CN111230321B - 一种波纹喇叭天线内腔环形槽激光快速加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波纹喇叭天线内腔环形槽激光快速加工方法，所述方法包括,将直径渐变的内腔环形槽简化为圆图形，由式(1)、(2)得到圆直径D_n、焦点高度H_n；用三点定位法确定处于回转件中心轴线上的圆心O，使激光加工环形槽中心与空心回转件的中心轴线方向平行；定位圆心O点后，编程直径为D_n、焦点为H_n的激光环形切割轨迹程序，控制激光参数沿天线内腔按所编环形切割轨迹完成一条环形槽加工；以齿宽t为激光焦点的下移/上移量，进行下一个环形槽加工，直至加工出n条环形槽。本发明对回转件张角大小限制低，可应用于等径、正负张角波纹喇叭等空心回转件内腔壁槽的加工，较传统的机械刀具、芯模电铸加工，精度高、时间短、成本更低。

Description

一种波纹喇叭天线内腔环形槽激光快速加工方法

技术领域

本发明涉及波纹喇叭天线内腔的环形槽加工技术，特别是涉及一种利用激光能量密度高，非接触加工，稳定性好的特点，在回转件内腔加工沿轴向分布的环形槽的方法。

背景技术

激光作为一种现代精密加工技术，加工时具有非接触、能量密度高、直接去除材料的优点，避免了机械加工时切削力对工件的破坏，同时微米级的光斑直径保证了微铣削时的尺寸精度，在微铣削、微槽加工等领域的应用愈加广泛。但受激光器功率、焦深、能量吸收率等因素限制，材料的制槽深度仍有一定限制，仍需要新的解决方案。当前，从技术角度而言，激光可进行槽宽、槽深在厘米至微纳米级范围的加工，将激光应用到回转件内腔的环形槽加工，以实现内腔槽的微纳米级尺寸效果，具有可行性。

回转件内腔的环形槽结构主要应用在波纹喇叭天线，在太赫兹波段，波纹喇叭内腔的环形槽要求尺寸结构为亚微米级，尺寸精度要求±0.01mm。由于波纹喇叭的三维尺寸整体较小，张角也较小，导致在内腔进行亚微米级的环形槽加工存在极大挑战，难以形成分布均匀稳定的微结构，不能有效满足工程应用需求。目前，环形槽的加工方法主要有刀具铣削、芯模电铸、叠片套装法。

中国发明专利申请201510091497.7采用数控机床的车削加工，对喇叭本体开设发声孔，通过扩孔进行锥状面加工，将安装环放入容置槽中完成组装。但存在刀具进入内腔困难，槽尺寸精度低，刀具易断裂；中国发明专利申请201710132958.X采用的芯模电铸法，以铝棒为芯模，表面切割出微槽后进行电铸形成铜环，通过碱性溶液使铝棒溶解，形成内腔具有亚微米级环形槽的铜制天线。但该方式具有周期长，芯模一次性使用、化学溶液污染等缺点。中国发明专利申请201610617776.7采用芯模套装方式，将芯模对半切割，通过切槽刀在芯模半胚上加工槽孔，再将跟槽孔对应厚度的波纹片安装在槽孔内，通过定位片安装在内锥孔内，形成波纹喇叭。但文中工艺流程较为复杂，且槽间距为1-3mm,跟亚微米级的尺寸要求有一定距离。南京电子技术研究所王仁彻等人采用微电铸芯模工艺，探索内腔筋宽尺寸、深宽比的极限参数(电子机械工程,2016,v.32；No.180(2):50-56)，在筋宽0.1mm、深宽比为1:1时已出现明显的孔隙缺陷。已有研究和专利大多专注于喇叭天线的结构设计与制造工艺优化，而利用激光提高内腔的环形槽精细制造水平的解决方案尚未有报导。因此针对该问题，利用激光实现到回转件内腔的环形槽精细加工具有重要意义。该问题的解决将提高环形槽亚微米级尺寸的加工质量，同时对激光在这一领域的应用具有推动作用。

发明内容

针对现有技术在加工过程中所存在的问题，本发明旨在提供一种无需开模具、受张角范围限制低的激光快速加工方法，在波纹喇叭天线的内腔进行高精度、更低成本的环形槽加工。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

