CN101642865A - 螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法，涉及微波器件技术，用于制备螺旋线行波管慢波组件，包括步骤：把金属管壳放置在挤压台上固定，将螺旋线和介质夹持杆装入挤压模具，先将管壳加热以增加其内径，使用推杆将按照适当位置固定好的螺旋线和夹持杆推入管壳，然后停止加热，取下挤压模具，将整个组件的温度恢复到室温，这时管壳的内径收缩，产生极大的收缩力，施加到螺旋线和夹持杆部件上，将两者牢固的挤压在管壳内部，完成慢波组件的制备。本方法所需各种模具，使用线切割电火花机床加工制备。本发明方法不仅可以很好的提高慢波组件的散热性能，又可以避免传统装配方法造成的组件结构变形、介电性能降低，高频损耗增加。

Description

螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，特别是一种螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法，是散热能力强的螺旋线行波管慢波组件的制备方法。

背景技术

宽带、高功率行波管是电子对抗、火控***和通讯领域中起着关键作用的微波器件，它的性能对这些军用和民用***具有决定性作用，慢波***又是决定行波管性能的关键部件，寻求宽带、高效和更好热导性能的慢波结构对满足目前国防需要以及未来的军事电子装备都是至关重要的。在螺旋线行波管的各种特性中，热特性是一项非常重要的指标，它不仅是决定行波管平均输出功率的主要因素，也是直接影响着行波管工作的稳定性与可靠性的重要因素。当慢波组件温度过高时，不仅会导致平均输出功率的下降，还可能造成整个行波管物理上的损坏。在大功率连续波行波管的研制和生产过程中，慢波组件散热性能直接影响器件的成品率和使用寿命。因此螺旋线慢波组件散热性能的研究成了提高行波管性能的一个重要方向。

目前慢波组件的制备方法主要有：冷弹压法、石墨热挤压法、缠钼带热挤压法等。

(1)冷弹压法——主要是针对环绕螺旋线均匀分布有三个夹持杆的情况。这是在常温下利用管壳的弹性变形力加紧介质杆与螺旋线的方法。先利用朝内的外部力量将相对比较厚的空心圆柱管壳变形为接近夹持杆分布轮廓的三角形剖面结构，将夹持杆与螺旋线嵌入，取消外部力，利用管壳自身的回复弹力将夹持杆和螺旋线挤压在一起。利用此方法，管壳必须要选用弹性较好的材料，常用的有无磁蒙乃尔和不锈钢。

优缺点：冷弹压法工艺较简单，夹持较牢固，能耐一定机械冲击和振动，适用于小直径管壳。因此，冷弹压法在功率不大的脉冲和连续波行波管制造中广泛采用。缺点是零件尺寸公差要求严格，散热能力较差，容易引起管壳变形。

(2)石墨热挤压方法——它是利用低膨胀系数的挤压模具(如石墨)，在高温下限制管壳的径向膨胀，使塑性变形的管壳冷却后收缩，将夹持杆和螺旋线压紧，得到良好的接触。

优缺点：工艺实现不算复杂，该方法与冷弹压法相比，在提高散热能力方面有明显优势。不过，该方法容易使管壳变形。

(3)缠钼带热挤压法——该方法是冷弹压装配完组件后，用钼带缠绕管壳，对组件加高温，利用钼的膨胀系数小于管壳的膨胀系数，管壳材料向内挤压，从而达到组件接触更紧密的目的。

优缺点：工艺步骤较多，实现较为方便。经过多次缠绕处理，可以较为有效的提高慢波组件的散热能力。不过，该方法容易造成管壳的变形，特别是在进行多次缠绕时，更容易对组件结构产生影响。

在行波管工作时，散焦的电子和高频损耗使得螺旋线的温度升高，部件接触处的接触热阻是影响螺旋线热量向外散出的主要因素。不同装配方法的采用直接影响着各个组件装配的紧密程度，从而决定接触面的接触热阻。为了提高慢波组件的散热能力，并保证各个组件的结构不会发生形变，就需要适当的提高组件装配的紧密度，并最大程度的降低接触热阻的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法，最大程度的降低接触热阻，以解决螺旋线行波管慢波组件的散热问题，从而提高行波管工作时的稳定性。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法，其包括步骤如下：

