精密熔模铸造技术在雷达产品中的应用

周明智，朱春临，陈奇海，张 冲

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

精密熔模铸造技术在雷达产品中的应用

周明智，朱春临，陈奇海，张 冲

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

精密熔模铸造是一种先进的净成型技术，具有高精度、高效、低耗等优点，在雷达产品的研制中具有很大的应用前景。文中结合雷达产品几种典型构件的结构和要求，探讨了几种影响产品精密铸造成型的关键技术，给出了应用精密铸造成型方法所取得的显著效果。最后，为进一步推动精密铸造技术在雷达产品中的应用，指出了当前制约其应用的主要问题及发展方向。

雷达产品；熔模铸造；高效

引 言

为满足电讯设计及轻量化要求，薄壁、深腔铝合金壳体零件及各类波导、振子类器件在雷达设备中得到了广泛应用。传统加工方法在制造此类零件时，普遍存在材料消耗大、工序多、成本高、效率低等问题，不能适应雷达装备的批产要求。精密熔模铸造是一种切削少或无切削的近净成型技术，它效率高，成本低，可成型各种复杂构件，在航空、航天、汽车等领域已得到广泛应用[1-3]。目前，国外先进精铸技术的尺寸精度最高可达CT3级，表面粗糙度小于1.6 μm，工件外轮廓最大尺寸可在1 m以上，最小壁厚小于0.8 mm。该技术的不断发展和应用，给雷达微波部件的高效低成本制造提供了一条新的路径。本文结合雷达产品中一些具有代表性的微波功能部件的研制需求，介绍了精密铸造技术的应用及影响产品质量的关键技术，为该技术在雷达产品领域的进一步推广提供借鉴。

1 熔模铸造关键技术及其在雷达产品中的应用

1.1 熔模铸造关键技术

雷达产品微波功能部件多为薄壁、深腔的异型结构，对尺寸精度、表面粗糙度等有较高要求，根据雷达的设计及使用要求，对精密熔模铸造中的关键技术要求体现在以下4个方面[2]：

1) 精密化熔模制作技术。雷达的波导器件对成型表面质量要求较高，雷达产品如数字阵列模块(DAM)壳体具有大型、薄壁、深腔、多筋条等优点，对蜡模的模料收缩、强度等有要求。模料的性质和蜡模的表面质量对铝合金熔模铸件的表面粗糙度有很大影响。为了生产大型、薄壁、复杂铸件，必须研制收缩更小、强度更高、长期保存不易变形的性能优良的模料。目前，国内在各类液态压注模料、填充模料、水溶性模料以及塑料模料的研制方面都有了较大的发展。压蜡设备的研究和制造也取得了较大的进步，出现了大型压蜡机，为研制雷达产品中大型制件奠定了基础[3]。

2) 型壳制备技术。为了获得满意的成型精度及组织质量，雷达产品部件对型壳综合性能要求高，型壳不仅要具有一定的刚强度、良好的表面质量及透气性，还要有耐高温的性能。目前用于铝合金熔模铸造的型壳主要有石膏型壳和陶瓷型壳2种。石膏型壳的优点是能精确复制模样，尺寸精度高，表面粗糙度为0.8～3.2 μm；石膏热导率低，可以铸造薄壁的铸件；可用硅橡胶或硫化橡胶镶制模样，制造形状复杂的铸件。石膏型壳的主要缺点是激冷作用差，当铸件壁厚差异大时，厚大处容易出现缩松、缩孔等缺陷；石膏透气性差，铸件易形成气孔、呛火等缺陷。陶瓷型壳主要由粘结剂及耐火材料组成。粘结剂的性能对陶瓷型壳的质量和制壳周期有重要影响，目前主要采用硅溶胶。硅溶胶的主要优点是型壳耐高温、强度大、抗蠕变能力强、涂料配制及使用方便、无环境污染、型壳及铸件品质高、铸件废品率及返修率低。但硅溶胶型壳生产成本高、周期长。近年来，已研制开发出了层间干燥时间更短的聚合物增强快干硅溶胶，制壳周期已大大缩短。

3) 铝合金的熔炼技术。为了满足雷达产品对铸件的综合组织及性能要求，需对铝合金进行精炼和变质细化处理。精炼主要是为了去除气体和非金属氧化物杂物，以消除铸件中的气孔及夹杂物。目前精炼的方法以旋转叶轮法和喷射溶剂法为主，即向铝合金溶液中通入惰性气体和粉状溶剂以达到除渣和除氢的目的。此外，铸造用铝合金中硅含量较高，通常要进行变质处理，对于铝合金来说，由于浇注持续时间较长，现在较多使用中间合金长效变质剂(如Al-Sr)进行变质。

4) 铸造成型技术。对于熔模铸造，可以采用重力铸造也可以采用反重力铸造技术。对于雷达微波组件，采用真空铸造可以获得成型质量及组织性能优良的铸件。采用低压铸造或差压铸造可以通过对对充型过程压力的控制，减少金属充填过程的紊流和飞溅，获得晶粒更加细小、组织致密的大型薄壁壳体类制件。

1.2 熔模铸造技术在雷达产品中的应用

熔模铸造技术的不断发展，使该技术在雷达产品中逐步得到有效应用。

(1) 散热壳体零件。该类构件(如收发模块的壳体、装放箱等)具有一定批量，在结构上多为深腔、薄壁、多筋条构件，若采用机加工方法，则加工效率及材料利用率低下，综合成本高，而采用精密铸造技术则表现出明显的优势。如某产品的收发模块壳体即DAM壳体(见图1)，其最大外部尺寸在700 mm以上，整体呈现大平面结构；零件两面分布大量的散热筋条、走线槽和装配槽，内壁筋条厚度最薄处只有0.8 mm。该典型的大型复杂、薄壁、深腔构件，采用熔模精铸方法成型具有重要意义，同时也有很大的挑战性。根据壳体结构尺寸要求并结合精铸工艺，拟定了铸件毛坯图，确定了精铸工艺方案，其主要要求包括：完整铸出所有结构部位，且冶金质量优良，符合II类铸件检验要求。经多次试制，在制模和成型质量上均取得了重大突破，见图1(a)，实现了近净成型，见图1(b)，在进行局部少量的精加工后，制件的精度及组织质量满足要求，见图1(c)。经初步测算，与传统的机加工方法相比，成型方法可使单个壳体的加工成本降低30%～40%。

