弥散无氧铜慢波结构微铣削加工特性仿真与工艺实验研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wyman_wmw
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慢波结构作为行波管放大器的核心零件,由尺寸微小、深宽比大的周期性微结构组成,其尺寸精度、形位精度以及表面粗糙度与电真空放大器的工作性能密切相关。由于慢波结构几何要素微细复杂,尺寸、形位精度及表面质量要求严格,其稳定可靠制备技术已成为制约太赫兹电真空器件发展的瓶颈。本文以颗粒增强型弥散无氧铜作为材料,采用微铣削方法对工作频率为0.34THz的折叠波导慢波结构进行工艺探索,在结合切削仿真和工艺实验对弥散无氧铜材料的加工特性开展深入研究的基础上,完成全周期折叠波导慢波结构的加工方案制定、工艺策略优化、工艺样件加工及检测等一系列工作。基于弥散无氧铜材料的组分构成,本文将其划分为Al2O3增强相与无氧铜基体相,使用有限元软件ABAQUS建立二维材料模型,通过执行Python脚本实现Al2O3颗粒在无氧铜基体内部的随机装配,建立增强相体积分数为0.3%~1.1%、颗粒尺寸50nm~200nm的系列化弥散无氧铜有限元模型。为准确反映材料微尺度变形中存在的尺寸效应,基于应变梯度理论对无氧铜基体的本构模型进行修正,编写VUMAT子程序完成修正后的模型定义,为后续切削仿真分析提供模型依据。基于自主修正的材料模型,利用切削仿真研究切削用量、材料组分与刀具参数对弥散无氧铜切削特性的影响规律。仿真结果表明,修正后的材料模型所体现的尺寸效应分别来自刀尖钝圆的耕犁效应与材料微尺度变形的应变梯度效应,而且弥散无氧铜的切屑形态、切削比能与材料中增强相的体积分数及粒度存在一定相关性,不同材料参数条件下的仿真结果与已有实验结论相吻合。通过探究刀具几何参数对毛刺尺寸、切屑形态与切削比能的影响后发现,毛刺尺寸与切削比能的主要影响因素为刀尖圆弧半径,切屑断裂几率的主要影响因素为刀具前角,为后续工艺实验中切削用量与刀具的选取提供理论参考。在前期理论研究基础之上,针对工作频率为0.34THz的折叠波导慢波结构进行加工工艺探索与优化。通过表层预铣削方式改善全周期慢波结构的深度一致性,优选出适应慢波结构不同特征部位的进给速度,减轻机床跟随误差对微结构形状精度的影响。根据不同刀具更换方法对微结构尺寸精度、形位精度的影响结果,确定采用分段加工换刀方案的同时,利用基于双向对刀槽的二次对刀工艺,抑制分段交接处的位错现象,在此基础上实现了不同深度部位的走刀轨迹规划。最后,基于上述工艺研究,完成了全周期慢波结构工艺样件的加工与检测,样件尺寸精度(<5μm)与加工表面质量(<Ra28.7nm)等方面均满足指标要求。
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