 摘 要：針對雷達用高精度波導管的特點，采用壓鑄和拼裝工藝，生產出滿足技術要求的波導管零件。通過分析波導管的工藝難點，開展了YL113合金的氣體含量控制、壓鑄工藝優(yōu)化以及配套工裝裝配工藝研究。結果表明，通過惰性氣體精煉和真空除氣處理，可有效降低合金熔體內氫含量，保證合金內部質量；通過澆道設計和壓鑄工藝優(yōu)化，保證了喇叭、十字筋鑄件的尺寸精度，且鑄件屈服強度大于270 MPa，伸長率大于2 %；采用退火、自然時效處理以及裝配工裝，有效保證了波導管的裝配尺寸精度，產品合格率達91%。 波導管是一種空心、內壁十分光潔的金屬導管或內敷金屬管，主要用于傳送超高頻電磁波,是雷達上將電磁脈沖信號從電磁波發(fā)生器傳導至發(fā)射陣面的重要零部件。目前，隨著雷達整體系統(tǒng)的改進和提升，波導產品的設計要求越來越高，尺寸精度從±0.15 mm提升到±(0.05～0.1) mm，部分近波源零件和極化器精度要求已經(jīng)達到±0.02mm；部分發(fā)射接收口喇叭的表面粗糙度由原來的Ra3.2～6.3提升到現(xiàn)在的Ra1.63.2，接近機加工水平。相控陣雷達用波導管零件除要求高精度與良好的表面質量外，還對波導零件減重提出了要求，因此采用鋁合金波導管替換原銅質波導管，以期達到增加陣面數(shù)量的同時不過分增加雷達體積并達到雷達減重的目的，大大增加了波導管的生產難度。本課題采用壓鑄與拼裝結合的方式，成功制備了滿足技術要求的新型鋁合金波導管零件，為后期大型相控陣雷達型號生產任務提供參考。 1、波導管零件工藝設計 1.1 新型波導管零件特點及技術要求 1.1.1 波導管結構及使用特點 鋁合金波導管結構見圖1，該零件結構特點如下：波導管為壓鑄拼裝件，外圈為喇叭殼體，內部為十字形加強筋，輪廓尺寸為200 mm×75 mm×75 mm；零件要求壁厚均勻，平均壁厚為0.9～1.5 mm；十字筋與喇叭殼體采用膠結裝配，并用鉚釘加強連接；波導管是相控陣雷達用重要部件，使用過程中承受一定振動載荷，因此對鑄件內部品質要求較高。
圖1：新型波導管結構示意圖 1.1.2 技術要求 喇叭殼體材料選用YL113合金，要求為去應力態(tài)，抗拉強度σb≥250 MPa，伸長率δ5≥1.5%。壓鑄件表面應無冷隔、裂紋、縮孔等缺陷，尺寸精度為±（0.05～0.1） mm，表面粗糙度控制在Ra1.6～3.2內。十字筋材料為6063，化學成分符合GB/T 3190-2008要求，力學性能和熱處理狀態(tài)不作要求。裝配后波導管尺寸精度控制在±（0.05～0.1）mm。 1.2 波導管技術難點分析 （1）壓鑄件局部壁厚0.5mm的尺寸控制 雖然YL113合金具備優(yōu)良的鑄造成形性能，但在壓鑄成形過程中直接凝固成0.5 mm壁厚仍存在較大難度，極易導致充型不足。 （2）壓鑄件尺寸精度的控制 直接以壓鑄成形方式保證零件尺寸要求，比較困難。壓鑄件不但壁?。ㄗ畋√?.5 mm），合金在凝固過程中會產生收縮，微小的尺寸變化就會導致尺寸精度超標。 （3）波導管裝配尺寸精度的控制 壓鑄件與十字筋拼裝后要求精度極高，其中大口處尺寸精度要求控制在±0.1 mm內，小口處尺寸精度要求控制在±0.05 mm，這對裝配工藝與裝配工裝提出了極高的要求。 （4）波導管的應力消除技術 為了防止波導管在服役過程中發(fā)生大尺寸變形（不滿足使用要求的尺寸變化），需要將波導管的鑄造應力去除，但對于拼裝件來說，消應力過程中極易導致裝配尺寸超差。 2、過程控制及方法 2.1 YL113合金氣體含量控制 合金中的氫和夾雜物是影響合金性能的重要原因。通常情況下，隨著針孔等級的增加，力學性能呈直線下降，針孔度每增加一級，抗拉強度下降約6%，伸長率下降約11%；合金中的夾雜物會割裂合金基體，在零件振動時，這些夾雜物又成為裂紋源頭。因此，采用惰性氣體精煉和真空除氣對合金熔體進行純凈化處理，減少合金污染，同時能有效去除熔體中氣體（主要為氫）和固體夾雜物。表1為經(jīng)惰性氣體精煉后的氫含量?？梢钥闯?，隨著惰性氣體噴吹，鋁熔體中的氫含量明顯降低，當噴吹至30 min時，熔體中氫含量保持穩(wěn)定，降至0.03 ug/g。表2為惰性氣體精煉后，再對熔體進行真空除氣處理的氫含量變化。可以看出，真空除氣可以進一步減少熔體內的氫含量，真空除氣10 min，即可將熔體內氫含量控制至0.02 ug/g。圖2為純凈化處理前后的試樣內部質量照片，可以明顯看到經(jīng)惰性氣體精煉和真空除氣后，合金內部針孔情況明顯改善。