将直径渐变的内腔环形槽简化为圆图形，由式(1)、(2)得到圆直径D_n、焦点高度H_n；

用三点定位法确定处于回转件中心轴线上的圆心O，使激光加工环形槽中心与空心回转件的中心轴线方向平行；

定位圆心O点后，编程直径为D_n、焦点为H_n的激光环形切割轨迹程序，控制激光参数沿天线内腔按所编环形切割轨迹完成一条环形槽加工；

以齿宽t为激光焦点的下移/上移量，进行下一个环形槽加工，直至加工出n条环形槽；

回转件总长度为L₁，大口径端直径为L₂,小口径端直径为L₃,张角为θ。

环形槽对应的焦点高度为H_n(H_n≤L₁)，n为槽数目，由于内腔环形槽直径渐变，则槽直径D_n为：

D_n＝2H_ntanθ+L₃，n＝0,1,2… (1)

根据所得D_n值，编程n个直径渐变的圆，生成环形切割轨迹程序。

将每个圆在Z方向上的高度，设置为一个激光焦点位置H_n，激光以此焦点沿内腔壁作圆周运动加工出一条槽，具体的H_n计算方式为：

H_n＝H₀±nt,n＝0,1,2… (2)

H₀(H₀≤L₁)为起始焦点高度，n为环形槽个数，t为齿宽。

回转件的两端是个平面，三点定位法是在该平面上作A、B、C三个点，连接任意两点形成线段，其垂直平分线交于一点，该点即为圆的圆心O位置，也位于回转件中心轴线上。

在加工下一个槽时，将三点定位法确定的圆心O位置始终固定，仅激光焦点相应下移/上移，每次下移/上移量是齿宽t，可加工出等齿宽的连续分布的环形槽。

激光功率为15W-25W,扫描速度为150mm/s-350mm/s,重复频率为1500KHz-4500KHz,加工次数为100次-2500次，在此工艺参数下加工内腔的环形槽。

本发明解决了机械加工难以完成亚微米级槽的加工问题，通过激光高重复频率以减小单脉冲能量，有效控制热效应区面积，本发明从整体上具有精度高、时间短、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明提供的波纹喇叭内腔环形槽剖面图。

图2是本发明提供的利用三点定位法确定圆心O的示意图。

图3是本发明提供的由环形槽焦点高度计算环形槽直径的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的技术路线及优点作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的一种波纹喇叭天线内腔环形槽激光快速加工方法，包括：

将直径渐变的内腔环形槽简化为圆图形，由式(1)、(2)得到圆直径D_n、焦点高度H_n；

用三点定位法确定处于回转件中心轴线上的圆心O，使激光加工环形槽中心与空心回转件的中心轴线方向平行；

定位圆心O点后，编程直径为D_n、焦点为H_n的激光环形切割轨迹程序，控制激光参数沿天线内腔按所编环形切割轨迹完成一条环形槽加工；

以齿宽t为激光焦点的下移/上移量，进行下一个环形槽加工，直至加工出n条环形槽；

如图1所示，环形槽具有一定的槽深、槽宽、齿宽，将环槽视为圆图形进行简化后，利用激光沿内腔壁作圆周远动，在热效应下烧蚀出具有一定深度的环形槽。已知回转件张角为14°，小口径端直径为4mm,环形槽对应的焦点高度为H_n(H_n≤L₁)，则每个环形槽直径D_n为：

D_n＝2H_ntan14°+4

将D值输入程序绘制对应的圆直径，此时D的大小满足贴合在回转件的内腔壁。

如图2所示，回转件的两端是个平面，三点定位法是在该平面上作A、B、C三个点，连接任意两点形成线段，其垂直平分线交于一点，该点为圆心O位置，也位于回转件中心轴线上，确保了槽的均匀分布、无重叠、偏移。

回转件已被夹具固定，由于所有圆的圆心O均在中心轴线上，所以O点位置在第一次定位确定后，后续槽的加工不再需要三点定位。将激光焦点依次下移/上移，下移/上移量为齿宽t的大小，进行H₂、H₃…、H_n的加工，直至完成全部n个环型槽的加工。

如图3所示，通过计算每个环形槽在Z方向上的高度，再依次下移焦点位置H，如此重复，n个绘制的圆产生n个高度，n个焦点位置。

本发明针对上述的加工方法提供了以下两种实施例：

实施例一，如图3所示，当齿宽t为激光焦点的每次下移量，激光焦点高度H_n为：

H_n＝H₀-nt,n＝0,1,2,…… (3)

