CN109483394A - 半球谐振子超精密球面加工装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
半球谐振子超精密球面加工装置及加工方法，包括有半球谐振子内球面超精密加工装置、半球谐振子内球面超精密加工装置、半球谐振子灌封方法和相关装置、球壳口倒内球面角装置、外球面倒角示装置、内球面倒角示装置、支撑杆自适应弹性磨头装置加工方法包括有以下步骤：步骤1、精密球面加工方法；步骤2、各类参数组合序列方法；步骤3、精密球面加工磨头设计方法及与研磨剂材质和粒度的控制方法；步骤4、微应力球面精密加工的弹性加载力的控制方法；步骤5、半球谐振子灌封方法；步骤6、半球谐振子精密测量方法，包括有真球度测量方法和同轴测量方法；步骤7、球壳口倒角、支撑杆R倒圆方法；步骤8、支撑杆自适应弹性磨头使用方法。
Description
技术领域
本发明属于熔融石英玻璃球壳形超薄壁零件超精密加工技术领域，涉及加工原理，微应力加工方法和相关装置，具体而言，是一种半球谐振子超精密球面加工装置及加工方法。
背景技术
半球谐振陀螺是当代最具发展前景的陀螺，具有替代现代光纤陀螺、激光陀螺、静电陀螺、三浮陀螺的趋势，美国、法国、俄罗斯已率先应用到现代航天、航空、航海、兵器和现代交通工具上了。半球谐振子为熔融石英玻璃薄壁超精密球壳零件，半球谐振子球面超精密加工技术是半球谐振陀螺(HRG)的最关键技术之一。这种半球谐振陀螺工作的前题是谐振子以一定的频率做持续振动使半球谐振子球壳边缘形成四波幅图案，因此是半球谐振陀螺(HRG)的核心和敏感部件，其加工精度和振动特性直接影响半球谐振陀螺(HRG)的性能。
由于半球谐振子材料为熔融石英玻璃材料，这是一种硬而脆的材料，而且半球谐振子形状为薄壁半球壳形，尺寸精密度要求极高，因此加工难度很大。目前我国在半球谐振子的加工精度上和国外存在着较大的差距，不能满足半球陀螺的精度要求：依据误差数学模型计算，其精度要求为谐振子真球度≤0.1μm，表面粗糙度Ra≤0.01μm；内外球壳球面对中心支撑的同轴度≤1.5μm；球壳壁厚不均匀度≤0.5μm；属于亚微米级精度，是我国重点技术攻关项目。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种半球谐振子超精密球面加工装置及加工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：半球谐振子超精密球面加工装置，包括有半球谐振子内球面超精密加工装置、半球谐振子内球面超精密加工装置、半球谐振子灌封方法和相关装置、球壳口倒内球面角装置、外球面倒角示装置、内球面倒角示装置、支撑杆自适应弹性磨头装置。
半球谐振子超精密球面的加工方法，包括有以下步骤：步骤1、精密球面加工方法；步骤2、各类参数组合序列方法；步骤3、精密球面加工磨头设计方法及与研磨剂材质和粒度的控制方法；步骤4、微应力球面精密加工的弹性加载力的控制方法；步骤5、半球谐振子灌封方法；步骤6、半球谐振子精密测量方法，包括有真球度测量方法和同轴测量方法；步骤7、球壳口倒角、支撑杆R倒圆方法；步骤8、支撑杆自适应弹性磨头使用方法。
本发明和现有技术相比，其优点在于：
1、本发明相对一般球面精密加工，超精密加工精度高，达到亚微米级，目前已做到熔融石英玻璃球壳壁0.85mm；球壳壁厚不均匀度≤0.5μm；球壳内外球面圆度≤0.1μm；表面粗糙度≤0.01μm；对支撑杆的同轴度≤1.5μm。
一般球面精密球面研磨大都采用成型法技术，即用同样大小尺寸的球头研磨凹球面，用同样熊尺寸的球碗研磨凸球面，此研具俗称球托，球面磨头按余弦规律磨削去量，优点是效率高，缺点是应力大，需要用大量的球头、球碗研具，一般研磨一个高精度的球面需要几十个研具，研具还要经常修复，加工成本极高，极易脆裂，对于薄壁球面零件极易产生弹性、塑性变形，精度难以保证。和光学透镜加工用球面研磨机向比较，由于此类球面研磨机采用了近似球面摇摆法，不具备范成法原理，球面极易塌边，但在光学透镜修边工序中，可将球面塌边部分去掉，目前，在光学透镜球面加工中还在采用，但在半球谐振子精密加工中是不适用的，一是精度不高，二是不允许修边。
