一種細長矩形截面?zhèn)鬏斁€成型工藝*

路 波，霍建東

(中國電子科技集團公司第四十一研究所， 山東 青島 266555)

一種細長矩形截面?zhèn)鬏斁€成型工藝*

路 波，霍建東

(中國電子科技集團公司第四十一研究所， 山東 青島 266555)

定向耦合器是用來實現(xiàn)信號檢測的無源微波組件，插入損耗是其一項重要性能指標，而矩形截面的傳輸線是低插入損耗同軸寬帶定向耦合器的核心零件之一。為了提高該類傳輸線的表面狀態(tài)特性，降低插入損耗，根據(jù)矩形截面?zhèn)鬏斁€的結(jié)構(gòu)特點，改變了以往采用精密慢走絲線切割加工的傳統(tǒng)成型工藝方法，通過高速銑削的引入、工藝裝夾方式的改進以及加工參數(shù)優(yōu)化和后處理方式的改進等，實現(xiàn)了超細長矩形截面?zhèn)鬏斁€高速銑削加工成型，在改善零件表面質(zhì)量的同時，也較大幅度地提高了信號傳輸性能，取得了滿意的效果。

定向耦合器；傳輸線；慢走絲線切割；高速銑削

引 言

定向耦合器作為具有方向性的功率耦合(分配)元件，在電子設(shè)備及測試系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。其主要電性能指標有直通插入損耗、耦合頻響、方向性、耦合度以及端口電壓駐波比等。定向耦合器的結(jié)構(gòu)形式有小孔耦合、微帶線耦合、帶狀線耦合等[1]。在帶狀線耦合結(jié)構(gòu)形式的定向耦合器，特別是可工作到微波毫米波頻段的寬帶定向耦合器中，帶狀耦合線的成型精度、表面狀態(tài)對耦合器電性能影響巨大，因此帶狀耦合線的成型工藝是值得重點研究的內(nèi)容之一。

定向耦合器中的帶狀傳輸線，基于其外形細長、尺寸和形位精度要求高等結(jié)構(gòu)特征，在以往的生產(chǎn)中一直采用慢走絲線切割加工的成型方法，而線切割的成型原理決定所加工的零件表面不可避免地存在顆粒狀的凹坑或凸起，對信號的傳輸具有較大影響。隨著信號傳輸頻率的不斷提高，在提高傳輸線的尺寸等精度要求的同時，對成型表面質(zhì)量也提出了更高的要求，仍采用原有的成型工藝已不能滿足高頻、高性能指標的要求，因此需要尋找更加適合的成型工藝方法。

1 矩形截面?zhèn)鬏斁€的結(jié)構(gòu)特性

考慮到實現(xiàn)的工藝性，帶狀線耦合結(jié)構(gòu)形式的定向耦合器一般采用厚帶側(cè)耦合帶狀線結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其所用矩形截面?zhèn)鬏斁€(耦合線)如圖2所示。

圖1 厚帶側(cè)耦合帶狀線定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 矩形截面?zhèn)鬏斁€示意圖

從圖2可看出，矩形截面?zhèn)鬏斁€有以下6個特點：

1)典型的超細長結(jié)構(gòu)；

2)非規(guī)則的平面特征結(jié)構(gòu)；

3)成型后的零件強度低，容易產(chǎn)生形變；

4)變矩形截面，尺寸小，難以夾持，成型困難；

5)安裝支撐孔徑微小，成型困難；

6)在成型過程中，沿長度方向棱邊的成型毛刺等多余物去除困難。

綜合考慮電性能要求、加工工藝性和表面處理工藝性，一般選用銅合金材料來制作矩形截面的傳輸線。

2 矩形截面?zhèn)鬏斁€的成型工藝

根據(jù)矩形截面?zhèn)鬏斁€的結(jié)構(gòu)特點和使用要求，可以設(shè)計出2種工藝方法的成型工藝路線：精密慢走絲線切割成型工藝法和高速低切削應(yīng)力銑削工藝成型法。這2種工藝方法各有其優(yōu)缺點，線切割法夾持容易，編程簡單，成型過程中基本無內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，但線切割表面狀態(tài)不理想，需要后續(xù)的處理，且效率較低，耗時較長；高速銑削法的銑削表面狀態(tài)可以非常理想，成型過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力極小，且加工效率較高(達到慢走絲線切割加工效率的6倍以上)，但因零件是形狀不規(guī)則的細長結(jié)構(gòu)，工藝過程的裝夾困難。

