CN109128316B - 一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，采用铣刀去除材料表面的氧化皮；选取直槽中心线上位于S形槽起始边外侧的一点作为对刀点；采用CCD对刀系统对工件进行Z向对刀；划分加工阶段并规划微铣刀的走刀轨迹，采用慢波结构在深度方向上分层加工的走刀方案；最后利用辅助工艺去除残留毛刺。本发明实现了一种多周期、大深宽比、薄壁复杂慢波结构件的超精密微铣削加工，解决了该类零件在超精密微铣削加工过程中，孤岛结构易发生弯曲、坍塌，直槽和S形槽交汇处形成的毛刺不易去除、深槽侧壁易倾斜等问题，以满足较为苛刻的加工要求。

Description

一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法

技术领域

本发明属于超精密微铣削加工领域，涉及一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，尤其涉及一种工作频率为0.34THz折叠波导慢波结构微铣削加工时的走刀轨迹规划方法。

背景技术

鉴于太赫兹波的强穿透性、高使用安全性、高定向性和高带宽等特性，太赫兹技术已经成为当前世界上一项极为重要的前沿技术。在国防军事中，应用太赫兹技术设计的宽带雷达能够实现对微小目标的灵敏探测和精准定位；在信息技术领域，太赫兹技术能够为军事通讯加密、太空通信等提供有力保障。此外，太赫兹技术还可应用于生物药品检测、毒品快速判定及种类鉴别、爆炸物特征识别等诸多领域。然而，太赫兹技术目前仍处于初期探索阶段，除探测手段的限制之外，缺乏具有高能量、高效率、低造价，且能在室温下稳定运转的辐射源是制约其发展和应用的最大技术瓶颈。有关太赫兹辐射源的研发当前主要集中于半导体固态器件、光子学太赫兹器件和电真空器件等，相较于前两种器件，电真空器件能够产生高出其它类型器件几个量级的最高单器件输出功率。太赫兹行波管是太赫兹电真空器件的一个重要分支，目前国内外研究的太赫兹行波管的高频互作用区以折叠波导慢波结构为主。

慢波结构是电真空器件行波管放大器中的核心零件。如图1所示是一种折叠波导慢波结构，该结构为轴向剖开的半圆柱体结构，轴向剖面上分布用于电磁波传输的S形波导（下文中简称为S形槽）、贯穿于其中部的电子束通道（下文中简称为直槽），以及两者交汇形成的薄壁孤岛（下文中简称为孤岛），属于典型的多周期、大深宽比、薄壁复杂结构件。在工作频率为0.34THz频段折叠波导慢波结构中，S形槽的深宽比为255μm/100μm，直槽通道宽度为140μm。慢波结构的尺寸精度及周期结构的尺寸一致性与电真空放大器的杂波抑制效果密切相关，表面粗糙度要求小于射频趋肤深度，而且慢波总体结构是由2个镜像匹配的二等分波导慢波结构装配形成，故单侧结构必须满足对准精确度要求以形成电磁波传播的有效路径，因此，慢波结构加工后的尺寸精度应优于±2μm，表面粗糙度Ra应优于60nm。为了实现太赫兹频段慢波结构零件的高质量加工，超精密微铣削加工是一种很有发展前景的加工方法。为在加工过程中，保证关键微细结构的完整性、尺寸精度，以及表面质量，需要合理选取切削参数并规划微铣刀的空间走刀轨迹，以满足该零件的高加工质量要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，以解决该类零件在超精密微铣削加工过程中，孤岛结构易发生弯曲、坍塌，直槽和S形槽交汇处形成的毛刺不易去除、深槽侧壁易倾斜等问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，慢波结构的S形槽的深宽比为255μm/100μm，直槽通道宽度为140μm，包括以下步骤：

步骤1：在微铣削机床上，对半圆柱体弥散无氧铜工件进行定位和夹紧；工件的轴向剖面作为加工面，与微铣削机床的加工平台平行；采用铣刀铣削工件的加工面，去除弥散无氧铜材料表层的氧化皮，使加工面的粗糙度Ra达到优于60nm；

