石英半球諧振子精密加工技術(shù)探討

徐志強(qiáng)，劉建梅，王 振，陳曉磊，陳效真

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

半球諧振陀螺（Hemispherical Resonator Gyroscope，HRG）是一種高精度、高可靠性和長(zhǎng)壽命的新型固體振動(dòng)陀螺。與傳統(tǒng)陀螺相比，半球諧振陀螺在結(jié)構(gòu)上不存在高速轉(zhuǎn)子和活動(dòng)支承，是利用半球殼體唇緣的徑向振動(dòng)駐波進(jìn)動(dòng)效應(yīng)感測(cè)基座旋轉(zhuǎn)的一種哥式振動(dòng)陀螺。半球諧振陀螺的零部件數(shù)量少、體積小、質(zhì)量小、功耗低、精度高，具有超強(qiáng)穩(wěn)定性和可靠性、良好的抗沖擊振動(dòng)性和溫度性能，且其關(guān)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、抗輻射能力強(qiáng)、具有15年以上的長(zhǎng)期工作壽命，精度可達(dá) 0.0001（°）/h， 已在衛(wèi)星、 飛行器、 導(dǎo)彈武器、商用飛機(jī)、艦船、戰(zhàn)車(chē)及石油勘探等多領(lǐng)域中獲得了成功應(yīng)用，表現(xiàn)出了十分突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

1 半球諧振陀螺的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)是最早研制半球諧振陀螺的國(guó)家，代表著半球諧振陀螺的最高發(fā)展水平。1965年，第一個(gè)HRG樣機(jī)在美國(guó)誕生。20世紀(jì)80年代，通用汽車(chē)公司Delco系統(tǒng)工作部采用熔融石英材料開(kāi)發(fā)了Φ58mm的HRG-158系列，半球諧振子的品質(zhì)因數(shù)超過(guò)了107，首次展示了HRG的優(yōu)異性能。1996年，Northrop Grumman公司研制了Φ30mm的HRG-130Y，基于HRG-130Y的第一個(gè)空間慣性參考單元（Space Inertial Reference Unit， SIRU ）發(fā)射升空（用于NEAR項(xiàng)目）。2002年，經(jīng)過(guò)一系列結(jié)構(gòu)及工藝改進(jìn)，HRG-130P實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，零偏穩(wěn)定性為0.0005（°）/h～0.001（°）/h。 2004 年， HRG-130P 成功應(yīng)用于空間MESSAGER項(xiàng)目，多套系統(tǒng)累計(jì)實(shí)現(xiàn)了1500萬(wàn)小時(shí)的無(wú)故障在軌運(yùn)行，任務(wù)成功率達(dá)到了100%，充分驗(yàn)證了HRG在空間領(lǐng)域應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)?；贖RG-130P技術(shù)，Northrop Grumman公司對(duì)微型半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了極大程度的簡(jiǎn)化。2012年研制出的m-HRG質(zhì)量?jī)H為113.4g，直徑為 35mm， 零偏穩(wěn)定性為 0.00035（°）/h。 圖 1 為m-HRG系列半球諧振陀螺。

圖1 Northrop Grumman公司研制的m-HRG系列半球諧振陀螺Fig.1 Hemispherical resonator gyroscopes of m-HRG series developed by Northrop Grumman

20世紀(jì)90年代，法國(guó)Sagem公司開(kāi)始了針對(duì)HRG技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了平面電極的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了HRG的加工和裝配工藝，并顯著降低了成本。半球諧振子直徑為20mm的REGYS-20的零偏穩(wěn)定性?xún)?yōu)于 0.01（°）/h， 2005 年應(yīng)用于鐵錘（Hammer）空對(duì)地精確制導(dǎo)炸彈中，任務(wù)成功率高達(dá)99%，年產(chǎn)能力可達(dá)5000只。圖2為REGYS-20半球諧振陀螺及慣組。

圖2 Sagem公司研制的REGYS-20半球諧振陀螺及慣組Fig.2 Hemispherical resonator gyroscopes and inertia unit of REGYS-20 developed by Sagem

20世紀(jì)80年代，俄羅斯拉明斯克儀器設(shè)計(jì)制造局研制了直徑為100mm的HRG。20世紀(jì)90年代，該單位又開(kāi)發(fā)了直徑為50mm的 HRG，該HRG 實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)漂移可達(dá) 0.001（°）/h～0.005（°）/h的慣性級(jí)精度，如圖3所示。

