CN109396507A - 一种应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，利用夹具对弥散无氧铜样件进行装夹；采用铣刀去除材料表面的氧化皮；将超精密微铣削用的微铣刀安装在主轴的刀具夹紧机构中，通过在位检测装置实时检测刀具安装状态并根据需求进行调整；采用CCD对刀系统对工件进行Z向对刀，并在工件上设置一个专门的对刀点，避免换刀之后由于存在对刀点偏差；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，加工后的尺寸精度优于±2μm，表面粗糙度Ra优于60nm。
Description
技术领域
本发明属于超精密微铣削加工领域，涉及一种工艺方法，尤其涉及一种应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法。
背景技术
太赫兹波兼具穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性，在国防、深空通讯、远程成像、安全检查和医疗诊断等领域具有重大应用前景。基于慢波结构的电真空器件是在太赫兹频段产生瓦级功率输出，同时实现太赫兹辐射源小型化和经济化最具潜力的一种解决方式。
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。在本发明所应用于的太赫兹频段折叠波导慢波结构中，S形槽的深宽比为255μm/100μm~400μm/150μm，直槽通道宽度为140~220μm。慢波结构的制造水平将直接影响电真空器件的带宽和增益，其中周期结构的尺寸精度及尺寸一致性与电真空放大器的杂波抑制效果密切相关，表面粗糙度则会最终影响电真空器件的放大效率，故其加工后的尺寸精度应优于±2μm，表面粗糙度Ra应优于60nm。
此外，现阶段常用的慢波结构工件材料为弥散无氧铜，这是一种颗粒增强型金属基复合材料，该类复合材料是一种通过在金属基体内引入增强颗粒作为强化相的新型复合材料。增强相颗粒的存在，使得金属基体在受到外力作用时，其错位变形受到阻碍，并且再结晶也受到抑制，从而使金属基体的强度、硬度均得到大幅提高，被广泛用于航空航天、真空电子器件、造船以及汽车等领域。增强颗粒的体积分数和粒度将直接影响材料的导电性、强度、硬度等物理特性。此外，该种复合材料的切削特性与常规均质材料存在较大差异，切屑形成机理、切削力、刀具磨损等规律均有待研究。
目前常用于太赫兹频段慢波结构的加工方法有：微机电系统加工技术（MEMS）、微细电火花技术、微铣削技术等。MEMS技术在几何结构（体积小）和加工质量上均具有一定的优势，但其属于准三维加工技术，难以实现复杂3-D形状的加工，相对加工精度较低，面内与离面加工精度不匹配，而且对细长深窄缝（缝深比＞8）的结构而言，腔壁垂直度效果不佳。微细电火花技术可在任何导电材料上获得高精度、大深宽比的微细三维型腔，而不需要考虑材料硬度等机械性能，但高表面质量的获取仍然存在一定的难度，当微细电火花加工的表面粗糙度较小时，由于表面受到瞬时高温作用并迅速冷却收缩而产生拉应力，往往容易引起显微裂纹，故而通常只被应用于太赫兹低频段慢波结构的加工。
微铣削技术指利用亚毫米直径的微铣刀在超高转速下对工件材料进行切削分离加工的方法，一般加工对象是尺寸在毫米级、特征尺寸在微米级的零件，可以满足三维微形状和材料多样性的加工需求，现已发展成为克服“MEMS”技术局限性的重要技术之一，而被逐渐应用于太赫兹频段慢波结构的加工。然而大量研究结果表明，微铣削技术不仅在加工尺度上有别于传统铣削加工，在切削条件、切削用量、加工机理等方面更是与传统铣削加工存在较大的差异，其深层次的加工机理等还不够成熟。
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微铣削制备工艺方法，以解决该类零件在超精密微铣削加工过程中由于多次换刀引入的对刀误差、薄壁孤岛不完整、表面毛刺不易去除的问题，实现采用微铣刀对其进行超精密微铣削加工，以满足较为苛刻的加工要求。
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微铣削制备工艺方法，包括以下步骤：
步骤1：在微铣削机床上，利用夹具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；
步骤2：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3：更换铣刀为超精密微铣削用的微铣刀，通过弹簧夹头将微铣刀安装于微铣削机床主轴的刀具夹紧机构中，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：在超精密微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，即每次加工程序的起始点和加工程序完成后的终点为同一点，使加工程序结束时刀具重新回到对刀点；
步骤5：设置并统一工件加工机床坐标系原点和加工程序坐标系原点，两原点均与步骤4中选取的对刀点重合，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6：将加工程序的软件代码导入微铣削机床的控制系统，对慢波结构件进行超精密微铣削加工；采用将慢波结构在深度方向上分层加工，每加工完一层进行刀具状态检测，当刀具磨损严重时进行刀具更换，每次换刀重复步骤3，并在对刀点进行沿主轴方向的对刀；加工初期对S形槽和直槽交替加工，完成直槽在深度方向上的加工之后，提高切削参数，进行剩余深度S形槽的加工；
步骤7：在慢波结构完整加工完毕之后，规划微铣刀的去毛刺轨迹，根据规划编辑加工程序的软件代码，并去除毛刺；去除微槽内毛刺后，对工件表面毛刺进行去除。