步骤2：选取直槽中心线上位于S形槽起始边外侧的一点作为对刀点，并设置刀具所处对刀点位置为加工机床坐标系原点；

步骤3：更换铣刀为超精密微铣削用微铣刀，利用刀具在位检测装置对刀具安装和使用状态进行实时监测；

步骤4：设置并统一工件加工机床坐标系和加工程序坐标系，规划微铣刀的走刀轨迹，根据规划编辑加工程序的软件代码；

采用慢波结构在深度方向上分层加工的走刀方案，每层均采用往复走刀的形式加工，每加工完一层进行刀具检测，保证垂直方向分段衔接处的结构连续性；对于单个S形槽或直槽而言，它的宽度是大于或等于铣刀的直径，即使宽度相等，铣刀直径选择的时候采用负偏差的刃径，所以需要两次走刀才能完成该部分槽的加工，加工中采用往复走刀的形式保证槽两侧均为顺铣状态。即单层S形槽加工时，先从首周期到末周期，顺序加工过去，然后再按末周期到首周期，逆序加工过来；单层直槽加工时，先从始端到末端的加工顺序过去，然后再从末端到始端的顺序加工过来；完成此往复过程后，刀具回到对刀点；

步骤5：进行深度在0-10μm之间的加工，该阶段S形槽和直槽交替加工，首先进行S形槽加工，每加工完一层S形槽后进行对应深度的直槽加工；采用直径Φ0.1mm的 MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行加工；切削参数为：主轴转速为35000 -45000r/min，进给速度为20-25 μm/min，背吃刀量为1-1.5 μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤6：进行深度在10-60μm之间的加工，该阶段S形槽和直槽交替加工，首先进行S形槽加工，每加工完一层S形槽后进行对应深度的直槽加工；采用直径Φ0.1mm的 MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行加工；切削参数为：主轴转速为40000 -50000r/min，进给速度为25-30 μm/min，背吃刀量为1-2μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤7：进行深度在60-90μm之间的加工，该阶段只进行S形槽加工；采用直径Φ0.1mm的 MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行加工；切削参数为：主轴转速为40000 -50000r/min，进给速度为20-30μm/min，背吃刀量为1-3μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤8：进行深度在60-70μm之间的剩余直槽加工；切削参数为：采用直径Φ0.1mm的 MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行加工；主轴转速为35000 -45000r/min，进给速度为20-25 μm/min，背吃刀量为1-1.5 μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤9：进行深度在90-245μm之间的S形槽加工；采用直径Φ0.1mm的MHRH230型号硬质合金平头微铣刀进行加工；切削参数为：主轴转速为50000 -60000r/min，进给速度为30-50 μm/min，背吃刀量为2-5 μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤10：进行深度在245-255μm之间的S形槽加工；采用直径Φ0.1mm的MHRH230型号硬质合金平头微铣刀进行加工；切削参数为：主轴转速为40000 -50000r/min，进给速度为30-40 μm/min，背吃刀量为2-3 μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤11：在慢波结构完整加工完毕之后，采用空走刀方式去除残留毛刺。

上述应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，所述慢波结构的材料为Al₂O₃颗粒增强型弥散无氧铜，Al₂O₃颗粒的体积分数为0.5%-1.2%、颗粒粒度为50-150nm。

上述应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，所述步骤1中，采用直径Φ1.5mm的型号为MSES230P的硬质合金平头铣刀铣削工件加工面，切削参数选择范围：主轴转速为20000-30000r/min，背吃刀量为3-5μm，进给速度为10-20mm/min，采用酒精作为润滑冷却液。

上述应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，所述步骤2选取对刀点后采用试切法进行主轴所在的Z向对刀，借助微铣削机床对刀系统中的CCD高清摄像头在线观测，将刀具向下微进给，最小进给量为0.1μm，直到产生切屑为止。

上述应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，所述步骤3包括：

步骤3-1：安装时，擦净主轴孔和微铣刀刀柄，将微铣刀刀柄装入弹簧夹头内，并将微铣刀刀柄及弹簧夹头一起插入微铣削机床的主轴孔内，再拧紧螺母将微铣刀刀柄夹紧，利用微铣削机床的微调装置将刀具在位检测装置移动至指定区域内，检测刀具的安装状态并根据需求进行相应调整，及时修正主轴误差及刀具装夹误差；

