相对论返波振荡器中慢波结构的加工方法及加工用刀具与流程

本发明属于微波/毫米波/亚毫米波，以及太赫兹电子学领域，具体涉及一种高功率返波振荡器的慢波结构的加工方法，本发明的加工方法可用于加工高功率相对论返波振荡器的波纹类型慢波结构。

背景技术：

相对论返波振荡器(relativistic backward wave oscillator,RBWO，又叫相对论返波管)是一种高功率微波器件，它利用环形相对论电子束与周期性慢波结构相互作用，产生自身振荡和放大的高功率真空器件，能够在厘米、微波波段产生几百MW乃至超过1GW功率的微波脉冲辐射，能够实现脉冲重复频率脉冲工作。目前，相对论返波振荡器的工作频率可以延伸值亚毫米波段或太赫兹频段(如140GHz、340GHz)。

如图1所示慢波结构是相对论返波振荡器的核心部分(零件)，一般采用波纹周期内壁的圆对称波导结构。其波纹或为矩形结构，或为正弦结构，其矩形波纹深度或正弦波纹的幅度存在变化。在波纹部分的前端通常设计有一个凹槽，即Bragg反射腔(或叫Bragg反射器)，起反射波的作用。

如图2所示，随着频率的从厘米波段延伸致亚毫米波段乃至太赫兹频段，慢波结构的内径尺寸、波纹的深度(或幅度)和周期尺寸都呈几何量级缩小。例如，一种X波段相对论返波振荡器慢波结构采用正弦周期波纹，波纹平均半径20mm，周期14mm，最大波纹幅度为2.5mm，Bragg反射腔的宽度12mm；而一种0.34THz相对论返波振荡器的慢波结构正弦波纹平均直径6.8mm，周期0.26mm，最大波纹深度为0.1mm，前端Bragg反射腔的宽度0.22mm，内部尺寸要求公差精度均在±0.005，表面粗糙度要求Ra0.4以上。

因此，在亚毫米波段乃至太赫兹频段，相对论返波振荡器的慢波结构内部尺寸微小，公差要求和表面粗糙度要求极高。通常的车削加工方法，完全达不到设计要求。其主要表现在加工出的慢波结构正弦波纹呈三角形或矩形波纹底部呈弧形，表面粗糙度差，相关尺寸公差超差等问题。亚毫米波段太赫兹频段相对论返波振荡器慢波结构的加工需要寻求新的工艺和加工方法。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是通过相对论返波振荡器中慢波结构的加工方法，完成了0.34THz慢波结构的加工，经过尺寸测试，其慢波结构正弦波纹或矩形波纹底部结构符合要求，表面粗糙度，相关尺寸公差均达到了慢波结构的设计要求。

本发明还有一个目的是提供一种慢波结构加工用刀具，其刀刃即为慢波结构周期波纹的特制刀具，以对慢波结构内壁进行精密加工，以符合相关要求。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种相对论返波振荡器中慢波结构的加工方法，包括：

加工与所述慢波结构内部周期波纹以及Bragg反射腔相配合的第一刀具及第二刀具；

对待加工的物料进行内孔的粗加工；

采用第一刀具以车削加工的方式对粗加工物料内孔进行二次精加工；

采用第二刀具以车削加工方式对慢波结构内侧壁上的Bragg反射腔进行加工，以使慢波结构的内侧壁的内径尺寸、波纹深度及周期尺寸符合产品质量要求。

优选的是，其中，所述第一刀具的加工方法包括：

步骤一，通过终端对需要加工的慢波结构内部周期波纹进行三维建模，得到与慢波结构内部周期波纹对应的原三维图；

步骤二，在自动平面磨床中输入建模数据，以通过光学曲线磨的的方式在合金棒料一端的外侧壁上，加工与所述慢波结构内部周期波纹相配合的各切削刃，进而构成刀具的刀头部分；

步骤三，采用三维激光扫描技术对加工后的各切削刃进行扫描，以得到与之相对应的第一比较三维图，将所述第一比较图与原三维图的任意一侧空间上进行对接，以进行对应的初次对接匹配，以通过判断二者对接后的接合处是否紧密，进而确定各切削刃是否符合加工要求。

