微波矩形波導(dǎo)腔體的微精加工

劉齊舟，謝義

安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽蚌埠 233000

1 序言

微波矩形波導(dǎo)是微波傳輸系統(tǒng)中的重要器件之一，因其結(jié)構(gòu)微小，尺寸精度要求高，加工制造難度較大，國內(nèi)提供的加工渠道少，目前多從國外進(jìn)口，價格昂貴。國內(nèi)一般中小型企業(yè)沒有加工這種高精度零件的能力，而擁有高精尖設(shè)備的企業(yè)則傾向于承接技術(shù)上較為成熟的項目。本文對一種微波矩形波導(dǎo)制造工藝過程進(jìn)行分析研究，對當(dāng)前較為通用的制造手段的可行性進(jìn)行較為全面的總結(jié)，并進(jìn)行了試驗性加工，將先進(jìn)制造技術(shù)手段與傳統(tǒng)的精密沖裁加工有效結(jié)合起來，最終解決了微波矩形波導(dǎo)加工中的清角難題。

2 波導(dǎo)零件加工技術(shù)要求

圖1所示微波矩形波導(dǎo)零件的材質(zhì)為H59黃銅，屬于易切削金屬材料，對完成加工是有利條件。分析其技術(shù)要求，具有以下特點。

圖1 波導(dǎo)零件結(jié)構(gòu)及尺寸

1）雖然該零件形狀不太復(fù)雜，但其尺寸較小，結(jié)構(gòu)精細(xì)，屬于精密零件，對加工設(shè)備自身精度有較高要求。

2）因為有較高的幾何公差精度要求，所以應(yīng)盡量減少裝夾次數(shù)，克服定位累積誤差。

3）微波矩形波導(dǎo)腔方孔0.65mm×0.3mm是關(guān)鍵尺寸，由于尺寸微小，且四角清根要求高，過渡圓角半徑r≤0.02mm，所以實現(xiàn)起來較為困難，是該零件加工的最大難點。

4）轉(zhuǎn)換工序過程中難免存在二次裝夾與相對摩擦，如何避免夾傷、劃傷零件也是必須注意的問題。

3 零件整體工藝可行性分析

從零件結(jié)構(gòu)可以看出，完成該零件可能采用的工序有：車、銑臺階，銑槽，鉆孔，電火花成形方孔，線切割切方孔及激光切割等。由于零件結(jié)構(gòu)有較高的對稱度要求，所以應(yīng)盡可能減少裝夾次數(shù)，各工序能一次裝夾完成最好，這樣可有效避免裝夾累積誤差。

波導(dǎo)腔0.65mm×0.3mm采用金屬切削加工方式不好實現(xiàn)，能采用的方法有：激光切割、電火花成形機加工、鉆預(yù)孔后上線切割及精密沖裁等。由于目前能將各工序特別是金屬切削與電火花或激光工藝一次裝夾完成的復(fù)合型設(shè)備國內(nèi)尚未見到，所以該零件須采用多工序加工。

4 波導(dǎo)腔加工方法分析

波導(dǎo)腔0.65mm×0.3mm加工可能實現(xiàn)的方法有以下4種。

（1）精密模具沖裁加工 模具沖裁是非圓孔腔常用的加工方法，但孔的最小尺寸與料厚比值需滿足一定的條件方可實施。一般孔的最小尺寸與被沖裁材料厚度比要求＞0.7，即便是凸模帶保護(hù)套，被沖裁材料是強度較低的黃銅或鋁，比值也必須＞0.3，比值過小凸模容易損壞。該產(chǎn)品型孔最小尺寸是0.3mm，厚度為1.6mm，其比值≈0.19，且沖裁存在較大的作用力，可能導(dǎo)致零件變形，影響尺寸精度，但沖裁加工容易實現(xiàn)矩形方孔清角。

（2）慢走絲線切割加工 目前是較為穩(wěn)定可靠的型孔加工方法，其切削力極小，加工精度高、表面質(zhì)量好，尺寸穩(wěn)定可靠。對該零件來說，只需鉆預(yù)孔0.25mm（此孔需用精密坐標(biāo)鏜床或精密電火花小孔機完成），按程序切割即可。但現(xiàn)有電極絲直徑多為0.2mm、0.1mm，較細(xì)的電極絲直徑為0.07mm，即便用0.07mm的電極絲切割，該方孔的四角圓弧半徑也＞0.04mm，不能滿足波導(dǎo)零件的技術(shù)要求。雖然相關(guān)進(jìn)口高精密慢走絲電極絲直徑可小到0.04mm，但實踐中未見使用。