步骤3-2：利用刀具在位检测装置对刀具刃径进行在位测量，并对刀具磨破损状态开展实时监控，从而实现对换刀需求的准确判断；每次换刀采用所述步骤3-1。

上述应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，所述步骤4包括：

步骤4-1：设置并统一工件加工机床坐标系和加工程序坐标系，应使加工程序坐标系X、Y、Z的方向与加工机床坐标系保持一致，且两者原点均与步骤2中对刀点的位置重合；

步骤4-2：加工过程中，影响表面毛刺产生和微结构完整性的主要因素包括主轴转速、进给速度、背吃刀量和铣削方向，通过实验探究，对上述参数进行了分析优选，并以此设计S形槽及直槽的加工方式、进给路径和回刀方式；

步骤4-3：根据工件的三维尺寸参数，在UG软件中绘制慢波结构件的三维模型，利用UG进行加工路线设计，生成慢波结构S形槽和直槽加工的微铣刀走刀路径，进而形成整个加工过程的走刀轨迹，之后处理生成可供微铣削机床运行的G代码，并对生成的G代码修改开始和结束的处理命令使其能够适应超精密微铣削机床控制系统的要求。

上述应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，所述步骤11中，利用微铣刀执行比加工走刀轨迹窄5-10μm的空走刀轨迹，依靠刀具对毛刺的剐擦作用实现去除表面毛刺的目的。

本发明在采用上述技术方案后，具有如下技术进步的效果：

本发明提供一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，首先在工件上选取对刀点，避免换刀之后由于存在对刀点偏差，使得新旧刀具的坐标系不完全重合，从而引起走刀轨迹的误差。设置加工坐标系和程序坐标系相统一，且两者原点均为对刀点。划分加工阶段并规划微铣刀的走刀轨迹，实现大深宽比、薄壁复杂慢波结构的整体加工，最后利用辅助工艺去除残留毛刺。本发明根据结构工艺特点划分加工阶段，分别优化每个阶段的切削参数，并制定相应的空间走刀方案，解决了该类零件在超精密微铣削加工过程中，孤岛结构易发生弯曲、坍塌，直槽和S形槽交汇处形成的毛刺不易去除、深槽侧壁易倾斜等问题，以满足较为苛刻的加工要求。

本发明去除弥散无氧铜材料表层的氧化皮，使用直径为Φ1.5mm的硬质合金铣刀铣削整个工件的上表面，目的是保证工件上表面粗糙度Ra达到优于60nm的指标要求，确保两半慢波结构装配时结合面满足精度要求。

本发明选取对刀点目的是使每次加工开始及结束时刀具均回到对刀点的位置，同时尽可能减小由于多次换刀可能引入的对刀点偏差，对刀点选取后采用试切法进行主轴所在的Z向对刀，借助CCD高清摄像头在线观测，将刀具向下微进给，最小进给量为0.1μm，直到产生切屑为止。

本发明将微铣削用的平头微铣刀通过弹簧夹头安装于主轴的刀具夹紧机构中，使用刀具在线监测装置对刀具的安装进行实时监测，帮助修正主轴误差及刀具装夹误差，同时可以对刀具的磨损或破损进行监控，及时发现刀具问题并进行更换。

本发明设置并统一工件加工机床坐标系和加工程序坐标系，使加工程序坐标系的方向与加工机床坐标系保持一致，且两者原点均与步骤2中对刀点的位置重合，保证工件加工后的形状精度。为保证孤岛微结构满足设计要求，需要采用S形槽和直槽交替加工方式，避免加工量过大而导致孤岛变形。

本发明对于刀具的选择、微铣削参数的选取以及空间走刀轨迹的规划等都需要花费一定人力和物力资源，并进行大量的实验和模拟分析才能得到。例如，对于浅槽加工刀具的选择，首先查阅资料选用SSE400型刀具和MSES230P型刀具进行浅槽加工，然后进行数次实验，发现在相同切削参数下，SSE400型刀具加工所得槽底质量较差，MSES230P型刀具为双刃刀具，且刀具前角较大，加工表面刀痕较为明显但分布均匀细腻。又例如，对于深槽加工刀具的选择，首先查阅资料选取MXH235P、MHR230、MHRH230作为深槽加工刀具，然后进行数次实验，发现当切削深度增大到4μm时，三者加工质量开始有了较为明显的差异，MXH235P型刀具的加工表面质量恶化明显，而MHRH230型刀具的加工表面质量在三者中最佳。再例如，为了研究在特定参数的工件材料、加工用刀具前提下，切削参数对切削力、加工表面质量、毛刺的影响规律，利用选定材料及刀具进行了至少75组微铣削加工正交实验。

