СУЩНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛНОВОДОВ В РЕАЛЬНОМ СЕКТОРЕ ХОЗЯЙСТВА Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

ВОЕННЫЕ НАУКИ

СУЩНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛНОВОДОВ В

РЕАЛЬНОМ СЕКТОРЕ ХОЗЯЙСТВА

Зуев Руслан Сергеевич

аспирант 2-го года обучения, Научно- образовательный центр ООО «СЗРЦКонцерна ВКО «Алмаз - Антей», г. Санкт-Петербург, Россия Зуева Ольга Александровна кандидат экономических наук, доцент, доцент кафедры экономической безопасности, Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации, Северо - Западный институт управления,

г. Санкт-Петербург, Россия

Аннотация. В статье систематизированы существующие методы изготовления волноводов, используемых в аппаратуре специального назначения. Описана специфика производственных процессов изготовления волноводных элементов при применении разных методов. Выявлены достоинства и недостатки каждого метода. Обоснованы теоретические рекомендации к выбору доминирующих в тех или иных ситуациях методов изготовления волноводов и построения волноводных трактов антенно-фидерных устройств.

Abstract. The article systematizes the existing methods of manufacturing waveguides used in special equipment. The specifics of production processes for manufacturing waveguide elements using various methods are described. The advantages and disadvantages of each method are revealed. Theoretical recommendations are substantiated for the selection of the methods of manufacturing waveguides and construction of waveguide paths of antenna-feeder devices that are dominant in certain situations.

Ключевые слова: методы изготовления, волновод, антенно-фидерные устройства, механообработка, литьё, гальванопластика, 3D-печать, реальный сектор хозяйства,

Keywords: manufacturing methods, waveguide, antenna-feeder devices, machining, casting, electroplating, 3D- printing, the real sector of the economy,

Введение

В современной радиолокации одним из актуальных направлений является обнаружение малогабаритных объектов либо объектов с малой эффективной площадью рассеивания (например, беспилотных летательных аппаратов) нередко в условиях сложной помеховой обстановки. Это становится возможным, благодаря использованию волноводных трактов передающих устройств, эксплуатируемых при высокой мощности излучаемых сигналов, и волноводных трактов приемной фидерной системы, обладающих низкими показателями потерь.

В настоящее время волноводные тракты СВЧ диапазона имеют наибольшую трудоёмкость изготовления, сложность конструкции и протяженность в мировом масштабе..

При изготовлении аппаратуры как специального, так и гражданского назначения в реальном секторе хозяйства России к волноводам предъявляются повышенные требования:

- низкая масса;

- минимальные потери при передаче зондирующего и приеме отраженного сигнала;

- уменьшение стоимости изготовления;

- стойкость к нагреву при передаче сигналов СВЧ больших энергий без искажения геометрии рабочей поверхности.

Основными требованиями, предъявляемыми к изготовлению волноводов, являются заданная точность размеров и высокий класс обработки внутренних поверхностей. Выполнение этих условий при изготовлении волноводов методами литья и механической обработки связано с большими трудозатратами, особенно, если волноводный тракт имеет изогнутую или скрученную форму, а также, если требуется изменить тип сечения при сочленении одного вида внутреннего канала с другим.

При передаче волн высокой частоты шероховатость внутренней поверхности волновода оказывает существенное влияние на передаваемый сигнал. Поэтому основное требование для данных поверхностей - это обеспечение низкого уровня шероховатости, которая не должна искажать значение длины волны [3, с. 150].

Для циркуляции СВЧ сигнала с высоким уровнем мощности по фидерным трактам используются различные металлические и металлизированные поверхности. Идеальным отражателем является гладкая металлическая поверхность с высокой точностью обработки.

Основной технологической задачей при изготовлении элементов СВЧ волноводов является обеспечение:

- высокая чистоты внутренней поверхности;

- высокой электропроводности;

- защита поверхности проводящего слоя от коррозии.

Авторами систематизированы распространенные методы изготовления волноводов, и эффективность решения при их использовании отмеченной технологической задачи.

С точки зрения авторов, важным фактором при выборе метода изготовления волноводов являются не только их достоинства и недостатки (таблица 1), но и выбор конкретного материала для обеспечения проводимости электромагнитных волн. При производстве волноводов используется медь, алюминий и латунь..

Медные волноводы применяют в тех случаях, когда специфические условия эксплуатации или изготовления оправдывают увеличение стоимости конечного изделия.

Алюминиевые волноводы отличаются малой массой и более простой технологией изготовления, чем латунные и медные.

Таблица 1

Сравнение методов изготовления волноводов_

Метод Достоинства Недостатки

Механообработка частота обработки на прямых участках волноводных труб при применении станков ЧПУ - гибка или скрутка волноводной трубы - обработка внутренней поверхности волноводов при наличии изгибов

Литьё - изготовление угловых волноводов - стоимости изготовления - сложности конфигурации отливок; - наличие пористости в отливках

Гальванопластика изготовление угловых волноводов любого уровня сложности - одноразовые модели - наличие специального оборудования для отделения формы от готового изделия - стоимости изготовления

3Б-печать изготовление угловых волноводов любого уровня сложности в настоящее время ограничение по выбору материала

В сравнительном анализе рассмотрено изготовление прямоугольных волноводов с внутренним каналом 23,0/10,0 мм.

