微細(xì)電火花加工技術(shù)在高頻電學(xué)精密器件制造中的應(yīng)用

張勇斌，荊 奇，王 晗，劉廣民，袁偉然，李建原

（ 中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900 ）

隨著通信與雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，高頻電學(xué)精密器件在民用和軍用領(lǐng)域都有大量的需求[1-5]。 近年來(lái)，應(yīng)用場(chǎng)景的日益復(fù)雜苛刻對(duì)高頻電學(xué)精密器件的性能及其制造提出了越來(lái)越高的要求。 核心微結(jié)構(gòu)的形狀精度控制、表面粗糙度控制、加工過(guò)程穩(wěn)定性控制與效率提升等是高頻電學(xué)精密器件制造的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

目前，各種適用于高頻電學(xué)精密器件的制造方法均有其優(yōu)勢(shì)和局限性。例如，在平面工藝中，LIGA技術(shù)具有加工精度高和表面質(zhì)量好的優(yōu)勢(shì)，但成本昂貴、 工藝流程復(fù)雜；UV-LIGA 技術(shù)雖能在一定程度上降低成本，但也在一定程度上降低了加工精度和表面質(zhì)量， 而且在去膠過(guò)程中也易損傷微結(jié)構(gòu)；深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)的加工精度和表面質(zhì)量均較高， 但其工藝試驗(yàn)周期長(zhǎng)且主要對(duì)硅基體進(jìn)行刻蝕。 又如，在探針工藝方面，微銑削加工技術(shù)在一定尺度范圍內(nèi)具有較高的加工精度和加工質(zhì)量，但加工耗時(shí)較久、刀具成本高，并且在更小尺度刀具的設(shè)計(jì)、制造和使用方面存在困難；微細(xì)電火花加工技術(shù)相比于微銑削加工技術(shù)， 屬于非接觸加工方法，其加工精度和表面質(zhì)量較高且所用工具電極可在位制備，因此成本較低且尺度可達(dá)數(shù)微米。

本文基于微細(xì)電火花加工技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了高頻電學(xué)精密器件的加工制造技術(shù)研究，可為相關(guān)微結(jié)構(gòu)特征零件的制造和加工提供技術(shù)支撐，對(duì)推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 面向典型高頻電學(xué)精密器件的微細(xì)電火花加工制造技術(shù)

太赫茲行波管和濾波器是兩種典型的高頻電學(xué)精密器件。 太赫茲行波管在輸出功率、增益和帶寬等方面有著較高的性能要求[6-8]。 濾波器在增益、帶外抑制等方面也有著嚴(yán)格的性能要求。 對(duì)這些性能要求的滿足，離不開(kāi)對(duì)核心部件微結(jié)構(gòu)的加工精度和表面質(zhì)量的控制。 太赫茲行波管核心部件的慢波結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖見(jiàn)圖1。 可知，在加工精度方面，為保證器件的物理性能，不但需要慢波結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)滿足尺寸要求， 而且對(duì)微槽特征的側(cè)壁陡直度、底部平坦度等也有嚴(yán)格的細(xì)節(jié)精度要求；在表面質(zhì)量方面，為降低粗糙度對(duì)傳輸損耗的影響，往往需要慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)表面粗糙度Ra 值為數(shù)十納米； 在加工過(guò)程穩(wěn)定性方面，除了需保證微結(jié)構(gòu)特征的加工一致性，還需保證其加工效率；另外，慢波結(jié)構(gòu)特征中還存在半圓截面的電子注通道特征，為了實(shí)現(xiàn)這種大長(zhǎng)徑比微結(jié)構(gòu)特征的在位精密加工，還需探索新型的技術(shù)方案。

圖1 太赫茲行波管折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖

針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本文以具有代表性的某高頻段折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)為例，圍繞前期分析設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)制造指標(biāo)，基于微細(xì)電火花加工技術(shù)開(kāi)展了相應(yīng)技術(shù)探索。

