石英半球諧振子精密成型技術(shù)

馬志奎，趙宏寶，趙萬良，宋學(xué)富，陳效真

（1.西安航晨機(jī)電科技股份有限公司，西安710311；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海201109；3.中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京100024；4.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

如圖1所示，石英半球諧振陀螺以其輕質(zhì)、低功耗、長壽命、高可靠、應(yīng)用精度范圍寬、成本低等優(yōu)勢，引起了慣性技術(shù)界的矚目。半球諧振陀螺的核心器件——石英半球諧振子的成型技術(shù)是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。半球諧振子是半球諧振陀螺的關(guān)鍵技術(shù)，它是以高Q值（最高可達(dá)2000萬）石英半球諧振子球殼頻抖諧振形成的四波頻幅在哥氏力作用下按照特定規(guī)律敏感諧振子自旋角的核心敏感源。因此，半球諧振陀螺工作的前提是制造良好的、具有高Q值的諧振子。諧振子是石英半球諧振陀螺的核心敏感部件，其加工精度和振動特性直接影響著半球諧振陀螺的性能。石英半球諧振子的結(jié)構(gòu)及其主要參數(shù)如圖2所示。

石英半球諧振子為特種高純度熔融石英玻璃材料，其經(jīng)過粗磨成胚、精磨成型和精密超精密拋研最終形成產(chǎn)品。諧振子的結(jié)構(gòu)為半球硬脆薄壁殼狀異形結(jié)構(gòu)，其對幾何形位尺寸及公差要求極高（優(yōu)于0.0003mm），這直接影響著半球諧振陀螺的性能和品質(zhì)因數(shù)（Q）。高純度熔融石英玻璃態(tài)材料的制造難題為亞表面損傷（即幾微米至幾百微米深度表層范圍內(nèi)產(chǎn)生的微裂紋和微機(jī)械應(yīng)力）。同時(shí)，材料還會在受力、溫度、電磁場等因素的影響下，產(chǎn)生微觀局部的相變、位錯、層錯等，如圖3所示。

因此，石英半球諧振子的制造屬于硬脆薄壁球殼狀異形三維結(jié)構(gòu)的微應(yīng)力精密超精密制造，難度較大。

圖2 石英半球諧振子的主要幾何參數(shù)Fig.2 Main geometric parameters of quartz hemispherical harmonic oscillator

圖3 石英玻璃立體剖視分層示意圖Fig.3 Three-dimensional section diagram of quartz glass

國外的石英半球陀螺技術(shù)及其應(yīng)用已相對成熟，具體如表1所示。

表1 國際領(lǐng)先水平的石英半球諧振陀螺數(shù)據(jù)指標(biāo)Table 1 Statistics data of quartz hemispherical resonator gyroscope at international leading level

據(jù)了解，國外的諧振子的真球度≤0.2μm、表面粗糙度Ra≤0.01μm。由于嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，除諧振子的球殼直徑外，中心桿直徑、中心桿長度、球殼厚度等參數(shù)均無相關(guān)資料可參考。目前，國內(nèi)在石英材料相同的前提下，諧振子真球度達(dá)到了1μm，表面粗糙度Ra達(dá)到了 0.05μm。由此可見，諧振子的主要數(shù)據(jù)指標(biāo)與國外存在較大差距，不能滿足半球陀螺精度要求，這已成為制約我國半球諧振陀螺發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

范成球面彈性展成是球加工的基礎(chǔ)，經(jīng)不斷試驗(yàn)摸索，通過均衡磨削、磨頭最大包絡(luò)原則和粗磨成胚、精磨粗研成型、精研精拋成品三階段37道工序的工藝流程精細(xì)優(yōu)化，初步實(shí)現(xiàn)了高精度微應(yīng)力硬脆石英諧振子異形薄壁件的成型。半球諧振子的精密球面加工初見成效：球殼壁厚為0.6mm， 球殼內(nèi)外球面球度≤0.15μm， 表面粗糙度≤0.02μm， 錨桿同軸度≤1.5μm。 在此基礎(chǔ)上，形成了石英半球諧振子專用成型中心，為石英半球諧振陀螺的核心半球諧振子球殼成型的進(jìn)一步研究開創(chuàng)了一條可行途徑。

1 石英半球超精密成型

石英半球諧振子制造屬硬脆薄壁球殼狀異形三維結(jié)構(gòu)的微應(yīng)力精密超精密制造，精度、脆裂、應(yīng)力、相移消除是制造全流程需保證的統(tǒng)籌目標(biāo)。高純度熔融石英玻璃各向同性、內(nèi)阻小、材料及材料取位不同、結(jié)構(gòu)性能相同，必須實(shí)現(xiàn)從選材到全過程工藝工步的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，從磨研具清洗測試到操作者進(jìn)行協(xié)同考慮，道道工序嚴(yán)謹(jǐn)謹(jǐn)慎，才能得到理想結(jié)果。

