CN112276177B - 应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法 - 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微铣削加工精度保障的工艺方法，对工件毛坯待加工区的外边缘处微铣削加工制得沿X轴方向延伸的X向对刀槽、沿Y轴方向延伸的Y向对刀槽；微铣削加工过程中更换刀具后，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽或/和Y向对刀槽被微铣削加工去除后，基于对应处已加工表面的侧壁进行刀具X方向或/和Y方向的二次对刀。本发明提供了一种应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其能够保证慢波结构微铣削加工时相对位置的准确性，提高微铣削加工精度。

Description

应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法
技术领域
本发明涉及超精密微铣削加工技术领域，尤其涉及一种应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法。
背景技术
太赫兹频段折叠波导慢波结构是行波管放大器的核心零件，其尺寸微小、结构复杂，由引导电磁波走向的S型折叠波导与直型带状电子束通道组成。如图1所示的太赫兹频段折叠波导慢波结构，其整体为长48mm、宽10mm、高10mm的长方体结构。沿长方体上表面长度方向的中轴线加工有直型带状电子束通道(下文中简称为直槽)，直槽的一端设为入口，另一端设为出口。在直槽的入口和出口之间的设定间距内加工有传输太赫兹波的S型折叠波导(下文中简称为S型槽)，S型槽靠近直槽的入口一端加工与S型槽贯通的入口通道作为射频输入端口，S型槽的另一端加工出口通道作为射频输出端口，射频输入端口与输出端口相距22.2mm。S型槽与直槽相互贯穿使慢波结构中存在数目众多的薄壁孤岛结构(下文中简称为孤岛)，尤其慢波结构中S型槽深宽比达到255μm/100μm，共75周期，孤岛宽度为48μm，跨度为22.2mm，属于典型的多周期、大深宽比、薄壁复杂结构件。慢波结构的制造水平决定了电真空放大器的工作性能，其中折叠波导结构的尺寸精度及其尺寸一致性与电真空放大器的杂波抑制效果密切相关。此外，慢波结构部件由2个镜像对称的二等分波导结构装配而成，其双侧慢波结构的加工精度及装配精度决定了能否为电磁波形成有效的传输路径。因此，保证慢波结构的加工精度是其高精度制备的关键。
目前，超精密微铣削技术加工质量稳定，成本相对较低，被认为是制备慢波结构最为有效的加工方法之一。然而，机床的定位精度、重复定位精度及轮廓跟随精度等多方面的因素，将在很大程度上制约慢波结构尺寸、形状与位置精度的提高。此外，慢波结构采用塑性与延展性优异的颗粒增强型弥散无氧铜复合材料作为工件本体，一方面在材料去除过程中极易产生毛刺，另一方面增强颗粒的存在对刀具磨损影响显著。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其能够保证慢波结构微铣削加工时相对位置的准确性，提高微铣削加工精度。
发明采用的技术方案是：一种应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，对工件毛坯待加工区的外边缘处微铣削加工制得沿X轴方向延伸的X向对刀槽、沿Y轴方向延伸的Y向对刀槽；微铣削加工过程中更换刀具后，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽\Y向对刀槽被微铣削加工去除后，基于对应处已加工表面的侧壁进行刀具X方向\Y方向的二次对刀。
作为对上述技术方案的进一步限定，在直槽的入口或出口处加工X向对刀槽，在S型槽的入口通道或出口通道处加工Y向对刀槽；X向对刀槽、Y向对刀槽均加工为长条槽，长条槽的长度方向与对应坐标轴方向一致，长条槽的宽度与微铣刀的直径对应，长条槽的深度小于微铣刀的直径。
作为对上述技术方案的进一步限定，二次对刀采用插入观察切屑的方法对刀。
作为对上述技术方案的进一步限定，包括以下步骤，
步骤S1：对工件毛坯进行定位与夹紧；
步骤S2：微铣削加工去除工件毛坯上表面与微铣刀回转轴线不垂直的材料；
步骤S3：更换新的刀具，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测；
步骤S4：进行X、Y与Z三个方向的对刀，设置工件毛坯加工的相对坐标系原点；
步骤S5：在直槽的入口或出口的设定位置处加工X向对刀槽，在S型槽的入口通道或出口通道的设定位置处加工Y向对刀槽；X向对刀槽为上部和外侧均开口的、对应X方向的槽帮与X向坐标轴重合或平行的半开口槽，Y向对刀槽为上部和外侧均开口的、对应Y方向的槽帮与Y向坐标轴平行的半开口槽；
步骤S6：对工件毛坯进行微铣削加工，生成慢波结构的直槽、S型槽、S型槽的入口通道和S型槽的出口通道；微铣削加工过程中更换刀具后，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽或/和Y向对刀槽被微铣削加工去除后，基于对应处已加工表面的侧壁进行刀具X方向或/和Y方向的二次对刀。
步骤S7：待工件加工完毕之后，清洗、烘干工件。
作为对上述技术方案的进一步限定，步骤S3和S4之间增设步骤B1:调整C轴角度，使工件毛坯上表面长度方向与Y向导轨运动方向之间的平行度满足加工要求。
作为对上述技术方案的进一步限定，所述步骤S6分为以下步骤，
步骤S6-1：对工件毛坯进行微铣削加工，生成慢波结构中的直槽；
步骤S6-2：待直槽加工完毕后，更换刀具对S型槽进行微铣削加工；
步骤S6-3：当S型槽与直槽相贯的75个周期性结构加工完毕之后，更换刀具依次对S型槽的入口通道和出口通道进行微铣削加工；
上述步骤微铣削加工过程中更换刀具后，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽被微铣削加工去除后，基于直槽入口或出口处已加工表面的侧壁进行刀具X方向的二次对刀。
作为对上述技术方案的进一步限定，步骤S6-2中将S型槽按照周期数目划分为若干个加工单元，依次对每一个加工单元进行微铣削加工；待当前加工单元加工完毕之后，更换新的刀具，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测，并基于直槽的入口或出口处已加工表面的侧壁进行刀具X方向的二次对刀，基于Y向对刀槽进行刀具Y方向的对刀，更换刀具后进行下一个加工单元的微铣削加工。
作为对上述技术方案的进一步限定，步骤S4和步骤S5之间增设步骤B2:在工件毛坯上表面涂覆设定厚度的PMMA胶体至固化，步骤S7中待工件加工完毕后，首先将工件置于有机溶剂中对PMMA固化层进行溶解，然后再进行清洗、烘干。
作为对上述技术方案的进一步限定，所述步骤S6分为以下步骤，
步骤S6-1：将慢波结构的S型槽和直槽相贯的周期性结构按周期数目划分为若干个加工单元，以此规划走刀轨迹并依次进行加工，当前加工单元加工完毕之后，更换刀具进行下一个加工单元的加工；
步骤S6-2：当S型槽与直槽相贯的周期性结构加工完毕之后，更换刀具依次对直槽的入口和出口、S型槽的入口通道和出口通道进行微铣削加工；
上述步骤微铣削加工过程中更换刀具后，微铣削加工过程更换刀具后，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽被微铣削加工去除后，基于直槽入口或出口处已加工表面的侧壁进行刀具X方向的二次对刀；当Y向对刀槽被微铣削加工去除后，基于S型槽入口或出口处已加工表面的侧壁进行刀具Y方向的二次对刀。