范成法球面弹性展成原理超精密球面加工，用少量的研具可以成批量的研磨出高精度球面，极大地减小了研磨加工成本。半球谐振子为熔融石英玻璃薄壳结构，材料硬脆，极易脆裂，范成法弹性自动跟踪球面展成原理超精密球面加工的特点是可以控制加工应力，可以做到微应力超精密加工(最佳加载力为粗磨为5N，精磨压力为1N，超精磨压力为0.5N)。半球谐振子精度为亚微米级，加工精度高，球面圆度可达到0.1μm，表面粗糙度不大于0.01μm，这也正是范成法球面展成原理超精密球面加工的突出特点。
2、本发明在先进的加工原理的基础上，为了保证超精密加工精度，提出了确实可行的最佳工艺参数组合序列保证了高精度和工艺稳定性；提出了精度与磨头口部最佳直径关系、精度与研磨剂材质和粒度的关系，保证了超精密球面加工精度；主研制了专门的灌封材料，用专门的灌封装置和灌封材料灌封后，提高了半球谐振子的刚度，保证了超精密球面加工精度；研制了专门的半球谐振子支撑杆自适应弹性磨头装置，用于精密研磨半球谐振子支撑杆，保证了支撑杆加工精度，锁紧力自动跟随支撑杆尺寸变化，不需要更换多个尺寸大小的磨头，极大地提高了加工效率，节约了加工成本。采用了用多个截面测量圆度的方法，评价真球度；从如何建立测量基准的思路出发，遵循设计基准、加工基准、测量基准原则，解决了同轴度精密测量问题；支撑杆R倒圆工艺和装备；在国内首先提出了在保证球壳精度的条件下球壳口部倒成球面角是最有效的去应力方法，实现了微应力加工和应力去除。在国内首先提供了完整的成套超精密球面加工方法，目前，用此成套工艺已经超精密加工出了合格的熔融石英玻璃半球谐振子。在国内未见到有关半球谐振子超精密加工的报道和实际零件。
3、本发明依据半球谐振子的特殊性能，从最终用户使用要求出发，除必须保证高精度外，在半球谐振子超精密加工工艺研究中在国内首先提出了半球谐振子微应力加工方法，并实现了微加载力、去应力最佳倒角等加工方法，确保了半球谐振子的高品质因数Q值。到目前为止，未见到关于熔融石英玻璃微应力精密加工的报道。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明半球谐振子内外球面超精密加工方法示意图；
图2为本发明半球谐振子内外球面超精密加工方法示意图；
图3为本发明半球谐振子内外球面超精密加工方法示意图；
图4为本发明半球谐振子内外球面超精密加工方法示意图；
图5为本发明半球谐振子内外球面超精密加工方法示意图；
图6为本发明半球谐振子内外球面超精密加工方法示意图；
图7为本发明磨头设计的圆筒口部尺寸d与球壳球径Φ比例示意图；
图8为本发明半球谐振子灌封示意图；
图9为本发明半球谐振子真球度测试方法示意图；
图10为本发明半球谐振子同轴度测量方法示意图；
图11为本发明球壳口导内球面角装置；
图12为本发明球壳口导外球面角装置；
图13为本发明外球面倒角示装置；
图14为本发明内球面倒角示装置图；
图15为本发明支撑杆的超精密加工示意。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
半球谐振子超精密球面加工装置，包括有半球谐振子内球面超精密加工装置、半球谐振子内球面超精密加工装置、半球谐振子灌封方法和相关装置、球壳口倒内球面角装置、外球面倒角示装置、内球面倒角示装置、支撑杆自适应弹性磨头装置。
半球谐振子内球面超精密加工装置，包括有磨头支架1-1、定位销钉1-2、研磨头1-3、半球谐振子1-4、锁紧螺钉1-5、主轴工装1-6；其中，所述磨头支架1-1的两侧经由定位销钉1-2固定有研磨头1-3，所述磨头支架1-1、定位销钉1-2和研磨头1-3三者组成内球面磨头组件；主轴工装1-6经由锁紧螺钉1-5将半球谐振子1-4的底部锁紧；所述内球面磨头组件对半球谐振子1-4进行内球面超精密加工。
半球谐振子内球面超精密加工装置，包括有磨头支架2-1、定位销钉2-2、研磨头2-3、半球谐振子2-4、锁紧螺钉2-5、主轴工装2-6；其中，磨头支架2-1的两侧经由定位销钉2-2固定有研磨头2-3，所述磨头支架2-1、定位销钉2-2和研磨头2-3组成内球面磨头组件；主轴工装2-6的顶部经由锁紧螺钉2-5锁紧固定有半球谐振子2-4；所述内球面磨头组件对半球谐振子2-4进行内球面超精密加工。