2.1 精密慢走絲線切割成型工藝

精密慢走絲線切割成型工藝的工藝路線如下：銅合金板材下料—熱處理—加工標稱厚度(對應(yīng)圖2，圖樣為0.9 mm)的、尺寸和形位公差以及表面狀態(tài)符合要求的板料—熱處理—排樣—加工穿絲孔(包括微小支撐孔的穿絲孔)—裝夾板料—找正位置—線切割成型—去除毛刺—表面處理—電鍍。下料和厚度成型后，根據(jù)需要增加熱處理工序，以去除殘余應(yīng)力，降低形變可能。在此工藝流程中，加工穿絲孔、切割成型、去除毛刺和表面處理存在難度，特別是毛刺去除和表面處理，在零件成型完工后進行，極易產(chǎn)生形變。圖3為慢走絲線切割加工排樣示意圖。

圖3 慢走絲線切割加工排樣示意圖

傳輸線零件上支撐孔孔徑微小，為保證孔的位置精度，避免多次裝夾引入誤差，最終零件的支撐孔需要與外型在線切割工序一次裝夾過程中完成。穿絲孔需要盡可能小，以留給線切割足夠的工藝余量來保證孔徑和位置精度。

傳輸線零件細長特點突出，排樣方式和線切割的切入點選擇比較重要，應(yīng)盡量降低加工過程中懸臂梁現(xiàn)象的影響。切割參數(shù)的選擇同樣重要，絲線的規(guī)格品種、放電電流、進給速度等需要綜合優(yōu)化考慮和選擇。在理論上，慢走絲線切割加工可以通過多次微量切割，獲得很高的加工表面粗糙度效果。但因傳輸線零件形狀以及夾持的限制，無法實現(xiàn)對傳輸表面的多次切割，以進一步提高表面粗糙度，同時又受銅合金金屬材料“軟”特性的限制，因而最終獲得的加工面的表面粗糙度并不十分理想。

成型后的零件細長特征顯著，截面積微小，其棱邊處的毛刺，特別是線切割過程中迸濺附著的細微顆粒，采用傳統(tǒng)機械方法很難去除。另外，線切割加工面不理想的表面狀態(tài)，直接影響定向耦合器的直通插損等電性能，需要進行表面改良處理。針對矩形截面?zhèn)鬏斁€的結(jié)構(gòu)特點和用途，采取化學(xué)的或電化學(xué)拋光光飾工藝來進行表面改良處理，均可獲得明顯的表面狀態(tài)改善效果。進一步的試驗表明，經(jīng)表面改良處理后的矩形傳輸線的插入損耗改善效果明顯。雖然精密慢走絲線切割的加工表面可以達到Ra0.8以上的程度，但其微觀特性仍然不利于高頻信號的傳輸，經(jīng)過表面改良后，則接近切削加工表面的性能。表面改良前后狀態(tài)如圖4和圖5所示。

圖4 慢走絲線切割加工面表面狀態(tài)圖(放大80倍)

圖5 表面光飾處理后的狀態(tài)圖(放大80倍)

2.2 高速銑削成型工藝

隨著高速銑削技術(shù)的發(fā)展，矩形截面?zhèn)鬏斁€采用銑削加工成為可能。對于銅合金、鋁合金類 “軟”有色金屬材料，采用刀具切削加工，其表面狀態(tài)較電火花加工有一定優(yōu)勢，特別是采用高速銑削加工，容易獲得比較理想的表面狀態(tài)[2]。但在刀具加工的加工過程中不可避免地存在切削力和切削熱，容易引起機械應(yīng)力變形或熱應(yīng)力變形，尤其對于矩形截面?zhèn)鬏斁€這種細長結(jié)構(gòu)特征突出、成型后強度低的零件，是必須予以考慮的。對于矩形截面?zhèn)鬏斁€來說，采用銑削加工的另外一個工藝難點是坯料的夾持問題，需要充分考慮好落料方式，以保證成型零件的加工質(zhì)量。

高速銑削成型工藝的工藝路線如下：銅合金板材下料—熱處理—加工標稱厚度(對應(yīng)圖2，圖樣為0.9 mm)的、尺寸和形位公差以及表面狀態(tài)符合要求的板料—熱處理—排樣—裝夾—加工微小支撐孔—銑削成型—去除毛刺—去除裝夾—電鍍。下料及厚度方向加工后根據(jù)需要增加熱處理工序，以去除殘余應(yīng)力，降低形變可能。在此工藝流程中，裝夾和銑削成型存在難度。

規(guī)劃和設(shè)計裝夾方式是非常關(guān)鍵的一步，必須充分考慮好落料對成型零件的影響。成型零件尺寸微小，無法采用真空吸盤的方式進行板坯料裝夾，銅合金材料也無法采用磁力吸盤裝夾。因為高速銑削的切削力可以控制得很小，所以可以考慮采用膠接工藝將板坯料粘接到一塊工裝板上，再按常規(guī)裝夾到工作臺上進行加工，如圖6所示。膠的選擇以及膠接工藝比較重要，既要保證加工過程中不會出現(xiàn)板坯料松動或位移，又要方便銑削完成后成型件的脫離。