上述应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，所述步骤6中，加工初期对S形槽和直槽交替加工，加工参数选取范围为：主轴转速为30000-60000r/min，进给速度为20-50μm/min，背吃刀量为1-5μm，采用酒精作为润滑冷却液；完成直槽在深度方向上的加工之后，S形槽剩余深度的加工参数选取范围为：主轴转速为30000-60000r/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。
上述应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，所述步骤6中，对S形槽1/4深度以上的部分，采用直径Φ0.1-Φ0.15mm的 MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行浅槽加工，对S形槽1/4深度以下的部分，采用直径Φ0.1-Φ0.15mm的MHRH230型号硬质合金平头微铣刀进行深槽加工。
上述应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，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；所述S形槽的深宽比为255μm/100μm~400μm/150μm，直槽通道宽度为140~220μm。
上述应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，所述步骤2中采用Φ1.0-Φ2.5mm的硬质合金铣刀铣削整个工件的加工面。
上述应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，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3-1所述步骤。
上述应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，所述步骤4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微铣削制备工艺方法，所述步骤5包括：
步骤5-1：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，以方便利用UG软件生成加工G代码；
步骤5-2：建立加工程序坐标系，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；
步骤5-3：分析加工过程中，影响表面毛刺产生和微结构完整性的关键因素，设置S形槽及直槽的进给路径和回刀方式；
步骤5-4：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微铣削制备工艺方法，所述步骤7中，首先根据步骤5，生成窄于加工轨迹5-10μm的S形槽和直槽的微铣刀去毛刺轨迹，之后处理生成可供微铣削机床运行的G代码，采用Φ0.05mm的型号为SMEZ120的CBN平头铣刀进行去毛刺走刀，去毛刺时刀具与槽底之间留出0.2μm的空隙；刀具返回对刀点后，在对刀点上方的安全平面内更换直径为Φ0.5mm的型号为MSES230P的硬质合金平头铣刀，对工件表面毛刺进行去除。
上述应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，所述步骤1中的夹具包括主体、V型槽、挡块和夹紧块；所述主体与微铣削机床的加工平台固定连接，主体的上表面分布至少一个V型槽，工件的半圆柱面与V型槽接触，主体的上表面设置与工件轴向剖面其中任一长边接触的挡块，确保工件不会绕圆柱面的中心线发生翻转，主体的上表面还设置压紧工件轴向剖面两个长边侧的夹紧块。
本发明在采用上述技术方案后，具有如下技术进步的效果：
本发明提供一种为实现太赫兹频段慢波结构零件的高质量稳定加工的超精密微铣削制备工艺方法：利用专用夹具对弥散无氧铜样件进行装夹；采用硬质合金铣刀去除材料表面的氧化皮；将超精密微铣削用的微铣刀安装在主轴的刀具夹紧机构中，通过在位检测装置实时检测刀具安装状态并根据需求进行调整；采用CCD对刀系统对工件进行Z向对刀，并在工件上设置一个专门的对刀点，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；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。本发明针对材料和结构的特殊要求，在加工过程中为避免关键微细结构的坍塌以及表面毛刺的聚集，对微铣削参数进行合理选取，并对空间走刀轨迹进行规划。同时确保微铣刀的准确对刀，以及刀具使用状态的实时监测，满足了该类零件的高加工质量要求。
本发明利用专用夹具对弥散无氧铜工件进行定位与夹紧，方便在后续加工中，能够保证工件始终占据并保持在正确的位置上，从而满足加工精度的需求。
本发明采用硬质合金铣刀铣削整个无氧铜工件上表面，去除材料表层的氧化皮，同时使上表面粗糙度Ra达到优于60nm的指标要求，从而确保两半慢波结构装配时结合面满足精度需求。
本发明将微铣削用的微铣刀通过弹簧夹头安装于主轴的刀具夹紧机构中，保证由于刀具磨损或者加工特征结构变化引发的换刀操作之后，能够利用在位检测装置对刀具的安装进行实时检测，并及时修正主轴误差及刀具装夹误差。
本发明超精密微铣削加工前的对刀过程，尽可能减小由于多次换刀可能引入的对刀点偏差，保证新旧刀具的坐标系基本重合，即通过对刀的形式快速而准确地获得微铣刀中心与工件上慢波结构加工起点的相对位置，得到加工机床坐标系和加工程序坐标系的相对关系，以保证工件加工后的形状精度。
本发明设计的微铣刀走刀轨迹避免了加工过程中刀具与工件之间干涉的产生，同时采用UG软件获得加工G代码，以便后续实现慢波结构整体的超精密微铣削加工。
