CN114952599A - 一种半球谐振子化学机械抛光装置及抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为解决现有针对半球谐振子的抛光方法中，机械抛光法加工效率低且易造成半球谐振子表面损伤，热化学抛光实验装置复杂，加工条件苛刻且时间较长的技术问题，而提供了一种半球谐振子化学机械抛光装置及抛光方法。该抛光装置采用曲率与半球谐振子相同且表面填充有氧化剂的弧形抛光块，通过机械抛光作用使半球谐振子表面产生微纳破碎，破碎后的新鲜表面与抛光剂发生化学反应，实现半球谐振子内、外球面的抛光，促进了化学抛光的效率，最终去除半球谐振子表面的微裂纹和划痕。抛光完成后，通过测量半球谐振子唇沿的圆度数据可得到其壁厚分布情况，从而对抛光效果进行评价。
Description
技术领域
本发明涉及半球谐振子抛光及评价领域，尤其涉及一种半球谐振子化学机械抛光装置及抛光方法。
背景技术
半球谐振陀螺仪是一种较新的固体波动陀螺。半球谐振陀螺主要由半球谐振子、激励罩及检测基座构成，具有体积小、可靠性高、功耗低、工作寿命长、精度高、抗辐射能力强等特点，基于以上特点，半球谐振陀螺成为近年来国内外在惯性技术领域的研究热点。
传统的半球谐振子由熔融石英制成，虽然石英材料具有高品质特性，但其对使用环境要求较高，目前只有美国、法国、俄罗斯等少数国家掌握高精度半球谐振陀螺补偿技术。因此我国在突破相关补偿技术的同时，有必要寻找一种性能优异、可用于半球谐振子的高品质材料。
金刚石具有良好的力学性能，其摩擦系数极低，天然状态的硬度高(100Gpa)，并且具有耐磨性好、化学稳定性好等优点。将金刚石用于半球谐振子可充分发挥其优异性能，对于提升半球谐振子品质及量产化具有重要意义，为了获得高性能的金刚石半球谐振子，需要对其进行抛光，以降低金刚石半球谐振子表面的损伤和污染。
目前对金刚石半球谐振子进行抛光的方法主要有两种：
一是传统的机械抛光，目前已得到广泛应用。机械抛光时，抛光块以极高的转速高速旋转，在金刚石半球谐振子上施加较大的压力，该方法利用金刚石磨粒的机械作用实现材料去除，但是加工效率低且易产生加工损伤。机械抛光会造成金刚石半球谐振子表面损伤和亚表面损伤，抛光过程中的机械冲击会导致抛光表面形成凹坑、亚表面裂纹和晶格损伤，这些损伤无法通过后续的抛光步骤消除，且光学设备无法检测出来。抛光的质量和加工效率受很多因素的影响，如磨粒尺寸、抛光块转速和压力等。
二是热化学抛光，它是基于金刚石中的碳原子在高温下扩散至过渡金属、金刚石表面石墨化和氧化，抛光效率取决于金刚石中碳原子向热金属盘中的扩散速率。由于采用溶解扩散的去处方式，不需要在金刚石上施加很大的压力，所以不易产生微裂纹或者其他缺陷，对加工样件的形状没有限制。热化学抛光的温度通常需要达到730-950℃，如果温度过低，化学反应不充分，会导致抛光进程受阻。显然热化学抛光的实验装置更复杂，需要真空腔体，对温度、气氛有特殊要求，加工时间长达数小时。
发明内容
为了解决现有针对半球谐振子的抛光方法中，机械抛光法加工效率低且易造成半球谐振子表面损伤，热化学抛光实验装置复杂，加工条件苛刻且时间较长的技术问题，而提供了一种半球谐振子化学机械抛光装置及抛光方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种半球谐振子化学机械抛光装置，其特殊之处在于：包括抛光块和用于支撑半球谐振子的支撑件；
所述抛光块的底面的曲率与半球谐振子球面的曲率相同，抛光时抛光块底面与半球谐振子的球面相贴合；所述抛光块的硬度大于半球谐振子的硬度；
所述抛光块底面设有M×N矩阵排布的填充孔，填充孔内填充有用于提高抛光效率的氧化剂；M≥2，N≥2，且均为整数；
所述支撑件中开设有用于固定半球谐振子轴柄的通孔；所述支撑件的支撑表面与半球谐振子球面的曲率相同。
