CN118129724A - 一种轴对称非等厚壳体结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴对称非等厚壳体谐振结构及其制备方法，该轴对称非等厚壳体谐振结构包括一端开口、另一端封闭的半球状壳体，所述半球状壳体过中心轴线的截面厚度沿壳体开口端至封闭端非恒定，且变化起点和终点可以在开口端至封闭端的任意位置。制备方法包括以下步骤：往旋转的成型模具中注入纳米二氧化硅粉末制备的浆料，浆料在离心力的驱动下均匀地注满成型模具，最终沉积在成型模具空腔的腔壁上，得到成型模具对应的轴对称非等厚壳体谐振结构，干燥成型后通过高温烧结制备出致密熔融石英材质的轴对称非等厚壳体谐振结构。本发明的轴对称非等厚壳体谐振结构能够显著提升工作稳定性和环境适应性，而且该谐振结构通过离心注模工艺制备，轴对称性易于保证，大大降低了谐振结构对加工工艺的要求，不需要额外的机加工工序，显著降低了谐振结构的制作成本，加工效率得到明显提升，同时该加工设备适用于多种尺寸范围和材料的谐振结构。
Description
技术领域
本发明属于微机械传感器领域，尤其涉及一种轴对称非等厚壳体结构及其制备方法。
背景技术
振动陀螺仪是利用科氏效应敏感角运动的一种传感器，是惯性导航和姿态测量系统的基础重要器件。尤其在卫星信号不可靠的复杂环境中，振动陀螺仪有着非常重要的应用价值，其核心部件谐振结构决定了陀螺仪传感性能。
谐振结构种类非常丰富，随着加工工艺的发展以及服役条件的要求。相继发展了半球形、抛物线形、钟形、圆柱形等不同种类的谐振结构。其中高度轴对称结构的半球壳谐振陀螺仪具有启动快、功耗低、抗冲击能力强等优点，是目前最具发展潜力的高精度振动陀螺仪。然而陀螺仪的综合性能和成本是决定其发展方向的根本因素，如何制备出低成本高性能的谐振器是目前急需解决的难题。半球壳体振动陀螺的高性能归根于其高度对称的敏感结构，该类陀螺对制造精度要求非常高。制造误差、非对称应力等都极易导致敏感结构工作模态发生偏转，从而引起微陀螺驱动和检测输出信号发生变化。
目前半球壳谐振器都是机加工成型，这对操作人员技术和设备精度要求极高，导致半球壳谐振器成本较高，还未能广泛应用。并且，传统的半球壳谐振器由于壳体厚度恒定，几何尺寸固定后其振动特性不能改变，环境适应性有限。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供一种通过变更壳体局部厚度来调整振动特性进而提升工作稳定性和环境适应性的轴对称非等厚壳体谐振结构，以及低成本、易加工、精度易于保证的制备方法。
(二)技术方案
基于上述问题，本发明提供一种轴对称非等厚壳体谐振结构，包括一端开口、另一端封闭的半球状壳体，所述半球状壳体过中心轴线的截面厚度沿壳体开口端至封闭端非恒定，且变化起点和终点可以在开口端至封闭端的任意位置。
进一步的，所述壳体结构不限制于半球形，可以是圆柱形、双曲面形等轴对称结构。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的轴对称非等厚壳体谐振结构的制备方法，包括以下步骤：
将成型模具安装在旋转离心台之上，往成型模具中注入纳米二氧化硅粉末制备的浆料，启动旋转离心台，使浆料均匀涂敷并沉积在成型模具空腔的腔壁上，干燥后得到成型模具对应轮廓的轴对称非等厚壳体谐振结构，再通过高温烧结制备出致密熔融石英材质的轴对称非等厚壳体谐振结构。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述旋转离心台可以通过调节适当的转速，使浆料在离心力的驱动下均匀地注满成型模具；所述干燥过程，可以通过往旋转的成型模具中吹风，控制进风量和进风温度来缩短浆料成型时间，加速干燥进程；所述的成型模具包括成型小球腔和成型大球腔，改变大小球腔尺寸可以制备不同厚度组合的轴对称非等厚壳体谐振结构；所述的成型模具不局限于半球状结构，还可以是圆柱形、双曲面形等轴对称结构。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的轴对称非等厚壳体谐振结构，包括一端开口、另一端封闭的半球状壳体，所述半球状壳体过中心轴线的截面厚度沿壳体开口端至封闭端非恒定，且变化起点和终点可以在开口端至封闭端的任意位置。本发明的轴对称非等厚壳体谐振结构是在传统半球壳谐振结构的基础上改进而来的轴对称非等厚壳体谐振结构，传统半球壳谐振结构目前都是等厚的，导致其结构中质量和刚度的分布不能调控，这种轴对称非等厚壳体谐振结构克服了传统半球壳谐振结构振动参数调整困难的突出问题，使得轴对称非等厚壳体谐振结构针对不同环境通过改变几何参数来调整振动特性(包括质量分布，刚度分布，谐振频率，科里奥利质量，角增益等)，能够显著提升结构的工作稳定性和环境适应性。