本发明慢波结构的超精密微铣削加工时，采用初期S形槽和直槽交替加工的方式抑制表面毛刺的产生，并从减小薄壁孤岛变形量的角度出发确定切削参数，后期从提高切削效率角度出发，调整切削参数并完成剩余深度S形槽的加工。
本发明慢波结构加工完毕后的残留毛刺后处理工艺快速有效地去除S形槽和直槽槽肩及槽底毛刺，保证加工质量达到表面粗糙度要求。
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，加工后的尺寸精度优于±2μm，表面粗糙度Ra优于60nm。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。利用在位检测装置实时检测刀具的安装状态，以便及时修正主轴误差及刀具装夹误差，同时实时监测刀具的几何尺寸和磨破损状态，以便及时更换刀具。
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为本发明工件夹具的结构示意图；
图4为本发明刀具在位检测装置的A向结构示意图；
图5是本发明微铣刀的走刀轨迹图；
图6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7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8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形槽圆弧段尺寸的测量结果图形；
图10是本发明去毛刺轨迹示意图。
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、10—主体、11—工件、12—挡块、13—夹紧块、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：
实施例1
本发明涉及一种应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，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掺杂有体积分数为1.1%、粒度为50-100nm的Al2O3颗粒的弥散无氧铜，要求加工后的尺寸精度应优于±2μm，表面粗糙度Ra应优于60nm。
本实施例的微铣削制备工艺方法，包括以下步骤：
步骤1：在微铣削机床上，利用夹具8对弥散无氧铜工件进行定位和夹紧。工件11的轴向剖面作为加工面，与微铣削机床的加工平台平行。
如图2和图4所示，微铣削机床包括主轴、加工平台、对刀系统、刀具在位检测装置和控制系统（未示出）等，微铣削机床的主轴所在方向为Z方向，前后为Y方向，左右为X方向。
铣床主轴的左侧安装带有CCD高清摄像头的对刀系统，能够实现可视化对刀及实时加工过程观测。
铣床主轴的右侧安装刀具在位检测装置，为Laser Control Nano NT 型激光纳米刀具测量系统。激光测量系统是一种高精度的光栅，当旋转着的刀具打断光束时，在一定百分比的阴影度下便会生成一个开关信号并传递至控制系统，由此测得轴的位置。集成在设备控制系统里的标准软件采用测量数据和参照数值对刀具长度和刀具半径进行计算并反馈数值。
铣床主轴下方的加工平台上安装工件夹具。如图2和图3所示，夹具8包括主体10、V型槽、挡块12和夹紧块13。夹具的主体10下部与微铣削机床的加工平台5固定连接，主体10的上表面分布四个沿Y方向延伸的V型槽，工件11的半圆柱面与V型槽接触。主体10的上表面设置与工件上表面接触的挡块12，挡块12压在上表面其中任一长边侧，相邻的两个工件11共用同一挡块，确保工件不会绕圆柱面的中心线发生翻转。主体10的上表面还设置夹紧块13，夹紧块13通过锁紧螺母压紧在工件上表面相对的两个长边侧。
步骤2：采用日本日进刀具公司（NS-TOOL）生产的型号为MSES230P的Φ1.5mm硬质合金平头铣刀铣削工件加工面，去除弥散无氧铜材料表层的氧化皮，使上表面粗糙度Ra达到优于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3：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的硬质合金平头微铣刀（Φ0.1mm），通过弹簧夹头将微铣刀安装于微铣削机床主轴的刀具夹紧机构中，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：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9的刀柄夹紧，利用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：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3-1所述步骤。
步骤4：在超精密微铣削加工前进行对刀操作，如图5所示，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14，即每次加工程序的起始点和加工程序完成后的终点为同一点，使加工程序结束时刀具重新回到对刀点。
选取对刀点后采用试切法进行主轴所在的z向对刀，如图6所示，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，将刀具所处对刀点位置设为加工机床坐标系原点。
步骤5：设置并统一工件加工机床坐标系原点和加工程序坐标系原点，两原点均与步骤4中选取的对刀点重合，规划微铣刀的走刀轨迹15，根据规划编辑加工程序的软件代码，利用UG软件生成工件加工的G代码。
步骤5-1：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，以方便利用UG软件生成加工G代码。
步骤5-2：建立加工程序坐标系，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。