优选的是，其中，所述刀具的加工方法所述步骤三中，在所述初次对接匹配时，所述终端分别对完成对接后的原三维图与第一比较三维图处于接合处中各区域的第一端点、第二端点进行分别获取，以确定各区域在接合处是否处于相对重合的状态，进而确定出各区域处于非重合的状态的各第三端点，以通过将处于相邻状态的第三端点连接并填充相应的色彩，构建出刀头需要做相应调整的模型图。

优选的是，其中，所述刀具的加工方法所述步骤三中，在所述初次对接匹配后，若第一比较三维图存在部分切削刃与原三维图的任意一侧空间上存在接合不紧密的情况时，则进入步骤四；

步骤四，所述终端根据在步骤二中得到的模型图，计算出刀头上各切削刃需要对应调整的余量数据，并将所述余量数据输入至自动平面磨床中，以通过通过光学曲线磨的方法完成各切削刃细微处的二次加工，并返回步骤三进行二次对接匹配。

优选的是，其中，所述刀具的加工方法被设置为应用于Ka波段(26.5GHz～40GHz)以上高频返波振荡器的慢波结构加工，或内径在20mm以下，波纹起伏0.05mm～5mm之间的相对论返波振荡器中内部周期波纹慢波加工。

优选的是，其中，所述刀具的加工方法采用所述刀具对粗加工物料的内孔进行二次精加工后，还包括：

采用三维激光扫描技术对精加工后的慢波结构进行扫描，以构成与加工后慢波结构内部对应的第二比较三维图，所述终端提取第二比较三维图中的各第三端点以与原三维图中的各第一端点在空间上进行初次重合匹配，以确定慢波结构内的周期性波纹是否符合加工要求。

优选的是，其中，所述初次重合匹配后，各所述第三端点均与第一端点重合，则精加工后的慢波结构内孔周期波纹符合要求，否则执行步骤三，对刀具的各切削刃磨损状态进行检查，以便于再次加工维护。

优选的是，其中，所述刀具的加工方法所述Bragg反射腔加工完成后，采用慢走丝切割的方式切除慢波结构多余的部分，以得到成品。

一种采用上述加工方法制备得到的慢波结构加工用第一刀具，包括：

刀头，其上具有与所述慢波结构内部周期波纹相配合的多个切削刃；

刀座，其与刀头之间设置有收缩部；

沿刀头的长度方向上开设，并延伸至收缩部排屑槽，其横截面被设置为具有V形的结构。

优选的是，其中，所述刀头在排屑槽的各侧壁上设置有呈连通状态的至少一组冷却通道。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明的相对论返波振荡器中慢波结构的加工方法，通过具有慢波结构周期波纹的特制刀具，完成了0.34THz慢波结构的内壁加工，经过尺寸测试，其慢波结构正弦波纹或矩形波纹底部结构符合要求，内部尺寸要求公差精度均在±0.005，表面粗糙度要求Ra0.4以上，达到了慢波结构的设计要求，且其加工方法得到的产品具有成品率高，精度高的效果。

其二，本发明的相对论返波振荡器中慢波结构的加工方法，采用与慢波结构内侧壁上的Bragg反射腔相配合的第二刀具，以车削的方式对其进行单独加工，以使其达到更加理想的效果，进而确保各段的加工精度。

其三，本发明的相对论返波振荡器中慢波结构的加工方法，采用三维建模的方式，结合三维扫描技术，在刀具的加工过程以及慢波结构的加工过程，对其加工精度分别采用对接、重合的方式进行比较，以使刀具的精度符合相应要求，进而使得其加工出的慢波结构的内部周期波纹符合相关要求。

其四，本发明通过提供一种慢波结构加工用的第一刀具以及第二刀具，其二者的刀刃分别为慢波结构周期波纹或Bragg反射腔内部结构相配合的特制刀具，以对慢波结构内壁进行精密加工，进而符合相关参数的要求。

其五，本发明在慢波结构加工用刀具的排屑槽的侧壁上设置有连通的冷却通道，以使其在加工过程中始终保持物理结构的稳定性，进而确保其加工精度达到相应的要求。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为相对论返波振荡器系统组成图；

图2为典型的相对论返波振荡器慢波结构(上：正弦周期波纹；下：矩形周期波纹)；

图3为典型的相对论返波振荡器慢波结构加工图纸；

图4为本发明的慢波结构加工用刀具的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明/发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