1.1 微槽特征截面的控形技術(shù)

微細(xì)電火花加工是一種通過(guò)放電產(chǎn)生的爆炸和高溫去除材料的加工方法，存在電極損耗，其損耗的累積會(huì)影響相應(yīng)加工特征的形狀。 若工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，電極會(huì)出現(xiàn)非均勻損耗現(xiàn)象，使圓柱電極的形狀發(fā)生改變，進(jìn)而造成微槽特征的底部出現(xiàn)圓弧、 側(cè)壁不陡直等現(xiàn)象且截面不再是理想的矩形，這在慢波微結(jié)構(gòu)加工中需予以避免。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微槽特征截面的精密控形，本文首先通過(guò)理論分析揭示了微細(xì)電火花加工脈沖放電過(guò)程的時(shí)空累積作用機(jī)理[9]。 以圓柱工具電極為例，微細(xì)電火花加工放電模型可簡(jiǎn)化圓柱電極底部端面與工件對(duì)應(yīng)表面之間的放電模型（圖2），上述兩個(gè)表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括圓柱工具電極自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及其沿著加工路徑的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并且兩個(gè)表面會(huì)在脈沖放電的作用下不斷進(jìn)行材料去除。

圖2 微細(xì)電火花加工放電模型原理圖

設(shè)工具電極底部端面上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)為（xT，yT）、工件表面上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)為（xW，yW），經(jīng)過(guò)n個(gè)放電脈沖之后， 可使用z 坐標(biāo)表示工具電極和工件表面上任意一點(diǎn)的深度變化，如下：

式中：zT（xT，yT）是點(diǎn)（xT，yT）的z 坐標(biāo)，zW（xW，yW）是點(diǎn)（xW，yW） 的z 坐標(biāo)；zT0和zW0分別是電極和工件表面的初始z 坐標(biāo)；dj和hj分別表示第j 個(gè)脈沖在電極和工件上的點(diǎn)產(chǎn)生的去除深度，并且dj和hj可等于0，表示該脈沖并未產(chǎn)生有效的蝕除。

在加工過(guò)程中，工具電極和工件不斷地受到放電蝕除作用并產(chǎn)生材料蝕除。 工具電極和工件的表面形貌可分別用zT和zW進(jìn)行表示， 并且二者在不斷地發(fā)生變化。 此外，電極上的一點(diǎn)與工件上的一點(diǎn)所形成的空間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系也隨著電極與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。 對(duì)于有效放電脈沖產(chǎn)生的一對(duì)蝕除凹坑， 其空間位置將隨著時(shí)間而改變。 因此，電極和工件表面輪廓的形成過(guò)程是脈沖放電蝕除在不同的時(shí)間和不同的空間不斷累積的過(guò)程。 在這一過(guò)程中，以工具電極為例，在其底部端面上任意選擇m 個(gè)點(diǎn)，在n 個(gè)脈沖的作用下可用矩陣D 表示這些點(diǎn)的時(shí)空蝕除深度，如下：

式中：矩陣D 第i 行的行向量di=[di1，di2，di3，…，din]，表示點(diǎn)i 的時(shí)間蝕除深度序列；第j 列的列向量dj=[d1j，d2j，d3j，…，dmj]T，表示脈沖j 對(duì)所有點(diǎn)造成的空間蝕除深度序列。

微細(xì)電火花加工的工藝參數(shù)， 既有開(kāi)路電壓、峰值電流和脈寬等決定單脈沖放電能量大小的參數(shù)，也有電極和工件材料、加工極性、轉(zhuǎn)速、電極幾何形狀、進(jìn)給速度、路徑、脈沖頻率、分層厚度和閾值電壓等其他參數(shù)，這些參數(shù)的不同組合會(huì)導(dǎo)致不同單脈沖材料的蝕除體積差異，進(jìn)而導(dǎo)致每次放電發(fā)生蝕除的位置不同。 換言之，不同的工藝參數(shù)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不同的矩陣D。