本发明加工深度在0-10μm之间时，S形槽和直槽交替加工，S形槽加工一层后转为加工直槽，该阶段属于浅槽加工，主要考虑切削参数对毛刺的影响，调整切削参数，尽可能减小毛刺，同时每加工完一层需要进行刀具状态在线监测，以便及时更换磨损或损坏刀具。

本发明加工深度在10-60μm之间时， S形槽和直槽交替加工，S形槽加工一层后转为加工直槽，该阶段属于浅槽加工，主要考虑切削参数对薄壁孤岛变形的影响，调整切削参数，尽可能保证薄壁孤岛结构完整性的同时提高加工效率。

本发明加工深度在60-90μm之间时，只进行S形槽加工，该阶段属于浅槽加工，主要目的为增大S形槽与直槽槽底距离，避免后续S形槽加工产生的毛刺重新聚集到直槽槽底。

本发明加工深度在60-70μm之间时，只进行直槽加工，该阶段属于浅槽加工，主要考虑切削参数对直槽槽底表面粗糙度和槽底毛刺尺寸的影响，调整切削参数，尽可能减小毛刺，保证槽底表面粗糙度符合设计要求。

本发明加工深度在90-245μm之间时，只进行S形槽加工，该阶段属于深槽加工，此时应更换相应刀具，由于直槽已在上一阶段加工完成，故本阶段不再涉及薄壁孤岛变形问题，主要考虑提高切削效率，同时也要兼顾深槽加工时刀具变形带来的影响。

本发明加工深度在245-255μm之间时，只进行S形槽加工，该阶段属于深槽加工，主要考虑切削参数对S形槽槽底表面粗糙度和槽底毛刺尺寸的影响。

本发明使用UG软件设计略窄于加工轨迹的去毛刺走刀轨迹，并运行代码，去除S形槽及直槽的槽底和槽肩毛刺。

本发明具有以下优点：走刀轨迹分布合理，有效保证加工效率。通过规划微铣刀走刀路径并采用合理切削参数以完成微细特征结构的加工，并在加工过程中实现毛刺的有效抑制，同时避免薄壁孤岛的显著变形。采用空走刀对主体结构加工完毕之后的慢波工件进行残留毛刺的快速有效去除，保证工件表面质量达到指标要求。

附图说明

图1为本发明一种折叠波导慢波结构的结构示意图；

图2为本发明微铣削机床的结构示意图；

图3为本发明刀具在位检测装置的A向结构示意图；

图4是本发明微铣刀的走刀轨迹图；

图5是本发明借助对刀系统中的CCD高清摄像头在线观测图像；

图6是本发明分层加工方式示意图；

图7是本发明S形槽往复走刀示意图；

图8是本发明直槽往复走刀示意图；

图9是本发明利用超景深光学显微镜测量加工后工件S形槽槽宽尺寸的测量结果图形；

图10是本发明利用超景深光学显微镜测量加工后工件直槽槽宽尺寸的测量结果图形；

图11是本发明利用超景深光学显微镜测量加工后工件S形槽圆弧段尺寸的测量结果图形。

其中：1—S形槽、2—直槽、3—孤岛、4—主轴、5—加工平台、6—对刀系统、7—刀具在位检测装置、8—夹具、9—微铣刀、14—对刀点、15—走刀轨迹、16—微铣刀倒影、17—微调装置。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明涉及一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，用于加工如图1所示的折叠波导慢波结构。所述慢波结构为轴向剖开的半圆柱体，轴向剖面上分布S形槽1、直槽2以及两者交汇形成的孤岛3，其中S形槽共计75个周期，S形槽的深宽比为255μm/100μm，直槽通道宽度为140μm。所述慢波结构的材料是Al₂O₃颗粒体积分数为1.1%、粒度为50-100nm的弥散无氧铜，要求加工后的尺寸精度应优于±2μm，表面粗糙度Ra应优于60nm。

本实施例的应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，包括以下步骤：

步骤1：在微铣削机床上，对半圆柱体弥散无氧铜工件进行定位和夹紧；工件的轴向剖面作为加工面，与微铣削机床的加工平台平行；采用铣刀铣削工件的加工面，去除弥散无氧铜材料表层的氧化皮。