半球谐振子灌封方法和相关装置，包括有内球面磨头支架4-1、灌封材料4-2、工件半球谐振子4-3、灌封杯4-4、主轴夹头4-5；其中，主轴夹头4-5夹紧灌封杯4-4，内球面磨头支架4-1的底部固定有工件半球谐振子4-3，工件半球谐振子4-3的底部位于灌封杯4-4的底部；工件半球谐振子4-3和灌封杯4-4之间灌封有灌封材料4-2。
球壳口倒内球面角装置，包括有主轴卡头6-1、外球面灌封支架6-2、半球谐振子6-3、灌封材料6-4、内球面倒角磨头6-5、半球谐振子6-6、内球面灌封材料6-7、外球面角球壳口倒角磨头6-8；半球谐振子6-5灌封方法和相关装置的方法灌封外球面后，将灌封好的组件放置到内球面倒角磨头6-5上，并以弹性加载力F2、倒内球面角摆动角度γ2、倒内球面角角速度α2、主轴角速度β2方法参数运行；为了保证最有效的去除应力，在各粗、精、超精加工工序中都需要倒角，实现了微应力加工和应力去除。
外球面倒角示装置，包括有研磨棒7-7、半球谐振子7-8、主轴卡7-9头、主轴角速度α1、研磨棒位移X、研磨棒自转角速度β1；所述主轴卡头7-9与水平面成50°仰角，主轴卡头7-9加持半球谐振子7-8，以主轴角速度α1旋转，研磨棒7-7搭载在半球谐振子7-8的外球面圆角处，研磨棒7-7以角速度β旋转并沿位移X方向往复移动，形成角接触滚珠轴承内圈滚道运动轨迹，达到外球面精密倒圆精度。
内球面倒角示装置，包括有内球面倒圆支架7-6、内倒圆球头杆7-5、内倒圆主轴卡头7-4、灌封材料7-3、灌封支架7-2、半球谐振子7-1；所述半球谐振子7-1被灌封材料 7-3封装在灌封支架7-2中，灌封支架7-2加持在内倒圆主轴卡头7-4中并以主轴角速度α1旋转，两个内倒圆球头杆7-5以40°夹角对称的安装在内球面倒圆支架7-6上，在加载力F1的作用下搭载在内球面的圆角处，并以内倒圆球头杆摆动角度γ1前后摆动，形成角接触滚珠轴承内圈滚道运动轨迹，达到内球面精密倒圆精度。
支撑杆自适应弹性磨头装置，包括有拉力调节螺钉8-1、加载支架8-2、拉力弹簧8-3、弹簧拉杆8-4、弹性磨头8-5、半球谐振子8-6和主轴夹头8-7；所述主轴夹头8-7 加持工件半球谐振子8-6并以主轴角速度α1旋转；拉力调节螺钉8-1安装在加载支架 8-2上并挂有拉力弹簧8-3，转动拉力调节螺钉1可以调节拉力弹簧8-3的弹簧拉力，拉力弹簧8-3另一头挂在弹簧拉杆8-4上弹簧拉杆，8-4安装在弹性磨头8-5内，在拉力弹簧8-3的弹性拉力作用下，使弹性磨头8-5垂直向上运动，在拉力弹簧8-3的弹性拉力作用下弹性磨头8-5的下端部在加载支架8-2内受到锁紧力F，使弹性磨头8-5的弹性内孔表面始终抱紧半球谐振子8-6的支撑杆圆柱面，在加载支架8-2垂直上下位移的直线运动条件下，形成圆柱面运动轨迹。
半球谐振子超精密球面的加工方法，包括有以下步骤：
步骤1、精密球面加工方法：
半球谐振子内球面超精密加工装置，包括有磨头支架1-1、定位销钉1-2、研磨头1-3、半球谐振子1-4、锁紧螺钉1-5、主轴工装1-6；其中，所述磨头支架1-1的两侧经由定位销钉1-2固定有研磨头1-3，所述磨头支架1-1、定位销钉1-2和研磨头1-3三者组成内球面磨头组件；主轴工装1-6经由锁紧螺钉1-5将半球谐振子1-4的底部锁紧；所述内球面磨头组件对半球谐振子1-4进行内球面超精密加工。
图1-图3中，各部件分别为磨头支架1-1、定位销钉1-2、研磨头1-3、半球谐振子 1-4、锁紧螺钉1-5、主轴工装1-6、主轴角速度α、研磨头角速度β、摆动角幅度γ、弹性加载力F。
范成法是指模拟球面运动轨迹，弹性自动跟踪球面展成是指在弹性力作用下保证球面展成的一致性，即精度稳定性。研磨头1-3为一圆筒形结构，当研磨头1-3的圆筒口部与内球面接触时，接触面为一圆，在研磨加工时，在磨粒的作用下，圆逐渐被研磨为一个球面圆环，球面圆环即为内球面上的一个微分球面圆环，在主轴角速度α、研磨头角速度β、摆动角幅度γ三个运动方式驱动下，在始终指向球心的弹性加载力F的作用下，磨头按照球面运动轨迹运动，实现了范成法超精密球面展成原理。
