CN112461265A - 一种石英半球谐振子纳米制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超精密加工领域，公开了一种石英半球谐振子纳米制造方法，实现了石英半球陀螺谐振子从宏观制造到纳米制造一体化的方法，首先采用轨迹法对工件进行磨削和超精密磨削。其次利用激光干涉成像，采用自主研发的化学机械抛光液对不符合表面精度和形位精度的区域进行限域化学机械抛光，最后使用离子束对工件和不满足加工要求的区域进行修型。最终达到表面粗糙度，圆度，圆柱度均小于100nm。本发明为半球陀螺的加工提供的新的方法和新思路，达到了加工要求，满足了军工国防，航空航天和一些民用设备的需求。

Description

一种石英半球谐振子纳米制造方法
技术领域
本发明属于超精密加工领域，涉及一种石英半球陀螺谐振子的纳米制造技术。
背景技术
惯导系统是一种非GPS导航系统，不受环境、天气、电磁等外界条件影响，也不受气象条件限制，可全天候、全天时、全地理的工作，完全依靠运动载体自主地完成导航任务，不依赖于任何外部输入信息，也不向外输出信息的自主式系统，导航信息更新速率高，短期精度和稳定性好。半球陀螺是一种检测运动物体旋转的重要惯性元件，是卫星或空间飞行器惯性测量单元、姿态稳定控制的关键部件，是一种高精度、高可靠性和高寿命的新型固体振动陀螺，在空间应用领域具有独特的优势和广阔的前景。特别在航空、航天、航海、深空探测、兵器等领域起着重要作用。
半球谐振陀螺技术最复杂、最重要的部件是半球谐振子，它决定着惯导陀螺的精度和性能。理想的半球陀螺谐振子应具有高品质因数、弹性物质各向同性，耗散各向同性。惯导陀螺谐振子的理想的加工要求是加工表面或者亚表面无损伤，无形位精度和面形精度误差，要求极高的中心对称性。其加工精度直接影响惯导系统的使用性能。由于国际的技术封锁，中国现有的惯导陀螺谐振子的加工精度很低；国内现有的加工技术同轴度和圆度的制造精度大于1μm，这种加工技术距离理想条件相差很远。由于半球谐振子在制造中的存在的加工误差和表面缺陷，影响陀螺的稳定性、重复性、噪声等关键指标。最初的半球陀螺谐振子的材料是半导体硅，然而硅的制导精度低，取而代之的是熔融石英玻璃材料，石英是一种硬脆材料，而且半球陀螺谐振子的形状是复杂曲面，这就为我们加工带来了一定的难度。
发明内容
本发明提供了一种半球陀螺谐振子的纳米制造方法。利用自主研发的数控机床加工半球陀螺谐振子。首先采用金属基金刚石砂轮进行磨削，超精密磨削，采用自主研发的抛光液对工件进行限域化学机械抛光，最后采用离子束对工件进行限域修型。加工的工序为磨削-超精密磨削-化学机械抛光-离子抛光修型。所有的过程都是在同一机床上完成的，进行一次装夹，直至加工完成。最终达到表面粗糙度，圆度，圆柱度均小于100nm。
本发明的技术方案如下：
1.将直径30-70mm半球陀螺谐振子装夹到自主研发的数控机床上。限制工件的四个自由度。
2.半球陀螺的直径大小根据不同的加工直径的半球陀螺谐振子更换不同的球形磨头；球形磨头的直径约为3-7mm。球形磨头是金属基金刚石砂轮，磨头直径大小和半球直径大小比值约为1:10。
3.采用编程或者图形导入的方式绘制出半球谐振子的加工曲线，设置粗磨参数。粗磨时磨削深度为8-12μm，转速为20-40m/s，进给速度0.1-0.15mm/r，金刚石砂轮粒度为1500-3000#。打开冷却液降温。
4.设置超精密参数。超精密磨削时磨削深度为3-7μm，转速为20-40m/s，进给速度0.07-0.1mm/r，金刚石砂轮粒度为5000-8000#。打开冷却液降温。
5.采用同样的方式对石英半球陀螺谐振子进行端面和平面磨削。
6.自主研发化学机械抛光液，化学机械抛光液的成分为硅溶胶、水和醋酸钠。用水溶液醋酸钠改变抛光液的酸碱性，使其成为弱碱性，PH值为9-10。
7.采用激光干涉仪对加工工件进行成像，并同时获取加工工件的表面轮廓和圆度。
8.用聚氨酯抛光布包裹着球形磨头，通过干涉仪观察获取加工零部件的圆度和表面轮廓，对不符合表面粗糙度和形位精度的地方进行化学机械抛光。
9.采用限域的抛光方式，对不需要加工的区域用保护膜进行保护。
10.同样采用限域加工方式，用离子束进行轮廓和表面粗糙度的修型，对不需要修型的区域用保护膜进行保护。离子束的束流为2-5kV，20-40pA。
11.取下工件，同时去除保护膜，用无水乙醇清洗表面的残留物和表面杂质，并用压缩空气轻轻吹干工件。
12.通过对圆度和同轴度的检测获得圆度和同轴度均小于100nm工件。采用自主研发的装备，实现了石英半球陀螺谐振子的纳米制造，达到使用要求。
本发明效果和益处是：采用了自主研发的纳米制造装备，实现了石英半球陀螺谐振子从宏观制造到纳米制造一体化的方法，从磨削，超精密磨削，化学机械抛光到最后的离子抛光一体化的方法。为半球陀螺的加工提供的新的方法和新思路，达到了加工要求，满足了军工国防，航空航天和一些民用设备的需求。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。
将直径为50mm的半球陀螺谐振子装夹到自主研发的数控机床，一次装夹，同时完成磨削，超精密磨削，抛光，离子抛光。
在机床上装上直径为6mm的球形磨头。磨头是金属基金刚石砂轮；采用数控编程的方式实现轨迹法对半球陀螺的内半球和外半球先后进行磨削和超精密磨削。采用圆柱磨头进行端面磨削。粗磨时磨削深度为10μm，转速为30m/s，进给速度0.1mm/r，金刚石砂轮粒度为3000#。超精密磨削深度为5μm，转速为20m/s，进给量为0.08mm/r，金刚石砂轮粒度为7000#。
然后采用限域和实现检测的方式对半球陀螺谐振子进行化学机械抛光。抛光时用聚氨酯抛光布包裹着金刚石磨头，抛光时主轴转速为200m/s；进给量为0.08mm/r。切削深度为2μm，抛光液的流速为800mL/h。抛光液是自主研发的碱性化学机械抛光液。采用激光干涉仪对样件进行实时成像，获取加工零部件的圆度和同轴度，对不符合表面粗糙度和形位精度的地方进行化学机械抛光。对已经达到要求区域用保护膜进行保护，防止磨头剐蹭。经过化学机械抛光后，半球陀螺谐振子的圆度和同轴度可以达到600nm左右。
最后采用限域和实现检测的方式对半球陀螺谐振子离子束修型，进行最后原子尺度的加工。离子束的束流为2kV，20pA。取下工件，去除保护膜，用无水乙醇对工件进行清洗。最终达到表面粗糙度，圆度，圆柱度均小于100nm。

