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【原創】石英半球諧振子超精密加工技術現狀及發展建議

2018-03-30  智慧的源...

概述


半球諧振陀螺由半球諧振子、激勵罩、敏感基座三部分組成,均由高品質因數的熔融石英材料超精密加工而成,并在表面進行金屬化處理。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。其結構如圖1、圖2所示。


圖1 傳統半球諧振陀螺結構      圖2 新型半球諧振陀螺結構


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、位置精度和表面質量是影響半球諧振陀螺精度和性能的最關鍵因素。半球諧振子加工精度越高,越接近理想諧振子狀態,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,內外球同心度<0.5μm,表面粗糙度Ra<0.025μm,品質因數Q值高于107。異形球面半球諧振子的面形精度和內外球面同心度要求高,精度達亞微米級,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,常規球面光學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展的瓶頸。圖3為石英半球諧振子零件。


圖3  石英半球諧振子(鍍膜前后)



2.國內外研究現狀


2.1國外現狀

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,經歷了較長歷程,技術成熟,并在空間和導彈等高精度制導系統中得到成功應用,代表著半球諧振陀螺的世界先進水平。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、系統型號多樣化、系統應用多樣化、小體積與微型化、抗輻射等方向發展。半球諧振陀螺發展歷程參見圖4。


圖4 半球諧振陀螺發展歷程


半球諧振陀螺的基本理論由英國物理學家布萊恩于1890年提出。美國通用汽車公司的Boston實驗室在20世紀60年代中期對其數學推導進行了驗證,1982年通用汽車公司Delco系統工作部開發成功第一個HRG慣性導航系統。被利頓公司收購后(現屬于美國Northrop Grumman公司),HRG得到進一步發展。自1996年首次在NEAR衛星應用后,已超過100多套慣導系統成功應用在空間飛行器導航、戰術導彈導航、衛星姿態控制及深空探測等任務中,累計空間飛行2500萬小時無失效,任務成功率100%。半球諧振陀螺的高可靠性、長壽命和連續工作等特點得到了充分展示。圖5所示為美國Northrop Grumman公司生產的半球諧振陀螺。


    圖5  美國NorthropGrumman公司半球諧振陀螺


由于半球諧振陀螺的發展前景,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,零偏穩定性達到0.00035°/h。美國猶他大學還開展了微半球諧振陀螺(μHRG)研究,現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半球結構,半球殼體由SiO2材料制成,直徑500μm,品質因數20000,有望實現半球陀螺儀的批量生產,將大大降低制造成本,縮小體積。圖6為μHRG原理結構圖。


圖6 μHRG原理結構圖


俄羅斯在20世紀80年代開始對固體波動陀螺進行了系統的理論與試驗研究,在HRG結構設計、信號處理、調平技術等方面俄羅斯處于比較領先地位。近年來隨著俄羅斯航天工業的復蘇,又開始加緊半球諧振陀螺的研究,研制工作取得很大進展。俄羅斯拉明斯克儀器制造設計局早期研制直徑100mm的HRG,20世紀90年代又開發了直徑50mm的HRG,其隨機漂移達到0.005~0.01°/h,工作壽命為20萬小時,準備在武器裝備中使用。俄羅斯斯米亞斯梅吉科科研生產所開發了直徑 30mm的HRG,并具有獨特的諧振子調平技術,隨機漂移達到0.01°/h,成本比激光陀螺低5倍,將應用于石油勘探和鉆井領域。俄羅斯生產的半球諧振陀螺及組合見圖7。


圖7  俄羅斯半球諧振陀螺及組合


歐洲慣性導航系統制造集團的法國SAGEM防務公司致力于半球諧振陀螺技術研究,得到法國空間局和防御局的支持,生產的0.1~1.0°/h戰術級半球諧振陀螺在航空領域大量應用,優于0.01°/h的慣導級半球諧振陀螺將應用于通訊和地球觀測衛星等空間領域。圖8為SAGEM公司半球諧振子及半球諧振陀螺。


圖8  法國Sagem公司半球諧振子和半球諧振陀螺HRG


2.2國內現狀

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、南航等多家單位在追蹤國外半球諧振陀螺研究進展的基礎上,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、信號處理等進行了不同側重的研究,到90年代初期,國內HRG研究取得了一系列階段性成果,在理論研究和產品研制上都取得實質性進展。受1994 年美國利頓公司收購 Delco公司的影響,國內多數科研單位對半球諧振陀螺的發展產生疑問,相關研究工作處于停頓狀態。1997年后,由于長壽命空間領域任務需求,我國又加緊了HRG技術研究,力求盡快研究出中國的半球諧振陀螺。

