王艷枝,胡 赫
(中國空間技術研究院西安分院,西安 710000)
Q/V頻段是毫米波頻段中最適合開展衛(wèi)星通信業(yè)務的頻段,該頻段的通信載荷已開始逐步進入商業(yè)衛(wèi)星市場[1]。Q/V載荷是高通量(high throughput satellite,HTS)通信衛(wèi)星和甚高通量(very high throughput satellite,VHTS)通信衛(wèi)星關口站主要使用的載荷,代表著HTS衛(wèi)星發(fā)展的主要方向,也是國際航天在HTS衛(wèi)星研制上的重要方向。HTS衛(wèi)星多波束天線涉及的關鍵技術有寬帶小型化多端口饋源組件技術、集成化、輕量化饋源陣列技術等[2],饋源組件將實現(xiàn)用戶波束、關口站波束、校準波束、合一寬帶小型化多端口饋源組件的發(fā)展趨勢[2];同時對加工、電鍍、裝配等生產(chǎn)制造提出了更高要求,對工藝技術、工藝設備等也提出更新、更高要求。雖然機械加工向超精密方向發(fā)展,超精密加工技術目前已進入納米加工時代,加工精度可達0.025 μm[3],但資料顯示,國內(nèi)對于Q/V頻段饋源制造技術處于研究階段,現(xiàn)有工藝設備不能完全滿足Q/V頻段天線饋源組件差模耦合器產(chǎn)品精度要求,加工工藝方面暫無其它饋源類產(chǎn)品可以繼承或借鑒。
文章主要介紹基于現(xiàn)有設備精度,開展的Q/V頻段天線饋源組件差模耦合器加工工藝研究,利用工藝尺寸鏈理論,通過創(chuàng)新優(yōu)化工藝尺寸鏈設計,以工藝組件形式加工縮短尺寸鏈、以實測值驅動尺寸鏈最大公差傳遞共用、合理確定零件及組件公差精度,通過修配法裝配控制鍍層公差累積,工藝流程交互設計等方法,解決了現(xiàn)有工藝設備精度限制問題,利用現(xiàn)有設備可達精度進行加工,實現(xiàn)多零件、多級配合小間隙、封閉結構、四通道精密對接加工及裝配。
Q/V頻段饋源組件是天地一體化衛(wèi)星饋電鏈路天線的核心,差模耦合器則是Q/V頻段饋源組件中的重要部分。差模耦合器主要由網(wǎng)絡1、網(wǎng)絡2、耦合樞紐、四件蓋板等共計7個零件組成,結構示意圖如圖1所示。
圖1 差模耦合器結構示意圖
由于合成網(wǎng)絡1、合成網(wǎng)絡2、耦合器樞紐零件上分別設計四通道,各四通道最終通過裝配,在X、Y、Z三方向精密對接,形成四個相連的微波通道,且無調(diào)整墊片等調(diào)整件進行裝配調(diào)整,對接示意圖如圖2所示。
圖2 四通道精密對接示意圖
該產(chǎn)品采用較新結構設計,具有集成化、小型化、多端口特點,將常見的分體結構設計成一體結構,看似裝配零件數(shù)減少,裝配結構更加簡單,圖紙尺寸公差精度要求并不高,但由于存在X、Y、Z三方向四通道精密對接需同時裝配的要求,實際裝配難度較高。
各零件配合處尺寸公差要求如圖3所示。
合成網(wǎng)絡局部 耦合樞紐局部 蓋板1、蓋板2局部
前期生產(chǎn)的四臂TM01模行波耦合器,其四臂需要通過合成網(wǎng)絡形成一路差通道,合成網(wǎng)絡主要由魔T和彎波導組成,合成網(wǎng)絡均設計成分體結構,合成網(wǎng)絡分成兩個對稱部分[4],分別設計兩個通道,與中間耦合腔體連接,裝配結構簡單,裝配較易保證。與之相比,該差模耦合器屬于新結構,其中合成網(wǎng)絡1、合成網(wǎng)絡2的四通道采用一體化設計形成封閉包圍結構,同時與四件蓋板、耦合樞紐的四通道進行對接。在無墊片等調(diào)整件的情況下,實際上對零件加工尺寸精度、形位精度、以及裝配精度保證提出了更高的要求,需實現(xiàn)多零件、多級配合小間隙、封閉結構、四通道精密對接加工及裝配。