根据本发明的一种相对论返波振荡器中慢波结构的加工方法的实现形式，其中包括：

加工与所述慢波结构内部周期波纹以及Bragg反射腔相配合的第一刀具及第二刀具，其分别采用硬质合金棒料进行刀具加工，以按照慢波结构内壁波纹尺寸精密加工出外形与之相配合的刀刃结构；；

对待加工的物料进行内孔的粗加工，并在这之前可先按照慢波结构图纸如图3所示的要求，完成对待加工物料的外形粗加工以及外形精加工；

采用第一刀具以车削加工的方式对粗加工物料内孔进行二次精加工，其在具体加工中，需要对机床主轴转速、进刀量、抬刀方式、排屑、冷却等都需要做工艺处理和编制；

采用第二刀具以车削加工方式对慢波结构内侧壁上的Bragg反射腔进行加工，以使慢波结构的内侧壁的内径尺寸、波纹深度及周期尺寸符合产品质量要求。采用第二刀具以车削的加工方式对慢波结构内侧壁上的Bragg反射腔进行单独加工，以使其达到更加理想的效果，确保各段的加工精度，以使慢波结构的内侧壁的内径尺寸、波纹深度及周期尺寸符合产品质量要求。采用这种方案通过相对论返波振荡器中慢波结构的加工方法，通过具有慢波结构周期波纹的特制刀具，完成了0.34THz慢波结构的内壁加工，经过尺寸测试，其慢波结构正弦波纹或矩形波纹底部结构符合要求，内部尺寸要求公差精度均在±0.005，表面粗糙度要求Ra0.4以上，达到了慢波结构的设计要求，且其加工方法得到的产品具有成品率高，精度高的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述第一刀具的加工方法包括：

步骤一，通过终端对需要加工的慢波结构内部周期波纹进行三维建模，得到与慢波结构内部周期波纹对应的原三维图；

步骤二，在自动平面磨床中输入建模数据，以通过光学曲线磨的的方式在合金棒料一端的外侧壁上，加工与所述慢波结构内部周期波纹相配合的各切削刃，进而构成刀具的刀头部分，具体包括采用手动平面磨床加工出各刀具外形、让位、契角、夹持段等，再采用“光学曲线磨”按照慢波结构内壁波纹尺寸及精度要求加工出对应相同的刀刃结构特征；(光学曲线磨能加工最小半径R0.02---无穷大)；

步骤三，采用三维激光扫描技术对加工后的各切削刃进行扫描，以得到与之相对应的第一比较三维图，将所述第一比较图与原三维图的任意一侧空间上进行对接，以进行对应的初次对接匹配，以通过判断二者对接后的接合处是否紧密，进而确定各切削刃是否符合加工要求。采用这种方案通过三维建模的方式，结合三维扫描技术，在刀具的加工过程对其加工精度采用对接的方式进行比较，以使刀具的精度符合相应要求，进而使得其加工出的慢波结构的内部周期波纹符合相关要求，同时按照慢波结构的内部特征即尺寸要求检测刀具，其相对于传统的投影检测来说，具有加工精度可靠性高的有利之处，同时采用相同的方法可加工出第二刀具，这里不再赘述。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述刀具的加工方法所述步骤三中，在所述初次对接匹配时，所述终端分别对完成对接后的原三维图与第一比较三维图处于接合处中各区域的第一端点、第二端点进行分别获取，以确定各区域在接合处是否处于相对重合的状态，进而确定出各区域处于非重合的状态的各第三端点，以通过将处于相邻状态的第三端点连接并填充相应的色彩，构建出刀头需要做相应调整的模型图。采用这种方案通过终端将完成对接后的原三维图与第一比较三维图进行比较，以得到对切削刃需要调整的模型图，以利于在切削刃达不到精度要求时，通过后期的二次加工，以使其符合加工要求，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述刀具的加工方法所述步骤三中，在所述初次对接匹配后，若第一比较三维图存在部分切削刃与原三维图的任意一侧空间上存在接合不紧密的情况时，则进入步骤四；