步骤1：将金属管壳(1)放置在挤压台(7)上的管壳定位模具(8)上，使用定位杆(12)按照正确位置固定管壳(1)，将螺旋线(3)和介质夹持杆(2)按照设计的相对位置装入挤压模具(4)的空心(5)内；

步骤2：对固定在挤压台(7)上的金属管壳(1)进行加热，使其受热膨胀，内径增大；

步骤3：将挤压模具(4)沿燕尾槽轨道(6)推入挤压台(7)，与管壳(1)对齐，将推杆推入挤压模具(4)的空心(5)内，使摆放好的螺旋线(3)和夹持杆(2)被挤入管壳(1)，构成螺旋线慢波组件雏形；

步骤4：停止对慢波组件雏形加热，将装有推杆的挤压模具(4)取下，待整个慢波组件雏形的温度恢复到室温，这时管壳(1)因温度降低而收缩内径，产生极大的收缩力，施加到螺旋线(3)和夹持杆(2)上，将各个部件紧密的挤压在一起，完成慢波组件的制备。

所述的方法，其所述管壳定位模具(8)，包括模具套(11)、定位杆(12)和中心槽(13)，位于高频加热器(9)的氢气(10)通道内；模具套(11)内部空心的形状与管壳(1)内部一致，以轴向固接于中心槽(13)的一端；定位杆(12)与管壳(1)内部的形状一致，长度大于模具套(11)，以两端伸出的方式套于模具套(11)内；中心槽13的截面与管壳(1)外圆相适配，底面固接于挤压台(7)上。

所述的方法，其所述步骤1中将金属管壳(1)放置在挤压台(7)上的管壳定位模具(8)上，是将待装配的管壳(1)放在中心槽(13)上，用模具套(11)抵住管壳(1)，按照正确的位置固定管壳(1)，再将定位杆(12)的一端***待装配的管壳(1)内，从而使管壳(1)固定。

所述的方法，其所述步骤2中对金属管壳(1)进行加热，加热温度为780～820℃。

本发明的积极效果在于：无变形热挤压法制备的慢波组件的散热能力是冷弹压法的3-4倍。传统的缠钼带热挤压法在进行四次挤压后其散热能力也未达到无变形热挤压法制备的慢波组件散热能力。传统的石墨挤压法制备组件的散热性能可与无变形热挤压相比拟，但这种热挤压法由于冷挤和石墨模具的加工原因而引起慢波组件的两次变形，从而造成微波反射点增多。利用该方法制备慢波组件，在改善散热特性的同时，不会对组件的高频特性产生不良影响，也不会引起组件结构的变形。

附图说明

图1为本发明的螺旋线行波管慢波组件结构示意图；

图2为无变形热挤压法的设备装置示意图；

图3为挤压模具的截面图；

图4为管壳定位模具的结构图；

图5为管壳定位模具的中心槽的截面图；

图6挤压台及其上燕尾槽轨道的截面图；

图7为冷弹压法、四次缠钼带热挤压法与无变形热挤压法制备的慢波组件的散热能力比较图；

图8为冷弹压法、石墨热挤压法及无变形热挤压法制备的慢波组件的散热能力比较图；

图9为采用石墨热挤压法和无变形热挤压法制备的慢波组件驻波系数情况比较图，其中(a)为频域图，(b)为时域图。

附图标号说明

1-管壳，2-夹持杆，3-螺旋线，4-挤压模具，5-空心，6-燕尾槽轨道，7-挤压台，8-管壳定位模具，9-高频加热器，10-氢气，11-模具套，12-定位杆，13-中心槽，14-冷弹压的组件，15-第一次缠钼带的组件，16-第二次缠钼带的组件，17-第三次缠钼带的组件，18-第四次缠钼带的组件，19-无变形热挤压的组件，20-石墨热挤压的组件。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的由管壳1、螺旋线3和夹持杆2组成的散热能力强的螺旋线慢波组件结构示意图，本发明用介质夹持杆2和螺旋线3与金属管壳1组成慢波组件。管壳1的内壁与介质夹持杆2外表面紧密接触，介质夹持杆2内表面与螺旋线3外壁表面紧密接触，螺旋线3采用钼螺旋线或其它金属螺旋线。介质夹持杆2用氧化铝、氧化铍或氮化硼制成。