采用日本日进刀具公司（NS-TOOL）生产的型号为MSES230P的直径Φ1.5mm硬质合金平头铣刀铣削工件上表面。刀具在z轴的最小进给量为0.1μm，通过CCD高清摄像头进行在线观测，采用试切法，直到产生切屑为止。之后通过数控程序控制刀具运动，对上表面表皮进行全部去除，保证加工表面粗糙度优于60nm。切削参数选择范围：主轴转速为20000-30000r/min，背吃刀量为3-5μm，进给速度为10-20mm/min，采用酒精作为润滑冷却液。

步骤2：选取直槽中心线上位于S形槽起始边外侧的一点作为对刀点，并设置刀具所处对刀点位置为加工机床坐标系原点。

在进行超精密铣削加工前进行对刀操作，选取直槽中心线上位于S形槽起始边外侧的一点作为对刀点，如图4所示，即每次加工程序的起始点和终点为同一点，使加工程序结束时刀具重新回到对刀点。将刀具所处对刀点位置设为机床坐标系原点。换刀操作在对刀点处进行时，仅需z轴方向进行对刀，x、y轴保持原位，消除了由于人工对刀不精确带来的误差，能够准确地获得微铣刀中心与工件上慢波结构加工起始点的相对位置。采用试切法进行z向对刀，如图5所示，借助微铣削机床的CCD高清摄像头在线观测，将刀具沿z轴向下微进给，最小进给量为0.1μm，直到产生切屑为止。

步骤3：更换铣刀为超精密微铣削用微铣刀，利用刀具在位检测装置对刀具安装和使用状态进行实时监测。

步骤3-1：更换铣刀为超精密微铣削用的日本日进刀具公司生产的型号为MSES230P的直径Φ0.1mm硬质合金平头微铣刀。安装微铣刀时，擦净主轴孔和微铣刀刀柄，将微铣刀刀柄装入弹簧夹头内，并将微铣刀刀柄及弹簧夹头一起插入微铣削机床的主轴孔内，再拧紧螺母将微铣刀刀柄夹紧，利用如图2所示微铣削机床的微调装置17将刀具在位检测装置移动至指定区域内，检测刀具的安装状态并根据需求进行相应调整，及时修正主轴误差及刀具装夹误差。

步骤3-2：使用Laser Control Nano NT型激光纳米刀具测量系统对刀具安装和使用状态进行实时监测，该系统通过激光测量方法，可以检测刀具的安装状态，同时可以在实际装夹条件及正常加工转速下对刀具刃径进行在位测量，测量刀具磨损量及观察刀具刀刃的破损情况，从而实现对换刀需求的准确判断，每次换刀采用所述步骤3-1。

步骤4：设置并统一工件加工机床坐标系和加工程序坐标系，规划微铣刀的走刀轨迹，根据规划编辑加工程序的软件代码。

步骤4-1：设置并统一工件加工机床坐标系和加工程序坐标系，应使加工程序坐标系X、Y、Z的方向与加工机床坐标系保持一致，且两者原点均与步骤2中对刀点的位置重合。

步骤4-2：加工过程中，影响表面毛刺产生和微结构完整性的主要因素包括主轴转速、进给速度、背吃刀量、铣削方向等，通过实验探究，对上述参数进行了分析优选，并以此设计S形槽及直槽的加工方式、进给路径和回刀方式。

为保证孤岛微结构满足设计要求，需要采用S形槽和直槽交替加工方式，避免加工量过大而导致孤岛变形。由于S形槽共计75个周期，加工过程中刀具磨损大，需要经常换刀。为保证轮廓精度和结构连续性，采用慢波结构在深度方向上分层加工的走刀方案，每层均采用往复走刀的形式加工，每加工完一层每加工完一层更换一次刀具；或者根据刀具状态检测，当刃口钝圆半径大于3μm时，因刀具磨损严重不能保证加工表面质量时更换刀具，保证垂直方向分段衔接处的结构连续性。如图6所示。对于单个S形槽或直槽而言，它的宽度是大于或等于铣刀的直径，即使宽度相等，铣刀直径选择的时候可以采用负偏差的刃径，所以需要两次走刀才能完成该部分槽的加工，同时实验证明加工过程中顺铣侧毛刺优于逆铣侧毛刺，所以加工中采用往复走刀的形式保证槽两侧均为顺铣状态。即单层S形槽加工时，先从第1周期到第75周期，顺序加工过去，然后再按第75周期到第1周期，逆序加工过来，如图7所示。单层直槽加工时，先从始端到末端的加工顺序过去，然后再从末端到始端的顺序加工过来，如图8所示。完成此往复过程后，刀具回到对刀点。

