徐向陽 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，這使其在主動成像、安檢、通信和雷達探測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

太赫茲波導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)基本采用矩形波導腔形式。某太赫茲頻段的波導器件波導腔均具有截面尺寸小(0.43 mm×0.86 mm)，高度尺寸相對較大(10 mm左右)的特點，采用常規(guī)的機械加工工藝很難達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[1]所述采用微機電領(lǐng)域的光刻、電鍍和腐蝕等工藝可以實現(xiàn)截面上微小結(jié)構(gòu)的加工，但難以滿足該頻段波導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 某太赫茲波導管

從圖中可以看出該器件波導腔尺寸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。直接銑削加工波導腔體由于腔體圓角R0.05，因此需要Φ0.1的銑刀進行加工，目前Φ0.1銑刀加工極限深度不超過0.5 mm，遠遠達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12 mm以上的電極，如此細小的電極其制造精度難以保證，從而影響腔體精度；即使電極制作達到精度要求由于尺寸小，電極在加工過程中放電損耗相對較大，需要多個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優(yōu)選方案。

一般波導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床整體加工出波導腔，最后以波導腔為基準加工端面和定位孔等其他要素。對于圖1所示的太赫茲波導零件，采用線切割工藝首先要加工穿絲孔，由于該零件波導腔只有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，否則線切割時也不能加工出完整的波導腔。采用數(shù)控高速鉆削加工技術(shù)可以實現(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到0.5 mm以上，因此采用鉆穿絲孔然后線切割波導腔的方法在該類零件上也不可用。

2 工藝設(shè)計

圖1所示零件的波導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)過反復摸索及實驗驗證，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[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)計成長方形孔，再使用直徑和長度合適的刀具，通過高速銑設(shè)備銑削長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；然后在中心兩端對稱銑長方形穿絲孔；線切割找正中心穿絲孔割波導腔；找正波導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)和波導腔高精度線切割技術(shù)是實現(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有效長度4 mm和6 mm的專用銑刀，材料采用硬質(zhì)合金，切削刃長0.6 mm，為保證刀具一定的剛性，有效刀徑設(shè)計為0.26 mm，圖3為設(shè)計的專用刀具。

其次從工藝設(shè)計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)計成0.3 mm×0.6 mm長方形孔，給切屑一定的排出空間，同時在銑削孔時兩端對稱銑，先用有效長度4 mm銑刀加工，深度不夠時采用6 mm長的銑刀加工。

圖3 加工穿絲孔用專用刀具

最后對切削參數(shù)進行設(shè)定。由于銑刀細而長，能受的切削力非常小，刀具切削速度Vc推薦值35～40 m/min，進給量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)，計算得到轉(zhuǎn)速為37000 r/min～42000 r/min，結(jié)合HSM500實際情況，將轉(zhuǎn)速定為40000 r/min。根據(jù)公式F=Fz×S計算得到進給速度F為0.2 m/min。經(jīng)過切削試驗，發(fā)現(xiàn)進給速度是刀具斷裂的主要因素，在加工深度越大時進給速度要越小，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，線切割余量僅有0.1 mm，因此找正中心非常重要，而且波導腔的圓角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腔，該波導腔僅有0.43 mm×0.86 mm，線切割時中間空間太小，不利于落料，有時落料會導致波導內(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腔的方法，即線切割時一遍一遍放電蝕除所有多余料。

同時切割過程中放電參數(shù)和切割速度也影響波導腔的表面質(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腔工藝。為保證腔體表面質(zhì)量，將波導腔切割分為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腔的加工，尺寸精度在0.01 mm以內(nèi)，滿足了設(shè)計要求，如圖5所示。

圖5 線切割加工的12 mm波導腔體

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

圖6 某太赫茲波導管

4 結(jié)束語

太赫茲波導器件尺寸小，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腔體制造難題，實現(xiàn)了某典型太赫茲波導器件高效、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)的波導器件制造。