微细电火花加工技术在高频电学精密器件制造中的应用

张勇斌，荆 奇，王 晗，刘广民，袁伟然，李建原

（ 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900 ）

随着通信与雷达技术的发展，高频电学精密器件在民用和军用领域都有大量的需求[1-5]。 近年来，应用场景的日益复杂苛刻对高频电学精密器件的性能及其制造提出了越来越高的要求。 核心微结构的形状精度控制、表面粗糙度控制、加工过程稳定性控制与效率提升等是高频电学精密器件制造的关键技术问题。

目前，各种适用于高频电学精密器件的制造方法均有其优势和局限性。例如，在平面工艺中，LIGA技术具有加工精度高和表面质量好的优势，但成本昂贵、 工艺流程复杂；UV-LIGA 技术虽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质量， 而且在去胶过程中也易损伤微结构；深反应离子刻蚀技术的加工精度和表面质量均较高， 但其工艺试验周期长且主要对硅基体进行刻蚀。 又如，在探针工艺方面，微铣削加工技术在一定尺度范围内具有较高的加工精度和加工质量，但加工耗时较久、刀具成本高，并且在更小尺度刀具的设计、制造和使用方面存在困难；微细电火花加工技术相比于微铣削加工技术， 属于非接触加工方法，其加工精度和表面质量较高且所用工具电极可在位制备，因此成本较低且尺度可达数微米。

本文基于微细电火花加工技术的独特优势，开展了高频电学精密器件的加工制造技术研究，可为相关微结构特征零件的制造和加工提供技术支撑，对推动相关技术的发展也具有现实意义。

1 面向典型高频电学精密器件的微细电火花加工制造技术

太赫兹行波管和滤波器是两种典型的高频电学精密器件。 太赫兹行波管在输出功率、增益和带宽等方面有着较高的性能要求[6-8]。 滤波器在增益、带外抑制等方面也有着严格的性能要求。 对这些性能要求的满足，离不开对核心部件微结构的加工精度和表面质量的控制。 太赫兹行波管核心部件的慢波结构简化示意图见图1。 可知，在加工精度方面，为保证器件的物理性能，不但需要慢波结构的微结构满足尺寸要求， 而且对微槽特征的侧壁陡直度、底部平坦度等也有严格的细节精度要求；在表面质量方面，为降低粗糙度对传输损耗的影响，往往需要慢波结构内表面粗糙度Ra 值为数十纳米； 在加工过程稳定性方面，除了需保证微结构特征的加工一致性，还需保证其加工效率；另外，慢波结构特征中还存在半圆截面的电子注通道特征，为了实现这种大长径比微结构特征的在位精密加工，还需探索新型的技术方案。

图1 太赫兹行波管折叠波导慢波结构简化示意图

针对上述关键技术问题，本文以具有代表性的某高频段折叠波导慢波结构为例，围绕前期分析设计的微结构制造指标，基于微细电火花加工技术开展了相应技术探索。

1.1 微槽特征截面的控形技术

微细电火花加工是一种通过放电产生的爆炸和高温去除材料的加工方法，存在电极损耗，其损耗的累积会影响相应加工特征的形状。 若工艺参数选择不当，电极会出现非均匀损耗现象，使圆柱电极的形状发生改变，进而造成微槽特征的底部出现圆弧、 侧壁不陡直等现象且截面不再是理想的矩形，这在慢波微结构加工中需予以避免。

为了实现对微槽特征截面的精密控形，本文首先通过理论分析揭示了微细电火花加工脉冲放电过程的时空累积作用机理[9]。 以圆柱工具电极为例，微细电火花加工放电模型可简化圆柱电极底部端面与工件对应表面之间的放电模型（图2），上述两个表面之间的相对运动包括圆柱工具电极自身的旋转运动及其沿着加工路径的进给运动，并且两个表面会在脉冲放电的作用下不断进行材料去除。