图1 DAM壳体

(2) 波导振子类器件。微波波导元件的质量是决定雷达使用性能和可靠性的关键之一。由于电讯的要求，波导元件结构设计较复杂，对波导腔体每个内腔通道的尺寸精度和表面粗糙度以及位置公差的要求很高。对于一些微波波导元件及其系统的加工成型，采用机械加工方法，即使是单件的波导元件，也需要分成几块甚至几十块分别进行加工，然后再组合装配成型，效率十分低下。国外在20世纪50年代末就开始了波导器件的精铸工作，目前已进入实用标准化生产。研究表明，采用铸造方法成型和采用机加工方法获得的波导器件，在加工表面的粗糙度相同的情况下，采用铸造成型方法时的传输效率更高。这主要是因为凹凸不平的铸造截面棱角不分明，而机加工截面呈现锐齿形。国内的相关研究及应用公开报道相对较少。由于波导器件一般为薄壁的异形结构，对有电讯传输部位的结构尺寸精度及表面质量要求高，因此，此类构件一般采用石膏型壳制作。采用石膏型壳的另一好处是缩短了型壳制备的时间，满足批量加工的需要。图2为采用石膏型壳整体成型的天线振子单元，表面粗糙度小于3.2 μm，尺寸精度不低于CT4级，经检测，整体精密成型的振子满足电讯指标要求。图3为利用石膏型壳精密铸造成型的喇叭波导，工件的最小壁厚为1 mm，表面粗造度小于3.2 μm，尺寸精度达到CT3级。

图2 整体精密铸造的天线振子

图3 精密铸造的喇叭波导

(3) 雷达结构受力件。此类构件要承受外力载荷作用，形状复杂，单一的机械加工难以满足构件形状及精度要求。如某产品的U型框架及底座，如采用机加工方法不仅加工效率低，周期长，且因构件形状复杂及初始毛坯中的残余应力影响，机加工无法满足构件精度要求。采用精密熔模铸造的方法研制，可实现整体框架一次成型，经局部少量加工后即可满足使用要求。图4为采用快速成型方法同熔模铸造方法相结合研制的支架及底座。经测算采用上述方法可使整个产品的加工周期缩短30%以上，综合成本降低50%。

图4 快速精密铸造的支架类受力件

2 存在的问题及展望

虽然精密铸造技术在雷达产品的加工制造中显示出了很大的潜力和应用前景，但要进一步推广该项技术，许多工作还有待完善。

首先，要从产品的设计前端介入，尽量采用标准化和模块化设计方法，并综合考虑产品的前后端加工工艺，充分发挥精密铸造的批量化高效生产优势。

第二，需基于雷达产品的特点及要求，进一步提高精密铸造工艺水平，实现雷达大型结构件的精确成型，以减少后续机械加工量。同时要加强铸造用铝合金的研究，满足力学、热学及防护性能要求。

第三，加强精铸件后续工艺研究及性能测试，包括热处理、等静压致密化处理、材料表面处理及防护、连接工艺等方面的研究，完善铸件的各项热力学性能实验、环境试验等测试。

最后，要加快发展快速铸造技术[4]，进一步缩短产品研制周期，适应不同批量产品的加工要求，如加强快速成型技术研究，使快速成型技术与蜡模制备技术相结合，实现快速精密铸造。

3 结束语

熔模铸造技术是一种先进的近净成型制造技术，随着成型技术的发展及雷达产品研制需求的增加，该项技术必将得到进一步发展和应用。在雷达产品的熔模铸造技术方面，应进一步加强铸型精度、铸件内部质量和表面质量控制及其后续加工工艺等方面的研究，制订和完善相应的标准和规范，促进熔模铸造技术在雷达产品中的应用和发展。

[1] 郑亚虹,王自东.复杂薄壁精密铝合金铸件铸造技术进展[J]. 铸造，2010(8):796-799.

[2] 刘国利.铝合金熔模铸造技术现状及发展[J]. 特种铸造及有色合金，2010(1):72-74.

[3] 梁艳峰,董晟全,丁宏,等. 复杂薄壁件熔模铸造制模工艺的研究[J]. 铸造，2010(8):800-808.

[4] 王雅先. 激光选区快速成型技术在铸造行业的应用[J]. 铸造技术，2010(9):1259-1260.

周明智(1973-)，男，博士，高级工程师，主要从事精密成型、新材料制备、工艺过程仿真研究工作。

Application of Investment Casting to Radar Component Manufacture

ZHOU Ming-zhi，ZHU Chun-lin，CHEN Qi-hai，ZHANG Chong

(The38thResearchInstituteofCETC，Hefei230088,China)

The investment casting is an advanced near net shape technology with high precision, high efficiency and low loss performance. It has great potential in the radar component manufacture. In this paper some key technologies which affect the quality of the casting work piece are discussed, combined with the structure and requirements of several typical radar components. Some effective applications in radar components are given. To promote further application of the investment casting to radar components, the development trend and the main problems which restrict the technology development are pointed out.

radar components; investment casting; high efficiency

2013-01-28

TG241

A

1008-5300(2013)04-0046-03