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【兆恒機械】石英半球諧振子超精密加工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議

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  • 添加日期:2021年06月26日

半球諧振陀螺由半球諧振子、激勵罩、敏感基座三部分組成,均由高品質(zhì)因數(shù)的熔融石英材料超精密加工而成,并在表面進(jìn)行金屬化處理。將半球諧振子、靜電激勵罩、敏感基座精密裝配焊接在一起,密封在一個高真空的容器中,形成一個完整而獨立的角度或角速度傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。


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圖1 傳統(tǒng)半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)      圖2 新型半球諧振陀螺結(jié)構(gòu)


半球諧振子作為陀螺的敏感部件,是半球諧振陀螺的核心,其加工面形精度、位置精度和表面質(zhì)量是影響半球諧振陀螺精度和性能的最關(guān)鍵因素。半球諧振子加工精度越高,越接近理想諧振子狀態(tài),陀螺精度越高。半球諧振子材料為熔融石英材料,形狀為帶有中心支撐桿的半球形薄壁殼體,直徑一般為φ15~60mm,壁厚一般為0.3~1.1mm,面形精度<0.5μm,內(nèi)外球同心度<0.5μm,表面粗糙度Ra<0.025μm,品質(zhì)因數(shù)Q值高于107。異形球面半球諧振子的面形精度和內(nèi)外球面同心度要求高,精度達(dá)亞微米級,且由于石英玻璃材料硬脆,加工易崩邊、裂紋、碎裂,加工工藝特殊,常規(guī)球面光學(xué)元件加工方法不能適用,合格率很低,加工難度很大,一直以來都是制約半球諧振陀螺發(fā)展的瓶頸。圖3為石英半球諧振子零件。


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圖3  石英半球諧振子(鍍膜前后)



2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀


2.1國外現(xiàn)狀

國外從事半球諧振陀螺研究主要集中在美國、俄羅斯和法國。美國是最早研制半球諧振陀螺的國家,經(jīng)歷了較長歷程,技術(shù)成熟,并在空間和導(dǎo)彈等高精度制導(dǎo)系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用,代表著半球諧振陀螺的世界先進(jìn)水平。俄羅斯、法國、英國、日本等國家也先后投入力量開展研究,俄羅斯、法國已取得明顯效果,其他國家基本處于探索階段。目前,半球諧振陀螺正朝著高精度、系統(tǒng)型號多樣化、系統(tǒng)應(yīng)用多樣化、小體積與微型化、抗輻射等方向發(fā)展。半球諧振陀螺發(fā)展歷程參見圖4。


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圖4 半球諧振陀螺發(fā)展歷程


半球諧振陀螺的基本理論由英國物理學(xué)家布萊恩于1890年提出。美國通用汽車公司的Boston實驗室在20世紀(jì)60年代中期對其數(shù)學(xué)推導(dǎo)進(jìn)行了驗證,1982年通用汽車公司Delco系統(tǒng)工作部開發(fā)成功第一個HRG慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。被利頓公司收購后(現(xiàn)屬于美國Northrop Grumman公司),HRG得到進(jìn)一步發(fā)展。自1996年首次在NEAR衛(wèi)星應(yīng)用后,已超過100多套慣導(dǎo)系統(tǒng)成功應(yīng)用在空間飛行器導(dǎo)航、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈導(dǎo)航、衛(wèi)星姿態(tài)控制及深空探測等任務(wù)中,累計空間飛行2500萬小時無失效,任務(wù)成功率100%。半球諧振陀螺的高可靠性、長壽命和連續(xù)工作等特點得到了充分展示。圖5所示為美國Northrop Grumman公司生產(chǎn)的半球諧振陀螺。


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    圖5  美國NorthropGrumman公司半球諧振陀螺


由于半球諧振陀螺的發(fā)展前景,美國正在大力研制新一代微型化HRG的研究。Northrop Grumman公司2012年研制的新一代微型半球諧振陀螺儀(mHRG),直徑35mm,重量113.4g,零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.00035°/h。美國猶他大學(xué)還開展了微半球諧振陀螺(μHRG)研究,現(xiàn)處于實驗室研究階段。μHRG利用MEMS制造工藝制作帶集成電極的3D半球結(jié)構(gòu),半球殼體由SiO2材料制成,直徑500μm,品質(zhì)因數(shù)20000,有望實現(xiàn)半球陀螺儀的批量生產(chǎn),將大大降低制造成本,縮小體積。圖6為μHRG原理結(jié)構(gòu)圖。