1.1 半球面精密成型基礎(chǔ)分析

精密球面加工通常可分為成型法、球面軌跡法和范成法。成型法即用球托研磨球面（凹球用凸球托，凸球用凹球托），適于單件小批量生產(chǎn)，其加工直觀簡單，但是精度效率低、成本高；球面軌跡法是一般數(shù)控車削、磨削的常用方法，實(shí)用性強(qiáng)，受機(jī)床精密度限制，加工精度約為10μm～30μm；范成法又分為成型刀具磨頭銑磨球法、成型刀具磨頭展成法和成型磨頭彈性球面展成法（即范成法球面彈性展成法）。成型刀具磨頭銑磨球法與球面軌跡法類似，是數(shù)控機(jī)床磨削的常用方法，其同樣受機(jī)床精密度限制，加工精度約為10μm；成型刀具磨頭展成法與成型刀具磨頭銑磨球法相比較，增加了磨頭繞球心的擺動（如球面車床、球面磨床），效率高，但受機(jī)床精密度限制，加工精度約為3μm；范成法球面彈性展成法效率低，但精度高，可達(dá)0.1μm （亞微米級），用一般精度球面珩研機(jī)床就可實(shí)現(xiàn)亞微米級精度，是現(xiàn)代精密球面成形的先進(jìn)技術(shù)之一。以范成精密球面彈性展成為基礎(chǔ)的球面珩研，可滿足半球諧振子精密球面的要求。

1.2 范成精密球面彈性展成

范成精密球面彈性展成的基本原理如圖4所示。磨頭為圓柱形、筒形或其他結(jié)構(gòu)型式：1）圓柱形適于珩磨、研磨凹球面零件；2）筒形適于珩磨、研磨凸球面零件；3）特殊結(jié)構(gòu)球面零件的珩磨、研磨同樣要用特種結(jié)構(gòu)磨頭。球面珩磨、研磨磨頭端面需與工件球面緊密貼合，軸線和壓力指向球心，磨頭端面垂直于球面法線，磨頭與球面緊密磨合面為球面的一部分（圓弧環(huán)線Ⅰ、Ⅱ）。即一微分球面環(huán)，當(dāng)球面零件以零件軸線轉(zhuǎn)動，角速度為α，磨頭圍繞球面零件球心往復(fù)擺動，擺動幅度為±β，擺動頻率為f，磨頭沿球面法線方向自身轉(zhuǎn)動，自轉(zhuǎn)角速度為γ，以球心為基準(zhǔn)的兩轉(zhuǎn)一往復(fù)運(yùn)動的耦合就展成了球面軌跡。磨頭在彈性力F的作用下與球面緊密磨合，進(jìn)行球面軌跡磨削，保證球面成型。此精密球面珩研磨精度高，但對機(jī)床、磨頭和零件毛坯的精度要求卻不高。球面零件精度與磨頭精度的關(guān)系如圖5所示。

圖4 范成法精密球面彈性展成原理Fig.4 Principle of elastic growth of spherical surface by generation method

圖5 精密球面加工過程中零件、磨頭圓度變化曲線Fig.5 Roundness change curves of parts and grinding heads in precision spherical surface machining

由圖5可知，球面零件和磨頭的精度隨時(shí)間而同時(shí)趨于提高。提高珩研磨速度可提高效率，但影響成型精度，多臺多工位自動化并行可提高加工效率。

1.3 球面均衡磨削及專用裝置

均衡磨削原則即均衡去除球面余量，使被磨削球面的每一點(diǎn)被磨削的幾率相等。這是范成精密球面彈性展成的基礎(chǔ)，更是確保球面成型質(zhì)量精度的關(guān)鍵。由此，以磨頭珩磨形式，又形成了球面零件主軸驅(qū)動。在磨頭擺軸驅(qū)動的同時(shí)，磨頭電機(jī)不轉(zhuǎn)，壓在球面零件上的磨頭依靠其與球面零件的摩擦力帶動連續(xù)同方向的轉(zhuǎn)動，這種方式被稱為被動型。在磨頭擺軸驅(qū)動的同時(shí)，磨頭由磨頭電機(jī)自主驅(qū)動，壓在球面零件上的磨頭依靠其與球面零件的摩擦力矩和電機(jī)耦合驅(qū)動轉(zhuǎn)動，這種方式被稱為主動型。主動型適于粗珩研磨加工；被動型精度高、效率低，適于球面超精密珩研磨。