作为对上述技术方案的进一步限定，步骤S6-1中，对于S型槽与直槽相贯的深度范围，采用S型槽-直槽交替的铣削加工方式，每向下铣削一层都会将上一层产生的顶端毛刺与出口毛刺去除；对于仅有S型槽的深度范围，采用往复走刀的铣削加工方式，去程时微铣刀的顺铣侧在回程时会成为逆铣侧，回程时微铣刀会将去程时顺铣侧的毛刺去除掉，当加工至最底层时，进行空走刀以去除槽底与侧壁毛刺。
本发明所述的一种应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，可以实现工作频率为0.34THz全周期折叠波导慢波结构的超精密微铣削加工，X向对刀槽和Y向对刀槽的设置以及基于双向CCD视觉系统的对刀工艺能够保证慢波结构微铣削加工时相邻加工单元衔接的准确度，以及慢波结构在工件上相对位置的准确性，有利于后续装配工序中双侧镜像慢波结构的准确匹配。针对慢波结构的不同位置，合理规划微铣刀的走刀轨迹，并按区域化几何要素设置切削用量，在微铣削加工过程中即可完成微铣削毛刺的抑制与去除，同时能够保证慢波结构的尺寸和形位精度。加工后的尺寸精度优于±2μm，表面粗糙度Ra优于60nm，满足加工要求。
本发明使用精密夹具对弥散无氧铜慢波结构工件毛坯进行定位与夹紧，保证工件坐标系与机床坐标系之间的相对位置保持不变，避免后续反复多次对刀对加工精度造成的影响。
本发明采用硬质合金铣刀对整个工件毛坯上表面进行预铣削，在去除金属氧化层的同时，提高了慢波微结构待加工表面与微铣刀回转轴线之间的垂直度，保证慢波微结构的深度一致性。
本发明将微铣削所用的平头微铣刀安装于主轴的刀具夹持机构中，利用刀具在位检测装置对刀具的安装状态和使用状态进行检测，在加工之前先对刀具的径向跳动误差进行测量，判断是否需要对刀具的装夹状态进行调整；在加工过程中对刀具磨损量进行在位测量，判断是否需要对微铣刀进行更换。
本发明对C轴角度进行调整，是为了保证工件毛坯上表面长度方向的边缘与Y向导轨运动方向间的平行度，进而提高慢波结构在工件表面相对位置的准确，有利于后续装配工序中双侧镜像慢波结构的准确匹配。
本发明在微铣削加工前完成X、Y与Z三个方向的对刀，并设置工件加工的相对坐标系原点，为后续刀具轨迹规划中确定铣削加工起点的坐标值，同时保证刀具更换前后的新旧坐标系能够良好重合，以减小刀具更换操作所引入的装夹误差对慢波结构尺寸和形位精度的影响。
本发明采用涂布棒在工件上表面涂覆一层PMMA薄膜作为辅助支撑材料，增加了弥散无氧铜工件毛坯上表面材料抵抗塑性变形的能力，在后续加工时抑制槽顶部位毛刺的生成。PMMA与弥散无氧铜材料之间的吸附力强，且相互不发生化学反应，同时PMMA固化后的材料强度适中，不易对微铣刀造成磨损，而且PMMA易于涂覆与去除，不会在金属表面残留。
本发明在直槽的入口或出口和波导的入口通道或出口通道处分别加工得到X向对刀槽、Y向对刀槽，由于慢波结构的尺寸精度要求为2～3μm，相比于宏观铣削，微铣削中微小的刀具装夹误差所导致的刀具径向跳动误差对其尺寸精度的影响是无法忽略的，X向对刀槽、Y向对刀槽作为刀具更换后二次对刀的X、Y双向参考点，进一步保证刀具更换前后的新旧坐标系能够良好重合，以减小刀具更换操作所引入的装夹误差对慢波结构尺寸和形位精度的影响，抑制后续分段加工中相邻加工单元交接处的错位现象。相比于常用的划线对刀法，对刀槽具有两侧侧壁作为对刀的基准，借助正交CCD对刀系统能够达到更高的对刀精度，双向对刀槽的设置能够保证X、Y两个方向准确对刀，更能够满足慢波结构2～3μm的尺寸精度要求。
本发明将慢波结构按照周期数目划分为若干个加工单元，分段依次进行加工避免了采用单支刀具一次性铣削全周期时，在刀具发生磨损而更换新的刀具之后，可能因为装夹误差及机床重复定位误差的存在而导致新旧刀具的位置不完全重合，防止在加工深层次结构时会对上层已加工微结构造成破坏，进而影响慢波结构的尺寸与形状精度，采用划分加工单元进行分段加工的方法对慢波结构尺寸与形状精度有很大改善；对刀具轨迹进行规划，通过合理的走刀方式设置与切削用量选取，在加工过程中即实现微铣削毛刺的抑制与去除，同时保证慢波结构的尺寸与形位精度。
本发明当慢波结构S型槽与直槽相贯的75个周期性结构加工完毕之后，更换刀具依次对直槽的入口、出口与S型槽的入口通道、出口通道进行微铣削加工，加工得到贯通的直槽与S型槽的入口通道、出口通道，为电子注与电磁波的相互作用形成有效通道。
本发明使用超声波清洗机将工件置于四氢呋喃溶剂中进行清理去除工件直槽腔体内部的PMMA材料涂层；使用超声波清洗机将工件置于酒精溶剂中进行清洗去除残留在工件上表面的PMMA残渣以及有毒的四氢呋喃溶剂；高压气体烘干去除残留在工件表面的酒精与微铣削切屑。
附图说明
图1为本发明太赫兹频段折叠波导慢波结构的整体结构示意图；
图2为本发明微铣削机床的结构示意图；
图3为本发明工件毛坯用夹具的结构示意图；
图4为本发明调整C轴角度工艺步骤示意图；
图5为本发明固定CCD相机Z向对刀的成像图；
图6为本发明随动CCD相机Z向对刀的成像图；
图7为本发明X、Y向工件坐标系原点的确定示意图；
图8为本发明X向对刀槽和Y向对刀槽的加工位置示意图；
图9为本发明X向对刀槽的成像图；
图10为本发明Y向对刀槽的成像图；
图11为本发明二次对刀过程的成像图；
图12为本发明实施例2的0～70μm深度范围内刀具轨迹规划；
图13为本发明实施例2的70～255μm深度范围内刀具轨迹规划；
图14为本发明形状误差示意图；
图15为本发明切削实验中存在的圆度误差成像图；
图16为本发明相邻加工单元交接处错位现象改善情况对比成像图；
图17为本发明采用划分加工单元的方法对慢波结构尺寸与形状精度的改善对比成像图；
图18为本发明实施例2的折叠波导慢波结构成品全貌成像图；
图19为本发明实施例2的慢波结构成品多周期局部成像图；
图20为本发明实施例2的慢波结构成品S型槽槽宽测量成像图；
图21为本发明实施例2的慢波结构成品S型槽外圆与孤岛直径测量成像图；
图22为本发明实施例2的慢波结构成品直槽槽宽测量成像图；
图23为本发明实施例2的慢波结构成品折叠波导半周期长度测量成像图；
图24为本发明实施例2的慢波结构成品形貌检测成像图；
图25为本发明实施例4的慢波结构成品S型槽与直槽宽度测量成像图；
图26为本发明实施例4的慢波结构成品直槽槽底形貌成像图；
图27为本发明实施例6的慢波结构成品多周期局部成像图。
图中：1-直槽；2-S型槽；3-入口通道；4-出口通道；5-孤岛；6-第一边缘；6’-第三边缘；7-第二边缘；7’-第四边缘；8-主轴；9-刀具在位检测装置；10-随动CCD相机；11-悬挂固定CCD相机；12-夹具；13-工作台；14-A轴；15-C轴；16-工件毛坯；17-止动螺母、18-滑块、19-压紧块、20-底座、21-刀具回转截面、22-X向对刀槽、23-Y向对刀槽。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，用于加工如图1所示的慢波结构。慢波结构整体为48mm*10mm*10mm的长方体。长方体的上表面分布相互贯穿的S型槽2与直槽1，两者交汇形成孤岛5。其中S型槽共计75个周期，S型槽深宽比达到255μm/100μm，孤岛宽度为48μm，跨度为22.2mm，直槽宽度为140μm。慢波结构的材料选用掺杂有体积分数为0.5％～1.2％、粒度为50～100nm的Al2O3颗粒的弥散无氧铜。要求加工后的慢波结构尺寸精度优于±2μm，表面粗糙度Ra应优于60nm。