Метод обработки механическим способом.

Широко распространённым способом является изготовление волноводных звеньев из стандартных труб прямоугольного или круглого сечения. В качестве материала, в основном, применятся алюминий, медь и латунь.

При одинаковых способах обработки чистота поверхности латунных деталей достигается выше, чем у деталей, изготавливаемых из других материалов, т.к. латунь обладает достаточной жёсткостью, хорошо поддается пайке, отличается хорошей проводимостью, а по стоимости дешевле меди и серебра.

Процесс изготовления волноводов методом механической обработки состоит из следующих этапов

[8]:

- разметка необходимого участка трубы (длина волноводного канала);

- резка в размер;

- механическая обработка концов канала под посадочные места фланцев;

- пайка фланцев;

- нанесение дополнительных покрытий;

- настройка и монтаж по месту назначения.

Изготовление фланцев любой формы путём механической обработки также вполне решаемая задача при использовании современных станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

В тоже время технологический процесс сварки может существенно повлиять на геометрические размеры волноводов, поскольку конструкция получается сборной, то в ней имеются места стыковки, которые нарушают геометрию внутреннего канала (могут образовываться ступеньки, шероховатости, наплывы от пайки и сварки и др.), что приводит к потерям мощности передаваемого сигнала.

Формирование изгиба или скрутка волноводной трубы так же весьма сложная операция, поскольку требует дорогостоящего оборудования и оснастки.

Изготовление гибких волноводных звеньев.

Среди гибких волноводов наибольшее распространение получили волноводы в виде металлического шланга. Их изготавливают из посеребренной листовой бронзы Бр КМЦ3-1 толщиной 0,15-0,3 мм, а также латуни Л80, Л622М толщиной 0,1-0,15 мм. Заготовки нарезают в виде полос такой ширины, чтобы после

свёртывания их на прямоугольной оправке один край заходил на другой на 5-10 мм. Свёртывание осуществляется намоткой по спирали с загибанием краев лент для соединения витков между собой.

Кроме того гибкие волноводы могут представлять собой гусеничную конструкцию со сцепляющимися звеньями. Данная конструкция обеспечивает три параллельные контактные поверхности, соединяющие каждый виток со следующим; гибкость обеспечивается за счёт скользящего движения этих сочленяющихся поверхностей.

Бесшовный гофрированный гибкий волновод изготавливается путём гофрирования стенок бесшовной металлической прямоугольной трубы. Витки имеют кольцевую форму, и волновод становится гибким за счёт изгибания металлических стенок.

Изготовление волноводов методом литья.

Среди существующего разнообразия современных способов можно выделить литьё по выплавляемым моделям. Его главной особенностью является возможность изготовления из разнообразных сплавов отливок сложной конфигурации. Литьём по выплавляемым моделям изготовляют отливки с высокой плотностью металла и шероховатостью поверхности.

В производстве литых волноводов широко используют способы литья как по выплавляемым моделям, так и под давлением. Литьём под давлением получают угловые волноводы, тройники. Шероховатость поверхности таких волноводов может составлять Ra=2,5 мкм [1, с.63].

По сравнению с методом механической обработки, метод литья является более прогрессивным, так как требует меньших затрат по времени и средствам, использует относительно недорогие материалы; обеспечивает более высокую стабильность характеристик волноводов за счёт отсутствия паяных соединений трубы и фланцев.

К недостаткам этого способа можно отнести ограничение по сложности конфигурации отливок, наличие в них пористости.

По мнению авторов, альтернативой данному методу может быть технология изготовления волноводов методом гальванопластики, поскольку при этом обеспечивается как высокую точность изготовления, так и преимущество в массогабаритных характеристиках конечного изделия.

Как известно, гальванопластика, т. е. получение точных металлических копий методом электролитического осаждения металла на металлическом или неметаллической модели давно и с успехом применяется для достижения разных целей в различных отраслях промышленности [8].

Объёмные детали-волноводы можно изготавливать методом гальванопластики по разработанным моделям.

Моделью в гальванопластике называют изделие, на которое непосредственно осаждают металл, чтобы получить обращённую копию поверхности детали. Точность рабочих размеров и шероховатостей поверхностей, получаемых гальванопластических копий зависят от точности размеров и шероховатости поверхности самой модели, на которую происходит осаждение металла. Выбор материала модели определяется требуемой размерной точностью детали, трудоёмкостью изготовления модели и необходимостью ее многократного использования.

