某太赫茲頻段波導(dǎo)器件加工工藝

徐向陽(yáng) 汪云虎 薛曉鋒 許 洋

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

太赫茲(terahertz，THz)波 是 指 頻 率 介 于0．1～10THz的電磁波[1]。THz波具有頻帶寬、傳輸速率高、方向性好、安全性高、散射小及穿透性好等優(yōu)點(diǎn)，這使其在主動(dòng)成像、安檢、通信和雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

太赫茲波導(dǎo)器件是組成上述各領(lǐng)域設(shè)備的關(guān)鍵件，器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本采用矩形波導(dǎo)腔形式。某太赫茲頻段的波導(dǎo)器件波導(dǎo)腔均具有截面尺寸小(0.43 mm×0.86 mm)，高度尺寸相對(duì)較大(10 mm左右)的特點(diǎn)，采用常規(guī)的機(jī)械加工工藝很難達(dá)到太赫茲器件小尺寸、高精度及批量化生產(chǎn)的要求；如文獻(xiàn)[1]所述采用微機(jī)電領(lǐng)域的光刻、電鍍和腐蝕等工藝可以實(shí)現(xiàn)截面上微小結(jié)構(gòu)的加工，但難以滿足該頻段波導(dǎo)器件其他維度上大尺寸結(jié)構(gòu)的要求，而且成本高、效率低。目前微小截面大深度尺寸波導(dǎo)腔體制造技術(shù)成為影響該類器件研制的瓶頸。

1 工藝性分析

圖1為某太赫茲頻段的波導(dǎo)器件，材料為HPb59銅合金，是組成該頻段電磁波系統(tǒng)必備的器件，其腔體結(jié)構(gòu)形式具有典型性，該領(lǐng)域其他器件也采用類似腔體。

圖1 某太赫茲波導(dǎo)管

從圖中可以看出該器件波導(dǎo)腔尺寸0.43 mm×0.86 mm，腔體尺寸精度0～0.02 mm，粗糙度Ra0.8，深度12 mm，波導(dǎo)腔四周圓角R0.05。為了保證電氣駐波和差損的要求，該腔體采用整體結(jié)構(gòu)。

從結(jié)構(gòu)上看，該類零件需要整體加工，不允許拼接而成，腔體截面尺寸小而深度方向尺寸大，四周圓角僅有0.05 mm，工藝性較差，制造難度較大。直接銑削加工波導(dǎo)腔體由于腔體圓角R0.05，因此需要Φ0.1的銑刀進(jìn)行加工，目前Φ0.1銑刀加工極限深度不超過0.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到加工深度的要求。采用電火花加工腔體首先需要做截面尺寸0.43 mm×0.86 mm長(zhǎng)12 mm以上的電極，如此細(xì)小的電極其制造精度難以保證，從而影響腔體精度；即使電極制作達(dá)到精度要求由于尺寸小，電極在加工過程中放電損耗相對(duì)較大，需要多個(gè)電極才能完成腔體加工，效率低、成本高，而且更換電極帶來的裝夾誤差也影響腔體加工精度，因此電火花加工也不是一個(gè)優(yōu)選方案。

一般波導(dǎo)器件加工工藝都是先加工穿絲孔，然后采用精密慢走絲線切割機(jī)床整體加工出波導(dǎo)腔，最后以波導(dǎo)腔為基準(zhǔn)加工端面和定位孔等其他要素。對(duì)于圖1所示的太赫茲波導(dǎo)零件，采用線切割工藝首先要加工穿絲孔，由于該零件波導(dǎo)腔只有0.43 mm×0.86 mm，線切割工序需要有放電加工余量才能保證腔體精度，因此穿絲孔直徑最大不能超過0.3 mm，而且還要保證穿絲孔兩端同軸度不能超過0.1 mm即穿絲孔兩端不能太偏，否則線切割時(shí)也不能加工出完整的波導(dǎo)腔。采用數(shù)控高速鉆削加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在12 mm厚的黃銅板上鉆0.3 mm的孔[2]，但是鉆孔完成后其兩端同軸度偏差在0.2 mm以上，普通設(shè)備上鉆孔偏差甚至達(dá)到0.5 mm以上，因此采用鉆穿絲孔然后線切割波導(dǎo)腔的方法在該類零件上也不可用。

2 工藝設(shè)計(jì)

圖1所示零件的波導(dǎo)腔不論從加工精度還是效率上來看，采用慢走絲線切割是最合適的工藝。經(jīng)過反復(fù)摸索及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，制定了以高速銑削技術(shù)銑穿絲孔、高精度慢走絲線切割技術(shù)加工波導(dǎo)腔的工藝方案。

高速銑具有切削效率高、切削力小、表面加工質(zhì)量高等特點(diǎn)[3]，非常適合小直徑刀具切削加工。因此，將常規(guī)的圓形穿絲孔設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形孔，再使用直徑和長(zhǎng)度合適的刀具，通過高速銑設(shè)備銑削長(zhǎng)方形穿絲孔是可行的。