图1-图3中的磨头支架1-1、定位销钉1-2、研磨头1-3三者组成了内球面磨头组件，由于半球谐振子1-4的特殊机构，在磨头组件以摆动角幅度γ摆动时，必须避让半球谐振子1-4的支撑杆，经过反复试验，最后将磨头组件设计成如图1中帽盖特殊结构，实现了范成法弹性自动跟踪球面展成原理超精密加工。
半球谐振子内球面超精密加工装置，包括有磨头支架2-1、定位销钉2-2、研磨头2-3、半球谐振子2-4、锁紧螺钉2-5、主轴工装2-6；其中，磨头支架2-1的两侧经由定位销钉2-2固定有研磨头2-3，所述磨头支架2-1、定位销钉2-2和研磨头2-3组成内球面磨头组件；主轴工装2-6的顶部经由锁紧螺钉2-5锁紧固定有半球谐振子2-4；所述内球面磨头组件对半球谐振子2-4进行内球面超精密加工。
图4-图6为半球谐振子外球面超精密加工方法示意图。图2中各部件分别为磨头支架2-1、定位销钉2-2、研磨头2-3、半球谐振子2-4、锁紧螺钉2-5、主轴工装2-6、主轴角速度α、研磨头角速度β、摆动角幅度γ、弹性加载力F。
图4-图6中的磨头支架2-1、定位销钉2-2、研磨头2-3三者组成了内球面磨头组件，由于半球谐振子2-4的特殊机构，在磨头组件以摆动角幅度γ摆动时，必须避让半球谐振子2-4的支撑杆，经过反复试验，最后将磨头组件设计成如图2中提篮特殊结构，实现了范成法弹性自动跟踪球面展成原理超精密加工。
步骤2、各类参数组合序列方法
为了保证超精密加工精度，通过创建精密加工误差数学模型和方法试验，创建了针对不同材料、结构、精度、尺寸的精密球面加工方法参数α主轴角速度、β研磨头角速度、γ摆动角幅度，弹性加载力F等方法参数组合序列。例如方法参数组合中第19序列组合为熔融石英玻璃半球谐振子的方法参数组合，见图1-图6，其α＝31r/min，β＝29r/min，γ＝±41°，粗研F＝5N，精研F＝1N，超精研F＝0.5N。
步骤3、精密球面加工磨头设计方法及与研磨剂材质和粒度的控制方法
为了保证超精密加工精度，对磨头圆筒口部尺寸，研磨剂的材质和磨粒，夹具工装进行了专门的研究和方法试验，获得了磨头圆筒口部尺寸d与球壳球径Φ比例系数，d＝(0.7-0.85)×Φmm，粗研取较小值，精研取0.8，超精研取0.85，见图7。
图7为磨头口部直径d与球壳球径Φ比例示意图，图7中各部件为磨头支架3-1、销钉3-2、内球面磨头3-3、半球谐振子3-4、磨头圆筒口部直径d、半球谐振子内球面直径Φ。
球壳精度与研磨剂材质和粒度的关系，依据工件材质选取研磨剂材质，对淬火钢、渗氮钢、不锈钢选取三氧化二铝、碳化硅等；对硬质合金、陶瓷选取金刚石等；对玻璃选取三氧化二铝、氧化铈等；依据精度选取研磨机粒度大小，对于一般粗研选取 W40-W20；对于精研选取W10-W3.5；对于超精研选取W1-W0.25。
步骤4、微应力球面精密加工的弹性加载力的控制方法
半球谐振子的谐振频率稳定性、品质因数Q值、四波腹振型对精密加工应力非常敏感，要求微应力精密加工，通过试验和应力分析，粗研弹性加载力为F＝5N，精研F＝1N，超精研F＝0.5N，见图1-图6。
步骤5、半球谐振子灌封方法和相关装置，包括有内球面磨头支架4-1、灌封材料4-2、工件半球谐振子4-3、灌封杯4-4、主轴夹头4-5；其中，主轴夹头4-5夹紧灌封杯 4-4，内球面磨头支架4-1的底部固定有工件半球谐振子4-3，工件半球谐振子4-3的底部位于灌封杯4-4的底部；工件半球谐振子4-3和灌封杯4-4之间灌封有灌封材料4-2。
图8为半球谐振子灌封示意图；图8中各部件分别为内球面磨头支架4-1、灌封材料4-2、工件半球谐振子4-3、灌封杯4-4、主轴夹头4-5。
在灌封作业中，将工件半球谐振子4-3装入灌封杯4-4中，而后将装配好的工件半球谐振子4-3、灌封杯4-4分别装入主轴夹头4-5中，将溶解好的灌封材料4-2用医用注射器灌装到灌封杯4中；灌装量如图所示，不允许高出灌封杯4-4。内球面磨头支架4-1 与灌封无关，这里表示在半球谐振子精密加工过程中灌封的目的是要提高半球谐振子的刚度，放置在精密加工过程中的变形。
步骤6、半球谐振子精密测量方法，包括有真球度测量方法和同轴测量方法。