进一步地，所述抛光块的底面为外凸的圆弧曲面或内凹的圆弧曲面，分别与半球谐振子的内球面和外球面曲率相同。
进一步地，所述支撑件包括外支撑件和内支撑件；
所述外支撑件的支撑表面为内凹的曲面，与半球谐振子外球面曲率相同，用于半球谐振子内球面抛光支撑；
所述内支撑件的支撑表面为外凸的曲面，与半球谐振子内球面曲率相同，用于半球谐振子外球面抛光支撑。
进一步地，所述半球谐振子的材质为金刚石；
所述抛光块的材质为石墨烯；所述支撑件的材质为橡胶。
本发明还提供了一种半球谐振子化学机械抛光方法，利用上述的半球谐振子化学机械抛光装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)、检查待抛光半球谐振子的球面、支撑件的支撑表面，保证球面和支撑表面完整且无明显变形，再利用有机溶剂进行清洗，确保待抛光半球谐振子的球面、支撑件的支撑表面干净、无残留颗粒状物质；
2)、检查抛光块底面完整，利用有机溶剂进行清洗，确保其与半球谐振子球面接触的部分内无明显污痕和填充孔无残留颗粒状物质；再将氧化剂填充到填充孔中，确保氧化剂填充牢固；
3)、将半球谐振子的轴柄下端穿过支撑件的通孔中固定，使半球谐振子的外球面与支撑件的支撑表面内凹的曲面相贴合，确保抛光过程中不发生松动；
保持半球谐振子不动，沿半球谐振子的经线和纬线方向移动抛光块，对半球谐振子的内球面进行抛光；
4)、半球谐振子的内球面抛光完成后，将半球谐振子取出，再次对半球谐振子进行清洗；
5)、倒立半球谐振子并固定，将半球谐振子的轴柄下端穿过支撑件的通孔中固定，使半球谐振子的内球面与支撑件的上表面外凸的曲面相贴合，确保抛光过程中不发生松动；沿半球谐振子的经线和纬线方向移动抛光块，对半球谐振子的外球面进行抛光；
6)半球谐振子的外球面抛光完成后，将半球谐振子取出，完成半球谐振子化学机械抛光。
进一步地，还包括：7)对半球谐振子球面抛光后的壁厚均匀性进行评价：
7.1)、分别测量半球谐振子的内圆圆度Xi和外圆圆度Yi，计算半球谐振子壁厚Hi；
Hi＝Yi-Xi
其中，i＝1,2,…,360；
7.2)、对半球谐振子壁厚Hi求标准差，评价半球谐振子壁厚均匀性。
进一步地，步骤7.2)中，标准差小于2μm时，证明半球谐振子壁厚均匀性良好。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明提供的半球谐振子化学机械抛光装置，通过抛光块的机械抛光作用使半球谐振子表面产生微纳破碎，破碎后的新鲜表面与抛光剂发生化学反应，实现半球谐振子内、外球面的抛光，促进了化学抛光的效率，最终去除半球谐振子表面的微裂纹和划痕，该装置显著提高了抛光效率，优化了半球谐振子的表面质量。
2、本发明提供的半球谐振子化学机械抛光装置，采用曲率与半球谐振子相同的弧形抛光块，该抛光块表面采用石墨烯材料，能够对半球谐振子球面进行抛光，抛光块表面分布一定数量的小孔，通过将氧化剂预填充的方式，能够在保证抛光质量的同时提升抛光效率。
3、本发明提供的半球谐振子化学机械抛光装置，在抛光过程中半球谐振子内球面和外球面的抛光过程采用不同的固定方式，柔性支撑结构能够保证抛光操作不会对半球谐振子造成较大破坏。
4、本发明提供的半球谐振子化学机械抛光评价方法，通过测量半球谐振子唇沿的圆度数据可得到其壁厚分布情况，从而对抛光效果进行评价，提高了抛光效率并简化评价方法。
附图说明
图1是本发明实施例半球谐振子内球面抛光装置示意图；
图2是本发明实施例半球谐振子外球面抛光装置示意图；
图3是本发明实施例抛光块底面填充孔示意图；
图4是本发明实施例内球面抛光块结构示意图；
图5是本发明实施例外球面抛光块结构示意图；
附图标记：