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圖6 μHRG原理結(jié)構(gòu)圖


俄羅斯在20世紀(jì)80年代開始對固體波動陀螺進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與試驗研究,在HRG結(jié)構(gòu)設(shè)計、信號處理、調(diào)平技術(shù)等方面俄羅斯處于比較領(lǐng)先地位。近年來隨著俄羅斯航天工業(yè)的復(fù)蘇,又開始加緊半球諧振陀螺的研究,研制工作取得很大進(jìn)展。俄羅斯拉明斯克儀器制造設(shè)計局早期研制直徑100mm的HRG,20世紀(jì)90年代又開發(fā)了直徑50mm的HRG,其隨機漂移達(dá)到0.005~0.01°/h,工作壽命為20萬小時,準(zhǔn)備在武器裝備中使用。俄羅斯斯米亞斯梅吉科科研生產(chǎn)所開發(fā)了直徑 30mm的HRG,并具有獨特的諧振子調(diào)平技術(shù),隨機漂移達(dá)到0.01°/h,成本比激光陀螺低5倍,將應(yīng)用于石油勘探和鉆井領(lǐng)域。俄羅斯生產(chǎn)的半球諧振陀螺及組合見圖7。


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圖7  俄羅斯半球諧振陀螺及組合


歐洲慣性導(dǎo)航系統(tǒng)制造集團(tuán)的法國SAGEM防務(wù)公司致力于半球諧振陀螺技術(shù)研究,得到法國空間局和防御局的支持,生產(chǎn)的0.1~1.0°/h戰(zhàn)術(shù)級半球諧振陀螺在航空領(lǐng)域大量應(yīng)用,優(yōu)于0.01°/h的慣導(dǎo)級半球諧振陀螺將應(yīng)用于通訊和地球觀測衛(wèi)星等空間領(lǐng)域。圖8為SAGEM公司半球諧振子及半球諧振陀螺。


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圖8  法國Sagem公司半球諧振子和半球諧振陀螺HRG


2.2國內(nèi)現(xiàn)狀

我國對半球諧振陀螺的研究始于1987年,航天13所、兵器205所、中電26所,以及北航、東北大學(xué)、南航等多家單位在追蹤國外半球諧振陀螺研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,組織科研力量積極開展半球諧振陀螺研究,對半球諧振陀螺理論、加工技術(shù)、信號處理等進(jìn)行了不同側(cè)重的研究,到90年代初期,國內(nèi)HRG研究取得了一系列階段性成果,在理論研究和產(chǎn)品研制上都取得實質(zhì)性進(jìn)展。受1994 年美國利頓公司收購 Delco公司的影響,國內(nèi)多數(shù)科研單位對半球諧振陀螺的發(fā)展產(chǎn)生疑問,相關(guān)研究工作處于停頓狀態(tài)。1997年后,由于長壽命空間領(lǐng)域任務(wù)需求,我國又加緊了HRG技術(shù)研究,力求盡快研究出中國的半球諧振陀螺。

航天科技集團(tuán)公司13所于1990年開始HRG研究工作,1996年完成2只HRG樣機研制,并進(jìn)行了相關(guān)測試。


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圖9 航天13所研制的HRG樣機


中國電子科技集團(tuán)公司26所,通過技術(shù)與人才引進(jìn),“十五”期間,在直徑60mm的HRG制作工藝上取得突破,研制成功高性能樣機,目前主要開發(fā)直徑30mm的HRG。中電26所經(jīng)過20多年的研究努力,現(xiàn)已建成一條半球諧振陀螺研制線,擁有高精度加工和檢測設(shè)備、鍍膜設(shè)備、調(diào)平設(shè)備和陀螺測試設(shè)備,在半球諧振子加工、化學(xué)拋光、離子束調(diào)平、電極鍍膜、真空封裝、靜電激勵、電容檢測、相位誤差控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破,半球諧振子加工內(nèi)外球同心度≤0.1μm,品質(zhì)因數(shù)高于600萬,陀螺儀隨機漂移達(dá)到 10-3 °/h量級,正在向10-4 °/h量級努力。2013年8月21日,中電26所研制的HRG在實踐九號衛(wèi)星上搭載試驗,成功驗證了其空間適應(yīng)能力;2017年2月14日在我國通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號上成功實現(xiàn)首次應(yīng)用。


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圖10  中電26所半球諧振子和姿態(tài)敏感器


航天科技集團(tuán)公司803所2011年成立了研發(fā)團(tuán)隊,歷經(jīng)6年研制成功半球諧振陀螺組合,并于2017年2月14日實現(xiàn)在我國通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號上正式在軌使用,實現(xiàn)了首飛成功。