鉴于慢波结构的复杂性和材质的特殊性，首先，对工件毛坯待加工区的外边缘处微铣削加工制得沿X轴方向延伸的X向对刀槽、沿Y轴方向延伸的Y向对刀槽。其中，待加工区指工件毛坯的待加工表面对应待加工为慢波结构的区域，待加工区的外边缘处指待加工成为慢波结构的区域中对应处于待加工表面的外边缘的区域。优选在外边缘处的直槽的入口或出口处加工X向对刀槽，在S型槽的入口通道或出口通道处加工Y向对刀槽。
完成X向对刀槽和Y向对刀槽的加工后，进行慢波结构中包括S型槽、直槽、S型槽的入口通道和出口通道在内的微铣削加工。微铣削加工过程中更换刀具后，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽或/和Y向对刀槽被微铣削加工去除后，基于对应处已加工表面的侧壁进行刀具X方向或/和Y方向的二次对刀。
其中，X向对刀槽、Y向对刀槽均加工为长条槽，长条槽的长度方向与对应坐标轴方向一致，长条槽的宽度与微铣刀的直径对应，长条槽的深度小于微铣刀的直径。二次对刀采用插入观察切屑的方法对刀。
加工完毕之后，慢波微结构的槽肩毛刺基本消除，相邻加工单元交接处无明显错位现象，轮廓精度较好，侧壁垂直度高，薄壁孤岛结构无局部坍塌，直槽和S型槽的槽宽、S型槽外圆与孤岛直径尺寸精度均在±2μm以内，表面粗糙度Ra优于60nm。
实施例2
一种应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，用于加工如图1所示的慢波结构。慢波结构整体为48mm*10mm*10mm的长方体。长方体的上表面分布相互贯穿的S型槽2与直槽1，两者交汇形成孤岛5。其中S型槽共计75个周期，S型槽深宽比达到255μm/100μm，孤岛宽度为48μm，跨度为22.2mm，直槽宽度为140μm。慢波结构的材料选用掺杂有体积分数为0.5％～1.2％、粒度为50～100nm的Al2O3颗粒的弥散无氧铜，本实施例弥散无氧铜掺杂的体积分数为1.1％。要求加工后的慢波结构尺寸精度优于±2μm，表面粗糙度Ra应优于60nm。
采用微铣削机床进行加工，如图2所示，微铣削机床包括主轴、工作台13、对刀系统、刀具在位检测装置和控制系统等。微铣削机床床身结构为对称分布型龙门式结构，采用工作台上布置旋转轴、机床的主轴可回转的单转台单摆头多轴联动布局方式，运动轴分别为直线运动轴X轴、Y轴、Z轴和旋转轴A轴14、C轴15。其中X轴、Y轴以正交堆叠的形式配合工作台上的旋转轴C轴实现平面运动，依次完成直槽、S型槽的运动轨迹。Z轴主要完成微铣削主轴在竖直方向上的进给工作，实现对槽深的加工，A轴垂直固连于Z轴上，降低中间过渡单元带来的刚度减弱、谐波振颤、应力集中等影响。机床的主轴8安装在A轴上，主轴下部通过刀具夹持装置安装刀具。机床采用了一对正交配置的CCD相机作为对刀系统，分别为悬挂固定CCD相机11与随动CCD相机10。本实施例中X、Y、Z向导轨以及A轴、C轴转台由Aerotech公司制造，导轨与转台的型号分别为PRO115SLE与ADRS150；悬挂CCD相机由日本Myutron公司制造，型号为HMZ0745，随动CCD相机由大恒公司制造，型号为MT型；刀具在位检测装置由德国Blum公司制造，型号为Laser Control Nano NT。本实施例仅以此种结构形式微铣削机床为例，实际生产中还可以其他形式的五轴微铣削机床，对应的上述部件也均为常规必备部件。
步骤S1：对工件毛坯进行定位与夹紧。
工件毛坯为经过精加工的弥散无氧铜长方体，采用夹具对工件毛坯16进行精准的定位和夹紧。如图3所示，夹具12包括底座20、楔形夹紧机构和止动螺母17。底座20具有底部水平面、单侧竖直平面和支承钉。底部水平面与工件毛坯底面接触定位，单侧竖直平面与工件毛坯长边侧面接触定位，支承钉对应支承接触定位工件毛坯的短边侧面。楔形夹紧机构设置在单侧竖直平面的相对侧，包括滑块18和压紧块19。滑块的内侧面与对应侧长边侧面接触定位，滑块的另一侧设置与滑块外侧面通过楔形配合的压接块，压接块通过调节螺母栓接在底座上，通过旋动调节螺母带动压接块上下移动以调整滑块的内侧面与长边侧面接触定位。单侧竖直平面所在的侧壁上安装止动螺母以压紧工件毛坯。其中，支承钉固定在后方侧壁上，后方侧壁与单侧竖直平面所在的侧壁垂直设置。
为了加工和操作方便，单个夹具上对称夹紧两个工件毛坯，单侧竖直平面所在侧壁的两个侧面各接触定位一个工件毛坯，两工件毛坯共用止动螺母，止动螺母设置两个翼板分别压紧工件毛坯。止动螺母设置为4个。实际加工中也可以单个夹具对单个工件毛坯进行定位与夹紧。
夹具以单侧竖直平面、底部平面以及后方支承钉作为工件毛坯的定位元件，限制工件毛坯沿X、Y、Z三个方向的移动自由度以及绕X、Y、Z轴的三个转动自由度。采用楔形夹紧机构对从工件毛坯侧面进行夹紧，采用止动螺母对工件毛坯上表面进行夹紧，楔形夹紧机构和止动螺母的共同作用的夹紧力远大于切削力，因此，在微铣削加工过程中，工件毛坯始终能够保持在正确的位置上。
步骤S2：微铣削加工去除工件毛坯上表面与微铣刀回转轴线不垂直的材料。
采用日本日进刀具公司(NS-TOOL)生产的型号为MSES230P的Φ3.0mm硬质合金平头微铣刀微铣削工件毛坯上表面去除金属氧化层，并铣削去除工件毛坯上表面与微铣刀回转轴线不垂直的材料部分。切削参数的选择范围：主轴转速为15000～30000r/min，背吃刀量为1～5μm，进给速度为0.15～0.85mm/s，本实施例采用主轴转速为18000r/min，背吃刀量为5μm，进给速度为0.6mm/s，采用酒精作为润滑冷却液。
步骤S3：将刀具更换为新的日本日进刀具公司(NS-TOOL)生产的型号为DHR237、刃长为0.3mm的Φ100μm硬质合金平头微铣刀。利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测，包括步骤S3-1和步骤S3-2。
步骤S3-1：更换时，卸下与主轴相连的刀具夹持装置上的弹簧夹头，取下需要更换的刀具后插入新的刀具，然后重新联结弹簧夹头与主轴夹持新的刀具，采用六角扳手进行夹紧。
步骤S3-2：将主轴转速设为40000r/min，利用刀具在位检测装置对刀具径向跳动状态进行测量，分析刀具径向跳动误差，若刀具径向跳动过大，则需要将刀具拆卸，按照步骤S3-1的操作重新装夹。
步骤B1:调整C轴角度，使工件毛坯上表面长度方向与Y向导轨运动方向之间的平行度满足加工要求，包括步骤B1-1、步骤B1-2和步骤B1-3。
步骤B1-1：对C轴角度进行粗调，使工件毛坯上表面任选一侧长边的第一边缘6与Y向导轨运动方向大致保持平行。
步骤B1-2：将主轴转速设置为不低于40000r/min，移动X、Y、Z向导轨，借助悬挂固定的CCD相机实时监测微铣刀的移动状态。当刀具侧刃与第一边缘刚刚发生接触时，能够观察到有切屑产生，记下此时刀具的X向坐标值a1后，移动X向导轨使刀具离开第一边缘；接着移动Y向导轨超过工件毛坯长度的1/2，优选移动至少30mm，在第一边缘的其他位置进行同样的试切步骤，当观察到有切屑产生时，记下此时刀具的X向坐标值a2后，移动X向导轨使刀具离开工件毛坯上表面的第一边缘，具体操作参考图4所示。计算前后两次试切得到的X向坐标值a1与a2的差值，通过对C轴角度进行微调，改变工件坐标系与机床坐标系的相对位置。
步骤B1-3：微调后重复进行步骤B1-2，逐渐减小a1与a2之间的差距，当前后两次试切得到的X向坐标值a1与a2的差值小于1μm时，认为工件毛坯上表面选定长边的第一边缘与Y向导轨运动方向间有着较好的平行度，满足加工要求。