步骤5-3：分析加工过程中，影响表面毛刺产生和微结构完整性的关键因素，设置S形槽及直槽的进给路径和回刀方式。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，每次换刀重复步骤3，并在对刀点进行沿主轴方向的对刀，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，加工中采用往复走刀的形式。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。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5-4：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6：将加工程序的软件代码导入微铣削机床的控制系统，对慢波结构件进行超精密微铣削加工；采用将慢波结构在深度方向上分层加工，每加工完一层进行刀具状态检测，当刀具磨损严重时进行刀具更换，每次换刀重复步骤3，并在对刀点进行沿主轴方向的对刀。
步骤6-1：加工初期对S形槽和直槽交替加工，加工参数选取范围为：主轴转速为40000-45000r/min，进给速度为30-35μm/min，背吃刀量为1-2μm，采用酒精作为润滑冷却液。
步骤6-2：完成直槽在深度方向上的加工之后，提高切削参数，进行剩余深度S形槽的加工；加工参数选取范围为：主轴转速为50000-60000r/min，进给速度为35-40μm/min，背吃刀量为2-3μm，采用酒精作为润滑冷却液。
其中，对S形槽1/4深度以上的部分，采用直径Φ0.1mm的MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行浅槽加工，对S形槽1/4深度以下的部分，采用直径Φ0.1mm的MHRH230型号硬质合金平头微铣刀进行深槽加工。
步骤7：去毛刺。
步骤7-1：规划微铣刀的去毛刺轨迹，根据规划编辑加工程序的软件代码，并去除毛刺。
首先根据步骤5，生成略窄于加工轨迹的S形槽和直槽的微铣刀去毛刺轨迹，如图10所示，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。采用日本日进刀具公司生产直径Φ0.05mm的型号为SMEZ120的CBN平头铣刀进行去毛刺走刀，去毛刺时刀具与槽底之间留出0.2μm左右的空隙，切削参数为：主轴转速约为40000-60000r/min，进给速度约为35-40μm/min，采用酒精作为润滑冷却液。
步骤7-2：去除微槽内毛刺后，对工件表面毛刺进行去除。
刀具返回对刀点后，在对刀点上方的安全平面内更换直径为Φ0.5mm的型号为MSES230P的硬质合金平头铣刀，更换方法如步骤3所示，切削参数为：主轴转速约为40000 -60000r/min，进给速度约为35-40μm/min，之后利用试切法对刀完毕后，再次将刀具抬高0.5-1μm，使得刀具底刃距离工件有一定距离，此时让刀具沿着直槽中心线做直线往返运动，进行工件表面去毛刺辅助走刀。
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7-9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。
实施例2
本实施例与实施例1的结构参数、操作方法、工件材料、要求加工后的尺寸精度和表面粗糙度均相同，不同点在于：
步骤2中采用Φ2.0mm硬质合金平头铣刀铣削工件加工面。
步骤6-1：加工初期对S形槽和直槽交替加工，加工参数选取范围为：主轴转速为35000-40000r/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6-2：完成直槽在深度方向上的加工之后，提高切削参数，进行剩余深度S形槽的加工；加工参数选取范围为：主轴转速为45000-50000r/min，进给速度为30-35μm/min，背吃刀量为2-3μm，采用酒精作为润滑冷却液。
加工完成后，测量结果直槽和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。实施例1与本实施例相同的结构参数，在给出的切削参数条件范围内，都能达到精度要求。
实施例3
本实施例与实施例1的操作方法、工件材料、要求加工后的尺寸精度和表面粗糙度均相同，不同点在于：
S形槽的深宽比为400μm/150μm，直槽通道宽度为220μm。
步骤2中采用Φ2.0mm硬质合金平头铣刀铣削工件加工面。
步骤6-1：加工初期对S形槽和直槽交替加工，加工参数选取范围为：主轴转速为40000-50000r/min，进给速度为25-35μm/min，背吃刀量为1-2μm，采用酒精作为润滑冷却液。
步骤6-2：完成直槽在深度方向上的加工之后，提高切削参数，进行剩余深度S形槽的加工；加工参数选取范围为：主轴转速为50000-60000r/min，进给速度为40-45μm/min，背吃刀量为2.5-3.5μm，采用酒精作为润滑冷却液。
其中，对S形槽1/4深度以上的部分，采用直径Φ0.15mm的MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行浅槽加工，对S形槽1/4深度以下的部分，采用直径Φ0.15mm的MHRH230型号硬质合金平头微铣刀进行深槽加工。
加工完成后，测量结果直槽和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。实施例1与本实施例的两种不同的结构参数，在给出的切削参数条件范围内，都能达到精度要求。
Claims (10)