图9为半球谐振子真球度测试方法示意图。真球度测量方法，用圆度测量仪测量圆度的方法，测量半球谐振子球面的多个截面，采用极大值误差评价法，用其中最大圆度误差表征真球度测量的方法评价真球度。如图9，在高精度圆度仪上，水平测量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个截面，用专用工装倾斜15°，测量Ⅳ、Ⅴ两个倾斜面圆度，五个截面中取其最大误差值为真球度误差。
图10为半球谐振子同轴度测量方法示意图。图10中顶尖5-1、电感测微仪测头5-2、顶尖孔5-3。
同轴测量方法，用顶尖5-1、顶尖孔5-3将半球谐振子顶起来，以半球谐振子的顶尖孔和半顶尖为基准，将电感测微仪5-2测头作用在半球谐振子的外球面上，缓慢转动半球谐振子360°，读取电感测微仪最大最小值，最大最小值之差值即为外球面同轴度误差。同理，将电感测微仪5-2测头作用在半球谐振子的内球面上，缓慢转动半球谐振子 360°，读取电感测微仪最大最小值，最大最小值之差值即为内球面同轴度误差。需要注意的是在顶尖和顶尖孔处需涂少许润滑脂，以便保护顶尖和顶尖孔精度，避免损伤。
步骤7、球壳口倒角、支撑杆R倒圆方法和装备
球壳口倒内球面角装置，包括有主轴卡头6-1、外球面灌封支架6-2、半球谐振子6-3、灌封材料6-4、内球面倒角磨头6-5、半球谐振子6-6、内球面灌封材料6-7、外球面角球壳口倒角磨头6-8。
依据高精度和微应力加工要求，球壳口部是应力最大区，研究球壳口倒角是去应力的最有效方法；经过方法试验和应力分析，在国内首先提出了在保证球壳精度的条件下球壳口部倒成球面角是最有效的去应力方法，方法见图11和图12。
图11为球壳口倒内球面角示意图，图11中，主轴卡头6-1、外球面灌封支架6-2、半球谐振子6-3、灌封材料6-4、内球面倒角磨头6-5、弹性加载力F1、倒内球面角摆动角度γ1、倒内球面角角速度α1、主轴角速度β1、内球面倒角磨头半径R1。
图11中按上述半球谐振子6-5灌封方法和相关装置的方法灌封外球面后，将灌封好的组件放置到内球面倒角磨头6-5上，并以弹性加载力F2、倒内球面角摆动角度γ2、倒内球面角角速度α2、主轴角速度β2方法参数运行。为了保证最有效的去除应力，在各粗、精、超精加工工序中都需要倒角，实现了微应力加工和应力去除。
图12球壳口倒外球面角装置的示意图；图12中半球谐振子6-6、内球面灌封材料6-7、外球面角球壳口倒角磨头6-8、弹性加载力F2、倒外球面角摆动角度γ2、倒外球面角角速度α2、主轴角速度β2、外球面倒角磨头半径R2。
图12中将内球面灌封好的组件放置到外球面角球壳口倒角磨头6-8上，并以弹性加载力F1、倒内球面角摆动角度γ1、倒内球面角角速度α1、主轴角速度β1的方法参数运行。为了保证最有效的去除应力，在各粗、精、超精加工工序中都需要倒角，实现了微应力加工和应力去除。
支撑杆的倒圆R精度直接影响谐振子谐振频率的稳定性和Q值，表面粗糙度影响后续镀金工序质量，必须保证倒角R精度和表面粗糙度；
图13外球面倒角示装置，其中，研磨棒7-7、半球谐振子7-8、主轴卡7-9头、主轴角速度α1、研磨棒位移X、研磨棒自转角速度β1。其工作原理为主轴卡头7-9与水平面成50°仰角，主轴卡头7-9加持半球谐振子7-8，以主轴角速度α1旋转，研磨棒7-7 搭载在半球谐振子7-8的外球面圆角处，研磨棒7-7以角速度β旋转并沿位移X方向往复移动，形成角接触滚珠轴承内圈滚道运动轨迹，用精密研磨的方法达到外球面精密倒圆精度。
图14内球面倒角示装置，其中内球面倒圆支架7-6、内倒圆球头杆7-5、内倒圆主轴卡头7-4、灌封材料7-3、灌封支架7-2、半球谐振子7-1、主轴角速度α1、内倒圆球头杆摆动角γ1度、内倒圆球头杆加载力F1。其工作原理为半球谐振子7-1被灌封材料 7-3封装在灌封支架7-2中，灌封支架7-2加持在内倒圆主轴卡头7-4中并以主轴角速度α1旋转，两个内倒圆球头杆7-5以40°夹角对称的安装在内球面倒圆支架7-6上，在加载力F1的作用下搭载在内球面的圆角处，并以内倒圆球头杆摆动角度γ1前后摆动，形成角接触滚珠轴承内圈滚道运动轨迹，用精密研磨的方法达到内球面精密倒圆精度。
步骤8、支撑杆自适应弹性磨头使用方法装置
支撑杆的超精密加工精度和表面粗糙度，影响半球谐振子品质因数Q值和后续镀金工序的质量。本发明研制了专门的半球谐振子支撑杆自适应弹性磨头装置，用于精密研磨半球谐振子支撑杆。