步骤S4：进行X、Y与Z三个方向的对刀，设置工件毛坯加工的相对坐标系原点，包括步骤S4-1、步骤S4-2和步骤S4-3。
步骤S4-1：进行Z向对刀。将主轴转速设置为不低于40000r/min，借助悬挂固定及随动的CCD相机对刀具进行在位观测，在工件毛坯上表面上方，以较小的Z向进给量向下进行试切，通过观察刀具与其倒影的距离判断刀具与工件毛坯上表面之间的距离，如图5、图6所示。在刀具即将接近工件毛坯上表面时，Z向进给量不大于1μm/次，一旦监测到工件毛坯上表面有切屑生成，则判定刀刃与工件毛坯上表面发生了接触，将此时刀具基于机床坐标系的Z向绝对坐标值设置为工件坐标系Z向原点。
步骤S4-2：进行X向对刀。将主轴转速设置为不低于40000r/min，借助正交CCD相机对刀具进行在位观测，在临近工件毛坯侧面位置，以较小的进给量向工件毛坯上表面边缘处进行试切，如图7所示。先后在工件毛坯上表面相对的长边第一边缘6及第三边缘6’进给，进给量不大于1μm/次，一旦监测到工件毛坯边缘处有切屑生成，则判定刀刃与工件毛坯上表面边缘发生了接触，记下此时基于机床坐标系的X向坐标值，作为第一边缘、第三边缘的X向坐标值，分别记作x1与x2；然后将刀具提起并置于工件上表面之上，基于机床坐标系，将刀具移动至X向坐标值为(x1+x2)/2的位置，将此时刀具基于机床坐标系的X向坐标值设置为基于工件坐标系的X向原点。
步骤S4-3：进行Y向对刀。将主轴转速设置为不低于40000r/min，借助正交CCD相机对刀具进行在位观测，在临近工件毛坯侧面位置，以较小的进给量向工件毛坯上表面边缘处进行试切，如图7所示。先后在工件毛坯上表面相对的短边第二边缘7及第四边缘7’进给，进给量不大于1μm/次，一旦监测到工件毛坯边缘处有切屑生成，则判定刀刃与工件毛坯上表面边缘发生了接触，记下此时基于机床坐标系的Y向坐标值，作为第一边缘、第四边缘的Y向坐标值，分别记作y1与y2；然后将刀具提起并置于工件上表面之上，基于机床坐标系，将刀具移动至Y向坐标值为(y1+y2)/2的位置，将此时刀具基于机床坐标系的Y向坐标值设置为基于工件坐标系的Y向原点。
步骤S5：在直槽的入口或出口的设定位置处加工X向对刀槽，在S型槽的入口通道或出口通道的设定位置处加工Y向对刀槽；X向对刀槽为上部和外侧均开口的、对应X方向的槽帮与X向坐标轴重合或平行的半开口槽，Y向对刀槽为上部和外侧均开口的、对应Y方向的槽帮与Y向坐标轴平行的半开口槽。
本实施例选择在直槽的入口加工X向对刀槽22、在S型槽的入口处加工Y向对刀槽23，作为刀具更换后二次对刀的X、Y双向参考点。为了便于刀具伸入对刀槽，两对刀槽加工为长条槽，长条槽的长度方向与对应坐标轴方向一致，长条槽的宽度与微铣刀的直径对应，长条槽的深度小于微铣刀的直径，选择加工0.2mm(长)×0.1mm(宽)×0.07mm(深)的槽，且两对刀槽加工顺序无先后区别。
加工X向对刀槽22时，基于工件坐标系，先将刀具提起至工件毛坯上表面之上，然后将刀具移动至X坐标轴上对应直槽的入口的外侧，如坐标为x＝0，y＝24.1mm的位置，主轴转速设置为不低于40000r/min；进给速度设置为不低于0.5mm/s，切削深度为2μm，在电子注通道入口位置加工得到1个尺寸为0.2mm(长)×0.1mm(宽)×0.07mm(深)的直槽，作为X向的对刀槽，操作示意图如图8所示。
加工Y向对刀槽23时，基于工件坐标系，先将刀具提起至工件毛坯上表面之上，然后将刀具移动至对应S型槽的入口通道的外侧，如坐标为x＝-5.1mm，y＝11.1mm的位置，主轴转速设置为不低于40000r/min；进给速度设置为不低于0.5mm/s，切削深度为2μm，在波导入口位置加工得到1个尺寸为0.2mm(长)×0.1mm(宽)×0.07mm(深)的直槽，作为Y向对刀槽，操作示意图如图8所示。
步骤S6：对工件毛坯进行微铣削加工，生成慢波结构的直槽、S型槽、S型槽的入口通道和S型槽的出口通道；微铣削加工过程中更换刀具后，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽或/和Y向对刀槽被微铣削加工去除后，基于对应处已加工表面的侧壁进行刀具X方向或/和Y方向的二次对刀；包括步骤S6-1和步骤S6-2。
步骤S6-1：将慢波结构的S型槽和直槽相贯的周期性结构按周期数目划分为若干个加工单元，以此规划走刀轨迹并依次进行加工，当前加工单元加工完毕之后，更换刀具进行下一个加工单元的加工。
由于刀具存在制造公差，DHR237型号刀具的实际尺寸通常小于其公称尺寸(Φ100μm)，因此，当所加工的槽宽尺寸≥100μm时，需要进行至少两次走刀以实现对材料的去除。在此基础上，将S型槽和直槽相贯的75个周期拆分为周期数为8～10的若干个加工单元，每个加工单元使用单支刀具从表层铣削至255μm深度的根部，每完成一个加工单元则更换刀具，开始下一个加工单元的铣削。具体包括步骤S6-1-1、步骤S6-1-2、步骤S6-1-3和步骤S6-1-4。
步骤S6-1-1：对当前加工单元进行微铣削。主轴转速取40000r/min，0～70μm深度范围内为S型槽与直槽的相贯部分，采用S型槽-直槽交替微铣削的方式，其刀具轨迹如图12所示，通过上述刀具轨迹规划方式，每向下铣削一层都会将上一层产生的顶端毛刺与出口毛刺去除；同时，为防止孤岛结构在切削力作用下发生形变，铣削深度设置为1μm。
由于70～255μm深度范围内仅有S型槽部分，采用如图13所示往复走刀的方法进行微铣削加工，去程时微铣刀的顺铣侧在回程时会成为逆铣侧，回程时微铣刀会将去程时顺铣侧的毛刺去除掉；同时为提高加工效率，将铣削深度增大至2μm，当加工至最底层时，按照图示轨迹进行空走刀以去除槽底与侧壁毛刺。
直槽部分的形状精度对机床跟随误差的敏感度较低，进给速度选用0.5mm/s；S型槽中不同几何要素的形状精度对机床跟随误差的敏感度各不相同，为避免S型槽中的直线-圆弧相切部位因进给速度变化过大，刀具无法及时响应而造成如图14和图15所示的过切现象，按区域化几何要素设置进给速度。其中，S型槽中圆弧部分的形状精度对机床跟随误差的敏感度较高，进给速度选用0.1mm/s，以保证圆弧部分的圆度；S型槽中直线部分对应的进给速度选用0.3mm/s，避免直线-圆弧相切部位出现过切现象。采用编程脚本，基于不同刀具的实际尺寸与加工部位、进度自动生成G代码，将G代码输入数控加工系统，对慢波结构当前加工单元进行微铣削加工，铣削过程中采用浓度为95％的酒精溶液作为切削液。
步骤S6-1-2：待当前加工单元铣削完毕之后，停转主轴，按照步骤S3-1的操作更换新的型号为DHR237、刃长为0.3mm的Φ100μm硬质合金平头微铣刀。更换刀具后按照步骤S3-2的操作进行刀具径向跳动检测。
步骤S6-1-3：更换刀具检测通过之后，先将主轴转速设为40000r/min，借助悬挂固定CCD相机进行X向对刀，将刀具中心移动至坐标为x＝0，y＝24mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具插入X向对刀槽内，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系X向的位置发生了改变，需要对X向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系将此时刀具的X向坐标设置为0。
