CC BY
165
УДК 621.923.9
Л. В. Зверинцева, А. С. Сысоев, С. К. Сысоев, П. А. Юнг
ОТДЕЛКА ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВОЛНОВОДОВ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Описан способ отделки внутренних поверхностей волноводов. Процесс обработки осуществляется с использованием войлочного притира, перемещающегося возвратно-поступательно. Шероховатость поверхностей уменьшается с 5...7мкм до 0,3 мкм.
В современных системах электросвязи: радио и телевидении, наведении и локации, устройствах связи, навигационных системах, эхолотах, измерительной аппаратуре - широкое применение нашли волноводные линии передач СВЧ-энергии.
Существенное увеличение скорости передачи и обработки информации, коэффициент полезного действия, стабильность и надежность радиоэлектронных средств, уменьшение габаритов и массы, снижение трудоемкости изготовления - вот задачи, которые стоят перед проектировщиками волноводных линий. Для решения этих задач требуется освоение миллиметрового, субмиллимет-рового и оптического диапазонов, переход на новую элементную базу, создание новых принципов построения и технологий изготовления радиоэлектронных устройств и систем.
Волноводы с круглым и прямоугольными сечениями служат направляющими системами для передачи энергии от передатчика в передающую антенну и от приемной антенны к радиопередатчику. Полые волноводы (рис. 1) состоят из трубы прямоугольного, круглого, эллиптического или более сложного поперечного сечения, имеющей проводящую внутреннюю поверхность и присоединительные фланцы.
Л96, Л63, сплавов алюминия: АД 00, АД31 и АМг2М, меди марок М2, М3 и из сплава 32НКД.
Поставляемые трубы (заготовки) из латуни, алюминия и меди на внутренней поверхности канала могут иметь трещины, вмятины, микродефекты, которые трудно удалить круглыми дорнами. Подобные дефекты снижают качество поверхностного слоя волноводов.
С увеличением частоты СВЧ-тока глубина проникновения его уменьшается и становится соизмеримой с неровностями поверхности металла.
Влияние неровностей поверхностей металла на путь тока показано на рис. 2, откуда видно, что если глубина проникновения тока значительно больше глубины неровностей, то путь тока почти не удлиняется. В этом случае величина неровностей мало сказывается на затухании волны. Если глубина проникновения тока меньше глубины неровностей, путь тока удлиняется и, таким образом, величина неровностей увеличивает потери энергии.
Рис. 1. Волновод прямоугольного, квадратного и эллиптического сечений
Основным преимуществом металлических волноводов по сравнению с двухпроводной симметричной и коаксиальной линиями являются небольшие потери на СВЧ за счет малых тепловых потерь и отсутствием внешнего излучения. Малогабаритные волноводы миллиметрового диапазона должны иметь шероховатость калиброванного участка волноводной трубки прямоугольного сечения - Л до 0,8 мкм и предельные отклонения от номинального размера - ±0,02 мм.
Исходным полуфабрикатом служат трубы круглого, прямоугольного и квадратного сечения из латуни марок
Рис. 2. Влияние микронеровностей токонесущей поверхности на путь тока: а - идеальной; б - реальной поверхности
Все геометрические и точностные параметры волноводов и токонесущих поверхностей являются частотно - зависимыми, т. е. с увеличением частоты передаваемой волны требования по точности и качеству поверхности возрастают.
Экспериментально установлено [1], что при высоте микронеровностей:
- равной глубине проникновения тока, коэффициент затухания возрастает в 1,6 раза,
- вдвое больше глубины проникновения - возрастает в 1,8 раза,
- равной половине глубины проникновения - в 1,2 раза.
Согласно конструкторской документации поверхности приборов АФУ допускается обработка внутренней поверхности волноводов с шероховатостью Яа 1,25, в местах скрутки и гибки - Я 32 с последующим нанесением покрытия из серебра или меди. Чтобы получить более низкие потери энергии шероховатость поверхности не должна превышать половины глубины проникновения тока.