步骤4-3：根据工件的三维尺寸参数，在UG软件中绘制慢波结构件的三维模型，利用UG进行加工路线设计，生成慢波结构S形槽和直槽加工的微铣刀走刀路径，进而形成整个加工过程的走刀轨迹，之后处理生成可供微铣削机床运行的G代码，并对生成的G代码修改开始和结束的处理命令使其能够适应超精密微铣削机床控制系统的要求。分别将X、Y、Z的坐标清零，完成加工机床坐标系原点设置，以使程序代码中的坐标系原点与加工机床坐标系原点相重合。

步骤5：进行深度在0-10μm之间的加工，该阶段S形槽和直槽交替加工。

该阶段加工过程中，S形槽和直槽交替加工，首先进行S形槽加工，每加工完一层S形槽后进行对应深度的直槽加工，该阶段属于浅槽加工，采用日本日进刀具公司生产型号为MSES230P的直径Φ0.1mm的硬质合金平头铣刀进行太赫兹频段慢波结构的加工，主要考虑切削参数对毛刺的影响，应适当减小切削参数，切削参数为：主轴转速为35000 -45000r/min，进给速度为20-25 μm/min，背吃刀量为1-1.5 μm，采用酒精作为润滑冷却液。每加工完一层回到对刀点，对刀具进行在线监测，及时更换磨损或损坏刀具，更换方法如步骤3所示。

步骤6：进行深度在10-60μm之间的加工，该阶段S形槽和直槽交替加工。

该阶段加工过程中，S形槽和直槽交替加工，首先进行S形槽加工，每加工完一层S形槽后进行对应深度的直槽加工，该阶段属于浅槽加工，采用日本日进刀具公司生产型号为MSES230P的直径Φ0.1mm的硬质合金平头铣刀进行太赫兹频段慢波结构的加工，主要考虑切削参数对薄壁孤岛变形的影响，尽可能保证薄壁孤岛结构完整性的同时提高加工效率，切削参数为：主轴转速为40000 -50000r/min，进给速度为25-30 μm/min，背吃刀量为1-2μm，采用酒精作为润滑冷却液。每加工完一层回到对刀点，对刀具进行在线监测，及时更换磨损或损坏刀具，更换方法如步骤3所示。

步骤7：进行深度在60-90μm之间的加工，该阶段只进行S形槽加工。

该阶段加工过程中，只进行S形槽的加工，该阶段属于浅槽加工，采用日本日进刀具公司生产型号为MSES230P的直径Φ0.1mm的硬质合金平头铣刀进行太赫兹频段慢波结构的加工，本阶段均为S形槽加工，可适当提高切削参数为：主轴转速为40000 -50000r/min，进给速度为20-30μm/min，背吃刀量为1-3μm，采用酒精作为润滑冷却液。每加工完一层回到对刀点，对刀具进行在线监测，及时更换磨损或损坏刀具，更换方法如步骤3所示。

步骤8：进行深度在60-70μm之间的剩余直槽加工。

该阶段加工过程中，只进行直槽的加工，该阶段属于浅槽加工，采用日本日进刀具公司生产型号为MSES230P的直径Φ0.1mm的硬质合金平头铣刀进行太赫兹频段慢波结构的加工，主要考虑切削参数对直槽槽底表面粗糙度和槽底毛刺尺寸的影响，切削参数为：主轴转速为35000 -45000r/min，进给速度为20-25 μm/min，背吃刀量为1-1.5 μm，采用酒精作为润滑冷却液。每加工完一层回到对刀点，对刀具进行在线监测，及时更换磨损或损坏刀具，更换方法如步骤3所示。

