陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡激光精密去重技術(shù)

薛亞飛，李 廣，高文焱，李 凱

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子是陀螺的關(guān)鍵部件。在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，轉(zhuǎn)子質(zhì)量的不均勻分布會(huì)降低陀螺支撐軸的壽命，產(chǎn)生漂移誤差，影響陀螺的精度［1-2］。目前，針對陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡問題，通常采用動(dòng)平衡機(jī)檢測出轉(zhuǎn)子不平衡量的大小和相位，隨即將轉(zhuǎn)子從動(dòng)平衡機(jī)上取下，由人工鉆頭打孔進(jìn)行去重平衡，并多次重復(fù)以上過程，直至達(dá)到預(yù)期的平衡精度［3］。這種方法存在平衡精度低的問題，且其效果在很大程度上取決于操作者的熟練程度。同時(shí)，反復(fù)啟停的操作過程，帶來了去重效率低的問題，由打孔產(chǎn)生的金屬碎屑易粘在轉(zhuǎn)子軸承上，也影響了陀螺的精度［4-5］。

采用人工電鉆打孔方法作為陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子的去重方式，已成為制約陀螺生產(chǎn)效率和精度的瓶頸。作為用于陀螺轉(zhuǎn)子去重的新技術(shù)，激光去重技術(shù)利用聚焦后的激光束照射轉(zhuǎn)子表面，使轉(zhuǎn)子超重部分快速汽化、噴射，從而完成去重過程。通過調(diào)節(jié)激光脈寬、功率密度等參數(shù)，可精確控制去重小坑的形狀和質(zhì)量。該方法具有去重精度高、無接觸、效率高等優(yōu)點(diǎn)［6-7］。激光動(dòng)平衡將不平衡量測量與激光去重技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，具有自動(dòng)測量和去重功能，可解決人工動(dòng)平衡存在的反復(fù)裝卡、效率低、精度低等問題。

激光去重后的盲孔存在氧化現(xiàn)象及殘?jiān)?，這嚴(yán)重影響了陀螺轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，給陀螺儀表帶來了重大隱患［8-9］。本文研究了激光參數(shù)對去重盲孔質(zhì)量的影響規(guī)律，針對激光去重盲孔存在的殘留物及氧化問題，提出了利用激光二次拋光技術(shù)去除殘?jiān)姆椒?，研究了激光參?shù)對拋光效果的影響規(guī)律。經(jīng)激光拋光后，去重盲孔無明顯的殘留物及氧化現(xiàn)象，可滿足精密陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子對去重的要求。

1 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子的材質(zhì)為高密度合金，所用激光器為脈沖光纖激光器，激光波長為1064nm，激光功率為10W～30W可調(diào)，脈沖寬度為100ns，脈沖重復(fù)頻率為20kHz～100kHz可調(diào)。輸出的激光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡、場鏡等整形聚焦后，光斑大小約為40μm，通過掃描振鏡可實(shí)現(xiàn)直徑為0.5mm～3mm的打孔去重和拋光工藝，可通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光參數(shù)。

采用激光顯微鏡和掃描電鏡（SEM）對去重和拋光后的轉(zhuǎn)子樣件進(jìn)行了測試，研究了激光參數(shù)對去重和拋光效果的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 激光參數(shù)對去重效果的影響規(guī)律研究

（1）激光頻率對去重效果的影響規(guī)律

前期實(shí)驗(yàn)表明，在采用較大的激光功率時(shí)，去重效率較高。因此，在去重過程中，針對激光功率選擇了激光器的最大輸出功率——30W。研究了在頻率分別為20kHz、40kHz、60kHz和80kHz時(shí)，激光頻率對去重效果的影響規(guī)律。在去重過程中，振鏡掃描速度為1000mm／s，去重盲孔直徑約為1mm。

圖1為在采用不同激光頻率進(jìn)行去重后，轉(zhuǎn)子樣件表面的顯微鏡照片。當(dāng)激光輸出功率不變時(shí)，頻率越大，單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)越多，單脈沖能量就越小。由圖1可知，在經(jīng)不同頻率激光去重后，去重盲孔底部均較為平整，激光頻率對去重盲孔表面的平整度影響不大。但隨著激光頻率的增加，去除重量呈減小趨勢，這可能是由于單脈沖能量太小而導(dǎo)致去除率降低。綜合考慮激光去重效果和效率，優(yōu)化后激光去重的頻率為20kHz。

（2）振鏡掃描速度對去重效果的影響規(guī)律

振鏡掃描速度會(huì)影響光斑之間的搭接率，振鏡掃描速度越大，光斑搭接率越小。激光輸出功率為30W、頻率為20kHz時(shí)，研究了振鏡掃描速度分 別 為 500mm／s、 1000mm／s、 1500mm／s 和2000mm／s時(shí)的去重效果影響規(guī)律。

圖1 不同激光頻率去重后樣件表面的顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 Microphotograph of the samples after laser de-weight with various laser frequency

圖2為在采用不同振鏡掃描速度進(jìn)行去重后樣件表面的顯微鏡照片。由圖2可知，當(dāng)振鏡掃描速度為500mm／s時(shí)，去重盲孔底部的平整度較差，這可能是由于光斑搭接率過高、過度清洗造成的；當(dāng)振鏡掃描速度大于或等于1500mm／s時(shí)，去重盲孔底部開始出現(xiàn)條紋結(jié)構(gòu)，表面平整度也越來越差，這是由于振鏡掃描速度過快、光斑之間不能有效搭接而導(dǎo)致的盲孔底部表面不均勻；當(dāng)振鏡掃描速度為1000mm／s時(shí)，去重盲孔底部比較平整，故優(yōu)化后激光去重的振鏡掃描速度為1000mm／s。