圖6 板坯料膠接裝夾及銑削示意圖

由于受成型零件結(jié)構(gòu)特征以及裝夾力的限制，因而對銑削參數(shù)的選取和控制要求非?？量?，必須保證產(chǎn)生的切削力極小。在高速切削時，刀尖的溫度通常會達到900 ℃，若刀具選擇不當(dāng)，刀具磨損就會很嚴重，因此選擇適宜的刀具是必須的。下刀位置和方式、進給方向和銑削方向、進給速度和銑削速度等都會影響加工精度和加工表面的表面狀態(tài)[3]。經(jīng)過多次試驗，主軸轉(zhuǎn)速不低于30 000 r/min，采用小進刀多次側(cè)刃銑削方式，最終可獲得理想的矩形截面?zhèn)鬏斁€零件，尺寸及形位精度、表面狀態(tài)都比較理想，棱邊清晰、均勻，且刀痕紋理方與信號傳輸方向相同。經(jīng)過對高速銑削試驗件的測量，零件側(cè)表面粗糙度能達到Ra0.8以上，如圖7所示。零件成型后非裝夾面的毛刺，可在裝夾撤銷前方便去除，同時由于高速銑削的高速進給、微進刀的特點，裝夾面的毛刺極微小，甚至可以不用處理，在電鍍過程的前處理工序過程中即可被除去。

圖7 高速銑削加工面示意圖(放大100倍)

3 工藝效果

采用精密慢走絲線切割成型工藝和高速銑削成型工藝，均能獲得比較理想的矩形截面?zhèn)鬏斁€零件，但總體來說，采用高速銑削成型工藝可以獲得更為理想的加工表面狀態(tài)，更有利于電性能的提高。

實驗表明，若不進行適宜的后表面處理工藝，改良線切割加工表面狀態(tài)，將對定向耦合器的插入損耗等產(chǎn)生明顯的影響。測試結(jié)果證明，在頻率為40 GHz時，采用高速銑削成型工藝的矩形截面?zhèn)鬏斁€，與采用線切割成型工藝但未經(jīng)表面光飾處理的矩形截面?zhèn)鬏斁€相比，其插入損耗在頻率高段處可以降低約0.5 dB，插損改善25% ，效果相當(dāng)明顯，如圖8 所示。而采取適宜的表面改良處理后，二者的差值可以明顯縮小，甚至相當(dāng)，這說明表面粗糙度的影響相當(dāng)明顯。但光飾表面處理極易影響成型零件的形狀和尺寸精度,控制難度大，操作上存在較大困難。

圖8 高速銑削內(nèi)導(dǎo)體定向耦合器插入損耗測試結(jié)果

4 結(jié)束語

對于定向耦合器等無源微波組件，成型零件精度和表面狀態(tài)質(zhì)量很大程度上決定了組件的性能指標，因此，在充分了解各零件的用途和使用狀態(tài)的基礎(chǔ)上，根據(jù)零件的特點以及所具備的工藝能力，分析和確定工藝難點、合理規(guī)劃工藝路線是非常重要的。矩形截面?zhèn)鬏斁€只是其中的一個典型示例，如何采取更高效的成型工藝方法和工藝路線，以更加經(jīng)濟的方式獲得理想的最終零件，是需要不斷深入開展的工藝研究課題之一。

[1] 廖承恩. 微波技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1982.

[2] 陳日曜. 金屬切削原理[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 1993.

[3] 李華. 機械制造技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 1997.

路 波 (1971-)，男，高級工程師, 主要從事電子測量儀器結(jié)構(gòu)工藝工作。

Machining Process of Long-thin Rectangular Section Transmission Line

LU Bo，HUO Jian-dong

(The41stResearchInstituteofCETC，Qingdao266555,China)

The directional coupler is a passive microwave component applied to detecting signals. And the insertion loss is the key parameter of directional coupler. The rectangular section transmission line is one of the critical components in low insertion loss coaxial broadband directional coupler. In order to increase surface properties and reduce insertion loss, a high-speed milling method based on structural features of transmission line in machining supper long-thin rectangular section transmission line is demonstrated in this paper. This new machining method is better than traditional fine low-speed wire-cutting method in signal transmission quality and surface quality through improving clamping technique, machining parameters and post-treatment process.

directional coupler； transmission line； low-speed wire-cutting; high-speed milling

2012-10-29

TN811+.2

A

1008-5300(2013)02-0055-03