圖3 俄羅斯拉明斯克儀器設(shè)計(jì)制造局研制的半球諧振陀螺及慣組Fig.3 Hemispherical resonator gyroscopes and inertia unit developed by Russia

國(guó)內(nèi)針對(duì)半球諧振陀螺的研究始于20世紀(jì)80年代，北京航天控制儀器研究所、中電26所、北航、東北大學(xué)、南航等多家單位對(duì)半球諧振陀螺的理論、加工技術(shù)、信號(hào)處理等開(kāi)展了相關(guān)研究工作。中電26所在2003年研制的HRG樣機(jī)，其隨機(jī)漂移精度優(yōu)于 0.2（°）/h， 初步達(dá)到了導(dǎo)航級(jí)工作要求。此后，中電26所開(kāi)發(fā)了直徑為30mm的HRG，解決了熔融石英的精密機(jī)械加工、諧振子質(zhì)量調(diào)平、球面鍍膜、真空封裝等關(guān)鍵工藝技術(shù)。半球諧振子加工內(nèi)外球同心度≤0.1μm， 隨機(jī)漂移優(yōu)于0.03（°）/h。2013年8月，中電26所與航天科技803所聯(lián)合研制的HRG慣導(dǎo)系統(tǒng)在實(shí)踐九號(hào)衛(wèi)星上完成搭載試驗(yàn)。2017年2月，該慣導(dǎo)系統(tǒng)在我國(guó)通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)上成功實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是在精密加工技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)的大力推動(dòng)下，半球諧振陀螺技術(shù)取得了快速發(fā)展，并經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)形式由繁到簡(jiǎn)、核心零件數(shù)量由多到少、體積重量由大到小的轉(zhuǎn)變。陀螺的精度和性能越來(lái)越高，制造難度和生產(chǎn)成本大幅降低，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星與航天器等的空間導(dǎo)航、機(jī)載慣性導(dǎo)航、艦船導(dǎo)航、陸地導(dǎo)航及石油地質(zhì)鉆探定位定向等的成功應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2 半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)分析

半球諧振陀螺的經(jīng)典結(jié)構(gòu)主要由半球諧振子、激勵(lì)罩和敏感基座3部分組成，構(gòu)件均為高品質(zhì)因數(shù)的熔融石英材料經(jīng)超精密加工而成。材料表面經(jīng)金屬化處理，并將半球諧振子、靜電激勵(lì)罩和敏感基座精密裝配焊接在一起，密封在一個(gè)高真空的容器中，形成了一個(gè)完整而獨(dú)立的角度或角速度傳感器。幾個(gè)經(jīng)典的半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)如圖4～圖6所示。

圖4 Delco公司的HRG結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of HRG developed by Delco

圖5 俄羅斯拉明斯克儀器設(shè)計(jì)制造局的HRG結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of HRG developed by Russia

圖6 Sagem公司的REGYS-20結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of REGYS-20 developed by Sagem

半球諧振陀螺發(fā)展至今，其典型結(jié)構(gòu)形式主要可分為兩類(lèi)：三件套構(gòu)型和二件套構(gòu)型（球面電極、平面電極），如圖7、圖8所示。

圖7 三件套HRG構(gòu)型Fig.7 Three-pieces structure of HRG

圖8 二件套HRG構(gòu)型Fig.8 Two-pieces structure of HRG

二件套構(gòu)型是在經(jīng)典三件套構(gòu)型的基礎(chǔ)上，將 “激勵(lì)電極”與 “讀出電極”合二為一，省去了 “激勵(lì)罩”零件。此種方式雖然加大了電路與控制系統(tǒng)的技術(shù)難度，但將HRG的核心零件數(shù)量由3個(gè)減少為2個(gè)，簡(jiǎn)化了陀螺結(jié)構(gòu)，降低了制造難度。兩類(lèi)HRG的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如表1所示。

表1 半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Table 1 Structure characteristics of HRG