图15中拉力调节螺钉8-1、加载支架8-2、拉力弹簧8-3、弹簧拉杆8-4、弹性磨头 8-5、半球谐振子8-6、主轴夹头8-7、轴向位移X、主轴角速度α1、锁紧力F。其工作原理为主轴夹头8-7加持工件半球谐振子8-6并以主轴角速度α1旋转。拉力调节螺钉 8-1安装在加载支架8-2上并挂有拉力弹簧8-3，转动拉力调节螺钉1可以调节拉力弹簧 8-3的弹簧拉力，拉力弹簧8-3另一头挂在弹簧拉杆8-4上弹簧拉杆，8-4安装在弹性磨头8-5内，在拉力弹簧8-3的弹性拉力作用下，使弹性磨头8-5垂直向上运动，由于弹性磨头8-5安装在加载支架8-2内并成小间隙配合，可以上下运动，由于弹性磨头8-5 的弹性，在拉力弹簧8-3的弹性拉力作用下弹性磨头8-5的下端部在加载支架8-2内受到锁紧力F，是弹性磨头8-5的弹性内孔表面始终抱紧半球谐振子8-6的支撑杆圆柱面，在加载支架8-2垂直上下位移的直线运动条件下，形成圆柱面运动轨迹，用精密研磨的方法保证了支撑杆加工精度和表面粗糙度。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (9)
1.半球谐振子超精密球面加工装置，其特征在于，包括有半球谐振子内球面超精密加工装置、半球谐振子内球面超精密加工装置、半球谐振子灌封方法和相关装置、球壳口倒内球面角装置、外球面倒角示装置、内球面倒角示装置、支撑杆自适应弹性磨头装置。
2.根据权利要求1所述的半球谐振子超精密球面加工装置，其特征在于，半球谐振子内球面超精密加工装置，包括有磨头支架1-1、定位销钉1-2、研磨头1-3、半球谐振子1-4、锁紧螺钉1-5、主轴工装1-6；其中，所述磨头支架1-1的两侧经由定位销钉1-2固定有研磨头1-3，所述磨头支架1-1、定位销钉1-2和研磨头1-3三者组成内球面磨头组件；主轴工装1-6经由锁紧螺钉1-5将半球谐振子1-4的底部锁紧；所述内球面磨头组件对半球谐振子1-4进行内球面超精密加工。
3.根据权利要求1所述的半球谐振子超精密球面加工装置，其特征在于，半球谐振子内球面超精密加工装置，包括有磨头支架2-1、定位销钉2-2、研磨头2-3、半球谐振子2-4、锁紧螺钉2-5、主轴工装2-6；其中，磨头支架2-1的两侧经由定位销钉2-2固定有研磨头2-3，所述磨头支架2-1、定位销钉2-2和研磨头2-3组成内球面磨头组件；主轴工装2-6的顶部经由锁紧螺钉2-5锁紧固定有半球谐振子2-4；所述内球面磨头组件对半球谐振子2-4进行内球面超精密加工。
4.根据权利要求1所述的半球谐振子超精密球面加工装置，其特征在于，半球谐振子灌封方法和相关装置，包括有内球面磨头支架4-1、灌封材料4-2、工件半球谐振子4-3、灌封杯4-4、主轴夹头4-5；其中，主轴夹头4-5夹紧灌封杯4-4，内球面磨头支架4-1的底部固定有工件半球谐振子4-3，工件半球谐振子4-3的底部位于灌封杯4-4的底部；工件半球谐振子4-3和灌封杯4-4之间灌封有灌封材料4-2。
5.根据权利要求1所述的半球谐振子超精密球面加工装置，其特征在于，球壳口倒内球面角装置，包括有主轴卡头6-1、外球面灌封支架6-2、半球谐振子6-3、灌封材料6-4、内球面倒角磨头6-5、半球谐振子6-6、内球面灌封材料6-7、外球面角球壳口倒角磨头6-8；半球谐振子6-5灌封方法和相关装置的方法灌封外球面后，将灌封好的组件放置到内球面倒角磨头6-5上，并以弹性加载力F2、倒内球面角摆动角度γ2、倒内球面角角速度α2、主轴角速度β2方法参数运行；为了保证最有效的去除应力，在各粗、精、超精加工工序中都需要倒角，实现了微应力加工和应力去除。
6.根据权利要求1所述的半球谐振子超精密球面加工装置，其特征在于，外球面倒角示装置，包括有研磨棒7-7、半球谐振子7-8、主轴卡7-9头、主轴角速度α1、研磨棒位移X、研磨棒自转角速度β1；所述主轴卡头7-9与水平面成50°仰角，主轴卡头7-9加持半球谐振子7-8，以主轴角速度α1旋转，研磨棒7-7搭载在半球谐振子7-8的外球面圆角处，研磨棒7-7以角速度β旋转并沿位移X方向往复移动，形成角接触滚珠轴承内圈滚道运动轨迹，达到外球面精密倒圆精度。