接下来借助随动CCD相机进行Y向对刀，将刀具移动至坐标为x＝-5mm，y＝11.1mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具插入Y向对刀槽内，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系Y向的位置发生了改变，需要对Y向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系将此时刀具的Y向坐标设置为11.1mm。
在上表面未加工部位试切，试切步骤同S4-1，一旦产生切屑，则将此时刀具基于工件坐标系的Z向坐标值设置为0，以保证刀具更换前后Z向相对于工件毛坯的位置不发生改变。
步骤S6-1-4：完成二次对刀后，按照步骤S6-1-1、步骤S6-1-2和步骤S6-1-3的操作逐一进行下一加工单元的微铣削加工，直至慢波结构的75个周期全部加工完毕。
步骤S6-2：当S型槽与直槽相贯的周期性结构加工完毕之后，更换刀具依次对直槽的入口和出口、S型槽的入口通道和出口通道进行微铣削加工，包括步骤S6-2-1和步骤S6-2-2。
步骤S6-2-1：微铣削加工直槽的入口和出口，直槽槽宽0.14mm，槽深0.07mm。主轴转速为40000r/min，进给速度为0.5～1mm/s，铣削深度为2μm。加工过程中，利用刀具在位检测装置对刀具磨损量进行在位检测，可间隔一个小时检测一次。若在加工过程中出现刀具磨损失效，按照步骤S3-1和步骤S3-2的操作更换新的日本日进刀具公司(NS-TOOL)生产的型号为DHR237、刃长为0.3mm的Φ100μm硬质合金平头微铣刀和进行刀具径向跳动检测，并按照步骤S6-1-3的操作进行二次对刀。之后继续本步骤微铣削加工，直至直槽的入口和出口加工完毕。
在直槽加工过程当X向对刀槽被微铣削加工去除后，X向对刀可以基于直槽入口或出口处已经完成的加工表面的侧壁进行对刀，即刀具移至侧壁位置上方，如坐标为x＝0.02mm，y＝24mm或x＝-0.02mm，y＝24mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具贴近目标侧壁，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系X向的位置发生了改变，需要对X向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系将此时刀具的X向坐标设置为侧壁所在X向坐标值0.02mm或-0.02mm。
步骤S6-2-2：微铣削加工S型槽的入口通道和出口通道，主轴转速为40000r/min，进给速度为0.5～1mm/s，铣削深度为2μm。S型槽的入口通道和出口通道可根据槽宽、槽深划分为3个阶段，对应的槽宽尺寸分别为0.1mm、0.175mm和0.356mm，槽深尺寸分别为0.255mm、0.255mm和0.356mm。对于宽度为0.1mm/0.175mm、深度为0.255mm的直槽部分，采用型号为DHR237、刃长为0.3mm的Φ100μm硬质合金平头微铣刀进行加工；对于宽度为0.356mm、深度为0.356mm的直槽部分，采用型号为DHR237、刃长为0.5mm的Φ0.2mm硬质合金平头微铣刀进行加工。
初安装更换刀具时和加工过程中利用刀具在位检测装置发现刀具发生磨损需要更换刀具时，按照步骤S3-1和步骤S3-2的操作更换对应规划步骤适用的新刀具和进行刀具径向跳动检测，更换刀具后按照步骤S6-1-3的操作进行二次对刀。
由于X向对刀槽在直槽加工中被微铣削加工去除后，X向对刀可以基于直槽入口或出口处已经完成的加工表面的侧壁进行对刀，即刀具移至侧壁位置上方，如坐标为x＝0.02mm，y＝24mm或x＝-0.02mm，y＝24mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具贴近目标侧壁，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系X向的位置发生了改变，需要对X向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系将此时刀具的X向坐标设置为侧壁所在X向坐标值0.02mm或-0.02mm。
S型槽的入口通道、出口通道加工过程中，当Y向对刀槽被微铣削加工去除后，Y向对刀可以基于S型槽的入口通道或出口通道处已经完成的加工表面的侧壁进行对刀，即刀具移至侧壁位置上方，采用Φ0.1mm刀具时，坐标为x＝-5mm，y＝10.972mm或x＝-5mm，y＝11.228mm的位置，采用Φ0.2mm刀具时，坐标为x＝-5mm，y＝11.022mm或x＝-5mm，y＝11.178mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具贴近目标侧壁，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系Y向的位置发生了改变，需要对Y向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系，对于Φ0.1mm刀具，将此时刀具的Y向坐标设置为侧壁所在Y向坐标值10.972mm或11.228mm；对于Φ0.2mm刀具，将此时刀具的Y向坐标设置为侧壁所在Y向坐标值11.022mm或11.178mm。
后续按照上述规划的微铣刀走刀轨迹机械进行加工，直至S型槽的入口通道、出口通道加工完毕。
步骤S7：待工件加工完毕之后，清洗、烘干工件。
将加工后的工件在超声波清洗机中使用浓度95％的酒精溶液中清洗15分钟，然后利用高压气体进行烘干，同时去除残留在工件表面与腔体内部的酒精溶液与切屑。
至此完成全周期0.34THz折叠波导慢波微结构的超精密微铣削加工。加工完毕之后，采用ZYGO白光干涉仪与VHX-1000超景深光学显微镜测量工件的尺寸精度与表面形貌，如图16-17为在引入对刀槽前后的加工效果对比，结合图18-24所示，慢波微结构的槽肩毛刺基本消除，相邻加工单元交接处无明显错位现象，轮廓精度较好，侧壁垂直度高，薄壁孤岛结构无局部坍塌，直槽和S型槽的槽宽、S型槽外圆与孤岛直径尺寸精度均在±2μm以内，表面粗糙度Ra优于60nm。
实施例3
本实施例与实施例2相比，所加工慢波结构的基本要求相同。
本实施例的工艺步骤与实施例2相比，省略步骤B1，其他步骤工艺方法相同，切削参数在选择范围内略有调整。实验结果证明采用本实施例的工艺步骤之后，采用ZYGO白光干涉仪与VHX-1000超景深光学显微镜测量工件的尺寸精度与表面形貌，慢波微结构的槽肩毛刺基本消除，相邻加工单元交接处无明显错位现象，轮廓精度较好，侧壁垂直度高，薄壁孤岛结构无局部坍塌，直槽和S型槽的槽宽、S型槽外圆与孤岛直径尺寸精度均在±2μm以内，表面粗糙度Ra优于60nm。慢波结构相对位置精度有所下降，在可接受范围内，可通过装配工艺降低该影响。
实施例4
本实施例与实施例2相比，所加工慢波结构的基本要求相同。
本实施例的工艺步骤与实施例2相比，对步骤S6做调整，其他步骤不变。其中步骤S6调整为：
步骤S6：对工件毛坯进行微铣削加工，生成慢波结构的直槽、S型槽、S型槽的入口通道和S型槽的出口通道；微铣削加工过程中更换刀具后，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽或/和Y向对刀槽被微铣削加工去除后，基于对应处已加工表面的侧壁进行刀具X方向或/和Y方向的二次对刀；包括步骤S6-1、步骤S6-2和步骤S6-3。
步骤S6-1：对工件毛坯进行微铣削加工，生成慢波结构中的直槽，包括步骤S6-1-1、步骤S6-1-2和步骤S6-1-3。