3 半球諧振子精密加工工藝

半球諧振陀螺技術(shù)上最復(fù)雜、最重要的部件是半球諧振子，它決定著陀螺的精度和性能。理想的半球諧振子應(yīng)具有高品質(zhì)因數(shù)、彈性物質(zhì)各向同性、耗散各向同性。由于半球諧振子在制造過(guò)程中存在加工誤差和表面缺陷，其密度、楊氏模量、殼體厚度等不一致，導(dǎo)致其品質(zhì)因數(shù)和駐波對(duì)稱(chēng)性等出現(xiàn)了損失，影響了陀螺的穩(wěn)定性、重復(fù)性、噪聲、標(biāo)定因數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)。

半球諧振子的材料為高純度熔融石英，形狀為帶有中心支撐桿的半球形薄壁殼體，直徑通常為15mm～50mm， 壁厚為 0.3mm～1.1mm， 面形精度＜0.5μm， 內(nèi)外球面及支撐桿同心度＜0.5μm，表面粗糙度 Ra＜0.025μm，品質(zhì)因數(shù) Q值高于107。其精密制造過(guò)程包括粗磨成型、精密磨削、研磨拋光、化學(xué)腐蝕、表面鍍膜、質(zhì)量調(diào)平等。

半球諧振子的異形薄殼結(jié)構(gòu)硬度高、脆性大，對(duì)內(nèi)外球面和支撐桿的形狀精度和位置精度要求高（亞微米級(jí)），制造難度很大，上述因素一直以來(lái)是制約半球諧振陀螺發(fā)展的瓶頸和難題。隨著制造技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，諧振子結(jié)構(gòu)的演變改善了其加工工藝性，降低了制造成本。如圖9所示，半球諧振子的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由三件套到二件套的演變過(guò)程。

圖9 半球諧振子的結(jié)構(gòu)演變Fig.9 Evolution of hemispherical harmonic oscillator

3.1 粗磨成型

（1）軌跡成型法

使用電鍍或固結(jié)磨料小球頭金剛石砂輪，在加工中心、坐標(biāo)磨床等數(shù)控機(jī)床上按照編程好的加工軌跡，砂輪以點(diǎn)接觸磨削形式加工半球諧振子形面，如圖10所示。

圖10 軌跡成型法磨削加工Fig.10 Grinding based on path-forming method

近年來(lái)，超聲振動(dòng)輔助磨削加工技術(shù)已成為解決硬脆材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)精密加工難題的有效方法。超聲振動(dòng)輔助磨削加工是將超聲振動(dòng)施加于旋轉(zhuǎn)的磨削工具上，在超聲振動(dòng)的高頻侵蝕與空化雙重作用下，使加工區(qū)的材料得以弱化，可有效抑制砂輪堵塞，顯著減小磨削力和磨削溫度，降低工件變形和表面損傷，實(shí)現(xiàn)高效率、高精度、低損傷的材料去除。與常規(guī)方法相比，超聲振動(dòng)輔助磨削加工的效率可提高5～10倍，加工表面質(zhì)量提高30%～50%，崩邊、開(kāi)裂等問(wèn)題大幅減少。圖11為坐標(biāo)磨床磨削加工，圖12為超聲振動(dòng)輔助磨削加工。

（2）銑磨成型法

對(duì)于內(nèi)外支撐桿長(zhǎng)度縮短的半球諧振子，可采用 “范成法”進(jìn)行球面銑磨加工，如圖13所示。“范成法”球面銑磨加工能夠在一次裝夾的情況下，完成諧振子內(nèi)外球、內(nèi)外支撐桿、端面等各關(guān)鍵部位的加工，效率高，且易于保證半球諧振子對(duì)形位精度的要求。

圖12 超聲振動(dòng)輔助磨削加工Fig.12 Assisted grinding with ultrasonic vibrating

圖13 “范成法”球面銑磨加工Fig.13 Spherical milling-grinding based on generation method

3.2 精密磨削

在超精密機(jī)床上，依賴(lài)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和定位精度，使用微粉金剛石砂輪進(jìn)行精密磨削加工，進(jìn)一步提高了諧振子零件的尺寸精度和形位精度，減小了加工裂紋等表面缺陷，為后續(xù)研磨、拋光奠定了基礎(chǔ)。微粉金剛石砂輪粒度低、易堵塞，關(guān)鍵要解決好其砂輪在位修整問(wèn)題（包括砂輪整形和修銳），以降低磨削力。此外，砂輪對(duì)刀、砂輪磨損補(bǔ)償對(duì)半球諧振子的加工精度也有很大影響。

