异形波导腔体成型工艺研究

0 引 言

作为雷达馈线系统的枢纽，方位旋转铰链的制造精度对雷达的性能有很大影响。某三路方位旋转铰链主要由A波段上通道、A波段下通道、B波段上通道、B波段下通道、C波段通道、内导体等部件组成。本文所述异形波导腔体(图1所示)是铰链的关键部件，其加工精度对电性能有着极大的影响。异形波导腔体内腔分别为A、C波段微波通道，外壁是B波段微波通道的组成部分。异形波导腔体还作为后续装配定位基准，其尺寸精度、形位公差精度要求极高。在试制阶段因钎焊工艺参数选择不太合适及电铸芯模精度参数等问题导致异形波导腔体成品不满足设计要求。经过努力，技术人员摸索出了一套合理的成型工艺方法，解决了这一难点，制造出满足结构设计要求的异形波导腔体，为生产合格的三路方位旋转铰链提供了保证。

1 异形波导腔体的结构型式

异形波导腔体的结构型式如图1所示。图中，位号1、位号3部分因安装连接需要做成法兰盘形状；位号2部分(含安装法兰)上下通道为长方形微波通道，类似波导管形式；位号4部分为细长圆管形式。

2 工艺方案选择

通过对异形波导腔体结构型式的分析，借鉴相关产品的实际经验，认为采用整体机械加工是不可能的，必须对异形波导腔体结构进行工艺性优化设计，分解成具有可加工性的零件。按异形波导腔体的结构型式可分解成两部分：左半部由法兰盘1(位号1)、异形波导管(位号2)、法兰盘2(位号3)钎焊组合成波导管组件(见图2)；右半部圆管(位号4)部分由电铸方法成型。异形波导腔体的成型工艺方法采用机械加工、钎焊和电铸组合成型。

图1 异形波导腔体

图2 波导管组件

本方案拟定的异形波导腔体成型工艺过程如下：齐套法兰盘1、法兰盘2、异形波导管→法兰盘1、法兰盘2、异形波导管修配银钎焊间隙→钎焊前清洗→钎焊成波导管组件→焊后清洗→机加工→波导管组件与芯模装配→电铸成型→机加工→退模→机加工→表面处理。

3 关键技术

从异形波导腔体的结构型式和工艺路线可以看出，法兰盘机加工成型较为容易，在此不做介绍。异形波导管及圆管部分成型较难，其主要难点是：(1)异形波导管的成型，(2)波导管组件的钎焊成型，(3)异形波导腔体圆管部分的电铸成型。

3.1 异形波导管的成型

异形波导管的结构型式如图3所示。

图3 异形波导管

异形波导管采用机加工的方法成型。选用黄铜H62棒料，退火后留余量粗铣成长方形，再采用线切割技术加工长方形内腔到尺寸，这样可以获得高精度的波导腔体。以高精度的波导腔体为定位基准，配制专用芯模作为工装，装夹后精铣加工外形的平面及口部台阶部分，而左侧圆形台阶则由车加工完成。需要注意的是，该芯模要同时考虑与车加工装夹的通用性，采用同一定位基准、铣加工与车加工通用工装有利于保证成品精度[1]。

3.2 波导管组件的钎焊成型

波导管组件将作为圆管段电铸成型的基体，其内腔是装配电铸芯模的定位基准，精度要求较高。法兰盘1、法兰盘2、异形波导管所用材料均为黄铜H62，采用手工火焰方法钎焊成型。工艺设计特别要求钎焊以波导管内腔作为定位基准，并设置辅助工装，保证焊接精度。

3.2.1 铜合金的钎焊性

黄铜是铜锌合金。当黄铜含锌量低于15%时，表面氧化物主要由Cu2O组成，其中含有ZnO的微粒；当黄铜含锌量大于20%时，其表面氧化物主要由ZnO组成。铜的氧化物和锌的氧化物比较容易去除，所以黄铜H62的钎焊性比较好。为防止温度过高造成锌的析出和挥发，影响钎缝质量，钎焊黄铜时必须使用钎剂[2]。

