淺析波導管彎曲成形與發(fā)展趨勢

波導管產(chǎn)品歷來以精度要求高在通信領域著稱，而隨著通信領域的蓬勃發(fā)展，波導管的使用范圍越來越廣泛。早期我國的波導管產(chǎn)品大多采用手工方式進行加工，容易出現(xiàn)廢品率高、效率低下、性能穩(wěn)定性低等問題。本文主要通過對一種E向H向組合波導管的研究，闡述波導管加工的難點、在通信領域大規(guī)模發(fā)展的重要作用、生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品性能的影響以及生產(chǎn)設備的技術更新。波導管是通信產(chǎn)品中最常用的零件之一，其加工質(zhì)量對整個系統(tǒng)的性能至關重要，加工方法也是多種多樣。早期我國軍方的波導管產(chǎn)品加工方法大多采用熱成形工藝，通過人工進行打磨處理，且研制任務多與生產(chǎn)數(shù)量少，造成無法進行大批量高質(zhì)量的批產(chǎn)任務。這些工藝方法只能用于一些比較規(guī)則的、形狀簡單的波導，對于E向折波導管、H向折波導管、E向H向組合波導、脊波導等結構復雜，造型多變的波導管就顯得無能為力了。這些復雜加工件均為通信設備中關鍵和重要部件，都有較高的精度要求，加工難度大。波導管加工的成敗，精度的高低對通信設備整體性能是至關重要的，只有通過當代先進的數(shù)控加工技術和設備才能解決和滿足如此復雜構件的通信設備的加工。在大批量生產(chǎn)中，為了保證波導管產(chǎn)品的高合格率、高穩(wěn)定性、抗干擾能力，需要對波導管產(chǎn)品在設計階段、仿真分析階段、試制階段、電磁性能測試階段進行詳細的研究與分析。要保證產(chǎn)品的性能，就需要提高加工設備與加工工藝，使之符合波導管產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的需求。通過現(xiàn)代鈑金加工技術與數(shù)控系統(tǒng)的技術更新迭代發(fā)展，實現(xiàn)傳統(tǒng)鈑金加工技術往現(xiàn)代鈑金加工技術的轉變，形成堅實的生產(chǎn)通信設備的現(xiàn)代高新技術基礎。圖1E向、H向波導管結構工程圖圖2E向、H向波導管電磁性能仿真圖波導管彎曲加工難點在波導管使用過程中，內(nèi)腔表面中的精度、光潔度，直接影響著通信設備的整體性能。而且，在波導管彎曲成形的過程中，容易出現(xiàn)橫截面的形狀與壁厚變化，容易變扁和起皺，從而出現(xiàn)內(nèi)壓變寬，外拉變薄的情況。通過加工設備制造的波導管產(chǎn)品除了內(nèi)腔的要求，還有各種尺寸精度的要求：其中有橫截面的矩形度、側邊的垂直度偏差需控制在3×10-4弧度內(nèi)、橫截面尺寸偏差需保持在波導口徑的-0.1倍之間、彎曲的弧度、扭轉的角度與波導衰減值，這些要求都是波導管產(chǎn)品要實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性必須保證的指標。所以在波導管彎曲加工中，需要保證這些性能達到指標要求，從而為波導產(chǎn)品批量化生產(chǎn)提供基礎。產(chǎn)品結構與尺寸圖1所示為一款E向、H向波導管結構圖紙，圖1中的波導管有兩個折彎區(qū)域，90°的彎曲角度，圓弧半徑是R15。其中，內(nèi)腔尺寸的精度、圓弧半徑、橫截面與側邊的垂直度是該產(chǎn)品的加工難點與重點。在此波導管的工作頻率達到13.75～14.5GHz、駐波比VSWR要小于1.2、插入損耗為0.15dB、功率容量達到1000W、工作溫度是-60℃～+85℃，除了這些性能要求還需要將產(chǎn)品進行本色導電氧化處理。根據(jù)E向、H向波導管的結構工程圖，進行電磁性能仿真分析，以期通過仿真示例確定波導管的結構在理想狀態(tài)下達到所需電磁性能的要求。進行仿真分析可以在產(chǎn)品設計初期進行評價、預防和改正設計錯誤，提高效率的同時，也提升了經(jīng)濟效益。E向、H向波導管電磁性能仿真分析如圖2所示。由圖2曲線可以看出，該產(chǎn)品的頻率范圍是13.75～14.5GHz，且該產(chǎn)品的駐波比VSWR隨著頻率的增長呈現(xiàn)出先增長后下降的趨勢，大概在14.16GHz這個頻段出現(xiàn)峰值，且駐波比VSWR的峰值是1.085。將這一數(shù)值與該產(chǎn)品的性能指標進行對比，可以看出該數(shù)值符合性能指標的要求，說明該產(chǎn)品的設計是合理且規(guī)范的。