图2 微细电火花加工放电模型原理图

设工具电极底部端面上任意一点的坐标为（xT，yT）、工件表面上任意一点的坐标为（xW，yW），经过n个放电脉冲之后， 可使用z 坐标表示工具电极和工件表面上任意一点的深度变化，如下：

式中：zT（xT，yT）是点（xT，yT）的z 坐标，zW（xW，yW）是点（xW，yW） 的z 坐标；zT0和zW0分别是电极和工件表面的初始z 坐标；dj和hj分别表示第j 个脉冲在电极和工件上的点产生的去除深度，并且dj和hj可等于0，表示该脉冲并未产生有效的蚀除。

在加工过程中，工具电极和工件不断地受到放电蚀除作用并产生材料蚀除。 工具电极和工件的表面形貌可分别用zT和zW进行表示， 并且二者在不断地发生变化。 此外，电极上的一点与工件上的一点所形成的空间点对应的位置关系也随着电极与工件的相对运动而发生变化。 对于有效放电脉冲产生的一对蚀除凹坑， 其空间位置将随着时间而改变。 因此，电极和工件表面轮廓的形成过程是脉冲放电蚀除在不同的时间和不同的空间不断累积的过程。 在这一过程中，以工具电极为例，在其底部端面上任意选择m 个点，在n 个脉冲的作用下可用矩阵D 表示这些点的时空蚀除深度，如下：

式中：矩阵D 第i 行的行向量di=[di1，di2，di3，…，din]，表示点i 的时间蚀除深度序列；第j 列的列向量dj=[d1j，d2j，d3j，…，dmj]T，表示脉冲j 对所有点造成的空间蚀除深度序列。

微细电火花加工的工艺参数， 既有开路电压、峰值电流和脉宽等决定单脉冲放电能量大小的参数，也有电极和工件材料、加工极性、转速、电极几何形状、进给速度、路径、脉冲频率、分层厚度和阈值电压等其他参数，这些参数的不同组合会导致不同单脉冲材料的蚀除体积差异，进而导致每次放电发生蚀除的位置不同。 换言之，不同的工艺参数会导致出现不同的矩阵D。

对于一组确定的工艺参数而言， 在脉冲j 作用下形成的蚀除深度序列dj， 将会受到时间域上先前j-1 个脉冲产生的蚀除作用的累积结果影响。 同时，由于受第j 个脉冲的蚀除作用影响， 电极和工件的表面形貌发生变化，而且在这段时间内电极与工件之间的空间相对位置也因为相对运动而产生变化，这将进一步影响下一列向量dj+1的构成。 由于时间和空间上的累积效应，电极端面不同位置的累积去除量可能不同，即矩阵D 的每一行都有差异。 如果在工艺参数选择合适的情况下，行向量di的和可表示为，而且在无论i 等于多少的情况下都近似相等，则意味着电极实现了均匀损耗。 根据微细电火花加工的仿形特性，相对应的工件表面材料也得到了均匀的去除， 比如获得了具有矩形截面的微槽。然而，如果所选择的工艺参数使得i 不相同时的存在较大差异，则电极出现了非均匀损耗。 同样的， 这种非均匀的形状变化也会复制到工件表面，导致工件表面的非均匀材料去除，比如加工的微槽底部出现圆弧轮廓。 因此，时空累积差异可通过调整工艺参数来调整，从而有效地控制电极底部不同位置的损耗量和工件的最终加工轮廓。

通过以上的分析可得出如下结论： 一方面，微细电火花加工铣削中各种工艺参数的组合会影响时空蚀除矩阵D 的组成，即不同参数下的材料去除存在时空上的差异；另一方面，对于某一组确定的工艺参数而言，矩阵D 在时间和空间维度上也可能不同。

以上是微细电火花放电铣削加工中材料去除在时间、空间上的累积差异机理。 由于该累积差异的存在，工具电极出现不均匀损耗，进而影响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。 基于上述时空累积差异机理，本文建立了微细电火花加工的仿真预测模型，设计的工具电极与工件的网格划分模型见图3。