7.根据权利要求1所述的半球谐振子超精密球面加工装置，其特征在于，内球面倒角示装置，包括有内球面倒圆支架7-6、内倒圆球头杆7-5、内倒圆主轴卡头7-4、灌封材料7-3、灌封支架7-2、半球谐振子7-1；所述半球谐振子7-1被灌封材料7-3封装在灌封支架7-2中，灌封支架7-2加持在内倒圆主轴卡头7-4中并以主轴角速度α1旋转，两个内倒圆球头杆7-5以40°夹角对称的安装在内球面倒圆支架7-6上，在加载力F1的作用下搭载在内球面的圆角处，并以内倒圆球头杆摆动角度γ1前后摆动，形成角接触滚珠轴承内圈滚道运动轨迹，达到内球面精密倒圆精度。
8.根据权利要求1所述的半球谐振子超精密球面加工装置，其特征在于，支撑杆自适应弹性磨头装置，包括有拉力调节螺钉8-1、加载支架8-2、拉力弹簧8-3、弹簧拉杆8-4、弹性磨头8-5、半球谐振子8-6和主轴夹头8-7；所述主轴夹头8-7加持工件半球谐振子8-6并以主轴角速度α1旋转；拉力调节螺钉8-1安装在加载支架8-2上并挂有拉力弹簧8-3，转动拉力调节螺钉1可以调节拉力弹簧8-3的弹簧拉力，拉力弹簧8-3另一头挂在弹簧拉杆8-4上弹簧拉杆，8-4安装在弹性磨头8-5内，在拉力弹簧8-3的弹性拉力作用下，使弹性磨头8-5垂直向上运动，在拉力弹簧8-3的弹性拉力作用下弹性磨头8-5的下端部在加载支架8-2内受到锁紧力F，使弹性磨头8-5的弹性内孔表面始终抱紧半球谐振子8-6的支撑杆圆柱面，在加载支架8-2垂直上下位移的直线运动条件下，形成圆柱面运动轨迹。
9.半球谐振子超精密球面的加工方法，其特征在于，包括有以下步骤：
步骤1、精密球面加工方法：
半球谐振子内球面超精密加工装置中，研磨头1-3为一圆筒形结构，当研磨头1-3的圆筒口部与内球面接触时，接触面为一圆，在研磨加工时，在磨粒的作用下，圆逐渐被研磨为一个球面圆环，球面圆环即为内球面上的一个微分球面圆环，在主轴角速度α、研磨头角速度β、摆动角幅度γ三个运动方式驱动下，在始终指向球心的弹性加载力F的作用下，磨头按照球面运动轨迹运动，实现了范成法超精密球面展成原理；
磨头支架1-1、定位销钉1-2、研磨头1-3三者组成了内球面磨头组件，由于半球谐振子1-4的特殊机构，在磨头组件以摆动角幅度γ摆动时，必须避让半球谐振子1-4的支撑杆，将磨头组件设计成帽盖特殊结构，实现了范成法弹性自动跟踪球面展成原理超精密加工；
半球谐振子内球面超精密加工装置中，磨头支架2-1、定位销钉2-2、研磨头2-3三者组成了内球面磨头组件，由于半球谐振子2-4的特殊机构，在磨头组件以摆动角幅度γ摆动时，必须避让半球谐振子2-4的支撑杆，将磨头组件设计成提篮特殊结构，实现了范成法弹性自动跟踪球面展成原理超精密加工；
步骤2、各类参数组合序列方法
为了保证超精密加工精度，通过创建精密加工误差数学模型和方法试验，创建了针对不同材料、结构、精度、尺寸的精密球面加工方法参数α主轴角速度、β研磨头角速度、γ摆动角幅度，弹性加载力F方法参数组合序列；所述方法参数组合为：α＝31r/min，β＝29r/min，γ＝±41°，粗研F＝5N，精研F＝1N，超精研F＝0.5N；
步骤3、精密球面加工磨头设计方法及与研磨剂材质和粒度的控制方法
为了保证超精密加工精度，对磨头圆筒口部尺寸，研磨剂的材质和磨粒，夹具工装进行了专门的研究和方法试验，获得了磨头圆筒口部尺寸d与球壳球径Φ比例系数，d＝(0.7-0.85)×Φmm，粗研取较小值，精研取0.8，超精研取0.85；
球壳精度与研磨剂材质和粒度的关系，依据工件材质选取研磨剂材质，对淬火钢、渗氮钢、不锈钢选取三氧化二铝、碳化硅；对硬质合金、陶瓷选取金刚石；对玻璃选取三氧化二铝、氧化铈；依据精度选取研磨机粒度大小，粗研选取W40-W20；对于精研选取W10-W3.5；对于超精研选取W1-W0.25；
步骤4、微应力球面精密加工的弹性加载力的控制方法
半球谐振子的谐振频率稳定性、品质因数Q值、四波腹振型对精密加工应力非常敏感，要求微应力精密加工；粗研弹性加载力为F＝5N，精研F＝1N，超精研F＝0.5N；
步骤5、半球谐振子灌封方法
在灌封作业中，将工件半球谐振子4-3装入灌封杯4-4中，而后将装配好的工件半球谐振子4-3、灌封杯4-4分别装入主轴夹头4-5中，将溶解好的灌封材料4-2用医用注射器灌装到灌封杯4中；灌装量不允许高出灌封杯4-4；内球面磨头支架4-1与灌封无关；