Claims (1)

1.一种石英半球谐振子纳米制造方法，其特征在于以下步骤：
步骤1：半球陀螺直径根据不同加工直径的半球陀螺谐振子更换不同的球形磨头；球形磨头是金属基金刚石砂轮，直径为3-7mm，磨头直径大小和半球直径大小比值为1:10；
步骤2：采用轨迹法对半球陀螺谐振子进行磨削，粗磨时磨削深度为8-12μm，转速为20-40m/s，进给速度0.1-0.15mm/r，金刚石砂轮粒度为1500-3000#；
步骤3：超精密磨削时磨削深度为3-7μm，转速为20-40m/s，进给速度0.07-0.1mm/r，金刚石砂轮粒度为5000-8000#；
步骤4：化学机械抛光液的成分为硅溶胶、水和醋酸钠；用醋酸钠水溶液改变抛光液的酸碱性，使其成为弱碱性，PH值为9-10；
步骤5：采用激光干涉仪对加工工件进行成像，并同时获取加工工件的表面轮廓和圆度；
步骤6：用聚氨酯抛光布包裹着球形磨头，通过激光干涉仪观察获取加工零部件的圆度和表面轮廓，对不符合表面粗糙度和形位精度的地方进行化学机械抛光；
步骤7：采用限域的抛光方式，对不需要加工的区域用保护膜进行保护；
步骤8：同样采用限域加工方式，用离子束进行轮廓和表面粗糙度的修型，对不需要修型的区域用保护膜进行保护；离子束的束流为2-5kV，20-40pA。
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