對(duì)于一組確定的工藝參數(shù)而言， 在脈沖j 作用下形成的蝕除深度序列dj， 將會(huì)受到時(shí)間域上先前j-1 個(gè)脈沖產(chǎn)生的蝕除作用的累積結(jié)果影響。 同時(shí)，由于受第j 個(gè)脈沖的蝕除作用影響， 電極和工件的表面形貌發(fā)生變化，而且在這段時(shí)間內(nèi)電極與工件之間的空間相對(duì)位置也因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化，這將進(jìn)一步影響下一列向量dj+1的構(gòu)成。 由于時(shí)間和空間上的累積效應(yīng)，電極端面不同位置的累積去除量可能不同，即矩陣D 的每一行都有差異。 如果在工藝參數(shù)選擇合適的情況下，行向量di的和可表示為，而且在無(wú)論i 等于多少的情況下都近似相等，則意味著電極實(shí)現(xiàn)了均勻損耗。 根據(jù)微細(xì)電火花加工的仿形特性，相對(duì)應(yīng)的工件表面材料也得到了均勻的去除， 比如獲得了具有矩形截面的微槽。然而，如果所選擇的工藝參數(shù)使得i 不相同時(shí)的存在較大差異，則電極出現(xiàn)了非均勻損耗。 同樣的， 這種非均勻的形狀變化也會(huì)復(fù)制到工件表面，導(dǎo)致工件表面的非均勻材料去除，比如加工的微槽底部出現(xiàn)圓弧輪廓。 因此，時(shí)空累積差異可通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)調(diào)整，從而有效地控制電極底部不同位置的損耗量和工件的最終加工輪廓。

通過(guò)以上的分析可得出如下結(jié)論： 一方面，微細(xì)電火花加工銑削中各種工藝參數(shù)的組合會(huì)影響時(shí)空蝕除矩陣D 的組成，即不同參數(shù)下的材料去除存在時(shí)空上的差異；另一方面，對(duì)于某一組確定的工藝參數(shù)而言，矩陣D 在時(shí)間和空間維度上也可能不同。

以上是微細(xì)電火花放電銑削加工中材料去除在時(shí)間、空間上的累積差異機(jī)理。 由于該累積差異的存在，工具電極出現(xiàn)不均勻損耗，進(jìn)而影響工件上微槽特征的加工精度，使微槽底部不平整、存在弧形特征。 基于上述時(shí)空累積差異機(jī)理，本文建立了微細(xì)電火花加工的仿真預(yù)測(cè)模型，設(shè)計(jì)的工具電極與工件的網(wǎng)格劃分模型見(jiàn)圖3。

圖3 基于時(shí)空累積作用機(jī)理的工具電極與工件網(wǎng)格劃分模型

通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)的仿真計(jì)算，能預(yù)先獲得加工微槽的輪廓。 仿真與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。 可知，仿真與實(shí)驗(yàn)整體吻合較好，證明了這種累積差異的存在，也證明了仿真模型的有效性，因此可通過(guò)該仿真模型預(yù)測(cè)加工輪廓預(yù)先確定合適的工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這種累積作用差異的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微槽特征截面的精密控形。

圖4 時(shí)空累積作用機(jī)理仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

1.2 甚高頻脈沖電加工電源技術(shù)

1.2.1 甚高頻放電蝕除技術(shù)

微細(xì)電火花加工時(shí)，電源產(chǎn)生的單次脈沖放電能量，直接影響單脈沖放電凹坑的大小，單個(gè)脈沖的放電能量越低， 單脈沖放電凹坑的尺寸越小，加工表面就會(huì)更加精細(xì)[10]。因此，降低單脈沖的放電能量是獲得更高加工表面質(zhì)量的有效手段[11]。但是，在將單脈沖放電能量降至更低水平的同時(shí)，保持連續(xù)穩(wěn)定的加工狀態(tài)和較高的加工效率是極具挑戰(zhàn)性的。 許多學(xué)者的研究聚焦于微細(xì)電火花加工電源，致力于提升微細(xì)電火花加工的極限加工能力。 用于微細(xì)電火花加工的典型電源主要有RC 電源、 晶體管電源和靜電感應(yīng)電源三種類型。 這三種電源在降低脈沖能量或維持穩(wěn)定加工狀態(tài)方面均存在一定的局限性[12-14]，故采用新型的設(shè)計(jì)理念非常重要。