北京航天控制儀器研究所在自主研制的超精密磨削機(jī)床上使用了W15碗型微粉金剛石砂輪實(shí)現(xiàn)了球面銑磨超精密磨削工藝，諧振子內(nèi)球面加工圓度誤差＜0.5μm， 表面粗糙度Ra＜0.04μm， 加工效率較高，實(shí)現(xiàn)了 “以磨代研”的加工效果。

3.3 研磨和拋光

研磨和拋光加工進(jìn)一步提高了零件的尺寸精度、面形精度和一部分位置精度，降低了零件的表面粗糙度，減小了零件表面的加工損傷層。半球諧振子為 “蘑菇狀”的異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其研磨和拋光加工的難度主要體現(xiàn)在：

1）中心支撐桿加工干涉影響，在支撐桿圓弧過(guò)渡處，存在研磨拋光 “死角”；

2）諧振子零件薄壁、材料硬脆，如加工作用力不當(dāng)，易導(dǎo)致零件碎裂；

3）加工中需調(diào)頭裝夾和找正，高于微米級(jí)的同軸、同心等位置精度要求很難保證。

傳統(tǒng)的研磨拋光工藝方法難以滿足半球諧振子的加工精度要求，迫切需要探索具備無(wú)死角、全區(qū)域、柔性化等特點(diǎn)的研拋新工藝?；瘜W(xué)機(jī)械拋光、離子束拋光、磁場(chǎng)輔助拋光、磁性磨粒拋光、超聲波輔助拋光、剪切增稠拋光等非傳統(tǒng)光整加工技術(shù)發(fā)展迅速，已成為復(fù)雜面型、超光滑表面等加工難題的重要解決方法。

磁流變拋光是利用磁流變液在磁場(chǎng)中的流變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光整加工的先進(jìn)工藝方法，如圖14所示。在外加變化磁場(chǎng)的作用下，磁流變液的黏度隨著磁場(chǎng)的增大而迅速增大。磁流變液附著在拋光輪表面形成類(lèi)固體狀態(tài)的緞帶，并隨拋光輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而與工件接觸，通過(guò)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的剪切力對(duì)工件表面的材料進(jìn)行微量去除。磁流變拋光是一種柔性拋光方法，去除函數(shù)穩(wěn)定，面形誤差收斂快，不會(huì)產(chǎn)生亞表面損傷層，加工效率高。但是，由于磁流變拋光輪的小型化設(shè)計(jì)還存在困難，其在諧振子拋光應(yīng)用中還存在著諸多難題。磁流變拋光應(yīng)用了磁性流體的磁性磨粒拋光技術(shù)，拋光工具頭選用永磁材料，不受工件外形尺寸的限制。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究開(kāi)展的永磁小球頭磁流變研拋技術(shù)，使半球諧振子加工表面的粗糙度Ra≤0.02μm。

圖14 永磁小球頭磁流變研拋加工Fig.14 Magnetorheological polishing with small permanent magnet ball head

3.4 化學(xué)腐蝕

諧振子在經(jīng)過(guò)粗磨成型、精密磨削、研磨拋光等機(jī)械加工處理后，其表面仍然存在著一定深度的加工變質(zhì)層，這一變質(zhì)層對(duì)諧振子的品質(zhì)因數(shù)、表面鍍膜和頻率裂解等均產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。

諧振子為高純度石英材料，采用氫氟酸溶液化學(xué)腐蝕方法能夠有效消除諧振子加工表面的損傷層。石英材料與氫氟酸的化學(xué)作用可表示為

式中，n為聚硅酸的聚合度。

酸洗產(chǎn)物（不同聚合度的多硅酸）會(huì)吸附在零件表面，阻礙酸洗液與表面材料的相互作用，導(dǎo)致腐蝕過(guò)程不均勻，破壞零件的表面粗糙度。在加工過(guò)程中，使用強(qiáng)無(wú)機(jī)酸可去除酸洗產(chǎn)物，保持氫氟酸溶液的性能。

石英材料的氫氟酸化學(xué)腐蝕過(guò)程十分復(fù)雜，材料的溶解程度與表層去除深度不僅與氫氟酸溶液的濃度、溫度、加工時(shí)間有關(guān)，還與諧振子的材料成份、機(jī)械加工表面質(zhì)量、循環(huán)化學(xué)處理方法等密切相關(guān)。研究自動(dòng)化的化學(xué)腐蝕加工裝置，優(yōu)化工藝參數(shù)，對(duì)保證諧振子化學(xué)腐蝕加工的表面均勻性、提升加工質(zhì)量具有重要意義。圖15為國(guó)外應(yīng)用的諧振子化學(xué)腐蝕自動(dòng)化加工裝備。