步骤6、半球谐振子精密测量方法，包括有真球度测量方法和同轴测量方法；
真球度测量方法，用圆度测量仪测量圆度的方法，测量半球谐振子球面的多个截面，采用极大值误差评价法，用其中最大圆度误差表征真球度测量的方法评价真球度；在高精度圆度仪上，水平测量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个截面，用专用工装倾斜15°，测量Ⅳ、Ⅴ两个倾斜面圆度，五个截面中取其最大误差值为真球度误差；
同轴测量方法，用顶尖5-1、顶尖孔5-3将半球谐振子顶起来，以半球谐振子的顶尖孔和半顶尖为基准，将电感测微仪5-2测头作用在半球谐振子的外球面上，缓慢转动半球谐振子360°，读取电感测微仪最大最小值，最大最小值之差值即为外球面同轴度误差；同理，将电感测微仪5-2测头作用在半球谐振子的内球面上，缓慢转动半球谐振子360°，读取电感测微仪最大最小值，最大最小值之差值即为内球面同轴度误差；需要注意的是在顶尖和顶尖孔处需涂少许润滑脂，以便保护顶尖和顶尖孔精度，避免损伤；
步骤7、球壳口倒角、支撑杆R倒圆方法
球壳口倒内球面角装置，依据高精度和微应力加工要求，球壳口部是应力最大区，研究球壳口倒角是去应力的最有效方法；经过方法试验和应力分析，在国内首先提出了在保证球壳精度的条件下球壳口部倒成球面角是最有效的去应力方法；
按上述半球谐振子6-5灌封方法和相关装置的方法灌封外球面后，将灌封好的组件放置到内球面倒角磨头6-5上，并以弹性加载力F2、倒内球面角摆动角度γ2、倒内球面角角速度α2、主轴角速度β2方法参数运行；为了保证最有效的去除应力，在各粗、精、超精加工工序中都需要倒角，实现了微应力加工和应力去除；
将内球面灌封好的组件放置到外球面角球壳口倒角磨头6-8上，并以弹性加载力F1、倒内球面角摆动角度γ1、倒内球面角角速度α1、主轴角速度β1的方法参数运行；为了保证最有效的去除应力，在各粗、精、超精加工工序中都需要倒角，实现了微应力加工和应力去除；
支撑杆的倒圆R精度直接影响谐振子谐振频率的稳定性和Q值，表面粗糙度影响后续镀金工序质量，必须保证倒角R精度和表面粗糙度；
外球面倒角示装置，其工作原理为主轴卡头7-9与水平面成50°仰角，主轴卡头7-9加持半球谐振子7-8，以主轴角速度α1旋转，研磨棒7-7搭载在半球谐振子7-8的外球面圆角处，研磨棒7-7以角速度β旋转并沿位移X方向往复移动，形成角接触滚珠轴承内圈滚道运动轨迹，用精密研磨的方法达到外球面精密倒圆精度；
内球面倒角示装置，其工作原理为半球谐振子7-1被灌封材料7-3封装在灌封支架7-2中，灌封支架7-2加持在内倒圆主轴卡头7-4中并以主轴角速度α1旋转，两个内倒圆球头杆7-5以40°夹角对称的安装在内球面倒圆支架7-6上，在加载力F1的作用下搭载在内球面的圆角处，并以内倒圆球头杆摆动角度γ1前后摆动，形成角接触滚珠轴承内圈滚道运动轨迹，用精密研磨的方法达到内球面精密倒圆精度；
步骤8、支撑杆自适应弹性磨头使用方法
半球谐振子支撑杆自适应弹性磨头装置，其工作原理为主轴夹头8-7加持工件半球谐振子8-6并以主轴角速度α1旋转；拉力调节螺钉8-1安装在加载支架8-2上并挂有拉力弹簧8-3，转动拉力调节螺钉1可以调节拉力弹簧8-3的弹簧拉力，拉力弹簧8-3另一头挂在弹簧拉杆8-4上弹簧拉杆，8-4安装在弹性磨头8-5内，在拉力弹簧8-3的弹性拉力作用下，使弹性磨头8-5垂直向上运动，由于弹性磨头8-5安装在加载支架8-2内并成小间隙配合，可以上下运动，由于弹性磨头8-5的弹性，在拉力弹簧8-3的弹性拉力作用下弹性磨头8-5的下端部在加载支架8-2内受到锁紧力F，是弹性磨头8-5的弹性内孔表面始终抱紧半球谐振子8-6的支撑杆圆柱面，在加载支架8-2垂直上下位移的直线运动条件下，形成圆柱面运动轨迹，用精密研磨的方法保证了支撑杆加工精度和表面粗糙度。
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Legal Events
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