本发明的螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法，主要利用了如图2所示的装配设备和部分其他模具：挤压台7的截面情况如图6所示，其上有燕尾槽轨道6，用于完成组件装配；挤压模具4的截面情况如图3所示，其长度与管壳1相同，它主要用来放置待装配的螺旋线3和夹持杆2；推杆的形状与挤压模具4中的空心5一致，长度与管壳1相同，用来将挤压模具4中的螺旋线3和夹持杆2推入膨胀的管壳1；管壳定位模具8的结构如图4所示，它被固定在挤压台7上，其上有模具套11和中心槽13，待装配的管壳1放在中心槽13上，中心槽13的截面如图5所示，模具套11内部空心的形状与管壳1内部一致，它主要用来按照正确的位置固定管壳1；定位杆12与管壳1内部的形状一致，长度大于模具套11，它被置于管壳定位模具8的模具套11的空心内，其一端穿过模具套11，略微***待装配的管壳1内，从而固定管壳1；高频加热器9用于加热管壳1，控制温度，使管壳1适当的膨胀。

无变形热挤压使用的模具是用铟钢制成，具体加工制备方法如下：

第一步：使用线切割电火花机床加工燕尾槽轨道6，从而实现待挤压管壳1与装有螺旋线3和夹持杆2的挤压模具4在同一轨道上运动。

第二步：求出管壳1的中心高与挤压模具4的中心高，要求两者相等。利用管壳1的外径与燕尾槽轨道6的两个斜面相切可以求出模具中心高。

第三步：以此中心高加工出挤压模具4的中心。挤压模具4的滑动底脚与燕尾槽轨道6相配合。

第四步：使用线切割电火花机床加工管壳定位模具8，中心形状与管壳1内部形状一致。

第五步：使用线切割电火花机床加工定位杆12和推杆。定位杆12与管壳1内径形状一致，配合应为滑配合；推杆与挤压模具4的空心5形状相同，配合应为自由公差，可滑动即可。

本发明的螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法，具体步骤如下：

步骤1：将金属管壳1放置在挤压台7上的管壳定位模具8上，使用定位杆12按照正确位置固定管壳1，将螺旋线3和介质夹持杆2按照设计的相对位置装入挤压模具4的空心5内；

步骤2：利用热胀冷缩的原理，对固定在挤压台7上的金属管壳1进行加热，使其受热膨胀，内径增大；

步骤3：将挤压模具4沿燕尾槽轨道6推入挤压台7，与管壳1对齐，将推杆推入挤压模具4的空心5内，使摆放好的螺旋线3和夹持杆2被挤入管壳1，构成螺旋线慢波组件雏形；

步骤4：停止对慢波组件雏形加热，将装有推杆的挤压模具4取下，待整个慢波组件雏形的温度恢复到室温，这时管壳1因温度降低而收缩内径，产生极大的收缩力，施加到螺旋线3和夹持杆2上，将各个部件紧密的挤压在一起，完成慢波组件的制备。

本发明方法制备的慢波组件，各部件接触紧密，接触热阻降低，可以把慢波组件工作过程中，螺旋线3局部的热量通过介质夹持杆2迅速传递到金属管壳1，从而避免了螺旋线3局部温度过高而造成螺旋线3放气或烧毁。

图7为冷弹压法、四次缠钼带热挤压法与新的无变形热挤压法制备的慢波组件的加入功率与螺旋线温度的关系比较情况。

表1给出了采用传统的冷弹压法、传统缠钼带热挤压法与新的无变形热挤压法制备的慢波组件的散热能力的比较(夹持杆是BeO)。

表1：

从表1中可看出300℃时，无变形热挤压法制备的组件19是冷弹压法制备的组件14散热能力的三倍以上，400℃时是四倍以上。缠钼带热挤压法进行了四次，其散热能力也未达到无变形热挤压法。