图3 基于时空累积作用机理的工具电极与工件网格划分模型

通过对工艺参数的仿真计算，能预先获得加工微槽的轮廓。 仿真与实验的对比结果见图4。 可知，仿真与实验整体吻合较好，证明了这种累积差异的存在，也证明了仿真模型的有效性，因此可通过该仿真模型预测加工轮廓预先确定合适的工艺参数，从而实现对这种累积作用差异的调控，进而实现对微槽特征截面的精密控形。

图4 时空累积作用机理仿真与实验对比结果

1.2 甚高频脉冲电加工电源技术

1.2.1 甚高频放电蚀除技术

微细电火花加工时，电源产生的单次脉冲放电能量，直接影响单脉冲放电凹坑的大小，单个脉冲的放电能量越低， 单脉冲放电凹坑的尺寸越小，加工表面就会更加精细[10]。因此，降低单脉冲的放电能量是获得更高加工表面质量的有效手段[11]。但是，在将单脉冲放电能量降至更低水平的同时，保持连续稳定的加工状态和较高的加工效率是极具挑战性的。 许多学者的研究聚焦于微细电火花加工电源，致力于提升微细电火花加工的极限加工能力。 用于微细电火花加工的典型电源主要有RC 电源、 晶体管电源和静电感应电源三种类型。 这三种电源在降低脉冲能量或维持稳定加工状态方面均存在一定的局限性[12-14]，故采用新型的设计理念非常重要。

文献[15-16]证实了一种全新的甚高频（VHF，频率范围为30 ～300 MHz）的放电模式。甚高频微细电火花加工不再遵循传统思想，即通过电子开关压缩脉冲宽度或减小电压、电流和电容的方式来减小放电能量，而是采用甚高频电磁振荡来实现对放电等离子通道的时间调制。 在甚高频电磁振荡的影响下，放电等离子通道迅速交替地形成和切断，不能完全扩展，而且基于甚高频电路的特性能保证等离子体通道内较高的能量密度。 甚高频微细电火花加工方法实际上利用了甚高频通信系统的功率输出，由图5a 所示甚高频通信系统的原理示意图可见，信号源产生的甚高频正弦信号被射频功率放大器放大，并通过天线辐射到空间中；由图5b 所示甚高频微细电火花加工系统的原理示意图可见， 导线、工具电极和工件代替了天线，同时隔离器可以保护射频功放。

图5 甚高频微细电火花加工方法

将甚高频脉冲电源与晶体管式脉冲电源的加工结果进行对比，如图6 所示，相比于传统晶体管式脉冲电源，由于甚高频放电模式的单脉冲放电能量大幅缩减， 单脉冲放电凹坑的尺寸明显减小，凹坑直径仅约为晶体管电源的10%，此时加工表面的质量得到明显提升。 实验结果表明，新型甚高频放电模式在形成高完整性和高质量加工表面方面，具有极大的优势。 甚高频放电模式的提出，可使微细电火花加工能有效应对高频电学器件制造中的高表面质量要求。