波導管加工設備及模具分析波導管加工設備波導管彎曲成形所使用的設備是波導管數(shù)控拉彎機，數(shù)控拉彎機主要由夾緊機構、裝料卸料機構、軸向頂推機構、主回轉機構、控制系統(tǒng)及動力系統(tǒng)組成。由裝料卸料機構及夾緊機構完成波導芯子的安裝及波導管的夾緊；由控制系統(tǒng)控制彎曲角度及輔推力；由液壓缸驅(qū)動齒條從而帶動齒輪旋轉，實現(xiàn)波導管的彎曲加工。波導管數(shù)控拉彎機如圖3所示。圖3波導管數(shù)控拉彎機圖4波導管產(chǎn)品模具分析在模具設計與制造中，必須使模具保證兩個技術條件：(1)兩側刀吃刀深度要保持一致；(2)在彎曲管時，三把刀刃必須在同一個平面上。這樣既能保證兩側刀、波導支座與波導管相接觸并受力均勻，又可以防止在加工時，出現(xiàn)扭曲等情況。當使用折彎機進行彎管時，需持續(xù)將波導送進。當產(chǎn)生較大熱量的時候，為了有較佳的延伸效果與提高刀具的壽命，需選用適當?shù)臐櫥瑒?。在波導管彎曲加工中，波導管彎曲部分的管坯橫斷面容易變扁和起皺。為了保證彎管質(zhì)量，彎曲前需要在管坯內(nèi)裝入填充料或芯棒。E向、H向波導管加入芯棒難度較大，所以采用的填充物是石蠟等低熔點填充物。因為填充物具有膨脹系數(shù)小、有較好的強度和剛性、低熔點、良好的切削性、與金屬結合力不足等特點，可以在波導管的加工過程中，達到保證其尺寸精度、提高工藝性、用低成本的辦法提高合格率和生產(chǎn)效率等目的。波導管產(chǎn)品與性能檢測波導管產(chǎn)品根據(jù)工程圖的精度要求、表面處理要求、電磁性能要求與相應配備的加工設備，制造出具備使用性能的相關波導管產(chǎn)品，圖4中所示產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過噴粉處理，涂層厚度要求為0.12～0.18mm，也通過交變鹽霧試驗240h。波導管產(chǎn)品性能檢測對已經(jīng)制造成形的波導管產(chǎn)品，雖然在外觀上符合設計的要求，但并不代表其就屬于合格產(chǎn)品。因為E向、H向波導管產(chǎn)品是通信系統(tǒng)相關設備的關鍵零部件，主要用于傳送超高頻電磁波，從而以極小的損耗將脈沖信號傳送至目的地。所以，該產(chǎn)品不僅需要機械性能的檢測，還需要使用網(wǎng)絡分析儀等相關儀器檢測產(chǎn)品的電磁性能。通過儀器所顯示的檢測數(shù)據(jù)，確定由波導管數(shù)控拉彎機制造出的波導管產(chǎn)品是否能達到高精度、高穩(wěn)定性的要求，以此驗證波導管大批量生產(chǎn)的可行性。使用網(wǎng)絡分析儀進行性能檢測情況與結果如圖5所示。圖5波導管產(chǎn)品網(wǎng)分儀檢測圖由圖5所示的網(wǎng)絡分析儀電磁性能檢測情況可知，該波導管產(chǎn)品的頻率范圍是13.75～14.5GHz，且駐波比VSWR波動幅度為0.0972。當頻率為11.81GHz時，波導管的駐波比達到了峰值，約為1.097。將此數(shù)據(jù)與電磁性能仿真分析進行對比，可以看出，該產(chǎn)品的電磁性能是比較接近理想狀態(tài)下的數(shù)值，也說明了通過該拉彎機生產(chǎn)出來的產(chǎn)品是比較優(yōu)異的。通過對E向、H向波導管的研究，可以發(fā)現(xiàn)，如果沒有先進的數(shù)控加工設備與加工技術，也就不會存在像波導管這類精度高、穩(wěn)定性要求高的零部件，自然5G通信設備就不會有蓬勃發(fā)展的可能。反之，正是5G通信設備對波導管這類關鍵零部件提出了更高的要求，從而間接推動了數(shù)控加工的技術更新，豐富了數(shù)控加工在通信領域制造的應用。結束語通過對一種E向H向組合波導管的研究，可以發(fā)現(xiàn)在5G通信技術蓬勃發(fā)展的今天，已經(jīng)對波導管形狀造型提出了更高的要求。在通信設備網(wǎng)絡中，已經(jīng)有大量的波導管進入該系統(tǒng)中，正在發(fā)揮著不可忽視的作用。但是，波導管的精度要求高、波導管加工設備研發(fā)遲緩、波導管造型多變，使得波導管的彎曲加工一直以來都是波導設備器件加工的難題。所以，在鈑金加工領域中，對數(shù)控拉彎機就提出來更高的要求，從而加速實現(xiàn)拉彎機技術更新迭代發(fā)展，也使鈑金加工計算、鈑金加工設備正朝著聯(lián)動與復合加工的方向高速發(fā)展，而數(shù)控系統(tǒng)也呈現(xiàn)出往智能化、科學化發(fā)展的