圖15 半球諧振子化學(xué)腐蝕自動(dòng)化加工裝備Fig.15 Automation equipment of hemispherical harmonic oscillator chemical corrosion

3.5 質(zhì)量調(diào)平

雖然半球諧振子經(jīng)過(guò)了一系列的精密加工，但受加工誤差、材料不均勻性等因素的影響，其與理想狀態(tài)的諧振子仍然存在著偏差，諧振子在周向不同方位上的幾何尺寸、材料密度、質(zhì)量、彈性模量、品質(zhì)因數(shù)等產(chǎn)生的不對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致了諧振子的諧振頻率差異。高精度半球諧振陀螺要求諧振子的頻率差應(yīng)小于0.01Hz，質(zhì)量分布不平衡差異小于0.1mg。諧振頻率差異（頻率裂解）的大小決定著半球諧振陀螺的精度，其關(guān)系如圖16所示。

圖16 陀螺穩(wěn)定性與諧振子頻差的關(guān)系Fig.16 Relationship between gyroscope stability and frequency difference

為修正頻差，需通過(guò)調(diào)平工藝去除和修正諧振子的表面質(zhì)量分布，補(bǔ)償諧振子球殼圓周上的各向異性，使諧振子盡量達(dá)到理想的狀態(tài)。諧振子的質(zhì)量調(diào)平工藝目前主要有：機(jī)械去重調(diào)平、化學(xué)腐蝕調(diào)平、激光去重調(diào)平和離子束刻蝕調(diào)平等。

離子束刻蝕調(diào)平方法為原子量級(jí)的無(wú)應(yīng)力去除，調(diào)平精度高，對(duì)材料表面和深層結(jié)構(gòu)的影響小，目前在諧振子質(zhì)量調(diào)平中應(yīng)用較為普遍。飛秒激光作為超快激光的典型代表，具有超短的脈沖寬度，脈沖寬度為幾飛秒到幾百飛秒（1fs＝1×10-15s）；飛秒激光具有極高的峰值功率，峰值功率可達(dá)109量級(jí)。在物鏡聚焦后，可輕松實(shí)現(xiàn)1017W/cm2的功率密度。飛秒激光加工無(wú)需真空環(huán)境，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，工藝簡(jiǎn)單，加工質(zhì)量高，且材料加工的可適性強(qiáng)，可加工材料包括了聚合物、金屬、半導(dǎo)體、石英、金剛石等幾乎所有材料。飛秒激光脈沖寬度極短，在對(duì)材料進(jìn)行燒蝕加工時(shí)的熱影響區(qū)非常小，可以實(shí)現(xiàn)冷加工。作為一種高精度的加工手段，飛秒激光在微光學(xué)元件的制造中越來(lái)越重要。

3.6 表面鍍膜

半球諧振子表面需要進(jìn)行金屬化處理制成電極，形成激勵(lì)電容施加靜電控制，以及讀出電容檢測(cè)諧振子的振動(dòng)波形。諧振子鍍膜技術(shù)的關(guān)鍵在于確保膜層的均勻性（優(yōu)于3%）和石英諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q值，以降低膜層殘余應(yīng)力，滿足膜層電阻率等的要求。一般采用磁控濺射等工藝方法，鍍鉻膜和金膜。

4 結(jié)論

半球諧振陀螺技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)用前景廣闊，我國(guó)現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，但與國(guó)外差距還很大，應(yīng)把握慣性技術(shù)發(fā)展機(jī)遇，下大力氣加速其發(fā)展。針對(duì)研制中的瓶頸和難題——石英半球諧振子，今后需重點(diǎn)研究高效精密與超精密磨削加工技術(shù)、新型柔性研拋技術(shù)、高精度質(zhì)量調(diào)平技術(shù)等精密與超精密加工工藝方法，研制開(kāi)發(fā)相關(guān)精密工藝裝備，提高石英半球諧振子的加工精度，提升效率，降低成本，形成批量化生產(chǎn)制造能力，滿足航空、航天、航海等多領(lǐng)域工程應(yīng)用的迫切需求。