張勇斌，荊 奇，王 晗，劉廣民，袁偉然，李建原

（ 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900 ）

隨著通信與雷達技術(shù)的發(fā)展，高頻電學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，應(yīng)用場景的日益復雜苛刻對高頻電學精密器件的性能及其制造提出了越來越高的要求。 核心微結(jié)構(gòu)的形狀精度控制、表面粗糙度控制、加工過程穩(wěn)定性控制與效率提升等是高頻電學精密器件制造的關(guān)鍵技術(shù)問題。

目前，各種適用于高頻電學精密器件的制造方法均有其優(yōu)勢和局限性。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，但成本昂貴、 工藝流程復雜；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， 但其工藝試驗周期長且主要對硅基體進行刻蝕。 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，但加工耗時較久、刀具成本高，并且在更小尺度刀具的設(shè)計、制造和使用方面存在困難；微細電火花加工技術(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數(shù)微米。

本文基于微細電火花加工技術(shù)的獨特優(yōu)勢，開展了高頻電學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，對推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也具有現(xiàn)實意義。

1 面向典型高頻電學精密器件的微細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格的性能要求。 對這些性能要求的滿足，離不開對核心部件微結(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)簡化示意圖見圖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， 而且對微槽特征的側(cè)壁陡直度、底部平坦度等也有嚴格的細節(jié)精度要求；在表面質(zhì)量方面，為降低粗糙度對傳輸損耗的影響，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，為了實現(xiàn)這種大長徑比微結(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慢波結(jié)構(gòu)簡化示意圖

針對上述關(guān)鍵技術(shù)問題，本文以具有代表性的某高頻段折疊波導慢波結(jié)構(gòu)為例，圍繞前期分析設(shè)計的微結(jié)構(gòu)制造指標，基于微細電火花加工技術(shù)開展了相應(yīng)技術(shù)探索。

1.1 微槽特征截面的控形技術(shù)

微細電火花加工是一種通過放電產(chǎn)生的爆炸和高溫去除材料的加工方法，存在電極損耗，其損耗的累積會影響相應(yīng)加工特征的形狀。 若工藝參數(shù)選擇不當，電極會出現(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。

為了實現(xiàn)對微槽特征截面的精密控形，本文首先通過理論分析揭示了微細電火花加工脈沖放電過程的時空累積作用機理[9]。 以圓柱工具電極為例，微細電火花加工放電模型可簡化圓柱電極底部端面與工件對應(yīng)表面之間的放電模型（圖2），上述兩個表面之間的相對運動包括圓柱工具電極自身的旋轉(zhuǎn)運動及其沿著加工路徑的進給運動，并且兩個表面會在脈沖放電的作用下不斷進行材料去除。

圖2 微細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的坐標為（xT，yT）、工件表面上任意一點的坐標為（xW，yW），經(jīng)過n個放電脈沖之后， 可使用z 坐標表示工具電極和工件表面上任意一點的深度變化，如下：

式中：zT（xT，yT）是點（xT，yT）的z 坐標，zW（xW，yW）是點（xW，yW） 的z 坐標；zT0和zW0分別是電極和工件表面的初始z 坐標；dj和hj分別表示第j 個脈沖在電極和工件上的點產(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進行表示， 并且二者在不斷地發(fā)生變化。 此外，電極上的一點與工件上的一點所形成的空間點對應(yīng)的位置關(guān)系也隨著電極與工件的相對運動而發(fā)生變化。 對于有效放電脈沖產(chǎn)生的一對蝕除凹坑， 其空間位置將隨著時間而改變。 因此，電極和工件表面輪廓的形成過程是脈沖放電蝕除在不同的時間和不同的空間不斷累積的過程。 在這一過程中，以工具電極為例，在其底部端面上任意選擇m 個點，在n 個脈沖的作用下可用矩陣D 表示這些點的時空蝕除深度，如下：

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

微細電火花加工的工藝參數(shù)， 既有開路電壓、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)的不同組合會導致不同單脈沖材料的蝕除體積差異，進而導致每次放電發(fā)生蝕除的位置不同。 換言之，不同的工藝參數(shù)會導致出現(xiàn)不同的矩陣D。

對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， 將會受到時間域上先前j-1 個脈沖產(chǎn)生的蝕除作用的累積結(jié)果影響。 同時，由于受第j 個脈沖的蝕除作用影響， 電極和工件的表面形貌發(fā)生變化，而且在這段時間內(nèi)電極與工件之間的空間相對位置也因為相對運動而產(chǎn)生變化，這將進一步影響下一列向量dj+1的構(gòu)成。 由于時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，而且在無論i 等于多少的情況下都近似相等，則意味著電極實現(xiàn)了均勻損耗。 根據(jù)微細電火花加工的仿形特性，相對應(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復制到工件表面，導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，時空累積差異可通過調(diào)整工藝參數(shù)來調(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。