1-抛光块，2-填充孔，3-外支撑件，4-内支撑件，5-半球谐振子，6-基座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种半球谐振子化学机械抛光装置及抛光方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，具体实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种半球谐振子化学机械抛光装置，包括抛光块1和支撑件。
本实施中的半球谐振子5采用金刚石材质。抛光块1底面的曲率与半球谐振子5球面的曲率完全相同，两者必须能够紧密贴合在一起。相较于半球谐振子5的金刚石材质，抛光块1由金刚石硬度更高的材料石墨烯制成，采用石墨烯材料的主要原因是金刚石碳原子在一定温度下可向石墨烯块扩散，改变金刚石表面组织，使其硬度下降易于去除。
如图3所示，抛光块1的底面沿运动方向分布有3排填充孔2，每排有3个填充孔2，填充孔2内填充有氧化剂，用于加快抛光速率。
由于半球谐振子5为薄壁结构，且金刚石为脆性材料，因而对半球谐振子5的外球面或内球面进行抛光时，为防止抛光块压力过大导致半球谐振子5球碗碎裂，需要在半球谐振子5的内球面或外球面安装支撑件。支撑件的材质选用较硬的橡胶材料，如合成橡胶。
支撑件中心留有固定半球谐振子5轴柄的通孔，安装时支撑件的一面与半球谐振子5的内球面或外球面贴合，并支撑在半球谐振子5下方，可以有效防止抛光过程中半球谐振子5唇沿因变形过大导致的破坏。
对半球谐振子5的内球面进行抛光时，抛光块1的底面为外凸的圆弧曲面，与半球谐振子5的内球面相贴合，对应的支撑件为外支撑件3，外支撑件3为支撑表面内凹的曲面，与半球谐振子5的外球面相贴合，如图1和图4所示。
对半球谐振子5的外球面进行抛光时，抛光块1的底面为内凹的圆弧曲面，与半球谐振子5的外球面相贴合，对应的支撑件为内支撑件4，内支撑件4为支撑表面外凸的曲面，与半球谐振子5的内球面相贴合，如图2和图5所示。
利用上述装置对半球谐振子5进行化学机械抛光并对其抛光效果的评价方法，具体步骤如下：
1、检查待抛光半球谐振子5的球面、外支撑件3和内支撑件4的支撑表面，保证球面和支撑表面完整且无明显变形，再利用有机溶剂进行清洗，确保前三者的表面和干净、无残留颗粒状物质。
2、检查抛光块1底面完整，利用有机溶剂进行清洗，确保其与半球谐振子5球面接触的部分内无明显污痕和填充孔2无残留颗粒状物质，再将氧化剂填充到抛光块1底面填充孔2中，确保氧化剂填充牢固。
3、将半球谐振子5的轴柄下端穿过外支撑件3的通孔中固定在基座6上，使半球谐振子5的外球面与外支撑件3的支撑表面内凹的曲面相贴合，确保两者安装紧凑，使外支撑件3对半球谐振子5有良好的包裹性，确保抛光过程中不发生松动；
始终保持半球谐振子5不动，沿半球谐振子5的经线和纬线方向移动抛光块1，对半球谐振子5的内球面进行抛光。
4、半球谐振子5的内球面抛光完成后，将半球谐振子5取出，再次对半球谐振子5进行清洗；
抛光过程中产生粉末状杂质会沿着半球谐振子与支撑之间的间隙渗入，因此在下一步抛光前需再次使用有机溶剂对半球谐振子进行清洗。
5、与步骤3相同，倒立半球谐振子5并固定，对半球谐振子5的外球面进行抛光。
6、半球谐振子5唇沿的加工精度对半球谐振子的振动性能至关重要，抛光完成后，须利用圆度仪、三坐标测量仪对半球谐振子形状参数进行测量，通过测量半球谐振子唇沿的圆度，可对半球谐振子抛光效果进行评价；
为了获得更加准确的圆度信息，可在半球谐振子圆周上多测量一些位置(至少隔1°测量)，半球谐振子壁厚较高的均匀性可抑制其频率分裂，因此须分别测量半球谐振子内圆圆度Xi、外圆圆度Yi后，可计算得到半球谐振子壁厚Hi＝Yi-Xi；
7、对半球谐振子壁厚Hi求标准差，作为评价壁厚均匀性的指标。
标准差小于2μm，即可证明半球谐振子壁厚均匀性良好。