环形槽直径为：D_n＝2(H₀-nt).tan14°+4,n＝0,1,2,…(4)

其中H₀(H₀≤L₁)为焦点起始高度，n为环形槽个数。

在本实施例中，取H₀＝L₁＝10mm，同时设计齿宽t＝0.2mm,根据式(3),焦点高度H₁、H₂、H₃、…，依次为9.8mm、9.6mm、9.4mm、…；根据式(4),相应的环形槽直径D₁、D₂、D₃、…，依次为7.9mm、7.8mm、7.7mm、…。

采用532nm皮秒脉冲激光，2.5D扫描振镜，功率为15W,扫描速度为250mm/s,重复频率为2500KHz,加工次数为500次。加工第一个槽时，通过三点定位找到点O，输入焦点高度H₁＝9.8mm，D₁＝7.9mm后，激光出光并沿内腔壁作圆周运动加工出一条环形槽，结束后激光关光。在此工艺参数下加工的环形槽槽宽w为200μm,槽深d为30μm，齿宽t为200μm。

实施例二，如图3所示，当齿宽t为激光焦点的每次上移量，激光焦点高度H_n为：

H_n＝H₀+nt,n＝0,1,2,…… (5)

环形槽直径为：D_n＝2(H₀+nt).tan14°+4,n＝0,1,2,…(6)

其中H₀(H₀≤L₁)为焦点起始高度，n为环形槽个数。

在本实施例中，取H₀＝3mm，同时设计齿宽t＝0.1mm,根据式(5),焦点高度H₁、H₂、H₃、…，依次为3.1mm、3.2mm、3.3mm、…；根据式(6),相应的环形槽直径D₁、D₂、D₃、…，依次为5.55mm、5.6mm、5.65mm、…。

采用532nm皮秒脉冲激光，2.5D扫描振镜，功率为15W,扫描速度为250mm/s,重复频率为3500KHz,加工次数为500次。加工第一个槽时，通过三点定位找到点O，输入焦点高度H₁＝3.1mm，D₁＝5.55mm后，激光出光并沿内腔壁作圆周运动加工出一条环形槽，结束后激光关光。在此工艺参数下加工的环形槽槽宽w为150μm,槽深d为30μm，齿宽t为100μm。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非对本发明专利的范围进行限制。同时，应当说明的是，本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，对本发明的技术方案进行的修改或改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种波纹喇叭天线内腔环形槽激光快速加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

将直径渐变的内腔环形槽简化为圆图形，由式(1)、(2)得到槽直径D_n、焦点高度H_n；

用三点定位法确定处于回转件中心轴线上的圆心O，使激光加工环形槽中心与空心回转件的中心轴线方向平行；

定位圆心O点后，编程槽直径为D_n、焦点高度为H_n的激光环形切割轨迹程序，控制激光参数沿天线内腔按所编环形切割轨迹完成一条环形槽加工；

以齿宽t为激光焦点的下移/上移量，进行下一个环形槽加工，直至加工出n条环形槽；

回转件总长度为L₁，大口径端直径为L₂,小口径端直径为L₃,张角为θ；

环形槽对应的焦点高度为H_n，其中H_n≤L₁，n为环形槽个数，由于内腔环形槽直径渐变，则槽直径D_n为：

D_n＝2H_ntanθ+L₃,n＝0,1,2…(1)

根据所得D_n值，编程n个直径渐变的圆,生成环形切割轨迹程序；

将每个圆在Z方向上的高度，设置为一个激光焦点高度H_n，激光以此焦点沿内腔壁作圆周运动加工出一条槽，具体的H_n计算方式为：

H_n＝H₀±nt,n＝0,1,2…(2)

H₀为起始焦点高度，其中H₀≤L₁，n为环形槽个数，t为齿宽。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：回转件的两端是个平面，三点定位法是在该平面上作A、B、C三个点，连接任意两点形成线段，其垂直平分线交于一点，该点即为所述圆心O位置，也位于回转件中心轴线上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在加工下一个槽时，将三点定位法确定的圆心O位置始终固定，仅激光焦点相应下移/上移，每次下移/上移量是齿宽t，加工出等齿宽的连续分布的环形槽。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：激光功率为15W-25W,扫描速度为150mm/s-350mm/s,重复频率为1500KHz-4500KHz,加工次数为100次-2500次。

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