航天科技集團公司13所于1990年開始HRG研究工作,1996年完成2只HRG樣機研制,并進行了相關測試。


圖9 航天13所研制的HRG樣機


中國電子科技集團公司26所,通過技術與人才引進,“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,目前主要開發直徑30mm的HRG。中電26所經過20多年的研究努力,現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備、鍍膜設備、調平設備和陀螺測試設備,在半球諧振子加工、化學拋光、離子束調平、電極鍍膜、真空封裝、靜電激勵、電容檢測、相位誤差控制等關鍵技術上取得突破,半球諧振子加工內外球同心度≤0.1μm,品質因數高于600萬,陀螺儀隨機漂移達到 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在實踐九號衛星上搭載試驗,成功驗證了其空間適應能力;2017年2月14日在我國通信技術試驗衛星二號上成功實現首次應用。


圖10  中電26所半球諧振子和姿態敏感器


航天科技集團公司803所2011年成立了研發團隊,歷經6年研制成功半球諧振陀螺組合,并于2017年2月14日實現在我國通信技術試驗衛星二號上正式在軌使用,實現了首飛成功。

此外,國內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、南京航空航天大學、東北大學、國防科技大學、長春理工大學、哈爾濱工程大學、重慶大學等從理論上對半球諧振子參數設計和振動模型、陀螺動態特性等問題進行了分析,哈爾濱工業大學等單位開展了半球諧振子超精密加工及裝備技術研究,均取得了一定成果。


表1  國內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

應用

NEAR、A2100、哈勃等

通訊衛星

戰術應用

通信試驗衛星二號

公司

Northrop Grumman

Medic

SAGEM

中電26所




3.半球諧振子加工工藝分析



石英諧振子形狀復雜,加工難度非常大,國內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,很少有公開文獻報道,因此對半球諧振子制造工藝的分析不一定準確,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、化學腐蝕、質量調平、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外球面。由于半球諧振子零件中心帶有支撐桿,形狀復雜,金剛石砂輪需要設計成特殊的圓筒形,避免加工中與支撐桿產生干涉,圖11為國外諧振子銑磨成型工藝方法。


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

近年來隨著技術發展,超聲振動輔助磨削技術已成為復雜結構硬脆光學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、降低磨削區溫度、減輕工件的變形與表面損傷,從而實現高效率、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,使用電鍍或固結磨料的小球頭金剛石砂輪,在超聲振動復合加工中心上,按照編程好的球面軌跡進行加工成型。

(1)  精密磨削

在高精度坐標磨床上,使用固結磨粒金剛石小球頭砂輪,進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等工藝問題,此外為保證半球諧振子內外球面同心度等形狀和位置加工精度的要求,應一次裝夾完成各關鍵部位的加工。加工示意圖見圖12所示。


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和壓力特性,以及相對運動軌跡等因素決定,是一種進化加工方法,材料表面微量去除,能夠進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,減小加工表面變質層。

(2)  化學腐蝕

石英諧振子經過磨削、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層,對諧振子鍍膜、品質因數和頻差等產生嚴重影響。石英諧振子采用氫氟酸化學腐蝕工藝,消除機械加工表面缺陷。

(3)  質量調平

為滿足石英諧振子的頻差要求,提高陀螺儀精度,需通過調平工藝去除諧振子表面多余質量,補償球面殼體的非均勻性偏差,盡量達到理想諧振子狀態。諧振子質量調平工藝主要有:機械去重調平、激光去重調平、化學腐蝕和離子束刻蝕調平。離子束刻蝕調平方法,為原子量級無應力去除,調平精度高,對材料表面和深層結構影響小,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因數Q值要求,需提高鍍膜層均勻性(膜層均勻性優于3%),降低膜層殘余應力,此外還要滿足膜層電阻率要求。


圖13 諧振子表面磁控濺射鍍膜




4.發展建議



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越的特性和廣闊應用前景。目前,我國半球諧振陀螺研究尚處于探索階段,與國外先進水平差距還很大,我們應把握慣性技術發展機遇,加大研發投入,加強自主創新,密切設計與工藝結合,集智攻關,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

超聲振動輔助磨削加工技術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,提高加工表面質量,減小表面破壞層深度,需進一步開展超聲振動輔助磨削加工機理研究,優化工藝參數,抑制低剛度薄壁構件加工諧振,解決金剛石微粉砂輪在位修整等技術難題。

(2)  半球諧振子超精密加工技術

具有薄壁、異形復雜結構的半球諧振子,尺寸精度、面形精度、球心位置精度、表面微觀質量等要求很高,加工難度很大。通過學習借鑒國內外加工經驗,充分利用現有研究基礎,抓緊研究開展小磨頭精密保形磨削加工技術、范成法超精密磨削加工技術,以及磁流變、高能束等超精密研拋技術,依靠自主創新,突破技術瓶頸,形成滿足半球諧振子設計要求的超精密加工技術和工藝裝備成果,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

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

(4)   半球諧振子超精密檢測技術

超精密計量檢測不僅是超精密加工的基礎,也是零件質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、整體或部分球面的超精密檢測技術和超精密檢測裝備(球面尺寸、球度偏差、球心位置度、球殼壁厚一致性等)、諧振子質量不平衡的超精密測試技術等。

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