从上述实施案例可以看出，相对于传统机械抛光和热化学抛光，本发明提供一种金刚石半球谐振子化学机械抛光装置及抛光评价方法，该方法实现了金刚石半球谐振子抛光过程中的低表面损伤和高加工效率，有效解决了热化学抛光过程对抛光环境的严苛要求难题，抛光块在补充氧化剂后可重复使用，该操作方法简单、降低了抛光难度、提高了效率；利用圆度仪测量得到金刚石半球谐振子壁厚可对抛光效果作出评价。
该装置及方法可应用于不同材质的半球谐振子进行抛光和评价，也可广泛应用于各领域高精度球面零件的抛光。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种半球谐振子化学机械抛光装置，其特征在于：包括抛光块(1)和用于支撑半球谐振子(5)的支撑件；
所述抛光块(1)的底面的曲率与半球谐振子(5)球面的曲率相同，抛光时抛光块(1)底面与半球谐振子(5)的球面相贴合；所述抛光块(1)的硬度大于半球谐振子(5)的硬度；
所述抛光块底面设有M×N矩阵排布的填充孔(2)，填充孔(2)内填充有用于提高抛光效率的氧化剂；M≥2，N≥2，且均为整数；
所述支撑件中开设有用于固定半球谐振子(5)轴柄的通孔；所述支撑件的支撑表面与半球谐振子(5)球面的曲率相同。
2.根据权利要求1所述的半球谐振子化学机械抛光装置，其特征在于：
所述抛光块(1)的底面为外凸的圆弧曲面或内凹的圆弧曲面，分别与半球谐振子(5)的内球面和外球面曲率相同。
3.根据权利要求1所述的半球谐振子化学机械抛光装置，其特征在于：
所述支撑件包括外支撑件(3)和内支撑件(4)；
所述外支撑件(3)的支撑表面为内凹的曲面，与半球谐振子(5)外球面曲率相同，用于半球谐振子内球面抛光支撑；
所述内支撑件(4)的支撑表面为外凸的曲面，与半球谐振子(5)内球面曲率相同，用于半球谐振子外球面抛光支撑。
4.根据权利要求1-3任一所述的半球谐振子化学机械抛光装置，其特征在于：
所述半球谐振子(5)的材质为金刚石；
所述抛光块(1)的材质为石墨烯；所述支撑件的材质为橡胶。
5.一种半球谐振子化学机械抛光方法，利用权利要求1-4任一所述的半球谐振子化学机械抛光装置，其特征在于，包括以下步骤：
1)、检查待抛光半球谐振子的球面、支撑件的支撑表面，保证球面和支撑表面完整且无明显变形，再利用有机溶剂进行清洗，确保待抛光半球谐振子的球面、支撑件的支撑表面干净、无残留颗粒状物质；
2)、检查抛光块底面完整，利用有机溶剂进行清洗，确保其与半球谐振子球面接触的部分内无明显污痕和填充孔无残留颗粒状物质；再将氧化剂填充到填充孔中，确保氧化剂填充牢固；
3)、将半球谐振子的轴柄下端穿过支撑件的通孔中固定，使半球谐振子的外球面与支撑件的支撑表面内凹的曲面相贴合，确保抛光过程中不发生松动；
保持半球谐振子不动，沿半球谐振子的经线和纬线方向移动抛光块，对半球谐振子的内球面进行抛光；
4)、半球谐振子的内球面抛光完成后，将半球谐振子取出，再次对半球谐振子进行清洗；
5)、倒立半球谐振子并固定，将半球谐振子的轴柄下端穿过支撑件的通孔中固定，使半球谐振子的内球面与支撑件的上表面外凸的曲面相贴合，确保抛光过程中不发生松动；沿半球谐振子的经线和纬线方向移动抛光块，对半球谐振子的外球面进行抛光；
6)半球谐振子的外球面抛光完成后，将半球谐振子取出，完成半球谐振子化学机械抛光。
6.根据权利要求5所述的半球谐振子化学机械抛光方法，其特征在于，还包括：
7)对半球谐振子球面抛光后的壁厚均匀性进行评价：
7.1)、分别测量半球谐振子的内圆圆度Xi和外圆圆度Yi，计算半球谐振子壁厚Hi；
Hi＝Yi-Xi
其中，i＝1,2,…,360；
7.2)、对半球谐振子壁厚Hi求标准差，评价半球谐振子壁厚均匀性。
7.根据权利要求6所述的半球谐振子化学机械抛光及评价方法，其特征在于：
步骤7.2)中，标准差小于2μm时，证明半球谐振子壁厚均匀性良好。
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