3.2.2 钎料、钎剂选择

焊接时选用银基钎料。银基钎料的熔点适中，具有良好的强度、韧性、导电性、导热性和抗腐蚀性。钎焊过程中熔态钎料对母材的润湿主要取决于钎剂的作用。钎焊接头的强度和抗腐蚀性主要取决于钎料以及它和母材的作用和关系。钎剂在钎焊过程中去膜能力要强，对母材腐蚀作用要小，钎缝致密性好，不会形成夹渣，并易于清洗[2]。

3.2.3 钎焊前清洗

需钎焊的工件必须进行焊前清洗，以去除各种油污、较厚的氧化膜，获得良好的钎缝。波导管组件的各组成零件钎焊前清洗均采用以下工艺流程：有机溶剂去油→干燥→化学除油→热水洗→冷水洗→光亮酸洗→冷水洗→钝化处理→冷水洗→热水洗→烘干。

3.2.4 钎焊前装配

钎焊间隙对焊缝质量影响极大。间隙过小，钎料不易均匀漫流；间隙过大，不易填满钎缝，易产生缺陷。通过试验，对钎焊参数进行优化设计，选择最佳配合间隙。在预装配时根据实际尺寸修整间隙来保证设计要求。零件在装配好后不得再进行互换。为保证较好的截面尺寸及形位公差，必须采用辅助焊接工装。零件装配好后在钎缝处涂上调成糊状的钎剂，但不应涂得过多，以免钎料流失造成浪费[3]。

3.2.5 钎焊加热规范

采用手工火焰加热，将零件加热到钎剂熔化(此时温度已接近钎焊温度)再继续对零件进行加热，同时将棒状钎料蘸上钎剂加在零件钎缝适当部位，不允许用火焰直接将钎料吹落。必须使零件均匀加热，不可集中加热某处，防止零件过烧。如果钎料能自动熔化和铺展在零件表面，则表明零件温度以达到钎焊温度，可以对钎缝填充钎料。

3.2.6 钎焊后清洗

钎剂残渣有一定的腐蚀性，钎焊后的零件必须进行清洗。钎焊后的钎缝忌用碱洗，因此钎剂残渣最好用稀酸溶液清洗。钎焊后以较快的速度冷却，有利于增加钎缝的强度，但不能用水激冷[3]。本工艺方案是将工件冷却到100 ℃以下后，放入10%～20%柠檬酸水溶液槽中沸煮，再用冷、热水仔细冲洗干净后烘干(或吹干)。

3.3 异形波导腔体圆管部分的电铸成型

异形波导腔体圆管部分如图1所示位号4部分。

电铸方法可将难于加工的腔体内表面转换成加工芯模外表面，使加工变得较为容易，可以满足设计要求。电铸设计的基本原则是既要满足结构设计要求又要符合电铸制造条件，既要力求加工简单、操作方便又要保证形状精度、粗糙度和连接强度。如何保证波导管组件与圆管部分的连接可靠是异形波导腔体电铸成型的关键技术。异形波导腔体的电铸连接可靠性解决方法如下：

(1) 波导管组件的结构优化设计

由于异形波导腔体的结构特点，需要保证波导管组件与圆管部分电铸成一体后连接强度不低于本体的强度。为达到这一目的，必须考虑改变法兰盘连接处形状，使其电铸层保持平滑过渡，以防止应力突变。因机械加工不可能达到没有台阶的连接，为此将法兰盘2需电铸处由圆柱形改为圆锥形，角度30°，需要将该前端壁厚加工的很薄，控制在0.3 mm以下较为理想。

(2) 电铸芯模设计

电铸芯模材质的选择由产品形状、精度、表面粗糙度要求、成本等因素综合考虑。铝合金作为小批生产的馈线类零件的芯模是一种常用和最经济的制造方法。因波导管组件与芯模采用过盈配合，脱摸困难，故选用一次性使用的铝合金芯模，材质为2A12，既具有足够的强度又便于电铸后的腐蚀退摸。