被動型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)理如圖6所示。磨頭被安裝在置于擺軸并連同擺軸同步擺動的彈性加載機(jī)構(gòu)上，加載彈性力通過磨頭加載點(diǎn)B指向零件球心。加載點(diǎn)B的軌跡決定了球面每一點(diǎn)被磨削的幾率，并能均衡去除球面余量。B點(diǎn)坐標(biāo)滿足

圖6 被動型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)理Fig.6 Motion mechanism of passive crank and rocker mechanism

ψ3為β磨頭擺動角位移，其決定了磨削點(diǎn)E的軌跡

曲柄L1以等角速度ω1＝1rad/s轉(zhuǎn)動，通過仿真，可得角位移ψ3、角速度ψ＇3、角加速度ψ＂3的運(yùn)動曲線，如圖7所示。

圖7 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)影響下E點(diǎn)運(yùn)動分析Fig.7 E-point motion analysis under influence of crank and rocker mechanism

由圖7（a）可知， 角位移幅度為±45°， 擺頻為1Hz，角位移-時(shí)間曲線近似為正弦曲線。由圖7（b）可知，在角位移為0°時(shí)，有最大角速度；在角位移最大時(shí)，角速度為0，角速度-時(shí)間曲線近似為余弦曲線。由圖7（c）可知，在角位移為0°時(shí)，角加速度為0；角位移最大時(shí)，角加速度最大，有急回特性。優(yōu)化壓力角，可削弱急回特性的影響。考慮球面零件角速度α、磨頭角速度γ，當(dāng)α＝2π/s、γ＝kαcosβ時(shí)，γ與擺動角位移β和球面零件角速度的關(guān)系如圖8所示。

圖8 磨頭轉(zhuǎn)速γ隨擺軸角度變化曲線示意圖Fig.8 Curve diagram of rotation speed of grinding head changing with the angle of rotation axis

k（k＜1， 通常為 0.6～0.8）為修正系數(shù)， 與磨頭口徑、摩擦系數(shù)、壓力大小、關(guān)節(jié)軸承等有關(guān)，一般粗珩研磨取較小k值，精珩研磨取較大k值。根據(jù)加工需求改變工藝參數(shù)、調(diào)節(jié)k值，即可實(shí)現(xiàn)球面均衡展成。

當(dāng)擺軸角速度為0、擺軸角位移β＝±45°時(shí)，主軸角速度能超越球面極點(diǎn)和球面赤道（超越3°）。三點(diǎn)磨頭相對球面線速度近似相同，可滿足球面高精度均衡磨削的需要。范成精密球面彈性展成的精密球面珩研專用裝置如圖9所示。

圖9 精密球面珩研專用裝置Fig.9 Special device for precision spherical honing lapping

精密球面珩研專用裝置可分為被動型和主動型。改變磨頭即可進(jìn)行研磨或珩磨。研磨使用金屬磨頭（球墨鑄鐵、錫青銅等）加研磨劑，珩磨使用成型油石加珩磨油。裝置有效解決了磨頭與被研球的緊密可靠、穩(wěn)定珩研壓合及自動進(jìn)給和球心對準(zhǔn)，避免了三軸（主軸、擺軸、磨頭軸）的軸向、徑向跳動；由可控氣動元件和彈簧組成的彈性力加載彈性機(jī)構(gòu)解決了磨頭與球面零件同步振動的自動穩(wěn)定珩研磨壓力跟蹤隨動。通過調(diào)節(jié)氣動元件氣壓或彈簧長度，可有效消除對準(zhǔn)誤差，實(shí)現(xiàn)高功效磨、研、拋一體自動化。其主要技術(shù)指標(biāo)有：

1）系統(tǒng)主軸精度≤0.1μm，振動、沖擊小；

2）系統(tǒng)擺軸精度≤0.5μm，振動、沖擊?。?/p>

3）主軸速度為 5r/min～30r/min 可調(diào)， 可精確定位鎖定；

4）擺軸速度為 5r/min～30r/min， 可自動定位，具備擺動極限角限位報(bào)警功能；

5）加載機(jī)構(gòu)的加載力為0.5N～5N，具備數(shù)字測量顯示，設(shè)備規(guī)定在零位加卸載，有壓力緩進(jìn)和避沖報(bào)警功能；