文獻(xiàn)[15-16]證實(shí)了一種全新的甚高頻（VHF，頻率范圍為30 ～300 MHz）的放電模式。甚高頻微細(xì)電火花加工不再遵循傳統(tǒng)思想，即通過(guò)電子開(kāi)關(guān)壓縮脈沖寬度或減小電壓、電流和電容的方式來(lái)減小放電能量，而是采用甚高頻電磁振蕩來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)放電等離子通道的時(shí)間調(diào)制。 在甚高頻電磁振蕩的影響下，放電等離子通道迅速交替地形成和切斷，不能完全擴(kuò)展，而且基于甚高頻電路的特性能保證等離子體通道內(nèi)較高的能量密度。 甚高頻微細(xì)電火花加工方法實(shí)際上利用了甚高頻通信系統(tǒng)的功率輸出，由圖5a 所示甚高頻通信系統(tǒng)的原理示意圖可見(jiàn)，信號(hào)源產(chǎn)生的甚高頻正弦信號(hào)被射頻功率放大器放大，并通過(guò)天線輻射到空間中；由圖5b 所示甚高頻微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的原理示意圖可見(jiàn)， 導(dǎo)線、工具電極和工件代替了天線，同時(shí)隔離器可以保護(hù)射頻功放。

圖5 甚高頻微細(xì)電火花加工方法

將甚高頻脈沖電源與晶體管式脈沖電源的加工結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6 所示，相比于傳統(tǒng)晶體管式脈沖電源，由于甚高頻放電模式的單脈沖放電能量大幅縮減， 單脈沖放電凹坑的尺寸明顯減小，凹坑直徑僅約為晶體管電源的10%，此時(shí)加工表面的質(zhì)量得到明顯提升。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型甚高頻放電模式在形成高完整性和高質(zhì)量加工表面方面，具有極大的優(yōu)勢(shì)。 甚高頻放電模式的提出，可使微細(xì)電火花加工能有效應(yīng)對(duì)高頻電學(xué)器件制造中的高表面質(zhì)量要求。

圖6 兩種電源的蝕除結(jié)果對(duì)比

1.2.2 基于甚高頻脈沖的復(fù)合電源技術(shù)

為了進(jìn)一步提升甚高頻放電蝕除效率，人們提出了一種基于甚高頻振蕩脈沖的微納放電蝕除技術(shù)， 是利用甚高頻振蕩源產(chǎn)生的交變電磁振蕩，對(duì)現(xiàn)有典型獨(dú)立式放電脈沖電場(chǎng)進(jìn)行時(shí)間域和空間域的動(dòng)態(tài)調(diào)控與細(xì)分、減少微觀電弧以及增加并細(xì)化火花放電。 該技術(shù)的基本原理為：甚高頻振蕩源與獨(dú)立式放電脈沖將疊加作用到正負(fù)兩極間（波形示意見(jiàn)圖7）， 通過(guò)調(diào)節(jié)甚高頻振蕩源的幅頻參數(shù)，對(duì)獨(dú)立式放電脈沖電場(chǎng)形成微觀高速攪動(dòng)，使甚高頻振蕩源在時(shí)域內(nèi)反復(fù)多次交變作用于獨(dú)立式放電脈沖場(chǎng)，此時(shí)正負(fù)兩極間距離最近的兩個(gè)點(diǎn)易在電場(chǎng)強(qiáng)度處于尖峰時(shí)激發(fā)電流并產(chǎn)生放電蝕除，而在電場(chǎng)強(qiáng)度處于低谷時(shí)則難以延續(xù)電流，產(chǎn)生電流拉斷，破壞電弧產(chǎn)生的條件，電流的快速波動(dòng)使放電通道中的等離子體受到洛倫茲力與電場(chǎng)力共同的交變作用，在微小放電間隙中形成電磁場(chǎng)的甚高頻跳動(dòng)；同時(shí)，單次蝕除將去掉當(dāng)前距離最近的一對(duì)點(diǎn)，使另外一對(duì)點(diǎn)成為新的距離最近的點(diǎn)，下一個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度峰值點(diǎn)將在微觀尺度空間轉(zhuǎn)移變換到新的位置，從而實(shí)現(xiàn)放電脈沖場(chǎng)的空間調(diào)控。 如上依次反復(fù)循環(huán)， 直至單個(gè)獨(dú)立式脈沖周期的結(jié)束，從而就形成了單個(gè)脈沖周期內(nèi)在微觀空間域不同點(diǎn)的放電，實(shí)現(xiàn)了典型獨(dú)立式單個(gè)放電脈沖場(chǎng)在空間域和時(shí)間域的細(xì)分，可獲得微納蝕除特征。