此外,國內(nèi)部分高校也開展了半球諧振陀螺理論和加工方法研究。其中,北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)、國防科技大學(xué)、長春理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、重慶大學(xué)等從理論上對半球諧振子參數(shù)設(shè)計和振動模型、陀螺動態(tài)特性等問題進(jìn)行了分析,哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位開展了半球諧振子超精密加工及裝備技術(shù)研究,均取得了一定成果。


表1  國內(nèi)外半球諧振陀螺性能對比

國家

美國

俄羅斯

法國

中國

零偏穩(wěn)定性(0/h

0.005~0.0005

0.005~0.01

0.01~0.1

10-3量級

工作壽命(年)

15

>7

>7

應(yīng)用

NEAR、A2100、哈勃等

通訊衛(wèi)星

戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用

通信試驗衛(wèi)星二號

公司

Northrop Grumman

Medic

SAGEM

中電26所




3.半球諧振子加工工藝分析



石英諧振子形狀復(fù)雜,加工難度非常大,國內(nèi)外的研究單位對諧振子制造工藝,特別是諧振子超精密加工工藝采取了高度保密措施,很少有公開文獻(xiàn)報道,因此對半球諧振子制造工藝的分析不一定準(zhǔn)確,僅供參考。

半球諧振子零件制造過程主要包括:毛坯成型、精密磨削、研磨拋光、化學(xué)腐蝕、質(zhì)量調(diào)平、表面鍍膜等。

(1)  毛坯成型:

1)  球面銑磨成型

針對硬脆材料石英玻璃,使用固結(jié)磨粒金剛石砂輪,采用范成法球面銑磨原理,在機床上加工成型半球諧振子的內(nèi)外球面。由于半球諧振子零件中心帶有支撐桿,形狀復(fù)雜,金剛石砂輪需要設(shè)計成特殊的圓筒形,避免加工中與支撐桿產(chǎn)生干涉,圖11為國外諧振子銑磨成型工藝方法。


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圖11 半球諧振子球面銑磨成型二種工藝方法


1)  超聲振動磨削成型

近年來隨著技術(shù)發(fā)展,超聲振動輔助磨削技術(shù)已成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)硬脆光學(xué)材料加工的有效和成熟工藝方法。超聲振動輔助磨削加工是將超聲振動施加于旋轉(zhuǎn)的磨削工具上,在超聲振動的高頻侵蝕與空化雙重作用下,使加工區(qū)的材料得到弱化,并可有效抑制砂輪堵塞,顯著減小磨削力、降低磨削區(qū)溫度、減輕工件的變形與表面損傷,從而實現(xiàn)高效率、高精度、低損傷的材料去除。與普通磨削加工方法相比,超聲振動輔助磨削加工效率可提高5~10倍,加工表面質(zhì)量提高30%~50%。

半球諧振子超聲振動輔助磨削加工,使用電鍍或固結(jié)磨料的小球頭金剛石砂輪,在超聲振動復(fù)合加工中心上,按照編程好的球面軌跡進(jìn)行加工成型。

(1)  精密磨削

在高精度坐標(biāo)磨床上,使用固結(jié)磨粒金剛石小球頭砂輪,進(jìn)行點接觸磨削精密加工,減小毛坯成型加工中形成的表面破壞層(凸凹層和裂紋層)。為提高加工面形精度和表面質(zhì)量,一般使用微粉級粒度的金剛石砂輪,因此必須解決金剛石砂輪在位修整和修銳、砂輪對刀和磨損補償?shù)裙に噯栴},此外為保證半球諧振子內(nèi)外球面同心度等形狀和位置加工精度的要求,應(yīng)一次裝夾完成各關(guān)鍵部位的加工。加工示意圖見圖12所示。


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圖12 半球諧振子精密磨削加工


(1)  研磨拋光

針對石英材料一般使用剛玉、氧化鈰等散粒磨料進(jìn)行研磨拋光。研磨拋光加工精度主要由工件與研具間的接觸性質(zhì)和壓力特性,以及相對運動軌跡等因素決定,是一種進(jìn)化加工方法,材料表面微量去除,能夠進(jìn)一步提高半球諧振子零件的尺寸精度、面形精度和部分位置精度,降低表面粗糙度值,減小加工表面變質(zhì)層。