步骤S6-1-1：将加直槽的刀具更换成新的日本日进刀具公司(NS-TOOL)生产的型号为MSE230、刃长为0.15mm的Φ100μm硬质合金平头微铣刀，更换过程按照步骤S3-1的操作进行。更换刀具后按照步骤S3-2的操作进行刀具径向跳动检测。
步骤S6-1-2：更换刀具检测通过之后，先将主轴转速设为40000r/min，借助悬挂固定CCD相机进行X向对刀，将刀具中心移动至X向对刀槽上方，如坐标为x＝0，y＝24mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具插入X向对刀槽内，若观察到有切屑产生即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系X向的位置发生了改变，需要对X向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系将此时刀具的X向坐标设置为0。
借助随动CCD相机进行Y向对刀，将刀具移动至Y向对刀槽上方，如坐标为x＝-5mm，y＝11.1mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具插入Y向对刀槽内，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系Y向的位置发生了改变，需要对Y向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系将此时刀具的Y向坐标设置为11.1mm。
在上表面未加工部位试切，试切步骤同S4-1，一旦产生切屑，则将此时刀具基于工件坐标系的Z向坐标值设置为0，以保证刀具更换前后Z向相对于工件毛坯的位置不发生改变。
步骤S6-1-3：直槽的槽宽尺寸为140μm。由于刀具存在制造公差，MSE230型号刀具的实际尺寸通常小于其公称尺寸(Φ100μm)，因此，利用UG软件根据其实际尺寸规划直槽加工的走刀轨迹；将生成的G代码输入数控加工系统，对慢波结构直槽进行铣削加工，主轴转速设置为不低于40000r/min，进给速度为0.5mm/s，铣削深度为0.5～1.5μm，本实施例采用铣削深度为1μm；切削过程中采用煤油作为切削液。
加工过程中，利用刀具在位检测装置对刀具磨损量进行在位检测，可间隔一个小时检测一次。若在直槽加工中出现刀具磨损失效，按照S6-1-1步骤更换新的型号为MSE230、刃长为0.15mm的Φ100μm硬质合金平头微铣刀并进行刀具径向跳动检测，并按照步骤S6-1-2进行二次对刀，之后按照本步骤的规划继续微铣削加工，直至直槽加工完毕。
当直槽加工过程中X向对刀槽被微铣削加工去除后，X向对刀可以基于直槽入口或出口处已经完成的加工表面的侧壁进行对刀，即刀具移至侧壁位置上方，如坐标为x＝0.02mm，y＝24mm或x＝-0.02mm，y＝24mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具贴近目标侧壁，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系X向的位置发生了改变，需要对X向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系将此时刀具的X向坐标设置为侧壁所在X向坐标值0.02mm或-0.02mm。
步骤S6-2：待直槽加工完毕后，更换刀具对S型槽进行微铣削加工；包括步骤S6-2-1和步骤S6-2-2。
步骤S6-2-1：按照步骤S3-1和步骤S3-2更换新的型号为日本日进刀具公司(NS-TOOL)生产的型号为MHR230、刃长为0.3mm的Φ100μm硬质合金平头微铣刀和进行刀具径向跳动检测，并按照步骤S6-1-2进行二次对刀。
其中，由于直槽加工过程中X向对刀槽被微铣削加工去除后，X向对刀可以基于直槽入口或出口处已经完成的加工表面的侧壁进行对刀，即刀具移至侧壁位置上方，如坐标为x＝0.02mm，y＝24mm或x＝-0.02mm，y＝24mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具贴近目标侧壁，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系X向的位置发生了改变，需要对X向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系将此时刀具的X向坐标设置为侧壁所在X向坐标值0.02mm或-0.02mm。
步骤S6-2-2：由于刀具存在制造公差，MHR230型号刀具的实际尺寸通常小于其公称尺寸(Φ100μm)，因此，当所加工的槽宽尺寸≥100μm时，需要进行至少两次走刀以实现对材料的去除。
微铣削实验证明，如图13所示，加工所得微槽在逆铣侧的毛刺尺寸小于顺铣侧，因此采用如图14所示往复走刀的方法进行铣削加工，去程时微铣刀的顺铣侧在回程时会成为逆铣侧，因此回程时微铣刀会将去程时顺铣侧尺寸较大的毛刺去除掉。主轴转速取40000r/min，铣削深度设置为2μm，进给速度选用0.1～0.3mm/s，本实施例在半圆弧结构处加工进给速度选用0.1mm/s，在直线结构处加工进给速度选用0.3mm/s，铣削过程中采用煤油作为切削液。铣削至深度为255μm的S型槽底部时，将铣削深度设为0，按照图14所示走刀轨迹对除槽底与侧壁毛刺进行去除。
加工过程中，利用刀具在位检测装置对刀具磨损量进行在位检测，可间隔一个小时检测一次。若在加工过程中出现刀具磨损失效，重复步骤S6-2-1，之后按照步骤S6-2-1的操作继续微铣削加工，直至S型槽加工完毕。
步骤S6-3：当S型槽与直槽相贯的75个周期性结构加工完毕之后，更换刀具依次对S型槽的入口通道和出口通道进行微铣削加工。
主轴转速为40000r/min，进给速度为0.5～1mm/s，铣削深度为2μm。S型槽的入口通道和出口通道可根据槽宽、槽深划分为3个阶段，对应的槽宽尺寸分别为0.1mm、0.175mm和0.356mm，槽深尺寸分别为0.255mm、0.255mm和0.356mm。对于宽度为0.1mm/0.175mm、深度为0.255mm的直槽部分，采用型号为DHR237、刃长为0.3mm的Φ100μm硬质合金平头微铣刀进行加工；对于宽度为0.356mm、深度为0.356mm的直槽部分，采用型号为DHR237、刃长为0.5mm的Φ0.2mm硬质合金平头微铣刀进行加工。
初安装更换刀具时和加工过程中利用刀具在位检测装置发现刀具发生磨损需要更换刀具时，按照步骤S3-1和步骤S3-2更换新的日本日进刀具公司(NS-TOOL)生产的型号为MHR230、刃长为0.3mm的Φ100μm硬质合金平头微铣刀和进行刀具径向跳动检测，并按照步骤S6-1-2进行二次对刀。后续按照上述规划的微铣刀走刀轨迹进行加工，直至S型槽的入口通道、出口通道加工完毕。
其中，由于直槽加工过程中X向对刀槽被微铣削加工去除后，X向对刀可以基于直槽入口或出口处已经完成的加工表面的侧壁进行对刀，即刀具移至侧壁位置上方，如坐标为x＝0.02mm，y＝24mm或x＝-0.02mm，y＝24mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具贴近目标侧壁，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系X向的位置发生了改变，需要对X向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系将此时刀具的X向坐标设置为侧壁所在X向坐标值0.02mm或-0.02mm。