图6 两种电源的蚀除结果对比

1.2.2 基于甚高频脉冲的复合电源技术

为了进一步提升甚高频放电蚀除效率，人们提出了一种基于甚高频振荡脉冲的微纳放电蚀除技术， 是利用甚高频振荡源产生的交变电磁振荡，对现有典型独立式放电脉冲电场进行时间域和空间域的动态调控与细分、减少微观电弧以及增加并细化火花放电。 该技术的基本原理为：甚高频振荡源与独立式放电脉冲将叠加作用到正负两极间（波形示意见图7）， 通过调节甚高频振荡源的幅频参数，对独立式放电脉冲电场形成微观高速搅动，使甚高频振荡源在时域内反复多次交变作用于独立式放电脉冲场，此时正负两极间距离最近的两个点易在电场强度处于尖峰时激发电流并产生放电蚀除，而在电场强度处于低谷时则难以延续电流，产生电流拉断，破坏电弧产生的条件，电流的快速波动使放电通道中的等离子体受到洛伦兹力与电场力共同的交变作用，在微小放电间隙中形成电磁场的甚高频跳动；同时，单次蚀除将去掉当前距离最近的一对点，使另外一对点成为新的距离最近的点，下一个电场强度峰值点将在微观尺度空间转移变换到新的位置，从而实现放电脉冲场的空间调控。 如上依次反复循环， 直至单个独立式脉冲周期的结束，从而就形成了单个脉冲周期内在微观空间域不同点的放电，实现了典型独立式单个放电脉冲场在空间域和时间域的细分，可获得微纳蚀除特征。

图7 不同放电脉冲场强度受时间调控后的曲线对比

甚高频复合电源脉冲与典型独立式单个脉冲的蚀除特征对比见图8。可知，独立式放电单脉冲能量柱可以蚀除微米痕且为单次蚀除，其特征范围大而少，热影响区明显；甚高频复合脉冲经过时空叠加形成的单脉冲能量束可以蚀除纳米痕, 但为多次蚀除，其特征范围小而多，几乎无热影响区。

图8 单脉冲蚀除特征对比示意图

根据分析结果，本文设计了如图9 所示的甚高频复合电源主电路，将独立式脉冲电源与甚高频脉冲电源进行了复合，并实现了复合脉冲的输出。 甚高频复合脉冲输出波形见图10。

图9 甚高频复合脉冲主电路示意图

图10 甚高频复合脉冲输出波形

1.3 加工过程的自适应调控技术

微细电火花加工并不是恒速进给而是受放电间隙随机状态影响的时变过程。 若要保证微细电火花加工过程的稳定性并兼顾加工效率， 需稳定、方便、适应性强的伺服控制手段。 微细电火花加工铣削过程的控制对象是图11 所示的控制间隙。 当工具电极沿着进给方向运动时，工件材料也将沿着进给方向被去除。 工具电极和工件之间保持一定间隙，从而实现有效的脉冲放电，当该间隙过小时，加工易发生短路且无材料蚀除效果； 当该间隙过大时，加工处于开路状态，同样无材料蚀除效果。 因此，微细电火花加工铣削的控制思想即为保证这一控制间隙处于合适稳定的大小，才能保证更高的有效放电率和加工效率。

图11 微细电火花加工铣削过程控制对象示意图

自适应伺服控制策略的进给速度调整简图见图12。该策略的主要思想是：首先，基于机床进给速度的安全范围，分别设置了进给速度和回退速度的上限，并将这两个上限对称设置；然后，在该上限范围内， 分别设定了进给速度和回退速度的最大值，并且同样采用对称设置的方式，限定其不能超出进给速度上限范围；最后，在该上限范围内给出优化的进给速度。 优化出的进给速度存在两种情况，第一种情况是，通过连续短路数量进行判断，如果连续短路数量较多，则表明该速度相较于材料去除速度偏大，此时应减小进给速度最大值和回退速度最大值的范围， 使得进给速度向材料去除速度收敛；第二种情况是，通过一定时间内的短路次数进行判断，如果短路次数过少，则表明该速度相较于材料去除速度偏小，此时应增大进给速度最大值和回退速度最大值的范围，提升进给速度从而逼近材料去除速度[17]。

图12 自适应伺服控制策略进给速度调整简图

图13 是加工初始阶段两种策略下的电极进给速度变化曲线。 可看出，在传统定速控制策略下，电极进给速度在初始接触之后一直于初始设定的进给速度范围内振荡； 在自适应伺服控制策略下，工具电极的进给速度能在初始接触之后迅速收敛至较小范围内， 从而自适应地追踪材料的蚀除速率，使加工过程更加稳定。 本文利用示波器对加工过程中的脉冲放电波形进行观察，如图14 所示，示波器的显示范围内共有100 个脉冲，根据微细电火花加工中有效放电脉冲的波形可统计出有效放电脉冲的个数。 传统定速控制策略下的有效放电脉冲比例约为24%，然而在自适应伺服控制策略下的有效放电脉冲比例约为49%，这表明自适应伺服控制策略可显著提高微细电火花加工的有效放电比例，因此也能显著提升微细电火花加工的加工效率。