В зависимости от диапазона частот шероховатость обрабатываемых поверхностей заготовок должна соответствовать частоте СВЧ-тока (см. таблицу).
В настоящее время существует тенденция к увеличению частоты СВЧ-тока с целью уменьшения массы изделий и увеличения КПД передающих устройств. Поэтому требования к качеству токопроводящей поверхности возрастают.
Анализ известных технологий показал, что достижение шероховатости поверхности в волноводных трактах для передачи энергии с частотой свыше 3 ГГц используют трудоемкие методы обработки: электрохимические; электромеханические; гидро, пневмо-, турбо-, магнитоабразивные и др.
В этой связи нами проведены исследования по отделке токонесущей поверхности волновода войлочным притиром (войлок технический полугрубошерстный ГОСТ 6308-71) с нанесением на его поверхность алмазной пасты (рис. 3).
где группа 1: Я - исходная шероховатость поверхности, НВ - твердость поверхности, о - предел прочности; группа 2: Lд - длина заготовки, Ео - площадь сечения; группа 3: В - вид инструмента, L - его длина; В , А, К - величина, вид и содержание алмаза в пасте соответственно; группа 4: z - число циклов обработки,ру- удельное давление притира на обрабатываемую поверхность, V - скорость перемещения притира вдоль заготовки.
Набор факторов в зависимости (2) достаточно велик для исследования, поэтому при проведении экспериментальных работ он существенно сокращен. Проведена отделка заготовок в состоянии поставки, изготовленных из алюминия АД00.Н с исходной шероховатостью Я 20.. .40 мкм. Притир изготовлен цельным из войлока с нанесенной на его поверхность алмазной пастой марки АСМ.
С учетом рекомендаций для полировки цветных металлов удельное давление притира на обрабатываемую поверхность должно быть в диапазоне 0,15.0,2 МПа [2].
Активные алмазные зерна хаотично расположены относительно друг друга по длине и сечению притира. Их количество зависит от количества алмазной пасты, нанесенной на поверхность притира. Вероятностное распределение алмазных зерен в смеси можно определить из зависимости [3]:
(3)
где к3 - концентрация алмазных зерен, %; ХП - паспортный размер зерен, мм; £ - коэффициент, определяемый эксперементально.
Тогда вероятностное количество алмазных зерен по площади соприкосновения притира с круглой заготовкой можно найти по формуле:
* к3
(4)
(5)
Рис. 3. Схема обработки:
1 - заготовка; 2 - притир
Движение притира в одну из сторон вдоль токопроводящей поверхности возможно при создании перепада давления среды по условию
АР > кп(р -Рг), (1)
где Р1 и Р2 - давление среды, действующие на притир; к - коэффициент, учитывающий условия отделки волновода (упругость притира, свойства алмазной пасты, площади контакта «притир-волновод» и др.).
Влияние основных конструкторских и технологических групп факторов на шероховатость поверхности, получаемую в результате обработки, можно записать в виде
Я =ДЯ , НВ, о„ L, Е, В , L , В, А, К, п ^ р, V), (2)
а ^ 4 аи ’ ’В д’ о’ и и а’ ’ а’ ’г у й/’ V у
а с прямоугольной заготовкой - по формуле:
2Рв (а + в )*к3
Па пр £ХП2
где d - диаметр трубы, мм; Lи - длина инструмента, мм; а и в - стороны прямоугольного волновода, мм.
Допуская, что форма царапины от единичного зерна треугольная вследствие малых толщин снимаемых стружек микровыступами алмазных зерен, выведены следующие зависимости средневероятной глубины резания единичным алмазным зерном:
- для круглой трубы:
Ай =
у* я*ё*Р„ *к:3 *
- для прямоугольной трубы:
(6)
Айпр =
(7)
У3А6* ^п2 .