圖7 不同放電脈沖場(chǎng)強(qiáng)度受時(shí)間調(diào)控后的曲線對(duì)比

甚高頻復(fù)合電源脈沖與典型獨(dú)立式單個(gè)脈沖的蝕除特征對(duì)比見(jiàn)圖8?？芍?，獨(dú)立式放電單脈沖能量柱可以蝕除微米痕且為單次蝕除，其特征范圍大而少，熱影響區(qū)明顯；甚高頻復(fù)合脈沖經(jīng)過(guò)時(shí)空疊加形成的單脈沖能量束可以蝕除納米痕, 但為多次蝕除，其特征范圍小而多，幾乎無(wú)熱影響區(qū)。

圖8 單脈沖蝕除特征對(duì)比示意圖

根據(jù)分析結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了如圖9 所示的甚高頻復(fù)合電源主電路，將獨(dú)立式脈沖電源與甚高頻脈沖電源進(jìn)行了復(fù)合，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)合脈沖的輸出。 甚高頻復(fù)合脈沖輸出波形見(jiàn)圖10。

圖9 甚高頻復(fù)合脈沖主電路示意圖

圖10 甚高頻復(fù)合脈沖輸出波形

1.3 加工過(guò)程的自適應(yīng)調(diào)控技術(shù)

微細(xì)電火花加工并不是恒速進(jìn)給而是受放電間隙隨機(jī)狀態(tài)影響的時(shí)變過(guò)程。 若要保證微細(xì)電火花加工過(guò)程的穩(wěn)定性并兼顧加工效率， 需穩(wěn)定、方便、適應(yīng)性強(qiáng)的伺服控制手段。 微細(xì)電火花加工銑削過(guò)程的控制對(duì)象是圖11 所示的控制間隙。 當(dāng)工具電極沿著進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，工件材料也將沿著進(jìn)給方向被去除。 工具電極和工件之間保持一定間隙，從而實(shí)現(xiàn)有效的脈沖放電，當(dāng)該間隙過(guò)小時(shí)，加工易發(fā)生短路且無(wú)材料蝕除效果； 當(dāng)該間隙過(guò)大時(shí)，加工處于開(kāi)路狀態(tài)，同樣無(wú)材料蝕除效果。 因此，微細(xì)電火花加工銑削的控制思想即為保證這一控制間隙處于合適穩(wěn)定的大小，才能保證更高的有效放電率和加工效率。