（3）激光切割 激光加工近年來飛速發(fā)展，薄板激光切割應(yīng)用很廣泛，但是應(yīng)用最多的是非精密激光切割加工，薄板切割精度在0.1mm左右，加工質(zhì)量不穩(wěn)定。即使是精密激光切割，實際生產(chǎn)中也難以可靠保證本零件精度要求。筆者調(diào)研了一些精密激光切割企業(yè)，對厚度在2mm以下的板材，切割精度在0.04mm左右。相關(guān)試驗研究表明：傳統(tǒng)光纖激光在0.4mm的碳鋼板上切割精密齒輪，在嚴(yán)格的試驗條件下，加工精度只有0.02mm，表面粗糙度值R a=1.18μm；而且隨著材料厚度的增加，精度下降，表面粗糙度值增大。銅材是光的高反射材料，比鋼材更難切割，依此推斷，在厚度1.6mm的銅材上切割誤差在0.02mm以內(nèi)，孔的表面粗糙度值Ra達(dá)到1.25μm較為困難。委托相關(guān)企業(yè)用光纖激光設(shè)備進(jìn)行了試切加工，測試后均不能滿足要求。

近年來，飛秒激光加工技術(shù)研究取得較大進(jìn)展，理論上，飛秒激光幾乎可以對任意材料實施由微納到宏觀尺度的精密加工。一些飛秒激光加工技術(shù)正快速從研發(fā)轉(zhuǎn)向商用，但是許多其他飛秒激光加工技術(shù)仍處于試驗研究階段，現(xiàn)實中商用推廣較少，通用性不強，很難解決當(dāng)前生產(chǎn)中面臨的實際問題。

（4）鏡面電火花電極成形加工 電火花成形加工在異形盲孔或通孔加工中有其獨特優(yōu)勢。橫截面積很小的電極成形加工，普通電火花機床是無法完成的，必須使用精密鏡面電火花成形機床。因純銅與石墨電極材料損耗較快，可選用加工穩(wěn)定性好、電極損耗小的銅鎢合金CuW70，分為粗打、半精打和精打等多個步驟完成方孔加工。實踐證明，鏡面電火花能夠?qū)崿F(xiàn)方孔加工，也能保證尺寸精度，但是電極損耗較快，生產(chǎn)效率低。

5 波導(dǎo)腔加工初步擬定的工藝方案

波導(dǎo)腔加工初步擬定的工藝步驟如下。

1）用車削加工中心一次裝夾完成車外形，銑0.3mm臺階，鋸0.3mm槽，鉆φ1.1mm孔并倒角；鉸φ1.1mm孔，保證尺寸在1.01～1.02mm（0.01mm公差是為了保證后序定位精度）。

2）以2 個φ1.1 m m 孔定位，用電火花成形加工，按粗打、半精打和精打分步打出0.65mm×0.3mm方孔（波導(dǎo)腔）。粗、精打電極工作原理如圖2所示。

圖2 電極加工方孔工作原理示意1―定位銷 2―波導(dǎo)零件 3―電極柄 4―電極 5―掛銷6―退定位手柄 7―手柄回轉(zhuǎn)軸 8―復(fù)位彈簧

圖2中波導(dǎo)零件通過定位銷1精確定位；打表校正電極4的水平和豎直方向，找正波導(dǎo)零件腔0.65mm×0.3mm對應(yīng)位置后，從左邊或從右邊開始依次用第1個0.65mm電極粗打，退出后用第2個0.65mm電極半精打，接著用第3個電極精打，第4個電極精修，第5個電極精修，加工完畢后扳動手柄6，退出定位銷1，取下零件，完成0.65mm×0.3mm方孔加工。位置尺寸7mm精度是微米級，在粗、精打移位過程中通過程序指令進(jìn)行或光柵尺指示，能可靠保證位置精度。

6 初擬工藝方案存在的問題

按照初步擬定的工藝方案雖然能夠加工出合格的微波矩形波導(dǎo)零件，但生產(chǎn)效率極低，廢品率高，成本較高，主要原因是電極損耗快。依據(jù)電火花機床配置的最佳方案工藝參數(shù)庫選擇電極損耗最小方案，按電極損耗為0.5%計算，理論上圖2中的電極可完成25個零件的加工。但是，受多方面因素影響，實際工作中每組電極生產(chǎn)不到10個零件，電極已損耗超差，尤其是矩形電極的尖角損耗更快。為了保證圖2所示5組0.65mm×0.3mm矩形電極的位置精度和形狀精度，電極采用整體結(jié)構(gòu)，通過慢走絲精密加工而成，電極損耗一旦超差，就使整個電極報廢。