依據(jù)以上思路，結(jié)合現(xiàn)有工藝技術(shù)，確定該波導(dǎo)器件加工工藝。首先為了方便后續(xù)線切割裝夾和找正穿絲孔，將毛坯料加工成六方外形；然后在中心兩端對(duì)稱銑長(zhǎng)方形穿絲孔；線切割找正中心穿絲孔割波導(dǎo)腔；找正波導(dǎo)腔銑端面銷孔和安裝孔；最后車削加工零件外形。圖2為該零件的制造工藝流程。

圖2 某太赫茲波導(dǎo)管工藝流程

3 關(guān)鍵工藝技術(shù)

微小穿絲孔高精度高速銑削技術(shù)和波導(dǎo)腔高精度線切割技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該零件加工的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 高速銑削技術(shù)

首先，根據(jù)零件材料和結(jié)構(gòu)尺寸，定制了Φ0.3有效長(zhǎng)度4 mm和6 mm的專用銑刀，材料采用硬質(zhì)合金，切削刃長(zhǎng)0.6 mm，為保證刀具一定的剛性，有效刀徑設(shè)計(jì)為0.26 mm，圖3為設(shè)計(jì)的專用刀具。

其次從工藝設(shè)計(jì)上考慮切屑排出問題，避免刀具受切屑擠壓斷裂，將穿絲孔設(shè)計(jì)成0.3 mm×0.6 mm長(zhǎng)方形孔，給切屑一定的排出空間，同時(shí)在銑削孔時(shí)兩端對(duì)稱銑，先用有效長(zhǎng)度4 mm銑刀加工，深度不夠時(shí)采用6 mm長(zhǎng)的銑刀加工。

圖3 加工穿絲孔用專用刀具

最后對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。由于銑刀細(xì)而長(zhǎng)，能受的切削力非常小，刀具切削速度Vc推薦值35～40 m/min，進(jìn)給量Fz推薦值為0.005 mm，切深ap推薦值為0.002～0.02 mm。根據(jù)公式S=1000×Vc/(π×D)，計(jì)算得到轉(zhuǎn)速為37000 r/min～42000 r/min，結(jié)合HSM500實(shí)際情況，將轉(zhuǎn)速定為40000 r/min。根據(jù)公式F=Fz×S計(jì)算得到進(jìn)給速度F為0.2 m/min。經(jīng)過切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給速度是刀具斷裂的主要因素，在加工深度越大時(shí)進(jìn)給速度要越小，最終在保證刀具不斷裂的情況下得到合適工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)速40000 r/min，進(jìn)給速度0.02 m/min，切深0.005 mm。在該工藝參數(shù)下，完成了最深12 mm穿絲孔的加工，兩端孔的同軸度0.02 mm，為后續(xù)線切割波導(dǎo)腔打下了基礎(chǔ)。圖4為加工好的12 mm深穿絲孔。

圖4 高速銑加工的12 mm深穿絲孔

3.2 線切割技術(shù)

由于穿絲孔尺寸為0.3 mm×0.6 mm，線切割余量?jī)H有0.1 mm，因此找正中心非常重要，而且波導(dǎo)腔的圓角R僅有0.05 mm，必須采用高精度的具有0.1 mm絲徑的慢走絲線切割設(shè)備，本文選用設(shè)備為CUT E350。不同于大尺寸的波導(dǎo)腔，該波導(dǎo)腔僅有0.43 mm×0.86 mm，線切割時(shí)中間空間太小，不利于落料，有時(shí)落料會(huì)導(dǎo)致波導(dǎo)內(nèi)腔表面放電異常造成過切，因此只能采用無心線切割波導(dǎo)腔的方法，即線切割時(shí)一遍一遍放電蝕除所有多余料。

同時(shí)切割過程中放電參數(shù)和切割速度也影響波導(dǎo)腔的表面質(zhì)量。綜合考慮以上因素確定了采用0.1 mm絲徑的無心線切割波導(dǎo)腔工藝。為保證腔體表面質(zhì)量，將波導(dǎo)腔切割分為7遍，調(diào)整放電功率和電流，通過幾輪試切，掌握了線切割參數(shù)，最終完成了零件波導(dǎo)腔的加工，尺寸精度在0.01 mm以內(nèi)，滿足了設(shè)計(jì)要求，如圖5所示。

圖5 線切割加工的12 mm波導(dǎo)腔體

零件完成波導(dǎo)腔線切割后在高速銑上以波導(dǎo)腔為基準(zhǔn)進(jìn)行零件端面銷孔和外形加工，最后車削中間Φ3 尺寸，所有工序完成后對(duì)波導(dǎo)腔和銷孔、外形尺寸以及形位公差進(jìn)行檢驗(yàn)，均滿足設(shè)計(jì)要求。圖6為最終的某太赫茲頻段波導(dǎo)器件。

圖6 某太赫茲波導(dǎo)管

4 結(jié)束語(yǔ)

太赫茲波導(dǎo)器件尺寸小，精度要求高，其腔體結(jié)構(gòu)加工困難。本文采用高速銑削技術(shù)完成了高精度深小穿絲孔的加工，并結(jié)合無心慢走絲線切割技術(shù)解決了微小截面大深度尺寸波導(dǎo)腔體制造難題，實(shí)現(xiàn)了某典型太赫茲波導(dǎo)器件高效、低成本制造。該工藝可以推廣應(yīng)用到0.1～0.5 THz范圍內(nèi)類似結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)器件制造。