6）設(shè)備在執(zhí)行珩磨工序時(shí)，有零件自動沖洗功能；

7）有幾何參數(shù)在線測量功能（精度為0.1μm）和自動修復(fù)功能。

1.4 磨頭最大包絡(luò)原則

磨頭最大包絡(luò)即磨頭與磨件接觸面的最大微分球面環(huán)帶。大直徑微分球面環(huán)帶（d＝0.6D～0.8D，D為球面直徑）能覆蓋盡可能多的球面高點(diǎn)，可提高磨削整體精度和加工效率，但增大球面環(huán)帶寬度會影響球面珩研磨的精度。當(dāng)擺動角確定時(shí)，以微分球面環(huán)帶直徑兼顧磨頭越界為條件， 可確定磨頭直徑（d＜2mm）。

2 石英半球無應(yīng)力拋研

如圖10所示，硬脆薄壁熔融石英玻璃的表面有一層非透明體裂紋層和變質(zhì)層（厚度為50μm～110μm），去除裂紋層和變質(zhì)層才能真正進(jìn)入所需求的玻璃態(tài)玻璃體。裂紋層和變質(zhì)層的厚度與磨削量相關(guān)，材料晶粒均勻細(xì)致、硬脆性小，而磨削量小，裂紋層和變質(zhì)層就?。煌瑯?，磨削量大，裂紋層和變質(zhì)層就厚。

圖10 石英半球表面微觀脆性裂變應(yīng)力Fig.10 Microscopic brittle fission stress on the surface of quartz hemisphere

控制磨削工藝的磨削應(yīng)力，減小石英半球諧振子的裂紋層和變質(zhì)層的厚度，可使諧振子真正工作于玻璃態(tài)玻璃體狀態(tài)?？梢姡胤N高純度熔融石英玻璃半球諧振子經(jīng)粗磨成胚、精磨成型和精密超精密拋研制成成品，其整個(gè)工藝過程的焦點(diǎn)是控制應(yīng)力，即對材料研磨、拋光過程中分子與分子間微觀脆性斷裂應(yīng)力（Griffith能量平衡理論、Irwin應(yīng)力強(qiáng)度理論）和研磨、拋光過程中由切削力大、受力不均引起的宏觀形變局部應(yīng)力的控制。對于高精度無應(yīng)力精密高Q值石英半球諧振子而言，除了選用優(yōu)質(zhì)特種專用石英玻璃態(tài)材料和實(shí)現(xiàn)最佳諧振子設(shè)計(jì)外，減小珩研磨應(yīng)力是關(guān)鍵，優(yōu)化綜合工藝流程和嚴(yán)格工藝實(shí)施管理是核心，良好科學(xué)的精密精準(zhǔn)加工設(shè)備是基礎(chǔ)。如圖11所示，主要有：

1）采用化學(xué)拋光冷卻漿料對石英玻璃表面做化學(xué)冷卻侵蝕，降低材料表面分子斷裂所需的能量，改善微觀裂變應(yīng)力。

2）采用納米級磨料和拋光均勻微力漸給工藝，避免由顆粒過大、受力不均造成的局部壓力驟增而導(dǎo)致的宏觀形變局部應(yīng)力集中。

3）采用HCG20專用灌封復(fù)合材料（方便灌封填充、易溶解清洗、易凝結(jié)固化、應(yīng)力小、環(huán)保且有一定硬度、凝結(jié)固化各向同性、導(dǎo)熱性好）進(jìn)行灌封，改善半球諧振子在加工過程中的剛度和減振性能。

4）在采用多元復(fù)合納米磨料的同時(shí)，可根據(jù)工件精度工步適應(yīng)性需求，采用多模式（化學(xué)、磁流體、非牛頓流體、磁刷）進(jìn)行精密拋研。

圖11 精密球面珩研示意圖Fig.11 Diagram of precision spherical honing

3 結(jié)論

石英半球諧振陀螺的核心敏感件——高精度無應(yīng)力、精密高Q值、硬脆薄壁異形結(jié)構(gòu)的熔融玻璃態(tài)半球諧振子的精密球面超精密加工是一項(xiàng)精細(xì)精密、嚴(yán)格嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膭?chuàng)造性工藝系統(tǒng)優(yōu)化工程，是宏觀控制微觀實(shí)現(xiàn)微應(yīng)力制造的系統(tǒng)控制工程。本文通過技術(shù)攻關(guān)，采用范成法精密球面彈性展成加工方法研發(fā)了超精密球面珩研專用裝置，總結(jié)了主軸角速度α、擺軸擺動幅度±β、擺動頻率f、磨頭自轉(zhuǎn)角速度γ、上述3個(gè)以球心為基準(zhǔn)的2轉(zhuǎn)1擺的運(yùn)動聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了球面均衡珩研磨。在磨頭設(shè)計(jì)中，采用了球面最大包絡(luò)原則。在工藝試驗(yàn)中，采用了灌封技術(shù)、微應(yīng)力加工技術(shù)，較好地解決了熔融石英玻璃半球諧振子的球面超精密加工。