2у* п* -Ьв (а + в)* к3 * Ьъ В этих зависимостях неизвестны масса удаляемого материала с поверхности обработки А^ и средневероят-
Требуемая шероховатость внутренней поверхности волноводов при частоте СВЧ-тока
Частота, ГГц 0,1...1 1.3 0 3 Свыше 10
Параметр Ш8роховатост0 Ла , дкд 1,6...1,25 0,80.0,40 0,40.0,20 0,100.0,025
2
2
2
ностное распределение алмазных зерен в алмазной пасте ЕХ 2
(отношение п ). Масса удаленного металла зависит
от тех же факторов, влияющих на шероховатость поверхности (2). Зная значения Я или Я , можно с некоторым приближением вычислить АН . По этой величине можно судить о механизме обработки, отнеся его к абразивному либо молекулярному виду износа. Влияние адгезионного и молекулярного взаимодействия на процесс обработки вследствие малых величин в данной работе не рассматривается.
При обработке эластичным притиром возможны следующие основные варианты контакта единичного активного алмазного зерна:
- трение по поверхности обработки с перекатыванием зерна вследствие либо недостаточных усилий прижатия зерна и его закрепления в притире, либо притупления зерна в зоне контакта (рис. 4, я);
- трение с объемным оттеснением металла из-за недостаточной остроты зерна (рис. 4, б)
- резание, т. е. снятие стружки основного металла (рис. 4, в).
Для увеличения производительности процесса обработки предпочтительно добиться контакта алмазного зерна по схеме 4, в.
щий профиль сечения волновода (а х б). Алмазную пасту наносили на наружную поверхность инструмента при введении его в заготовку.
Подачу давления воздуха производили через наконечники с сигнализаторами. Перед обработкой от заготовки отрезали образец длиной 20 мм для последующего сравнения, припиливали заусенцы, промывали в бензине. Заготовку монтировали в жесткий ложемент.
Рис. 4. Вид контакта единичного алмазного зерна с выступами шероховатости: а - трение; б - пластическое оттеснение; в - резание
Экспериментальные работы проведены на приспособление для полирования волноводов, размещенном на верстаке и закрытом для безопасности защитным кожухом. Для предотвращения увеличения сечения волновод устанавливали в жесткий ложемент (рис. 5), повторяю-
Рис. 5. Вид приспособления с сечением в области ложемента
При монтаже в приспособлении обеспечивалась надежная герметизация образца относительно приспособления. Перед обработкой в обе, изолированные эластичным инструментом полости, подавали воздух давлением на 50 % ниже рабочего для предварительной проверки приспособления на герметичность. Только после этого производилась подача рабочего давления в автоматическом режиме. После обработки образец демонтировали и промывали в бензине. Для измерения шероховатости из разных участков обработанной заготовки вырезали образцы размером 5 х 30.
В процессе эластичный инструмент сжимается с двух сторон под действием перепада давления АР. Первоначально профиль инструмента изменяется неравномерно по длине. На стенки трубы при этом действует удельное давление, в начальный момент изменяющееся по длине притира Р ...Р . . Это вызвано тем, что сначала уплот-
L L max min 7 '
няется зона, прилегающая к торцу инструмента. Она, опираясь по периметру на стенку трубы, при определенных условиях оказывает заклинивающее действие и не передает далее усилие сжатия. Здесь возможно интенсивное прижатие алмазных зерен к поверхности и, следовательно, повышенная производительность обработки.
Когда переменные деформации сформируют притир в единый монолит, тогда обеспечивается более равномерная нагрузка на поверхность стенки. Поэтому прежде необходимо определить, как долго сжимается инструмент под действием внешних нагрузок и принимает окончательные формы по периметру трубы. С этой целью проведены эксперименты на четырех притирах из войлока диаметром 18 мм и толщиной 40 мм. Результаты показаны на графиках (рис. 6). Из них видно, что с ростом управляющего давления растет и высота сжатия инструмента. За 4.6 циклов сжатие притира принимает окончательные формы по форме трубы, и только потом начинается отделка поверхности активными алмазными зернами.
