求高的零件[2]。

2.2 前腔和后腔的工艺过程

前腔和后腔将口径中心作为设计基准，加工时受形状限制不能用中心定位，只能用外表面定位。由于外表面对于口径中心存在对称度误差，会造成定位误差，因此采用定位销孔作为工艺基准，销孔尺寸偏差为±0.01 mm。它的精度要求高于前腔和后腔的尺寸精度，可以将定位误差控制在允许范围内。先加工毛坯外形作为粗基准定位，后由加工中心粗加工，待热处理后再精加工。前腔和后腔的工艺过程为“备料→粗加工→热处理→精加工→修整抛光→试装→表面处理→装配”。

2.3 八面体腔的工艺过程

电铸波导的芯模材料一般选用铝合金，然后在芯模上电铸铜，退除芯模后再在内表面镀银。合理设计芯模是电铸的第一步。芯模的设计如图2所示。

外、内棱角均应进行倒圆，其外棱倒圆的圆弧半径为1 mm。内角倒圆的圆弧半径不得小于电铸层的厚度值，以免电铸层内棱角处太薄而外棱角处过厚[3]。电铸波导两端应预留加工余量，以便切去端头的不良电铸层。此外，至少一端有不电铸表面，以作为机加工的工艺基准。图2中双点划线区域为不电铸表面。银钎焊时用弱还原焰加热零件，有利于加热温度均匀。达到钎焊温度时，在焊缝处加入银基钎料，进而利用毛细漫流作用完成零件的钎焊[4]。八面体腔的加工工艺过程为“备料→加工芯模→修整抛光→电铸→热处理→加工外形→腐蚀内芯→焊接法兰盘→精加工→修整抛光→表面处理”。

3 工艺试验

3.1 试验材料与方法

3.1.1 试验材料

毫米波喇叭的前腔和后腔选用材料为热轧黄铜板H62，八面体腔选用材料为标准阴极铜。

3.1.2 试验方法

机械加工采用北京精雕三轴CNC加工中心JDCT1200T，选用硬质合金铣刀，通过在样件上试切选取最优的工艺参数。电铸按照工艺规范的要求进行，分别采用直流电铸工艺与周期换向电流电铸工艺对电铸层性能进行比较。电铸波导的钎焊采用火焰银钎焊，对比不同焊前处理方式的焊接质量。

3.2 喇叭内腔加工试验

铣削时，用立铣刀粗加工喇叭内腔，去除喇叭内腔绝大部分材料，预留精加工余量，再用小直径立铣刀精加工至最终尺寸。切削用量对切削力和切削温度都有影响，尤其是精加工时，合理设置数控加工程序可以提高表面切削质量。查表确定切削速度和进给量，然后计算机床主轴转速和进给速度，计算公式为[5]：

式中：n为主轴转速，r·min-1；vc为切削速度，m·min-1；d为刀具直径，mm；vf为进给速度，mm·min-1；fz为铣刀每齿进给量，mm；n为主轴转速，r·min-1；z为所选铣刀的齿数。

采用硬质合金铣刀切削铝合金时，常用切削速度为200～500 m·min-1。当刀具直径为1 mm左右时，所需的主轴转速至少为6×104r·min-1，一般设备无法达到。在无法达到最佳主轴转速的情况下，小直径刀具多采用小切深、中进给的工艺参数，保持切削力较小和良好的散热。粗加工时，可选较大的每齿进给量，以提高加工效率。精加工时，为了满足加工精度和表面粗糙度要求，应将每齿进给量控制在0.05 mm以内。数控编程生成NC代码上传至加工中心进行试切加工，总结切削试切经验选取工艺参数。粗加工时，采 用3 mm的2齿 刀 具，vf为600 mm·min-1，n为5 500 r·min-1，每齿进给量为0.05 mm。精加工时，采用2 mm的2齿刀具，局部区域采用1 mm的2齿刀 具，vf为200 mm·min-1，n为5 000 r·min-1，每 齿进给量为0.02 mm。

3.3 八面体腔的电铸试验

为了达到设计要求的复杂型面和表面粗糙度，电铸溶液必须具备较好的分散能力和覆盖能力，保证电铸层均匀、致密。徐惠宇进行了直流电铸和脉冲电铸试验，对金相结构、孔隙率和微观硬度等方面进行分析和测量，发现脉冲电流能够细化晶粒、提高微观硬度等[6]。研究成果表明，脉冲电铸工艺能改善产品性能。

硫酸盐电铸铜工艺的分类有两种：一是按电源输出波形划分；二是按溶液含量划分。按照电源划分时，可分为直流电铸和周期换向电铸。通常对溶液的分散能力和覆盖能力要求高的场合才使用后者。按照溶液含量划分时，可分为高主盐低硫酸型和低主盐高硫酸型。通常对溶液的分散能力和深镀能力要求较高的场合才使用后者。对电铸层的均匀性要求高时，应采用低主盐高硫酸型溶液，并采用周期换向电源进行电铸。电铸试验采用低主盐高硫酸型溶液，对比直流和周期换向电流的八面体腔电铸层性能，测试结果如表1所示。

表1 电铸层性能测试结果

从试验结果可以看出，当电铸铜层比较厚时，直流电铸铜层的强度与塑性明显降低，而周期换向电流电铸铜层仍有相当高的强度与塑性。

3.4 八面体腔的钎焊试验

焊接时，出现过电铸波导和法兰盘钎焊时波导口径尺寸变形的现象。雍定郑从零件结构、加工方法以及内部组织变化等方面开展研究，通过热处理工艺使高频微波组件尺寸稳定的方法来解决变形问题[7]。口径尺寸变形的问题还需要进行试验探索。试验采用两种方案，第一种按照波导管钎焊的通用方法，第二种采用箱式炉热处理预热后再钎焊。钎焊试验口径尺寸测试数据见表2。

表2 钎焊试验口径尺寸测试数据

从试验数据可以看出，热处理电铸试样比未热处理电铸试样尺寸变形小，尺寸变形量在公差范围内。可见，热处理可以改善材料的组织性能和尺寸稳定性，解决口径尺寸变形的问题。

4 结语

通过开展毫米波喇叭制造工艺研究进行加工、电铸和钎焊试验，优化工艺参数后研制的毫米波喇叭满足设计要求。结构、工艺与生产的共同协作是关键环节，一方面从结构工艺性出发协同设计结构与工艺，另一方面针对特殊形状等要求优化工艺参数。