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

以上是微細電火花放電銑削加工中材料去除在時間、空間上的累積差異機理。 由于該累積差異的存在，工具電極出現(xiàn)不均勻損耗，進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。 基于上述時空累積差異機理，本文建立了微細電火花加工的仿真預測模型，設(shè)計的工具電極與工件的網(wǎng)格劃分模型見圖3。

圖3 基于時空累積作用機理的工具電極與工件網(wǎng)格劃分模型

通過對工藝參數(shù)的仿真計算，能預先獲得加工微槽的輪廓。 仿真與實驗的對比結(jié)果見圖4。 可知，仿真與實驗整體吻合較好，證明了這種累積差異的存在，也證明了仿真模型的有效性，因此可通過該仿真模型預測加工輪廓預先確定合適的工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)對這種累積作用差異的調(diào)控，進而實現(xiàn)對微槽特征截面的精密控形。

圖4 時空累積作用機理仿真與實驗對比結(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)

微細電火花加工時，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，加工表面就會更加精細[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，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。 許多學者的研究聚焦于微細電火花加工電源，致力于提升微細電火花加工的極限加工能力。 用于微細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)計理念非常重要。

文獻[15-16]證實了一種全新的甚高頻（VHF，頻率范圍為30 ～300 MHz）的放電模式。甚高頻微細電火花加工不再遵循傳統(tǒng)思想，即通過電子開關(guān)壓縮脈沖寬度或減小電壓、電流和電容的方式來減小放電能量，而是采用甚高頻電磁振蕩來實現(xiàn)對放電等離子通道的時間調(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。 甚高頻微細電火花加工方法實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，信號源產(chǎn)生的甚高頻正弦信號被射頻功率放大器放大，并通過天線輻射到空間中；由圖5b 所示甚高頻微細電火花加工系統(tǒng)的原理示意圖可見， 導線、工具電極和工件代替了天線，同時隔離器可以保護射頻功放。

圖5 甚高頻微細電火花加工方法

將甚高頻脈沖電源與晶體管式脈沖電源的加工結(jié)果進行對比，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%，此時加工表面的質(zhì)量得到明顯提升。 實驗結(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。 甚高頻放電模式的提出，可使微細電火花加工能有效應(yīng)對高頻電學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)果對比

1.2.2 基于甚高頻脈沖的復合電源技術(shù)

為了進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，對現(xiàn)有典型獨立式放電脈沖電場進行時間域和空間域的動態(tài)調(diào)控與細分、減少微觀電弧以及增加并細化火花放電。 該技術(shù)的基本原理為：甚高頻振蕩源與獨立式放電脈沖將疊加作用到正負兩極間（波形示意見圖7）， 通過調(diào)節(jié)甚高頻振蕩源的幅頻參數(shù)，對獨立式放電脈沖電場形成微觀高速攪動，使甚高頻振蕩源在時域內(nèi)反復多次交變作用于獨立式放電脈沖場，此時正負兩極間距離最近的兩個點易在電場強度處于尖峰時激發(fā)電流并產(chǎn)生放電蝕除，而在電場強度處于低谷時則難以延續(xù)電流，產(chǎn)生電流拉斷，破壞電弧產(chǎn)生的條件，電流的快速波動使放電通道中的等離子體受到洛倫茲力與電場力共同的交變作用，在微小放電間隙中形成電磁場的甚高頻跳動；同時，單次蝕除將去掉當前距離最近的一對點，使另外一對點成為新的距離最近的點，下一個電場強度峰值點將在微觀尺度空間轉(zhuǎn)移變換到新的位置，從而實現(xiàn)放電脈沖場的空間調(diào)控。 如上依次反復循環(huán)， 直至單個獨立式脈沖周期的結(jié)束，從而就形成了單個脈沖周期內(nèi)在微觀空間域不同點的放電，實現(xiàn)了典型獨立式單個放電脈沖場在空間域和時間域的細分，可獲得微納蝕除特征。

圖7 不同放電脈沖場強度受時間調(diào)控后的曲線對比

甚高頻復合電源脈沖與典型獨立式單個脈沖的蝕除特征對比見圖8?？芍毩⑹椒烹妴蚊}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；甚高頻復合脈沖經(jīng)過時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，幾乎無熱影響區(qū)。

圖8 單脈沖蝕除特征對比示意圖

根據(jù)分析結(jié)果，本文設(shè)計了如圖9 所示的甚高頻復合電源主電路，將獨立式脈沖電源與甚高頻脈沖電源進行了復合，并實現(xiàn)了復合脈沖的輸出。 甚高頻復合脈沖輸出波形見圖10。

圖9 甚高頻復合脈沖主電路示意圖

圖10 甚高頻復合脈沖輸出波形

1.3 加工過程的自適應(yīng)調(diào)控技術(shù)