Для войлочного притира расчетное удельное давление равно 0,6 Н/мм2. Ниже этого давления сжатие недостаточно для удаления дефектного слоя с токонесущей поверхности, а при более высоком (0,9 Н/мм2 и более) появляются глубокие риски, ухудшающие шероховатость поверхности.
Для выбора режимов обработки получения требуемой шероховатости исследовано влияние управляющего давления и величины алмазного зерна в пасте, а также определено количество циклов обработки и их зависимость от длины волновода.
В результате проведенных опытов можно сделать следующий вывод: при отделке внутренних поверхностей волноводов возможно применение после дорнования притиров, изготовленных из войлока. Шероховатость поверхностей уменьшается с 5.7 мкм до 0,3 мкм за 200 циклов при использовании алмазной пасты АСМ 40/60.
Высота сжатия войлочного притира, с, Ь мм
Рис. 6. График зависимости высоты сжатия притира Ак от величины управляющего давления при количестве циклов: 1 - 1, 2 - 2, 3 - 3, 4 - 4 На поверхность войлочного притира наносили пасту АСМ 1/2, 10/14, 14/20, 40/60. Образцы выбирались с продольными рисками, которые были получены в результате дорнования и попадания посторонних частиц при смазке дорна. Для каждого опыта использовался новый притир.
График зависимости шероховатости от управляющего давления представлен на рис. 7. Лучшие результаты по шероховатости получены при управляющем давлении 6 МПа. Поэтому дальнейшая обработка выполнена при этом управляющем давлении.
Исследование зависимости шероховатости поверхности от величины алмазного зерна отражены на графике (рис. 8). Требуемая шероховатость получена при использовании алмазной пасты АСМ 40/60. При меньших величинах алмазного зерна возможно заклинивание зерен между гребешками шероховатости с поверхностью обработки, поэтому и шероховатость поверхности при применении АСМ10/14 и АСМ 14/20 значительно выше. Высота микронеровностей ниже и при обработке труб пастой АСМ 1/2, которая соизмерима с высотой шероховатости, получаемой при использовании пасты АСМ 40/60. Но после применения пасты АСМ 1/2 на поверхности остались глубокие черноты, оставшиеся от прокатки. Поверхность после обработки АСМ 40/60 более светлая и ровная по всей длине.
2 4 6 3 10
Управляющее давление Р упр, Н/мм Рис. 7. График зависимости шероховатости поверхности от управляющего давления
1/2 10/14 14/20 40/60
Величина алмазного зерна В ¿,мкм Рис. 8. График зависимости шероховатости поверхности от величины алмазного зерна
Библиографический список
1. Байгурин, А. С. Расчет, конструирование и изготовление волноводных устройств и объемных резонаторов / А. С. Байгурин. М. : ГЭИ, 1963. 320 с.
2. Дудко, П. Д. Влияние состава абразивных паст на качество доведенной поверхности прецизионных деталей // Межвузовский науч. сб. «Чистовая обработка деталей машин» / П. Д. Дудко. М. : 1975. Вып. 1. С. 23-27.
3. Резников, А. Н. Теплофизика резания. / А. Н. Резников. М. : Машиностроение, 1969. 288 с.
L. V. Zverintseva, A. S. Sysoyev, S. K. Sysoyev, P. A. Jung
FURNISH OF INTERNAL SURFACES OF WAVE GUIDES FOR SPACE VEHICLES
The way offurnish of internal surfaces of wave guides is described. Process ofprocessing is carried out with use felt abrading tool, moving reciprocating - forward, and preparation is rigidly fixed in holdfast of adaptations. The roughness of surfaces decreases with 5...7 microns up to 0,3 microns.