S型槽的入口通道、出口通道加工过程中，当Y向对刀槽被微铣削加工去除后，Y向对刀可以基于S型槽的入口通道或出口通道处已经完成的加工表面的侧壁进行对刀，即刀具移至侧壁位置上方，采用Φ0.1mm刀具时，坐标为x＝-5mm，y＝10.972mm或x＝-5mm，y＝11.228mm的位置，采用Φ0.2mm刀具时，坐标为x＝-5mm，y＝11.022mm或x＝-5mm，y＝11.178mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具贴近目标侧壁，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系Y向的位置发生了改变，需要对Y向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系，对于Φ0.1mm刀具，将此时刀具的Y向坐标设置为侧壁所在Y向坐标值10.972mm或11.228mm；对于Φ0.2mm刀具，将此时刀具的Y向坐标设置为侧壁所在Y向坐标值11.022mm或11.178mm。
实验结果证明采用本实施例的工艺步骤之后，采用ZYGO白光干涉仪与VHX-1000超景深光学显微镜测量工件的尺寸精度与表面形貌，如图25所示，慢波微结构的槽肩毛刺基本消除，相邻加工单元交接处无明显错位现象，轮廓精度较好，薄壁孤岛结构无局部坍塌，直槽和S型槽的槽宽、S型槽外圆与孤岛直径尺寸精度均在±2μm以内，表面粗糙度Ra优于60nm，如图26所示，直槽槽底有部分尺寸较小的毛刺，在可接受范围之内。
实施例5
本实施例与实施例4相比，所加工慢波结构的基本要求相同。
本实施例的工艺步骤与实施例4相比，对步骤S6-2做调整，其他步骤不变。其中步骤S6-2调整为：
步骤S6-2：待直槽加工完毕后，更换刀具对S型槽进行微铣削加工，包括步骤S6-2-1、步骤S6-2-2和步骤S6-2-3。
步骤S6-2-1：按照步骤S3-1和步骤S3-2更换新的日本日进刀具公司(NS-TOOL)生产的型号为MHR230、刃长为0.3mm的Φ100μm硬质合金平头微铣刀和进行刀具径向跳动检测，按照步骤S6-1-2进行二次对刀。
由于直槽加工过程中X向对刀槽被微铣削加工去除后，X向对刀可以基于直槽入口或出口处已经完成的加工表面的侧壁进行对刀，即刀具移至侧壁位置上方，如坐标为x＝0.02mm，y＝24mm或x＝-0.02mm，y＝24mm的位置，Z向运动平台向下进给，使刀具贴近目标侧壁，若观察到有切屑产生，即表明更换刀具之后，新刀具相对工件坐标系X向的位置发生了改变，需要对X向运动平台进行微调，当切屑不再产生时，基于工件坐标系将此时刀具的X向坐标设置为侧壁所在X向坐标值0.02mm或-0.02mm。
步骤S6-2-2：由于刀具存在制造公差，MHR230型号刀具的实际尺寸通常小于其公称尺寸(Φ100μm)，因此，当所加工的槽宽尺寸≥100μm时，需要进行至少两次走刀以实现对材料的去除。在此基础上，将折叠波导慢波结构的75个周期拆分为周期数为8～10的若干个加工单元，每个加工单元使用单支刀具从表层铣削至255μm深度的根部。
对当前加工单元进行微铣削。微铣削实验证明，如图13所示，加工所得微槽在逆铣侧的毛刺尺寸小于顺铣侧，因此采用如图14所示往复走刀的方法进行铣削加工，去程时微铣刀的顺铣侧在回程时会成为逆铣侧，因此回程时微铣刀会将去程时顺铣侧尺寸较大的毛刺去除掉。主轴转速取40000r/min，铣削深度设置为2μm，进给速度选用0.1～0.3mm/s，本实施例在半圆弧结构处加工进给速度选用0.1mm/s，在直线结构处加工进给速度选用0.3mm/s，铣削过程中采用煤油作为切削液。铣削至深度为255μm的S型槽底部时，将铣削深度设为0，按照图14所示走刀轨迹对除槽底与侧壁毛刺进行去除。
步骤S6-2-3：待当前加工单元铣削完毕之后，停转主轴，按照步骤S6-2-1和步骤S6-2-2的操作进行下一个加工单元的微铣削，直至慢波结构的75个周期全部加工完毕。
实验结果证明采用本实施例的工艺步骤之后，采用ZYGO白光干涉仪与VHX-1000超景深光学显微镜测量工件的尺寸精度与表面形貌，慢波微结构的槽肩毛刺基本消除，相邻加工单元交接处无明显错位现象，轮廓精度较好，侧壁垂直度高，薄壁孤岛结构无局部坍塌，直槽和S型槽的槽宽、S型槽外圆与孤岛直径尺寸精度均在±2μm以内，表面粗糙度Ra优于60nm。
实施例6
本实施例与实施例4相比，所加工慢波结构的基本要求相同。
本实施例的工艺步骤与实施例4相比，在步骤S4和步骤S5之间增设步骤B2:在工件毛坯上表面涂覆设定厚度的PMMA胶体至固化，具体包括步骤B2-1和步骤B2-2。其中，PMMA胶体是将聚甲基丙烯酸甲酯和亚克力固化剂按照质量比为(1～1.4):1均匀混合制得在常温条件下，PMMA胶体涂覆后聚甲基丙烯酸甲酯和亚克力固化剂反应6～8h彻底固化。若采用烘烤装置(如烘烤灯在位照射工件毛坯)营造80～85℃的温度条件下，聚甲基丙烯酸甲酯和亚克力固化剂反应4～5h彻底固化。
步骤B2-1：将刀具向上提起到足够远离工件毛坯上表面的位置(如Z向坐标为-40mm)，将主轴停转。
步骤B2-2：借助涂布厚度为30μm的涂布棒将预先配置的PMMA胶体均匀涂覆于慢波结构工件毛坯的上表面，形成一层厚度为30μm的PMMA非固体薄膜。
其中，涂布棒采用广州德满亿仪器有限公司的DMY-XB型号，PMMA胶体是由丙烯酸树脂粉末与甲基丙烯酸异丁酯按照1.4：1的质量比均匀混合制得。配置条件无特别温度和压力要求，常温即可。甲基丙烯酸甲酯和亚克力固化剂均为常规市售原料，甲基丙烯酸甲酯常温下为粉末状，本实施例选购昆山高品精密仪器有限公司的G90500型号。亚克力固化剂的主要成分为甲基丙烯酸异丁酯，本实施例选购昆山高品精密仪器有限公司生产的G90400型号。液态的亚克力固化剂与粉末状的甲基丙烯酸甲酯在室温条件下反应6h后彻底反应固化，提高了甲基丙烯酸甲酯的聚合度，在慢波结构工件毛坯上表面形成具有强吸附力的PMMA固体辅助支撑材料薄膜。
对应的步骤S7调整为：待工件加工完毕后，首先将工件置于有机溶剂中对PMMA固化层进行溶解，然后再进行清洗、烘干。
将加工好的工件置于四氢呋喃溶剂中，并在超声波清洗机中超声清洗10分钟，取出工件后用棉签去除已剥落的大块涂层，之后将工件再次放入四氢呋喃溶剂中超声清洗20分钟。取出工件在超声波清洗机中用酒精清洗15分钟之后，使用高压气体将工件烘干，同时去除残留在工件腔体内部的切屑。
实验结果证明采用本实施例的工艺步骤之后，采用ZYGO白光干涉仪与VHX-1000超景深光学显微镜测量工件的尺寸精度与表面形貌，直槽和S型槽的槽宽、S型槽外圆与孤岛直径尺寸精度均在±2μm以内，表面粗糙度Ra优于60nm，如图27所示，慢波微结构的槽顶与槽肩毛刺基本消除，相邻加工单元交接处无明显错位现象，轮廓精度较好，薄壁孤岛结构无局部坍塌。
实施例7
本实施例与实施例4相比，所加工慢波结构的基本要求相同。
本实施例的工艺步骤与实施例4相比，省略步骤B1，其他步骤工艺方法相同，切削参数在选择范围内略有调整。实验结果证明采用本实施例的工艺步骤之后，采用ZYGO白光干涉仪与VHX-1000超景深光学显微镜测量工件的尺寸精度与表面形貌，慢波微结构的槽肩毛刺基本消除，相邻加工单元交接处无明显错位现象，轮廓精度较好，薄壁孤岛结构无局部坍塌，直槽和S型槽的槽宽、S型槽外圆与孤岛直径尺寸精度均在±2μm以内，表面粗糙度Ra优于60nm。慢波结构相对位置精度有所下降，在可接受范围内，可通过装配工艺降低该影响。
实施例8
本实施例与实施例5相比，所加工慢波结构的基本要求相同。