根据异形波导腔体的结构特点，电铸芯模设计成如图4所示结构型式。

图4 电铸芯模

因异形波导腔体的内外表面粗糙度直接影响微波传输的衰减系数，对电性能影响较大。试验阶段对电铸芯模表面粗糙度要求较低，生产的成品电性能不达要求。工艺优化后，电铸芯模加工精度应不低于波导腔体本身的精度，表面粗糙度要求为Ra0.4～0.8。

(3) 波导管组件与芯模配合形式选择

波导管组件与芯模配合形式如图5所示。

图5 波导管组件与电铸芯模装配示意图

理论分析，过盈配合的电铸连接强度最高。波导管组件与芯模采用过盈配合，过盈量为0.03 mm合适，热套法装配。装配时通过配车加工使波导管组件上的孔与芯模过盈量为0.03 mm左右。波导管组件将加热到80 ℃～100 ℃，经热涨后可以顺利地套在芯模上，冷却后可保持足够的连接强度。特别注意的是，装配后需校正芯模的直线度为0.04 mm。这是保证电铸后形位公差精度的前提条件。

(4) 电铸工艺设计

为满足设计所要求的表面粗糙度，保证电铸层的细致、匀整，电铸溶液必须具备较好的分散能力、光亮性和整平性，沉积速度要快，要稳定和易于调整。电铸时波导管组件与圆管部分的连接处易形成电铸死角，要在相应部位沉积较厚的铜层较为困难，必须增加辅助阳极，并有意识地控制局部电铸的方法来保证异形波导腔体的电铸质量。因生产周期较长，在电铸过程中需要多次将工件取出，去除电铸瘤，并经除油酸洗妥善防护后再继续电铸。为了保护加工基准，各处非电镀面及内腔均需妥善防护。

由于铝合金的性质比较活泼，电铸前必须对铝材进行表面预处理即浸锌处理。浸锌时间和浸锌溶液温度对锌层质量均有重要影响。为获得结构紧密、结晶细致、结合力良好的浸层，选用2次浸锌工艺，即第1次浸锌在质量分数为50%的硝酸溶液中浸蚀15 s，清水洗净后再在第1次浸锌的溶液中第2次浸锌，时间15 s。浸锌溶液温度20 ℃左右时效果最佳[4]。

电铸工艺过程包括前处理、电铸过程和脱模后处理，其过程为：镀前检查→有机溶剂去油→干燥→化学去油→硝酸出光→浸锌酸盐→退锌→2次浸锌→预镀氢化铜→浸稀硫酸→电铸铜→机加工→退模。

(5) 电铸成型后机加工

电铸层厚度达到工艺设计要求后即转入机加工(车加工)。机加工时，要求以芯模预留基准段找正，满足工艺设计要求后加工。加工时注意吃刀量要小，仔细观察电铸层有无缺陷，如有缺陷必须及时处理。

(6) 机加工后的退模

机加工满足结构设计要求后进行退模。为提高生产效率，在电铸芯模两端打孔可以加快退模速度。

4 异形波导腔体的表面防护

异形波导腔体的表面防护采用镀银处理。异形波导腔体安装在三路方位旋转铰链内部。由于三路方位旋转铰链内部属于密闭环境，对异形波导腔体表面进行镀银处理后，不但具有良好的电性能，还可以有效地进行防护。

5 结束语

本文重点介绍了异形波导腔体的关键制造技术，工艺路线合理，通过对工艺参数的优化设计保证了新型结构的实现。采用本文制造技术加工的异形波导腔体符合结构设计要求，装入三路方位旋转铰链后满足装配精度要求。三路方位旋转铰链达到了优良的电性能指标，并在实际使用中得到了验证，合格率为100%，已经用于某重点产品的批次生产。