工程中常在導體表面涂覆電導率高的金屬材料提高導電率,達到降低導體損耗的目的[5]。該產(chǎn)品為提高導電率,在零件上采用鍍銀設計。鍍層精度控制、鍍層公差累積增加了加工及裝配難度。
7個零件16處鍍銀面形成各處配合,其中X方向4處配合、Y方向4處配合,如圖4所示。設計要求X或Y單個方向裝配間隙0.03 mm。
圖4 X向4處配合及Y向4處配合
若按完全互換法(也稱極值法)裝配,X或Y向四處配合對應組成環(huán)平均公差Tav,L=0.03/4=0.007 5 mm(按式1計算),即若按等公差法分解,各組成環(huán)分配到的公差僅0.007 5 mm,即使不按等公差法,組成環(huán)的公差最大也不能超過封閉環(huán)公差0.03 mm,還需同時包括平面度等形位公差。
極值法計算組成環(huán)平均公差:
(1)
式(1)中,下角標0表示封閉環(huán),i表示組成環(huán)及其序號,m表示組成環(huán)個數(shù)。ζ表示傳遞系數(shù),對以直線尺寸鏈中增環(huán)的傳遞系數(shù)ζi=+1,減環(huán)的傳遞系數(shù)ζi=-1。T0表示封閉環(huán)公差。
按現(xiàn)有工藝設備精度(現(xiàn)有數(shù)控銑設備定位精度0.005 mm,重復定位精度0.003 mm),同時受刀具精度、加工變形等影響,零件加工尺寸精度、平面度、平行度、對稱度等形位精度不易保證。同時因為零件加工尺寸精度、形位精度公差累積對裝配影響較大,16處鍍銀面鍍層公差累積對裝配也有一定影響,因此產(chǎn)品裝配精度也較難保證。
由于受現(xiàn)有工藝設備精度限制,為實現(xiàn)多零件、多級配合小間隙、封閉結構、四通道精密對接加工及裝配存在一定難度,必須采取合理的工藝設計方案解決精度保證問題。
產(chǎn)品在設計、加工和裝配都需要進行復雜的尺寸鏈計算,以保證零件的制造精度和產(chǎn)品的裝配精度。工藝尺寸鏈的計算正確與否是保證質量的關鍵[3]。按圖3設計尺寸公差建立X向裝配尺寸鏈,如圖5所示。先對設計零件精度、裝配精度進行校核,驗算零件圖上標注的各組成環(huán)在加工后能否滿足裝配要求。
圖5 X向裝配尺寸鏈(按設計尺寸標注建立)
裝配尺寸鏈是指全部組成環(huán)為不同零件的設計尺寸(零件圖上標注的尺寸)所形成的尺寸鏈,封閉環(huán)是指尺寸鏈中在裝配或加工過程中最后自然形成的那個環(huán),組成環(huán)是指尺寸鏈中對封閉環(huán)有影響的全部環(huán),組成環(huán)分為增環(huán)和減環(huán)[6]。該產(chǎn)品通過零件加工、裝配后零件間保持一定間隙,該間隙就是裝配尺寸鏈中的封閉環(huán)A0。其中增環(huán)A1,減環(huán)包括A2及兩處A3。封閉環(huán)的公差是所有組成環(huán)公差之和。
如表1所列,通過表1中公式進行尺寸鏈公差校核。
表1 尺寸鏈相關公式[6]
由式(2)計算:A1的公差T1=0.03,A2的公差T2=0.04,A3的公差T3=0.06。
由式(3)計算:封閉環(huán)A0的基本尺寸L0=A1-A2-A3-A3=0(帶入圖紙尺寸)。
由式(4)計算:封閉環(huán)極值公差T0=T1+T2+T3+T4=0.03+0.04+0.06+0.06=0.19。
已知:A1的中間偏差ΔA1=+0.015,A2中間偏差ΔA2=0,A3中間偏差ΔA3=0。