步骤9：进行深度在90-245μm之间的S形槽加工。

该阶段加工过程中，只进行S形槽的加工，该阶段属于深槽加工，采用日本日进刀具公司生产型号为MHRH230的直径Φ0.1mm的硬质合金平头铣刀进行太赫兹频段慢波结构的加工，本阶段不再涉及薄壁孤岛变形问题，主要考虑提高切削效率，同时兼顾深槽加工时刀具变形带来的影响，切削参数为：主轴转速为50000 -60000r/min，进给速度为30-50 μm/min，背吃刀量为2-5 μm，采用酒精作为润滑冷却液。每加工完一层回到对刀点，对刀具进行在线监测，及时更换磨损或损坏刀具，更换方法如步骤3所示。

步骤10：进行深度在245-255μm之间的S形槽加工。

该阶段加工过程中，只进行S形槽的加工，该阶段属于深槽加工，采用日本日进刀具公司生产型号为MHRH230的直径Φ0.1mm的硬质合金平头铣刀进行太赫兹频段慢波结构的加工，本阶段主要考虑切削参数对S形槽槽底表面粗糙度和槽底毛刺尺寸的影响，切削参数为：主轴转速为40000 -50000r/min，进给速度为30-40 μm/min，背吃刀量为2-3 μm，采用酒精作为润滑冷却液。每加工完一层回到对刀点，对刀具进行在线监测，及时更换磨损或损坏刀具，更换方法如步骤3所示。

步骤11：在慢波结构完整加工完毕之后，采用空走刀方式去除残留毛刺。利用微铣刀执行比加工走刀轨迹窄5-10μm的空走刀轨迹，依靠刀具对毛刺的剐擦作用实现去除表面毛刺的目的。

至此完成多周期、大深宽比、薄壁复杂慢波微结构件的超精密微铣削加工。加工完成后采用VEX-1000超景深光学显微镜测量加工后工件的尺寸，并观察表面毛刺分布，采用zygo3D光学表面轮廓仪测量表面粗糙度Ra。测量结果如图9-11所示，慢波微结构槽肩毛刺基本消除，轮廓精度较好，薄壁孤岛无局部坍塌，直槽和S形槽槽宽尺寸精度均在±2μm以内，表面粗糙度Ra总体优于60nm。

Claims (7)

1.一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，慢波结构的S形槽的深宽比为255μm/100μm，直槽通道宽度为140μm，其特征是包括以下步骤：

步骤1：在微铣削机床上，对半圆柱体弥散无氧铜工件进行定位和夹紧；工件的轴向剖面作为加工面，与微铣削机床的加工平台平行；采用铣刀铣削工件的加工面，去除弥散无氧铜材料表层的氧化皮，使加工面的粗糙度Ra达到优于60nm；

步骤2：选取直槽中心线上位于S形槽起始边外侧的一点作为对刀点，并设置刀具所处对刀点位置为加工机床坐标系原点；

步骤3：更换铣刀为超精密微铣削用微铣刀，利用刀具在位检测装置对刀具安装和使用状态进行实时监测；

步骤4：设置并统一工件加工机床坐标系和加工程序坐标系，规划微铣刀的走刀轨迹，根据规划编辑加工程序的软件代码；

采用慢波结构在深度方向上分层加工的走刀方案，每层均采用往复走刀的形式加工，每加工完一层进行刀具检测，保证垂直方向分段衔接处的结构连续性；对于单个S形槽或直槽而言，它的宽度是大于或等于铣刀的直径，即使宽度相等，铣刀直径选择的时候采用负偏差的刃径，所以需要两次走刀才能完成该部分槽的加工，加工中采用往复走刀的形式保证槽两侧均为顺铣状态；

即单层S形槽加工时，先从首周期到末周期，顺序加工过去，然后再按末周期到首周期，逆序加工过来；单层直槽加工时，先从始端到末端的加工顺序过去，然后再从末端到始端的顺序加工过来；完成此往复过程后，刀具回到对刀点；