步骤四，所述终端根据在步骤二中得到的模型图，计算出刀头上各切削刃需要对应调整的余量数据，并将所述余量数据输入至自动平面磨床中，以通过通过光学曲线磨的方法完成各切削刃细微处的二次加工，并返回步骤三进行二次对接匹配。采用这种方案通过模型图以得到相应调整的余量数据，以对切削刃进行二次加工，进而保证其精度，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述刀具的加工方法被设置为应用于Ka波段(26.5GHz～40GHz)以上高频返波振荡器的慢波结构加工，或内径在20mm以下，波纹起伏0.05mm～5mm之间的相对论返波振荡器中内部周期波纹慢波加工。把各刀具做成相同波纹状进而可以适用于所有返波振荡器的加工，但如果是低频段的返波振荡器，比如Ka波段(26.5GHz～40GHz)以下的低频返波振荡器，其内径较大，波纹周期和幅度较大的慢波就用不着这么复杂，直接用车床车能达到相应的效果，故本加工方法特别适用于高频波段的慢波结构加工，在高频段下慢波结构的内径小，同时波纹周期小，波纹起伏尺寸小的慢波结构加工，如频率在Ka波段以上的返波振荡器；同时这种加工方法可以适用各种波纹的慢波结构加工，如矩形波纹、三角齿波纹、圆弧波纹、各种数学函数曲线波纹，周期、非周期的均可加工；如内径20mm以下，波纹起伏0.05mm～5mm的相对论返波振荡器中内部周期波纹慢波加工。采用这种方案以限定其较优的适用范围，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述刀具的加工方法采用所述刀具对粗加工物料的内孔进行二次精加工后，还包括：

采用三维激光扫描技术对精加工后的慢波结构进行扫描，以构成与加工后慢波结构内部对应的第二比较三维图，所述终端提取第二比较三维图中的各第三端点以与原三维图中的各第一端点在空间上进行初次重合匹配，以确定慢波结构内的周期性波纹是否符合加工要求。采用这种方案结合三维扫描技术，在慢波结构的加工过程中，对其得到的第二比较三维图与原三维图采用重合的方式进行比较，以检测加工出的慢波结构的内部周期波纹是否符合相关要求，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述初次重合匹配后，各所述第三端点均与第一端点重合，则精加工后的慢波结构内孔周期波纹符合要求，否则执行步骤三，对刀具的各切削刃磨损状态进行检查，以便于再次加工维护。二次精加工是用加工出的刀具，用车削的方法加工出的，其检测也可以通过将零件线切割剖开后用投影仪观测尺寸，以检测内部尺寸，采用这种方案在慢波结构的加工精度达不到要求的时候，首先对刀具的磨损状态进行检测，进而确保其加工精度可靠，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述Bragg反射腔加工完成后，采用慢走丝切割的方式切除慢波结构多余的部分，以得到成品，其主要采用直径0.1线的精密慢走丝切割，完成零件最终加工。Bragg反射腔也是通过加工相同形状的第二刀具，车出来的，因其尤其适应于Bragg反射腔的尺寸宽度0.2mm～5mm，径向深度0.05mm～5mm的加工，采用这种方案以使其配合精度加工领域的加工需要，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

如图4所示，一种采用上述加工方法制备得到的慢波结构加工用第一刀具的实现方式，包括：

刀头1，其上具有与所述慢波结构内部周期波纹相配合的多个切削刃10；

刀座2，其与刀头之间设置有收缩部20；

沿刀头的长度方向上开设，并延伸至收缩部排屑槽3，其横截面被设置为具有V形的结构。采用这种方案其刀刃即为慢波结构周期波纹的特制刀具，以对慢波结构内壁进行精密加工，以符合相关要求，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。同时采用相同的方法可制得与反射腔相配合的第二刀具，并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述刀头在排屑槽的各侧壁上设置有呈连通状态的至少一组冷却通道(未示出)。采用这种方案在慢波结构加工用刀具的排屑槽的侧壁上设置有连通的冷却通道，以使其在加工过程中始终保持物理结构的稳定性，进而确保其加工精度达到相应的要求，具有实施效果好，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

实施例：

一种采用本发明的加工方法及刀具制备得到的一种0.34THz相对论返波管慢波结构性能参数如下：

其为圆对称筒形结构，外壁为光滑圆筒，内壁为正弦周期波纹结构，共20个周期，平均直径6.8mm，周期0.26mm，正弦周期波纹前段15个周期为均匀幅度波纹，波纹幅度0.1mm，后端5个周期波纹幅度由0.1mm渐变为0；前端Bragg反射腔的宽度0.22mm，腔底直径7.60mm。所有内部尺寸要求公差精度均在±0.005，表面粗糙度要求Ra0.4以上，符合相对论返波管慢波结构的相关参数要求。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的相对论返波振荡器中慢波结构的加工方法及加工用刀具的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。