Технологические операции при изготовлении объёмных изделий выполняются, как правило, в типовой последовательности [4, с. 42]:

- изготовление модели и контроль ее качества;

- подготовка поверхности модели к электрохимическому осаждению;

- нанесение токопроводящего или разделительного слоя (в зависимости от материала модели);

- нанесение гальванического подслоя (так называемая «затяжка»);

- нанесение технологического рабочего слоя;

- съем изделия с модели;

- контроль качества изделия.

Изготовления волноводов из композиционных материалов.

С появлением 3D-принтеров, происходит развитие расширения номенклатуры применяемых материалов для объемной печати с использованием аддитивных технологий.

Такие материалы называются углепластиками. Они отличаются от традиционных материалов сочетанием следующих свойств:

- высокие удельные прочность и жёсткость,

- низкие коэффициенты линейного термического расширения и трения,

- высокая износостойкость и устойчивость к воздействию агрессивных сред, термическому и радиационному ударам,

- повышенная теплопроводность и электрофизические свойства, изменяющиеся в широких пределах,

- высокая усталостная прочность при статических и динамических нагрузках.

По удельным показателям прочности и жёсткости углепластики превосходят практически все наиболее широко используемые конструкционные полимерные и металлические материалы [5, с.102].

Для изготовления волноводов на 3D-принтере, с начала необходимо разработать 3D-модель. Выполненную 3D-модель устанавливают на 3D-принтер. Далее проводятся все необходимые

манипуляции с устройством в соответствии с эксплуатационной документацией на него. Затем начинается процесс печати [6, с.132].

С точки зрения авторов, к преимуществам использования аддитивных технологий следует отнести:

- снижение себестоимости изготовления продукции и сокращение сроков выполнения, включая экономию человеческих ресурсов;

- моделирование элементов любой сложности (при использовании обычной технологии производства за одну операцию изготовить данное изделие не представляет возможным - потребуются дополнительные технологические операции по присоединению фланцев к трубке);

- высокая точность изготовления и возможность использования разных материалов.

На сегодняшний день по технологии 3D-печати изготовляются различные макеты, прототипы; детали авиационных двигателей; топливные форсунки; сложные кронштейны; скобы; сложные инструменты; функциональные части космических кораблей [7, с. 197].

Заключение

Все вышеописанные методы применяются на оборудовании предприятия разных предприятий ВПК реального сектора России и позволяют гарантированно сделать выводы, что наиболее актуальными в настоящее время методами изготовления волноводов сложной конфигурации являются методы гальванопластики и использования аддитивных технологий (3D печать).

Данные методы создания волноводов и волноводных соединений являются наиболее перспективными для изделий специального и гражданского назначения.

При изготовлении волноводов методом литья, также можно применять возможности 3D печати, применяя их с целью изготовления форм (заготовок), что значительно позволит уменьшить затраты на выполнения отливок.

Для совершенствования производственного процесса изготовления волноводов методом механической обработки необходима разработка технологии модернизации автоматической дуговой сварки, которая позволит решить задачи по повышению геометрической точности конструкции и улучшению качества сварных соединений.

Особое внимание следует обратить на требования, предъявляемые к качеству и контролю внутренней поверхности каналов волноводов.

Список литературы

1. Алексеев Е.И., Апсит И.Е., Баушев С.В., Ефимов В.М., Охотин А.М. Инновационные направления технологической и инженерно-конструкторской деятельности при производстве радиолокационной техники / Е.И. Алексеев, И.Е Апсит., С.В Баушев., В.М Ефимов, А.М. Охотин // Вестник концерна ПВО Алмаз-Антей. - 2014.- №1. - С.61-66.

2. Балашов В.М., Багров В.В. Технологии высокотемпературной пайки волноводных щелевых антенн / В.М. Балашов, В.В. Багров // Радиопромышленность - 2014. №2. - С.97.

3. Бушминский И. П. Изготовление элементов конструкции СВЧ. Волноводы и волноводные устройства: учебное пособие для вузов. / И. П. Бушминский. - М.: Высшая школа, 1974. - 304 с.

4. Дулина В.Н., Жука М.С. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств / Под ред. Дулина В.Н. Жука М.С. / - М. : Академия, 2020. - 574 с.

5. Кудрявцева О. В. Техническая гальванопластика. / О. В. Кудрявцева. - СПб.: Политехника, 2011. -148 с.

6. Оборин А. И., Трифанов И. В., Исмаилов Б. Н., Стерехов И.В. Технологическое обеспечение качества при изготовлении труб волноводов КВЧ-диапазона / А. И. Оборина, И. В. Трифанов, Б. Н. Исмаилов, И.В. Стерехов // Вестник СибГАУ. - 2012. - № 6 (46). - С. 197-200.

7. Соснин О. М. Основы автоматизации технологических процессов и производств: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. / О. М. Соснин. - М. : Академия, 2007. - 240 с.

8. Пром ЭФ изготовление волноводов сложной конфигурации [Электронный ресурс]. URL: http://xn--80aaaahe3bqecvmn4ap5m.xn--p1ai/galvanoplastika/40-tekhnicheskaya-galvanoplastika-27 (дата обращения: 17.02.2020).