由式(5)計算:封閉環(huán)A0中間偏差ΔA0=+0.015-0-0-0=+0.015
由式(6)計算:封閉環(huán)A0上偏差ES0=+0.015+0.19/2=+0.11。
由式(7)計算:封閉環(huán)A0下偏差EI0=+0.015-0.19/2=-0.08。
則,封閉環(huán)A0極限尺寸=0+0.11 -0.08(按零件公差加工形成)≠0+0.03 0(按裝配要求)。
即若直接按零件公差加工,最終的裝配會出現(xiàn)過渡配合,最大間隙可能達到+0.11 mm,最大過盈量可能達到0.08 mm,而不一定能滿足設計要求的裝配間隙0~0.03 mm(即0+0.03 0)。
所以,在加工中不能完全按照圖紙公差進行零件加工。封閉環(huán)的公差小于或接近各組成環(huán)的公差之和時,就要壓縮各組成環(huán)的公差,從而提高了零件的加工難度[7]。在零件工藝設計中,工藝尺寸鏈的計算正確與否是保證產(chǎn)品質量的關鍵[7]。如何安排各組成環(huán)的公差,直接影響各組成環(huán)的加工難易程度和可實現(xiàn)性,必須合理安排各組成環(huán)的公差,利用現(xiàn)有加工條件,滿足設計的零件圖紙要求前提下,同時滿足及裝配要求。
根據(jù)“最短尺寸鏈原則”,在裝配精度既定的條件下,組成環(huán)數(shù)目越少,則組成環(huán)分配到的公差就越大,組成環(huán)所在部位的加工就越容易[8]。
所以盡量縮短裝配尺寸鏈,建立工藝組件(耦合樞紐+兩件蓋板1+兩件蓋板2),以工藝組件形式加工配合面,如圖6所示。將A3、A2、A3合并成工藝組件A5;合并后有效縮短裝配尺寸鏈,只要采用各種方法保證A1、A5兩個組成環(huán)的精度即可保證裝配要求,被合并的A3、A2、A3加工精度只要保證圖紙要求即可,不再被裝配要求限制。
圖6 縮短裝配尺寸鏈
根據(jù)極值法計算組成環(huán)A1、A5平均公差Tav,L=0.03/2=0.015 mm(按式(1)計算);各組成環(huán)分配到的公差加大了,適當降低了加工難度,但對于現(xiàn)有設備還是不能可靠穩(wěn)定地保證。
為了使尺寸鏈中各組成環(huán)分配到的公差最大化,首次采用以實測值驅動尺寸鏈實現(xiàn)最大公差傳遞共用的方法。先將某一組成環(huán)按最大公差加工,再將該組成環(huán)加工后測量所得實測值放入尺寸鏈,則相當于在尺寸鏈中該組成環(huán)公差等于0,其它組成環(huán)可以分配到最大范圍的公差。
即將A1按0.03 mm公差加工,加工后測量A1實測值,根據(jù)A1實測值驅動A5加工。A5同時可以分配到0.03 mm最大公差。如圖7所示。兩處組成環(huán)可以同時使用最大公差0.03 mm;采用現(xiàn)有生產(chǎn)條件可以更可靠地保證。
圖7 實測值驅動最大公差共享
因為裝配配合面全部有鍍層,電鍍在實際操作中也存在鍍層公差,雖然零件加工已經(jīng)按鍍層理論厚度考慮扣除鍍量,按扣鍍后的鍍前工藝尺寸控制,但涉及裝配的鍍層較多,若單面按實際鍍銀厚度存在0.5~1 μm公差計算,8面鍍層累積公差將達到4~8 μm,必須將電鍍鍍層厚度公差考慮到裝配環(huán)節(jié)。因為電鍍后無法進行調(diào)整,所以必須通過加工環(huán)節(jié)減小或彌補電鍍公差累積。
2.4.1 確定修配環(huán)