图13 两种控制策略的进给速度变化对比

图14 两种控制策略的放电波形对比

1.4 大长径比微结构特征的微细电火花加工技术

为了实现大长径比半圆截面电子注通道的加工，一种微细电极丝随动加工电子注通道的方法在微细电极丝线切割加工的基础上被提出（图15）[18]，其主要设计思想是通过引入对微细电极丝的支撑，将微细电极丝线切割加工中的线接触转化为点接触，主要由该接触点参与放电加工，并且由于该放电加工点得到顶丝头的稳定支撑， 几乎无抖动；然后由机床带动整套机构进行进给运动，通过分层铣削的方式在工件上加工出大长径比半圆截面微槽。该方法不受电子注通道长度的影响，能在机床行程范围内加工任意长度半圆截面的微槽。

图15 微细电极丝随动加工电子注通道示意图

采用微细电极丝随动放电加工方法加工的半圆截面微槽见图16。 可见微槽的槽宽一致性好，经测量得到的槽宽均值为100.99 μm、极差为1.7 μm；微槽左右端面均呈标准的半圆形轮廓，其形状精度较好。 这表明该方法能有效抑制电极丝抖动问题，具有较高的加工精度且不受微槽长度影响，能解决大长径比半圆截面电子注通道的加工问题。

图16 微细电极丝随动放电加工半圆截面微槽实验结果

2 典型高频电学精密器件的微细电火花加工制造结果

基于上述的技术探索，本文在自主研发的微细电火花加工设备上针对某高频段行波管折叠波导慢波结构开展了加工实验。 最终加工所得具有完整折叠波导慢波结构的样件见图17，其电镜特写照片见图18。 可看出，该样件的慢波微结构完整且具有非常好的一致性；折叠波导结构的侧壁陡直，电子注通道截面准确一致。 这说明，通过微细电火花加工技术加工的慢波结构这一典型高频电学器件的质量较好。

图17 加工出的高频段慢波结构的电镜照片

图18 加工出的高频段慢波结构的电镜特写照片

太赫兹慢波结构加工完成后，本文对其开展了物理特性的冷测试实验。 在冷测实验中，通过对太赫兹慢波结构的驻波比和传输损耗等微波传输特性进行测量，本文能间接验证加工尺寸精度、粗糙度、对准装配等综合制造水平的优劣。 测试结果见图19 和图20。

图19 慢波结构的传输损耗测试结果

图20 慢波结构的驻波比测试结果

由图19、图20 可见，在设定频带范围内，慢波结构的传输损耗为-14～-10 dB/cm、 驻波比为1.1～1.9，均满足设计要求。这也间接反映出，本文所研究并构建的微细电火花加工铣削方法能满足该频段折叠波导慢波结构的加工精度和加工表面质量要求，验证了折叠波导慢波结构制造成形的有效性。

3 展望

本文针对高频电学精密器件的制造问题，基于微细电火花加工技术开展了相应的创新性技术探索，并以某高频段慢波结构的加工为例验证了上述技术的有效性，实现了典型的基于性能需求的精密制造。 随着太赫兹技术不断向更高频段发展，太赫兹慢波结构对加工精度和表面质量的要求越来越高，另外还有诸多高频电学器件如滤波器等的性能需求提升，也会有带来更多的制造需求。 因此，业界还需开展深入的技术探索，以期进一步完善和提升微细电火花加工对于高频电学精密器件的制造能力，为满足应用需求提供稳定的制造技术支撑。