更換新電極需要重新校準(zhǔn)，不但耗費大量調(diào)試時間，而且每次校準(zhǔn)后都需要試加工樣件送檢，依據(jù)檢測報告重新校準(zhǔn)電極，樣件一般都會因有位置偏差而報廢。這種繁瑣的加工程序雖然能加工出合格產(chǎn)品，但生產(chǎn)效率很低，成本高昂。

將電極長度加長雖能提高電極的擊打次數(shù)，但壽命提高有限。

以上分析表明，用電火花成形加工0.65mm×0.3mm方孔不是行之有效的加工方式。

7 最終工藝方案的確定

實踐表明，工序的第一步由車削加工中心完成車、銑和鉆等結(jié)構(gòu)尺寸，能夠保證質(zhì)量，且生產(chǎn)效率較高，是行之有效的加工方法。但是，該產(chǎn)品加工的最大難點是0.65mm×0.3mm方孔的清角問題，而能解決清角問題的加工手段目前只有模具沖裁。如果能解決模具沖裁力大帶來的不利影響，清角難題就可能得以解決。設(shè)想用慢走絲切出方孔，切不掉的四角圓弧通過沖裁切除，通過這種方法來降低沖裁力。沖裁力驗證如下。

由沖壓工藝學(xué)原理可知，如果方孔完全由沖裁切除，則P＝KFτ＝KLtτ＝1.3×1.9×1.6×300＝1 185.6（N），其中，P為沖裁力（N）；F為沖切斷面積（mm2）；L為沖裁周邊長度（mm）；t為材料厚度（mm）；τ為材料抗剪強度（MPa），黃銅τ≈300MPa。

如果只沖裁四角圓?。ň€切割后圓弧半徑為0.06mm），則P四角＝1.3×0.06×2×3.14×300＝146.9（N），沖裁力只有完全沖裁的1/8，對腔體的其他尺寸精度影響大大減輕，對凸模的長徑比要求也大為降低。

重新擬定工藝方案如下。

1）用車削中心完成除0.65mm×0.3mm方孔外的所有結(jié)構(gòu)尺寸。為了避免轉(zhuǎn)序帶來誤差，用帶主、副軸車削中心，在加工完5.8mm外圓、端面和臺階，鉆鉸孔，孔倒角后，直接由副軸夾取切斷，并加工切斷的端面，以及孔倒角。

2）以2個φ1.1m m小孔定位（配專用定位夾具），用精密電火花小孔機加工φ0.25mm穿絲孔。

3）用慢走絲線切割切0.65mm×0.3mm方孔，并達(dá)到公差要求。選用φ0.1mm電極絲切割加工，此時方孔四角過渡圓弧半徑為0.06mm（放電間隙0.01mm）。

4）用精密沖裁模具切除方孔圓角。

5）磁針拋光處理。

執(zhí)行最終工藝方案，微波矩形波導(dǎo)加工合格率達(dá)到100%。生產(chǎn)實踐證明，該方案是當(dāng)前較為理想的批量化生產(chǎn)工藝方案，其優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）各工序質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2）通過進(jìn)一步改進(jìn)定位夾具，使得在小孔機加工預(yù)孔和慢走絲切方孔工序中，一次可多夾1個工件，生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高。

3）精密沖裁工序不但精度穩(wěn)定，而且模具壽命很高，產(chǎn)品成本可大幅下降。

4）整體加工質(zhì)量可完全替代進(jìn)口，節(jié)約可觀的外匯支出。

8 結(jié)束語

通過對一種小型精密零件加工方案的研究，分析比較了當(dāng)前常用的先進(jìn)精密制造技術(shù)的特點，將其與傳統(tǒng)加工工藝方法有機結(jié)合起來，成功解決了微型方孔加工清角難題，為類似加工問題的解決提供了參考。

專家點評

本文中微波矩形波導(dǎo)零件的最大加工難點是0.65mm×0.3mm方孔，四角過渡圓弧半徑≤0.02mm。作者選用較為成熟的幾種精密加工技術(shù)進(jìn)行分析研究和實驗性加工，由車削中心完成車、銑和鉆等結(jié)構(gòu)尺寸，保證質(zhì)量和生產(chǎn)效率；用慢走絲切出中心方孔，切不掉的四角圓弧通過精密沖裁模具切除。

文章的創(chuàng)新之處在于加工設(shè)備的綜合利用，揚長避短，優(yōu)勢互補。通過先進(jìn)制造技術(shù)與傳統(tǒng)精密沖裁相結(jié)合的方法，解決了方孔清角難題，為類似產(chǎn)品的細(xì)微加工提供了參考思路。