表1：YL113合金在不同精煉時間后鋁液中的氫含量 μg/g
表2：精煉30 min+真空除氣的鋁液中的氫含量
圖2：熔體處理前后的合金X光射線照片 2.2 壓鑄工藝設計 采用YL113壓鑄合金，但Zn元素取合金成分上限（實測值為2.83 %），以增加合金流動性和充型能力，同時降低鑄造Al-Si合金的自然時效傾向。圖3為喇叭殼體和十字筋的壓鑄模具實物圖。圖4為喇叭殼體的澆注系統(tǒng)。合金液從下至上（合金液從大口徑端進入，流向小口徑端）注射，壓鑄口設置近直角澆口，可有效起到合金液緩沖的作用，同時減少氣體卷入，降低合金氣體含量。在小口徑端左右兩側設置排氣口，兼具集渣和冒口的作用。同時，為保證喇叭鑄件表面粗糙度，壓鑄用模具表面采用超聲波鏡面拋光工藝，確保模具表面粗糙度控制在Ra0.8以內。
圖3：喇叭殼體與十字筋壓鑄模具
圖4：喇叭殼體澆注系統(tǒng) 采用上述澆注系統(tǒng)，優(yōu)選壓鑄工藝參數(shù)，實現(xiàn)喇叭殼體壓鑄成形最優(yōu)化。為避免鑄件表面出現(xiàn)流紋、冷隔以及拉毛等缺陷，適當提高喇叭的壓射速度，提升至300~380 mm/s。同時，適當提高水基脫模劑的稀釋比例（脫模劑采用聚乙烯+煤油，將聚乙烯塊浸泡在煤油中加油至80 ℃?zhèn)溆?，脫模劑原配比?：80，現(xiàn)采用配比為5：95），以減輕脫模劑濃稠度高對表面質量的影響；模具內采用循環(huán)模溫油，控制模具使用溫度，避免由模具超溫或失溫引起的表面氣泡或水波紋等缺陷。經(jīng)過實際生產驗證，喇叭壓鑄工藝見表3。十字筋結構簡單，沿用喇叭壓鑄工藝。
表：喇叭殼體的壓鑄工藝參數(shù) 2.3 裝配膠結工藝 喇叭裝配過程主要涉及喇叭殼體內壁與十字筋拼裝，拼裝后尺寸精度要求較高（±0.02 mm）。使用專用工裝，固定、銑削十字筋小端面，保證小端面平整度；同時去除毛刺，保證十字筋表面光潔度。十字筋加工工裝見圖5。 設計專用工裝，將喇叭殼體與十字筋分別定位，依次涂刷底涂劑及導電有機硅密封劑，最后將十字筋裝配（裝配示意圖見圖6）于喇叭內，清除內表面殘膠（清膠工裝見圖7）。為加強十字筋與喇叭殼體的結合強度，在十字筋與喇叭殼體上錠入細鉚釘絲，并滴入502膠水加固。最后，將裝配好的喇叭拼裝件固定在大端面加工工裝上對大端面進行銑削，可以有效保證零件整體尺寸精度。該裝配工藝克服了傳統(tǒng)整體壓鑄與釬焊成本高、質量不穩(wěn)定的問題，有效降低了波導管鑄件的經(jīng)濟成本，且制造周期大大縮短。
圖5：十字筋端面和側面機加工工裝示意圖
圖6：外型裝配工裝、外型裝配示意、十字筋裝配工裝、十字筋裝配示意
圖7：十字筋內腔根部除膠工裝示意圖 3、結果驗證 3.1 內部質量 雖然壓鑄件技術要求未對鑄件內部質量進行等級要求，但為克服服役過程中的振動疲勞問題，依然需保證鑄件具備良好的內部質量。采用X光檢測了零件的內部質量，喇叭外殼與十字筋內部均無明顯氣孔與夾雜缺陷，內部質量達到GB 9438-99Ⅱ類鑄件要求，屬于優(yōu)質壓鑄件，實現(xiàn)一次試制成功。 3.2 尺寸檢測 采用上述裝配工裝和工藝過程，有效保障了波導管零件的批次合格率。經(jīng)三坐標檢測關鍵尺寸，波導管零件關鍵尺寸全部滿足技術條件要求，具體檢測結果見表4。 表4：波導管關鍵尺寸檢測結果 3.3 熱處理及變形控制 采用弱退火+長時間自然時效的方式減少喇叭和十字筋零件殘余應力，控制零件的變形程度，最終保證裝配與加工的尺寸精度。退火工藝為120 ℃+1 h，空冷放置15天。由于自然時效過程中，零件內部能量釋放較為緩慢，可有效降低零件內部應力水平，減小后續(xù)校形和加工的變形程度。通過該熱處理工藝的實施，波導管零件批次合格率可達91%，批次合格率穩(wěn)定。 3.4 壓鑄件性能 自然時效后，對喇叭外殼進行局部解剖取樣，進行拉伸試驗，試驗結果均達到技術指標要求，拉伸試樣結果見表5。合格的波導管零件見圖7。
表5：喇叭外殼切取性能
圖7：合格的波導管 4、結論 (1) 采用真空除氣、惰性氣體精煉的方式，有效減少了熔體中氫含量，喇叭外殼鑄件內部質量達到GB 9438-99 Ⅱ類要求。 (2) 通過澆道設計和壓鑄工藝優(yōu)化控制，可生產出尺寸精度和力學性能均合格的喇叭和十字筋部件。 (3) 采用退火+自然時效處理和專用裝配工裝，可有效保證波導管的尺寸精度，產品合格率達91%。
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