(2)  化學(xué)腐蝕

石英諧振子經(jīng)過磨削、研磨拋光等機械加工后,諧振子表面仍然存在著一定深度的加工變質(zhì)層,對諧振子鍍膜、品質(zhì)因數(shù)和頻差等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。石英諧振子采用氫氟酸化學(xué)腐蝕工藝,消除機械加工表面缺陷。

(3)  質(zhì)量調(diào)平

為滿足石英諧振子的頻差要求,提高陀螺儀精度,需通過調(diào)平工藝去除諧振子表面多余質(zhì)量,補償球面殼體的非均勻性偏差,盡量達(dá)到理想諧振子狀態(tài)。諧振子質(zhì)量調(diào)平工藝主要有:機械去重調(diào)平、激光去重調(diào)平、化學(xué)腐蝕和離子束刻蝕調(diào)平。離子束刻蝕調(diào)平方法,為原子量級無應(yīng)力去除,調(diào)平精度高,對材料表面和深層結(jié)構(gòu)影響小,被普遍采用。

(4)  表面鍍膜

石英諧振子表面使用磁控濺射等工藝方法鍍鉻膜和金膜。為保證石英諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q值要求,需提高鍍膜層均勻性(膜層均勻性優(yōu)于3%),降低膜層殘余應(yīng)力,此外還要滿足膜層電阻率要求。


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圖13 諧振子表面磁控濺射鍍膜




4.發(fā)展建議



作為一種新型高精度、高可靠性陀螺,半球諧振陀螺具有非常優(yōu)越的特性和廣闊應(yīng)用前景。目前,我國半球諧振陀螺研究尚處于探索階段,與國外先進(jìn)水平差距還很大,我們應(yīng)把握慣性技術(shù)發(fā)展機遇,加大研發(fā)投入,加強自主創(chuàng)新,密切設(shè)計與工藝結(jié)合,集智攻關(guān),研究突破石英半球諧振子超精密加工等精密制造瓶頸難題,加快工程化研究步伐,將我國半球諧振陀螺研制和應(yīng)用水平提升到一個新高度。建議開展重點研究工作如下:

(1)  半球諧振子超聲振動銑磨成型技術(shù)

超聲振動輔助磨削加工技術(shù)非常適用于石英半球諧振子的精密成型加工。為避免薄壁件加工過程中局部材料崩裂,提高加工表面質(zhì)量,減小表面破壞層深度,需進(jìn)一步開展超聲振動輔助磨削加工機理研究,優(yōu)化工藝參數(shù),抑制低剛度薄壁構(gòu)件加工諧振,解決金剛石微粉砂輪在位修整等技術(shù)難題。

(2)  半球諧振子超精密加工技術(shù)

具有薄壁、異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的半球諧振子,尺寸精度、面形精度、球心位置精度、表面微觀質(zhì)量等要求很高,加工難度很大。通過學(xué)習(xí)借鑒國內(nèi)外加工經(jīng)驗,充分利用現(xiàn)有研究基礎(chǔ),抓緊研究開展小磨頭精密保形磨削加工技術(shù)、范成法超精密磨削加工技術(shù),以及磁流變、高能束等超精密研拋技術(shù),依靠自主創(chuàng)新,突破技術(shù)瓶頸,形成滿足半球諧振子設(shè)計要求的超精密加工技術(shù)和工藝裝備成果,為半球諧振陀螺研制提供工藝支撐和儲備。

(3)石英材料加工表面缺陷檢測與消除技術(shù)

石英玻璃為典型硬脆難加工材料,機械加工產(chǎn)生的微裂紋等表面缺陷,對半球諧振子品質(zhì)因數(shù)、陀螺儀精度和性能有很大影響。為了指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化,檢驗零件加工質(zhì)量,應(yīng)研究石英玻璃微裂紋、損傷等表面缺陷的無損檢測技術(shù),開展化學(xué)腐蝕液配方和工藝參數(shù)優(yōu)化研究,以及微加工表面變質(zhì)層缺陷的超精密研拋先進(jìn)工藝方法,提高半球諧振子微觀表面形貌質(zhì)量。

(4)   半球諧振子超精密檢測技術(shù)

超精密計量檢測不僅是超精密加工的基礎(chǔ),也是零件質(zhì)量檢查控制的重要手段。急需研究開展諧振子在線/在位精密檢測技術(shù)、整體或部分球面的超精密檢測技術(shù)和超精密檢測裝備(球面尺寸、球度偏差、球心位置度、球殼壁厚一致性等)、諧振子質(zhì)量不平衡的超精密測試技術(shù)等。