微細電火花加工并不是恒速進給而是受放電間隙隨機狀態(tài)影響的時變過程。 若要保證微細電火花加工過程的穩(wěn)定性并兼顧加工效率， 需穩(wěn)定、方便、適應(yīng)性強的伺服控制手段。 微細電火花加工銑削過程的控制對象是圖11 所示的控制間隙。 當工具電極沿著進給方向運動時，工件材料也將沿著進給方向被去除。 工具電極和工件之間保持一定間隙，從而實現(xiàn)有效的脈沖放電，當該間隙過小時，加工易發(fā)生短路且無材料蝕除效果； 當該間隙過大時，加工處于開路狀態(tài)，同樣無材料蝕除效果。 因此，微細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 微細電火花加工銑削過程控制對象示意圖

自適應(yīng)伺服控制策略的進給速度調(diào)整簡圖見圖12。該策略的主要思想是：首先，基于機床進給速度的安全范圍，分別設(shè)置了進給速度和回退速度的上限，并將這兩個上限對稱設(shè)置；然后，在該上限范圍內(nèi)， 分別設(shè)定了進給速度和回退速度的最大值，并且同樣采用對稱設(shè)置的方式，限定其不能超出進給速度上限范圍；最后，在該上限范圍內(nèi)給出優(yōu)化的進給速度。 優(yōu)化出的進給速度存在兩種情況，第一種情況是，通過連續(xù)短路數(shù)量進行判斷，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，此時應(yīng)減小進給速度最大值和回退速度最大值的范圍， 使得進給速度向材料去除速度收斂；第二種情況是，通過一定時間內(nèi)的短路次數(shù)進行判斷，如果短路次數(shù)過少，則表明該速度相較于材料去除速度偏小，此時應(yīng)增大進給速度最大值和回退速度最大值的范圍，提升進給速度從而逼近材料去除速度[17]。

圖12 自適應(yīng)伺服控制策略進給速度調(diào)整簡圖

圖13 是加工初始階段兩種策略下的電極進給速度變化曲線。 可看出，在傳統(tǒng)定速控制策略下，電極進給速度在初始接觸之后一直于初始設(shè)定的進給速度范圍內(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，使加工過程更加穩(wěn)定。 本文利用示波器對加工過程中的脈沖放電波形進行觀察，如圖14 所示，示波器的顯示范圍內(nèi)共有100 個脈沖，根據(jù)微細電火花加工中有效放電脈沖的波形可統(tǒng)計出有效放電脈沖的個數(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電火花加工的有效放電比例，因此也能顯著提升微細電火花加工的加工效率。

圖13 兩種控制策略的進給速度變化對比

圖14 兩種控制策略的放電波形對比

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

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

圖15 微細電極絲隨動加工電子注通道示意圖

采用微細電極絲隨動放電加工方法加工的半圓截面微槽見圖16。 可見微槽的槽寬一致性好，經(jīng)測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準的半圓形輪廓，其形狀精度較好。 這表明該方法能有效抑制電極絲抖動問題，具有較高的加工精度且不受微槽長度影響，能解決大長徑比半圓截面電子注通道的加工問題。

圖16 微細電極絲隨動放電加工半圓截面微槽實驗結(jié)果

2 典型高頻電學精密器件的微細電火花加工制造結(jié)果

基于上述的技術(shù)探索，本文在自主研發(fā)的微細電火花加工設(shè)備上針對某高頻段行波管折疊波導慢波結(jié)構(gòu)開展了加工實驗。 最終加工所得具有完整折疊波導慢波結(jié)構(gòu)的樣件見圖17，其電鏡特寫照片見圖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；折疊波導結(jié)構(gòu)的側(cè)壁陡直，電子注通道截面準確一致。 這說明，通過微細電火花加工技術(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)的電鏡特寫照片

太赫茲慢波結(jié)構(gòu)加工完成后，本文對其開展了物理特性的冷測試實驗。 在冷測實驗中，通過對太赫茲慢波結(jié)構(gòu)的駐波比和傳輸損耗等微波傳輸特性進行測量，本文能間接驗證加工尺寸精度、粗糙度、對準裝配等綜合制造水平的優(yōu)劣。 測試結(jié)果見圖19 和圖20。

圖19 慢波結(jié)構(gòu)的傳輸損耗測試結(jié)果

圖20 慢波結(jié)構(gòu)的駐波比測試結(jié)果

由圖19、圖20 可見，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)計要求。這也間接反映出，本文所研究并構(gòu)建的微細電火花加工銑削方法能滿足該頻段折疊波導慢波結(jié)構(gòu)的加工精度和加工表面質(zhì)量要求，驗證了折疊波導慢波結(jié)構(gòu)制造成形的有效性。

3 展望

本文針對高頻電學精密器件的制造問題，基于微細電火花加工技術(shù)開展了相應(yīng)的創(chuàng)新性技術(shù)探索，并以某高頻段慢波結(jié)構(gòu)的加工為例驗證了上述技術(shù)的有效性，實現(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)對加工精度和表面質(zhì)量的要求越來越高，另外還有諸多高頻電學器件如濾波器等的性能需求提升，也會有帶來更多的制造需求。 因此，業(yè)界還需開展深入的技術(shù)探索，以期進一步完善和提升微細電火花加工對于高頻電學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。