圖11 微細(xì)電火花加工銑削過(guò)程控制對(duì)象示意圖

自適應(yīng)伺服控制策略的進(jìn)給速度調(diào)整簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖12。該策略的主要思想是：首先，基于機(jī)床進(jìn)給速度的安全范圍，分別設(shè)置了進(jìn)給速度和回退速度的上限，并將這兩個(gè)上限對(duì)稱設(shè)置；然后，在該上限范圍內(nèi)， 分別設(shè)定了進(jìn)給速度和回退速度的最大值，并且同樣采用對(duì)稱設(shè)置的方式，限定其不能超出進(jìn)給速度上限范圍；最后，在該上限范圍內(nèi)給出優(yōu)化的進(jìn)給速度。 優(yōu)化出的進(jìn)給速度存在兩種情況，第一種情況是，通過(guò)連續(xù)短路數(shù)量進(jìn)行判斷，如果連續(xù)短路數(shù)量較多，則表明該速度相較于材料去除速度偏大，此時(shí)應(yīng)減小進(jìn)給速度最大值和回退速度最大值的范圍， 使得進(jìn)給速度向材料去除速度收斂；第二種情況是，通過(guò)一定時(shí)間內(nèi)的短路次數(shù)進(jìn)行判斷，如果短路次數(shù)過(guò)少，則表明該速度相較于材料去除速度偏小，此時(shí)應(yīng)增大進(jìn)給速度最大值和回退速度最大值的范圍，提升進(jìn)給速度從而逼近材料去除速度[17]。

圖12 自適應(yīng)伺服控制策略進(jìn)給速度調(diào)整簡(jiǎn)圖

圖13 是加工初始階段兩種策略下的電極進(jìn)給速度變化曲線。 可看出，在傳統(tǒng)定速控制策略下，電極進(jìn)給速度在初始接觸之后一直于初始設(shè)定的進(jìn)給速度范圍內(nèi)振蕩； 在自適應(yīng)伺服控制策略下，工具電極的進(jìn)給速度能在初始接觸之后迅速收斂至較小范圍內(nèi)， 從而自適應(yīng)地追蹤材料的蝕除速率，使加工過(guò)程更加穩(wěn)定。 本文利用示波器對(duì)加工過(guò)程中的脈沖放電波形進(jìn)行觀察，如圖14 所示，示波器的顯示范圍內(nèi)共有100 個(gè)脈沖，根據(jù)微細(xì)電火花加工中有效放電脈沖的波形可統(tǒng)計(jì)出有效放電脈沖的個(gè)數(shù)。 傳統(tǒng)定速控制策略下的有效放電脈沖比例約為24%，然而在自適應(yīng)伺服控制策略下的有效放電脈沖比例約為49%，這表明自適應(yīng)伺服控制策略可顯著提高微細(xì)電火花加工的有效放電比例，因此也能顯著提升微細(xì)電火花加工的加工效率。

圖13 兩種控制策略的進(jìn)給速度變化對(duì)比

圖14 兩種控制策略的放電波形對(duì)比

1.4 大長(zhǎng)徑比微結(jié)構(gòu)特征的微細(xì)電火花加工技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)徑比半圓截面電子注通道的加工，一種微細(xì)電極絲隨動(dòng)加工電子注通道的方法在微細(xì)電極絲線切割加工的基礎(chǔ)上被提出（圖15）[18]，其主要設(shè)計(jì)思想是通過(guò)引入對(duì)微細(xì)電極絲的支撐，將微細(xì)電極絲線切割加工中的線接觸轉(zhuǎn)化為點(diǎn)接觸，主要由該接觸點(diǎn)參與放電加工，并且由于該放電加工點(diǎn)得到頂絲頭的穩(wěn)定支撐， 幾乎無(wú)抖動(dòng)；然后由機(jī)床帶動(dòng)整套機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)分層銑削的方式在工件上加工出大長(zhǎng)徑比半圓截面微槽。該方法不受電子注通道長(zhǎng)度的影響，能在機(jī)床行程范圍內(nèi)加工任意長(zhǎng)度半圓截面的微槽。