圖2 經(jīng)不同振鏡掃描速度去重后樣件表面的顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Microphotograph of the samples after laser de-weight with various galvanometer scanning speed

2.2 激光參數(shù)對拋光效果的影響規(guī)律研究

（1）振鏡掃描速度對拋光效果的影響規(guī)律

采用優(yōu)化后的去重參數(shù)進(jìn)行去重，去重盲孔底部較為平整，但存在樣件氧化變色及殘留物存留等問題。針對激光去重后基材存在的氧化現(xiàn)象和殘留物存留現(xiàn)象，激光清洗技術(shù)可針對性地去除氧化層和殘留物，本文提出了對去重盲孔進(jìn)行激光二次拋光清洗以去除殘留物的方法，優(yōu)化了激光拋光的工藝參數(shù)。

在激光功率為15W、頻率為50kHz的條件下，研究了振鏡掃描速度分別為1000mm／s、1500mm／s和2000mm／s時(shí)的轉(zhuǎn)子基材拋光效果影響規(guī)律。

圖3為在采用不同振鏡掃描速度進(jìn)行拋光后樣件表面的顯微鏡照片。由圖3可知，拋光后的樣件均存在不同程度的氧化變黑現(xiàn)象。當(dāng)振鏡掃描速度為1000mm／s時(shí)，樣件表面的氧化變黑現(xiàn)象較為嚴(yán)重；當(dāng)振鏡掃描速度為2000mm／s時(shí)，樣件表面出現(xiàn)因搭接不足而產(chǎn)生的條紋；當(dāng)振鏡掃描速度為1500mm／s時(shí)，拋光后的樣件表面光滑，氧化變黑現(xiàn)象較少。故在轉(zhuǎn)子拋光過程中，優(yōu)化后的振鏡掃描速度為1500mm／s。

（2）激光功率對拋光效果的影響規(guī)律

在振鏡掃描速度為1500mm／s、激光頻率為50kHz的條件下，研究了激光功率分別為12W、15W和18W時(shí)的拋光效果影響規(guī)律。

圖4是經(jīng)不同激光功率拋光后樣件表面的顯微鏡照片。由圖4可知，當(dāng)激光功率為12W時(shí)，樣件表面顏色基本沒有變化，拋光后樣件表面平整光滑。從顯微鏡照片可觀察到樣件表面光斑照射處出現(xiàn)基材熔化后重新凝結(jié)而成的小坑，這是由于此時(shí)激光能量僅能使基材熔化，還不足以造成基材揮發(fā)、損傷，同時(shí)基材表面污染物已被去除干凈。隨著激光功率的增加，拋光表面開始出現(xiàn)氧化發(fā)黑現(xiàn)象，同時(shí)拋光后的表面開始出現(xiàn)毛刺等殘?jiān)?，這說明拋光失效。故優(yōu)化后激光功率為12W，振鏡掃描速度為1500mm／s，激光頻率為50kHz，可實(shí)現(xiàn)最好的拋光效果。

圖3 經(jīng)不同振鏡掃描速度拋光后樣件表面的顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Microphotograph of the samples after laser polishing with various galvanometer scanning speed

圖4 經(jīng)不同激光功率拋光后樣件表面的顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Microphotograph of the samples after laser polishing with various laser power

2.3 激光去重盲孔二次拋光效果研究

采用優(yōu)化后的激光去重參數(shù)（功率為30W，頻率為20kHz，振鏡掃描速度為1000mm／s）對轉(zhuǎn)子進(jìn)行盲孔去重，盲孔直徑為1.5mm。隨后，采用優(yōu)化后的拋光參數(shù)（激光功率為12W，頻率為50kHz，振鏡掃描速度為1500mm／s）對盲孔進(jìn)行拋光，拋光圓直徑為2mm。圖5（a）為拋光前盲孔表面SEM圖。由圖5（a）可知，激光去重盲孔表面布滿殘?jiān)?，不能滿足陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子的去重要求。圖5（b）為拋光后盲孔表面SEM圖。由圖5（b）可知，經(jīng)拋光后，去重盲孔表面的殘留物被清除干凈，盲孔底部和側(cè)壁平整光滑，盲孔表面光潔度與傳統(tǒng)鉆孔光潔度基本一致。激光打孔和二次拋光去重工藝已被成功應(yīng)用到了陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子的激光精密去重領(lǐng)域。

圖5 經(jīng)激光去重拋光前后盲孔表面的SEM圖Fig.5 SEM diagram of blind hole before and after laser de-weight polishing

3 結(jié)論

本文針對陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精密去重需求，開展了陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子激光去重技術(shù)研究。針對去重盲孔的殘?jiān)媪艉脱趸瘑栴}，提出了將激光打孔去重技術(shù)與激光二次拋光技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行殘?jiān)趸コ姆椒?，同時(shí)優(yōu)化了激光去重和二次拋光工藝。激光去重工藝宜采用較大功率激光、較小振鏡掃描速度，二次拋光工藝在去除殘?jiān)鼤r(shí)宜采用小功率激光。SEM測試表明，二次拋光后盲孔表面殘?jiān)?、氧化去除干凈，盲孔表面由基材熔化重新凝結(jié)而成。激光去重與二次拋光的結(jié)合工藝方法可滿足陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子對去重盲孔無殘留物、無氧化的要求。