本实施例的工艺步骤与实施例5相比，省略步骤B1，其他步骤工艺方法相同，切削参数在选择范围内略有调整。实验结果证明采用本实施例的工艺步骤之后，采用ZYGO白光干涉仪与VHX-1000超景深光学显微镜测量工件的尺寸精度与表面形貌，慢波微结构的槽肩毛刺基本消除，相邻加工单元交接处无明显错位现象，轮廓精度较好，侧壁垂直度高，薄壁孤岛结构无局部坍塌，直槽和S型槽的槽宽、S型槽外圆与孤岛直径尺寸精度均在±2μm以内，表面粗糙度Ra优于60nm。慢波结构相对位置精度有所下降，在可接受范围内，可通过装配工艺降低该影响。
实施例9
本实施例与实施例6相比，所加工慢波结构的基本要求相同。
本实施例的工艺步骤与实施例6相比，省略步骤B1，其他步骤工艺方法相同，切削参数在选择范围内略有调整。实验结果证明采用本实施例的工艺步骤之后，采用ZYGO白光干涉仪与VHX-1000超景深光学显微镜测量工件的尺寸精度与表面形貌，慢波微结构的槽肩毛刺去除与抑制情况较好，相邻加工单元交接处无明显错位现象，轮廓精度较好，薄壁孤岛结构无局部坍塌，直槽和S型槽的槽宽、S型槽外圆与孤岛直径尺寸精度均在±2μm以内，表面粗糙度Ra优于60nm。慢波结构相对位置精度有所下降，在可接受范围内，可通过装配工艺降低该影响。
以上所述仅为本发明较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术构思加以等同替换或改变所得的技术方案，都应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其特征在于：对工件毛坯待加工区的外边缘处微铣削加工制得沿X轴方向延伸的X向对刀槽、沿Y轴方向延伸的Y向对刀槽；微铣削加工过程中更换刀具后，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽\Y向对刀槽被微铣削加工去除后，基于对应处已加工表面的侧壁进行刀具X方向\Y方向的二次对刀。
2.根据权利要求1所述的应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其特征在于：在直槽的入口或出口处加工X向对刀槽，在S型槽的入口通道或出口通道处加工Y向对刀槽；X向对刀槽、Y向对刀槽均加工为长条槽，长条槽的长度方向与对应坐标轴方向一致，长条槽的宽度与微铣刀的直径对应，长条槽的深度小于微铣刀的直径。
3.根据权利要求1所述的应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其特征在于：二次对刀采用插入观察切屑的方法对刀。
4.根据权利要求1-3任一项所述的应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其特征在于包括以下步骤，
步骤S1：对工件毛坯进行定位与夹紧；
步骤S2：微铣削加工去除工件毛坯上表面与微铣刀回转轴线不垂直的材料；
步骤S3：更换新的刀具，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测；
步骤S4：进行X、Y与Z三个方向的对刀，设置工件毛坯加工的相对坐标系原点；
步骤S5：在直槽的入口或出口的设定位置处加工X向对刀槽，在S型槽的入口通道或出口通道的设定位置处加工Y向对刀槽；X向对刀槽为上部和外侧均开口的、对应X方向的槽帮与X向坐标轴重合或平行的半开口槽，Y向对刀槽为上部和外侧均开口的、对应Y方向的槽帮与Y向坐标轴平行的半开口槽；
步骤S6：对工件毛坯进行微铣削加工，生成慢波结构的直槽、S型槽、S型槽的入口通道和S型槽的出口通道；微铣削加工过程中更换刀具后，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽或/和Y向对刀槽被微铣削加工去除后，基于对应处已加工表面的侧壁进行刀具X方向或/和Y方向的二次对刀；
步骤S7：待工件加工完毕之后，清洗、烘干工件。
5.根据权利要求4所述的应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其特征在于：步骤S3和S4之间增设步骤B1:调整C轴角度，使工件毛坯上表面长度方向与Y向导轨运动方向之间的平行度满足加工要求。
6.根据权利要求4所述的应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其特征在于所述步骤S6分为以下步骤，
步骤S6-1：对工件毛坯进行微铣削加工，生成慢波结构中的直槽；
步骤S6-2：待直槽加工完毕后，更换刀具对S型槽进行微铣削加工；
步骤S6-3：当S型槽与直槽相贯的75个周期性结构加工完毕之后，更换刀具依次对S型槽的入口通道和出口通道进行微铣削加工；
上述步骤微铣削加工过程中更换刀具后，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽被微铣削加工去除后，基于直槽入口或出口处已加工表面的侧壁进行刀具X方向的二次对刀。
7.根据权利要求6所述的应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其特征在于：步骤S6-2中将S型槽按照周期数目划分为若干个加工单元，依次对每一个加工单元进行微铣削加工；待当前加工单元加工完毕之后，更换新的刀具，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测，并基于直槽的入口或出口处已加工表面的侧壁进行刀具X方向的二次对刀，基于Y向对刀槽进行刀具Y方向的对刀，更换刀具后进行下一个加工单元的微铣削加工。
8.根据权利要求6或7所述的应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其特征在于：步骤S4和步骤S5之间增设步骤B2:在工件毛坯上表面涂覆设定厚度的PMMA胶体至固化，步骤S7中待工件加工完毕后，首先将工件置于有机溶剂中对PMMA固化层进行溶解，然后再进行清洗、烘干。
9.根据权利要求4所述的应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其特征在于所述步骤S6分为以下步骤，
步骤S6-1：将慢波结构的S型槽和直槽相贯的周期性结构按周期数目划分为若干个加工单元，以此规划走刀轨迹并依次进行加工，当前加工单元加工完毕之后，更换刀具进行下一个加工单元的加工；
步骤S6-2：当S型槽与直槽相贯的周期性结构加工完毕之后，更换刀具依次对直槽的入口和出口、S型槽的入口通道和出口通道进行微铣削加工；
上述步骤微铣削加工过程中更换刀具后，利用刀具在位检测装置对刀具的在位状态进行检测，以X向对刀槽和Y向对刀槽为基准对应进行刀具X方向和Y方向的二次对刀；当X向对刀槽被微铣削加工去除后，基于直槽入口或出口处已加工表面的侧壁进行刀具X方向的二次对刀；当Y向对刀槽被微铣削加工去除后，基于S型槽入口或出口处已加工表面的侧壁进行刀具Y方向的二次对刀。
10.根据权利要求9所述的应用于折叠波导慢波结构微铣削加工精度保障的工艺方法，其特征在于步骤S6-1中，对于S型槽与直槽相贯的深度范围，采用S型槽-直槽交替的铣削加工方式，每向下铣削一层都会将上一层产生的顶端毛刺与出口毛刺去除；对于仅有S型槽的深度范围，采用往复走刀的铣削加工方式，去程时微铣刀的顺铣侧在回程时会成为逆铣侧，回程时微铣刀会将去程时顺铣侧的毛刺去除掉，当加工至最底层时，进行空走刀以去除槽底与侧壁毛刺。
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