由于該電鍍公差累積相對較小,可以采用修配法裝配,將多個零件的電鍍誤差在修配環(huán)去除。但應選擇容易加工并且對其它裝配尺寸鏈沒有影響的組成環(huán)作為修配環(huán)(補償環(huán)的一種)[8]。所選的修配件應該修配方便且修配量不應過大,修配量太大會影響形位精度等。根據(jù)該結構特點,合成網(wǎng)絡四端面A1尺寸因為操作不便,不適合作為修配環(huán);將工藝組件(耦合器樞紐+四蓋板)的四處法蘭端面A5尺寸作為尺寸鏈中的修配環(huán),零件公差較大,修配后也容易保證零件精度要求,可以在平臺上研磨去除部分材料,比較便于操作及檢驗。其公差累計如圖8所示。
圖8 修配法解決電鍍公差累積
2.4.2 提高修配精度
修配環(huán)尺寸確定時,應考慮使其修配量足夠且最小,因為修配工作一般都是通過后續(xù)加工(如銼、刮、研等),修去修配環(huán)零件表面上多余的金屬層,從而滿足裝配精度要求[9]。
為提高修配精度,應盡量減少不確定電鍍累積公差影響,將盡量多的實際鍍層厚度加入裝配尺寸鏈,安排其它件先電鍍,僅將修配環(huán)四蓋板暫不電鍍。根據(jù)實測值研磨四蓋板配合面,四處法蘭端面均勻微調(diào)0~5μm以內(nèi);修配量較小,容易控制在零件對稱度、平面度、垂直度范圍內(nèi)。
通過裝配尺寸鏈分析優(yōu)化、確定各組成環(huán)的最大可用公差后,必須通過對零件、組件、工藝組件等的工藝流程交互設計,實現(xiàn)工藝組件加工、實測值驅動、鍍層計入、修配法控制鍍層公差累積,保證零件配合尺寸及最終裝配精度,工藝流程如圖9所示。
圖9 交互式工藝流程設計
通過裝配尺寸鏈分析優(yōu)化、確定各組成環(huán)的最大可用公差后,結合現(xiàn)有生產(chǎn)設備可達精度,基本可以確定各零件、組件加工采用的工藝方法及工藝余量。
對于不直接影響裝配的組成環(huán)A2、A3,按設備可達精度控制尺寸精度及平面度要求(可滿足圖紙要求)。A2采用車銑復合設備加工,保證四面內(nèi)腔、四面安裝蓋板面尺寸、與中間通道垂直度、平面度、對稱度。A3采用數(shù)控銑設備加工,法蘭端面留工藝組件加工余量,保證尺寸精度及平面度要求。
對于直接影響裝配的組成環(huán)A1、A5,按0.03 mm公差控制,設備精度可達。A1采用慢走絲線切割線加工,保證尺寸精度及對稱度、平面度等形位精度。工藝組件A5采用電火花成型加工,留修配余量,保證尺寸精度及對稱度、平面度等形位精度。
通過該方法生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足圖紙尺寸、形狀、位置精度及表面粗糙度等要求及裝配要求。產(chǎn)品(如圖10所示)已經(jīng)順利交付用戶,滿足電性能要求。
圖10 產(chǎn)品實物圖
給出基于工藝尺寸鏈理論進行工藝設計的步驟,通過綜合考慮各零件、組件的加工工藝性、對裝配尺寸鏈分析優(yōu)化,明確工藝過程的控制點,目標是將必須保證的精度、可以降低的精度都控制在現(xiàn)有工藝設備可達精度范圍內(nèi)。通過以工藝組件形式加工縮短尺寸鏈、以實測值驅動尺寸鏈最大公差傳遞共用,合理確定零件及組件公差精度;并通過鍍層計入裝配、修配法裝配等控制鍍層公差累積;通過對零件、組件、工藝組件等工藝流程交互設計,利用現(xiàn)有設備可達精度進行加工,最終保證零件精度及裝配精度。
該方法基于基本的尺寸鏈理論,便于應用,適用于單件小批生產(chǎn),為類似組成環(huán)數(shù)目較多而裝配精度要求較高的產(chǎn)品工藝設計及結構設計提供新的思路。
今后將繼續(xù)深化Q/V載荷工藝技術研究, 進一步提高精密加工、裝配技術,更好地滿足饋源組件集成化、輕量化、多端口化需求,為后續(xù)的HTS通信衛(wèi)星制造、工程化應用奠定技術基礎。