1.一种应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1：在微铣削机床上，利用夹具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；
步骤2：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3：更换铣刀为超精密微铣削用的微铣刀，通过弹簧夹头将微铣刀安装于微铣削机床主轴的刀具夹紧机构中，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：在超精密微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，即每次加工程序的起始点和加工程序完成后的终点为同一点，使加工程序结束时刀具重新回到对刀点；
步骤5：设置并统一工件加工机床坐标系原点和加工程序坐标系原点，两原点均与步骤4中选取的对刀点重合，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6：将加工程序的软件代码导入微铣削机床的控制系统，对慢波结构件进行超精密微铣削加工；采用将慢波结构在深度方向上分层加工，每加工完一层进行刀具状态检测，当刀具磨损严重时进行刀具更换，每次换刀重复步骤3，并在对刀点进行沿主轴方向的对刀；加工初期对S形槽和直槽交替加工，完成直槽在深度方向上的加工之后，提高切削参数，进行剩余深度S形槽的加工；
步骤7：在慢波结构完整加工完毕之后，规划微铣刀的去毛刺轨迹，根据规划编辑加工程序的软件代码，并去除毛刺；去除微槽内毛刺后，对工件表面毛刺进行去除。
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微铣削制备工艺方法，其特征是：所述步骤6中，加工初期对S形槽和直槽交替加工，加工参数选取范围为：主轴转速为30000-60000r/min，进给速度为20-50μm/min，背吃刀量为1-5μm，采用酒精作为润滑冷却液；完成直槽在深度方向上的加工之后，S形槽剩余深度的加工参数选取范围为：主轴转速为30000-60000r/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。
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微铣削制备工艺方法，其特征是：所述步骤6中，对S形槽1/4深度以上的部分，采用直径Φ0.1-Φ0.15mm的 MSES230P型号硬质合金平头微铣刀进行浅槽加工，对S形槽1/4深度以下的部分，采用直径Φ0.1-Φ0.15mm的MHRH230型号硬质合金平头微铣刀进行深槽加工。
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微铣削制备工艺方法，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；所述S形槽的深宽比为255μm/100μm~400μm/150μm，直槽通道宽度为140~220μm。
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微铣削制备工艺方法，其特征是：所述步骤2中采用Φ1.0-Φ2.5mm的硬质合金铣刀铣削整个工件的加工面。
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微铣削制备工艺方法，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3-1所述步骤。
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微铣削制备工艺方法，其特征是：所述步骤4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。
8.根据权利要求1所述的一种应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，其特征是所述步骤5包括：
步骤5-1：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，以方便利用UG软件生成加工G代码；
步骤5-2：建立加工程序坐标系，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；
步骤5-3：分析加工过程中，影响表面毛刺产生和微结构完整性的关键因素，设置S形槽及直槽的进给路径和回刀方式；
步骤5-4：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。
9.根据权利要求1所述的一种应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，其特征是：所述步骤7中，首先根据步骤5，生成窄于加工轨迹5-10μm的S形槽和直槽的微铣刀去毛刺轨迹，之后处理生成可供微铣削机床运行的G代码，采用Φ0.05mm的型号为SMEZ120的CBN平头铣刀进行去毛刺走刀，去毛刺时刀具与槽底之间留出0.2μm的空隙；刀具返回对刀点后，在对刀点上方的安全平面内更换直径为Φ0.5mm的型号为MSES230P的硬质合金平头铣刀，对工件表面毛刺进行去除。
10.根据权利要求1所述的一种应用于折叠波导慢波结构的微铣削制备工艺方法，其特征是：所述步骤1中的夹具包括主体、V型槽、挡块和夹紧块；所述主体与微铣削机床的加工平台固定连接，主体的上表面分布至少一个V型槽，工件的半圆柱面与V型槽接触，主体的上表面设置与工件轴向剖面其中任一长边接触的挡块，确保工件不会绕圆柱面的中心线发生翻转，主体的上表面还设置压紧工件轴向剖面两个长边侧的夹紧块。
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