图8给出了冷弹压法、石墨热挤压法及无变形热挤压法制备的慢波组件的散热能力比较情况(夹持杆是BeO)。

从图8看出冷弹压制备的组件14经过石墨法热挤压后其散热能力有了很大提高，几乎达到了无变形热挤压的散热性能。但这种方法由于经过两次机械力的作用，且石墨模具远远达不到悬压管壳的精度。因此经过石墨挤压的慢波组件20的管壳1变形比较大，可以由图9中驻波系数的变化看出。图9a是石墨热挤压法与无变形热挤压法频域对比；图9b是石墨热挤压法与无变形热挤压法时域对比。

从图9a可看出石墨热挤压法制备的组件20驻波系数随着频率的变化呈现出较大的不规则抖动，而无变形热挤压法制备的组件19呈现出比较小的抖动，从图9b可看出石墨热挤压法制备的组件20在不同位置具有不同强度的反射，而无变形热挤压法制备的组件19的反射强度明显减弱。图9a频域驻波系数抖动正是由于慢波组件内部杂乱无章的反射造成的，这种反射在电子注与电磁场相互作用时，会被放大百倍，从而影响行波管的性能。

综上所述，图7和图8给出了本发明方法和另几种方法制备的慢波组件的散热性能曲线比较情况。实验结果表明新型制备工艺无变形热挤压法制备的慢波组件的散热能力是冷弹压法的3-4倍。传统的缠钼带热挤压法在进行四次挤压后其散热能力也未达到无变形热挤压法制备的慢波组件散热能力。传统的石墨挤压法制备组件的散热性能可与无变形热挤压相比拟，但这种热挤压法由于冷挤和石墨模具的加工原因而引起慢波组件的两次变形，从而造成微波反射点增多，如图9a和图9b中所示。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种螺旋线慢波组件制备的无变形热挤压方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1：将金属管壳(1)放置在挤压台(7)上的管壳定位模具(8)上，使用定位杆(12)按照正确位置固定管壳(1)，将螺旋线(3)和介质夹持杆(2)按照设计的相对位置装入挤压模具(4)的空心(5)内；

步骤2：对固定在挤压台(7)上的金属管壳(1)进行加热，使其受热膨胀，内径增大；

步骤3：将挤压模具(4)沿燕尾槽轨道(6)推入挤压台(7)，与管壳(1)对齐，将推杆推入挤压模具(4)的空心(5)内，使摆放好的螺旋线(3)和夹持杆(2)被挤入管壳(1)，构成螺旋线慢波组件雏形；

步骤4：停止对慢波组件雏形加热，将装有推杆的挤压模具(4)取下，待整个慢波组件雏形的温度恢复到室温，这时管壳(1)因温度降低而收缩内径，产生极大的收缩力，施加到螺旋线(3)和夹持杆(2)上，将各个部件紧密的挤压在一起，完成慢波组件的制备。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管壳定位模具(8)，包括模具套(11)、定位杆(12)和中心槽(13)，位于高频加热器(9)的氢气(10)通道内；模具套(11)内部空心的形状与管壳(1)内部一致，以轴向固接于中心槽(13)的一端；定位杆(12)与管壳(1)内部的形状一致，长度大于模具套(11)，以两端伸出的方式套于模具套(11)内；中心槽13的截面与管壳(1)外圆相适配，底面固接于挤压台(7)上。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤1中将金属管壳(1)放置在挤压台(7)上的管壳定位模具(8)上，是将待装配的管壳(1)放在中心槽(13)上，用模具套(11)抵住管壳(1)，按照正确的位置固定管壳(1)，再将定位杆(12)的一端***待装配的管壳(1)内，从而使管壳(1)固定。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中对金属管壳(1)进行加热，加热温度为780～820℃。

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