步骤5：进行深度在0-10μm之间的加工，该阶段S形槽和直槽交替加工，首先进行S形槽加工，每加工完一层S形槽后进行对应深度的直槽加工；采用直径Φ0.1mm的 MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行加工；切削参数为：主轴转速为35000-45000r/min，进给速度为20-25μm/min，背吃刀量为1-1.5μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤6：进行深度在10-60μm之间的加工，该阶段S形槽和直槽交替加工，首先进行S形槽加工，每加工完一层S形槽后进行对应深度的直槽加工；采用直径Φ0.1mm的 MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行加工；切削参数为：主轴转速为40000 -50000r/min，进给速度为25-30μm/min，背吃刀量为1-2μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤7：进行深度在60-90μm之间的加工，该阶段只进行S形槽加工；采用直径Φ0.1mm的MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行加工；切削参数为：主轴转速为40000 -50000r/min，进给速度为20-30μm/min，背吃刀量为1-3μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤8：进行深度在60-70μm之间的剩余直槽加工；切削参数为：采用直径Φ0.1mm的MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行加工；主轴转速为35000 -45000r/min，进给速度为20-25μm/min，背吃刀量为1-1.5μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤9：进行深度在90-245μm之间的S形槽加工；采用直径Φ0.1mm的MHRH230型号硬质合金平头微铣刀进行加工；切削参数为：主轴转速为50000 -60000r/min，进给速度为30-50μm/min，背吃刀量为2-5μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤10：进行深度在245-255μm之间的S形槽加工；采用直径Φ0.1mm的MHRH230型号硬质合金平头微铣刀进行加工；切削参数为：主轴转速为40000 -50000r/min，进给速度为30-40 μm/min，背吃刀量为2-3 μm，采用酒精作为润滑冷却液；

步骤11：在慢波结构完整加工完毕之后，采用空走刀方式去除残留毛刺。

2.根据权利要求1所述的一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，其特征是：所述慢波结构的材料为Al₂O₃颗粒增强型弥散无氧铜，Al₂O₃颗粒的体积分数为0.5%-1.2%、颗粒粒度为50-150nm。

3.根据权利要求1所述的一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，其特征是：所述步骤1中，采用直径Φ1.5mm的型号为MSES230P的硬质合金平头铣刀铣削工件加工面，切削参数选择范围：主轴转速为20000-30000r/min，背吃刀量为3-5μm，进给速度为10-20mm/min，采用酒精作为润滑冷却液。

4.根据权利要求1所述的一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，其特征是：所述步骤2选取对刀点后采用试切法进行主轴所在的Z向对刀，借助微铣削机床对刀系统中的CCD高清摄像头在线观测，将刀具向下微进给，最小进给量为0.1μm，直到产生切屑为止。

5.根据权利要求1所述的一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，其特征是所述步骤3包括：

步骤3-1：安装时，擦净主轴孔和微铣刀刀柄，将微铣刀刀柄装入弹簧夹头内，并将微铣刀刀柄及弹簧夹头一起插入微铣削机床的主轴孔内，再拧紧螺母将微铣刀刀柄夹紧，利用微铣削机床的微调装置将刀具在位检测装置移动至指定区域内，检测刀具的安装状态并根据需求进行相应调整，及时修正主轴误差及刀具装夹误差；

步骤3-2：利用刀具在位检测装置对刀具刃径进行在位测量，并对刀具磨破损状态开展实时监控，从而实现对换刀需求的准确判断；每次换刀采用所述步骤3-1。

6.根据权利要求1所述的一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，其特征是所述步骤4包括：

步骤4-1：设置并统一工件加工机床坐标系和加工程序坐标系，应使加工程序坐标系X、Y、Z的方向与加工机床坐标系保持一致，且两者原点均与步骤2中对刀点的位置重合；

步骤4-2：加工过程中，影响表面毛刺产生和微结构完整性的主要因素包括主轴转速、进给速度、背吃刀量和铣削方向，通过实验探究，对上述参数进行了分析优选，并以此设计S形槽及直槽的加工方式、进给路径和回刀方式；

步骤4-3：根据工件的三维尺寸参数，在UG软件中绘制慢波结构件的三维模型，利用UG进行加工路线设计，生成慢波结构S形槽和直槽加工的微铣刀走刀路径，进而形成整个加工过程的走刀轨迹，之后处理生成可供微铣削机床运行的G代码，并对生成的G代码修改开始和结束的处理命令使其能够适应超精密微铣削机床控制系统的要求。

7.根据权利要求1所述的一种应用于折叠波导慢波结构的走刀轨迹规划方法，其特征是：所述步骤11中，利用微铣刀执行比加工走刀轨迹窄5-10μm的空走刀轨迹，依靠刀具对毛刺的剐擦作用实现去除表面毛刺的目的。