高速切削加工在平板裂缝天线中的应用

陈陆帮 伍万斌 余洪利 白海峰

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230031）

铝合金平板裂缝天线由于具有高增益、低副瓣、体积小、重量轻、携带方便及其优良的电讯性能，在机载火控、导弹制导以及无人机等领域均有广泛应用。但其结构复杂、精度要求高、成本高和加工易变形。本文通过对裂缝天线在加工过程中充分利用高速切削加工工艺方法，对加工质量、效率等有效控制进行详细阐述。

1 各层零件机械加工难点

（1）第1层为平板类零件，从图1大致可以看出整个辐射板上有200多个长宽不等、对波导腔中心的偏置尺寸不同、精度很高的狭缝槽，缝槽尺寸均不等，整个底面的平面度为0.05 mm，壁厚为1 mm，是一个大面积的铝合金薄壁结构件，该零件装夹难度高，裂缝内圆角R≤0.4 mm，在加工过程中因零件的抖动容易断刀。

（2）第2层为盒体类零件，内腔底面壁厚为1±0.02 mm，平面度0.1 mm，加工过程中由于材料内应力重新分配及工件受热导致底面变形，底壁厚度公差±0.02 mm很难控制，而且工件外形较大，普通压板或虎钳装夹存在问题。

（3）第3层为波导腔零件，两面都有台阶结构，第1面加工完后第2面同样存在装夹困难问题，且内腔圆角R≤0.4 mm，深度8.25 mm，属于深圆角，用普通加工方法及刀具根本无法加工。

（4）法兰盘作为天线整件与馈线连接部分，要求定位精确，如何保证波导连接口面与波导腔对称度±0.02 mm，也是一个难点。

2 高速切削技术的应用

高速铣削一般采用高的铣削速度，适当的进给量，小的径向和轴向铣削深度。铣削时，大量的铣削热被切屑带走，因此工件的表面温度较低。本文加工所采用的设备为高速铣削中心C1200V，转速可以达到30 000 r/min。随着铣削速度的提高，铣削力略有减小，表面质量提高，加工生产效率随着增加。图2为铣削速度对加工性能的影响。

由于铣削力较小，工件热变形减小，高速铣削的精度很高。铣削深度如果较小，而进给较快，这样加工表面的粗糙度值很小，铣削铝合金时可达Ra0.4～0.6 μm，铣削钢件时可达Ra0.2～0.4 μm。

3 机械加工工艺方案

3.1 工艺流程

传统的工艺方法为了控制加工变形，需要采用多次粗加工和退火去应力，以控制工件内应力，减小变形，这样加工效率极为低下。普通机床在加工薄壁件时由于切削力较大，工件容易产生变形，且受机床主轴转速限制，无法使用直径小于1.5 mm的刀具;即使勉强使用，也会造成在加工小圆角时频繁断刀。而高速切削加工由于机床转速高达30 000 r/min以上，相对于传统数控切削加工的切削力小30%左右，切削热98%以上被切屑和刀具带走，故加工引起的变形较小。因此，可利用高速铣削对工件进行精加工来减小工件变形。

图3是传统工艺方法与高速切削工艺方法的对比。通过两种工艺方法的对比，在加工周期的控制上，传统工艺方法大致需要3～4周的加工时间，而采用高速切削的工艺方法，仅需要3～4天的时间，效率提高明显。

3.2 高速铣削编程与仿真

3.2.1 编程软件的选择

高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了高速切削机床和高速切削刀具，合适的CAM编程软件也是至关重要的。国内外比较成熟适用于高速加工编程的软件有西门子公司的UnigraphicsNX、英国Del-CAM公司的 PowerMill、以色列的 Cimatron，美国 CNC Software，Inc。本文所采用的编程软件为美国 CNC Software，Inc公司开发的CAD/CAM一体化软件Mastercam。

3.2.2 数控编程的优化

数控编程时，首先要注意加工方法的安全性和有效性;其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命;最后要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命.

（1）保持恒定的切削条件

随着高速加工的进行，保持恒定的切削载荷非常重要，可以采取高速顺铣、冷却液连续冷却的切削加工方式。在加工参数方面采用高转速（25 000 r/min），小吃刀量（1 mm/刀）分层切削。下刀采用螺旋式，进刀方式为行切，加工顺序为从中间向两边对称加工。在加工R0.4 mm圆角时先采用直径1 mm刀铣出，再用直径0.8 mm的刀具分层（0.05 mm/刀）精铣。

（2）保持相等的材料去除率

在高速切削加工过程，保持恒定的加工去除率，首先要控制切削余量的均匀性，可以很好地保证切削尺寸的稳定和切削热的带走。此外，刀具受力均匀，也延长了刀具的寿命。同时，工件的粗糙度得到有效保障。

（3）高速切削走刀方式的选择

在高速切削加工中，走刀方式的选择对工件的加工质量有着重要的意义。对于带有敞口型腔的区域，应尽量从材料的外面走刀。对于没有型腔的封闭区域，宜采用螺旋进刀方式，在局部区域进行切入。在高速切削加工中，由于机床加速的局限性，容易造成时间的浪费，急停或急动则会破坏表面精度，且有可能因为过切而产生拉或在外拐角处咬边。所以应尽量减少刀具的急速换向，选择单一路径切削模式进行顺铣，不中断切削过程和刀具路径，尽量减少刀具的切入切出次数，以获得相对稳定的切削过程。

加工仿真见图4。

3.3 装夹方式的选择

因为工件为薄壁空腔结构，面积较大，采用虎钳装夹会有一个侧向力引起工件翘曲变形;压板装夹只能压紧四周，中间部位同样会有翘曲变形。为此，在加工中我们采用真空吸盘装夹方式吸紧工件，以防止加工振颤和变形。

真空吸盘加工的前提条件是定位面必须是平面，不能有台阶结构，所以第三层波导腔台阶工件只能用真空吸盘装夹加工第一面;加工第二面因第一面已有台阶无法使用真空吸盘装夹，为此我们利用工件第一面上的螺纹孔采取背面螺栓拉紧吊装原理来装夹。具体装夹方式见图5。

3.4 高速切削的刀具

高速切削时，对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具材料和允许的切削条件，才能获得最佳的切削效果。据此，针对目前生产中广泛应用的铝合金、铸铁、钢及合金和耐热合金等的高速切削，已发展的刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具等。

目前在高速铣削加工中，应用最多的是整体硬质合金刀具，其次是机夹硬质合金刀具。在高转速下应用机夹刀具加工时，应注意刀具的动平衡等级以及最高许用转速。

4 结语

平板裂缝天线是机载和星载预警雷达、合成孔径雷达的关键组件，它的制造精度的高低将直接影响到雷达的性能，通过高速切削加工的合理应用，解决了传统工艺方法效率低下的缺点。采用高速铣削制造平板裂缝天线的工艺方法在我所已经很成熟，但是造价高昂的高速铣以及主轴寿命的限制决定了其成本也很高。后期，我们将利用普通加工中心制造裂缝天线进行试验，在保证天线电讯性能及技术指标的基础上，以降低加工制造成本。

［1］张伯霖.高速切削技术及应用［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［2］机械工程手册［M］.北京:机械工业出版社，1996.

［3］金属机械加工工艺人员手册［M］.上海:科学技术出版社，1979.

［4］林朝平.模具数控高速切削加工的工艺分析与工艺处理［J］.制造业自动化，2007（9）:60－61.

［5］周华，石彦华.高速切削机床的关键技术及其应用［J］.现代制造工程，2008（8）:124－127.