圖15 微細(xì)電極絲隨動(dòng)加工電子注通道示意圖

采用微細(xì)電極絲隨動(dòng)放電加工方法加工的半圓截面微槽見(jiàn)圖16。 可見(jiàn)微槽的槽寬一致性好，經(jīng)測(cè)量得到的槽寬均值為100.99 μm、極差為1.7 μm；微槽左右端面均呈標(biāo)準(zhǔn)的半圓形輪廓，其形狀精度較好。 這表明該方法能有效抑制電極絲抖動(dòng)問(wèn)題，具有較高的加工精度且不受微槽長(zhǎng)度影響，能解決大長(zhǎng)徑比半圓截面電子注通道的加工問(wèn)題。

圖16 微細(xì)電極絲隨動(dòng)放電加工半圓截面微槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 典型高頻電學(xué)精密器件的微細(xì)電火花加工制造結(jié)果

基于上述的技術(shù)探索，本文在自主研發(fā)的微細(xì)電火花加工設(shè)備上針對(duì)某高頻段行波管折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)開(kāi)展了加工實(shí)驗(yàn)。 最終加工所得具有完整折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的樣件見(jiàn)圖17，其電鏡特寫(xiě)照片見(jiàn)圖18。 可看出，該樣件的慢波微結(jié)構(gòu)完整且具有非常好的一致性；折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的側(cè)壁陡直，電子注通道截面準(zhǔn)確一致。 這說(shuō)明，通過(guò)微細(xì)電火花加工技術(shù)加工的慢波結(jié)構(gòu)這一典型高頻電學(xué)器件的質(zhì)量較好。

圖17 加工出的高頻段慢波結(jié)構(gòu)的電鏡照片

圖18 加工出的高頻段慢波結(jié)構(gòu)的電鏡特寫(xiě)照片

太赫茲慢波結(jié)構(gòu)加工完成后，本文對(duì)其開(kāi)展了物理特性的冷測(cè)試實(shí)驗(yàn)。 在冷測(cè)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)太赫茲慢波結(jié)構(gòu)的駐波比和傳輸損耗等微波傳輸特性進(jìn)行測(cè)量，本文能間接驗(yàn)證加工尺寸精度、粗糙度、對(duì)準(zhǔn)裝配等綜合制造水平的優(yōu)劣。 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖19 和圖20。

圖19 慢波結(jié)構(gòu)的傳輸損耗測(cè)試結(jié)果

圖20 慢波結(jié)構(gòu)的駐波比測(cè)試結(jié)果

由圖19、圖20 可見(jiàn)，在設(shè)定頻帶范圍內(nèi)，慢波結(jié)構(gòu)的傳輸損耗為-14～-10 dB/cm、 駐波比為1.1～1.9，均滿足設(shè)計(jì)要求。這也間接反映出，本文所研究并構(gòu)建的微細(xì)電火花加工銑削方法能滿足該頻段折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的加工精度和加工表面質(zhì)量要求，驗(yàn)證了折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)制造成形的有效性。

3 展望

本文針對(duì)高頻電學(xué)精密器件的制造問(wèn)題，基于微細(xì)電火花加工技術(shù)開(kāi)展了相應(yīng)的創(chuàng)新性技術(shù)探索，并以某高頻段慢波結(jié)構(gòu)的加工為例驗(yàn)證了上述技術(shù)的有效性，實(shí)現(xiàn)了典型的基于性能需求的精密制造。 隨著太赫茲技術(shù)不斷向更高頻段發(fā)展，太赫茲慢波結(jié)構(gòu)對(duì)加工精度和表面質(zhì)量的要求越來(lái)越高，另外還有諸多高頻電學(xué)器件如濾波器等的性能需求提升，也會(huì)有帶來(lái)更多的制造需求。 因此，業(yè)界還需開(kāi)展深入的技術(shù)探索，以期進(jìn)一步完善和提升微細(xì)電火花加工對(duì)于高頻電學(xué)精密器件的制造能力，為滿足應(yīng)用需求提供穩(wěn)定的制造技術(shù)支撐。