2、本发明的轴对称非等厚壳体谐振结构的制备方法，采用纳米二氧化硅粉末配置的浆料进行离心注模，浆料均匀沉积在成型模具空腔的腔壁上，干燥后得到成型模具对应的轴对称非等厚壳体谐振结构；轴对称离心注模的工艺技术保证了结构的对称性，纳米尺度的浆料则保证了材料的对称性，这种高精度靠模法制备的轴对称非等厚壳体谐振结构，极大提高了三维曲面面形加工精度和结构对称度。除此之外，这种工艺技术避免了传统机加工工艺引入的表面损伤及残余应力等缺陷，制备出的谐振结构工作性能显著提升。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明的轴对称非等厚壳体谐振结构的一种结构示意图。
图2为本发明的轴对称非等厚壳体谐振结构的制备示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
图1示出了本发明的轴对称非等厚壳体谐振结构实施例，该轴对称非等厚壳体谐振结构包括一端开口、另一端封闭的半球状壳体，所述半球状壳体过中心轴线的截面厚度沿壳体开口端至封闭端非恒定，且变化起点和终点可以在开口端至封闭端的任意位置。
图2示出了本发明的轴对称非等厚壳体谐振结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、如图2(b)所示，从下到上分别为成型模具21以及模具上的成形小球腔22、成形大球腔23，成形大球腔23半径大于成形小球腔22半径，与纳米二氧化硅粉末浆料24配合构成轴对称非等厚壳体谐振结构。
本实施例的成型模具21采用聚四氟乙烯材料加工得到，如图2(a)所示，成型球腔形状不限制于半球形，可以是圆柱形、双曲面形等轴对称结构。
S2、将成型模具21安装在旋转离心台之上，往成型模具中注入纳米二氧化硅粉末制备的浆料24，之后启动旋转离心台并调节合适的转速，使浆料在离心力的驱动下均匀地注满成型模具，同时往旋转中的成型模具吹风，控制进风量和进风温度来减少浆料成型时间。浆料在离心力和空气对流的作用下失去水分，均匀地沉积在成型模具空腔的腔壁上，得到成型模具对应的轴对称非等厚壳体谐振结构，如图2(b)所示。
S3、浆料24干燥后从成型模具取下，得到轴对称非等厚壳体谐振结构，如图1所示，然后通过高温烧结技术制备出致密熔融石英材质的轴对称非等厚壳体谐振结构1。
综上可知，上述的一种轴对称非等厚壳体结构及其制备方法，具有以下优点：
1、本发明的轴对称非等厚壳体谐振结构是在传统半球壳谐振结构的基础上改进而来的轴对称非等厚壳体谐振结构，传统半球壳谐振结构目前都是等厚的，导致其结构中质量和刚度的分布不能调控，这种轴对称非等厚壳体谐振结构克服了传统半球壳谐振结构振动参数调整困难的突出问题，使得轴对称非等厚壳体谐振结构针对不同环境通过改变几何参数来调整振动特性(包括质量分布，刚度分布，谐振频率，科里奥利质量，角增益等)，能够显著提升结构的工作稳定性和环境适应性。
2、本发明的轴对称非等厚壳体谐振结构的制备方法，采用纳米二氧化硅粉末配置的浆料进行离心注模，浆料均匀沉积在成型模具空腔的腔壁上，干燥后得到成型模具对应的轴对称非等厚壳体谐振结构；轴对称离心注模的工艺技术保证了结构的对称性，纳米尺度的浆料则保证了材料的对称性，这种高精度靠模法制备的轴对称非等厚壳体谐振结构，极大提高了三维曲面面形加工精度和结构对称度。除此之外，这种工艺技术避免了传统机加工工艺引入的表面损伤及残余应力等缺陷，制备出的谐振结构工作性能显著提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种轴对称非等厚壳体谐振结构，其特征在于，包括一端开口、另一端封闭的半球状壳体，所述半球状壳体过中心轴线的截面厚度不是恒定的，沿壳体开口端至封闭端截面厚度可以变化，且变化起点和终点可以在开口端至封闭端的任意位置。
2.一种如权利要求1所述的轴对称非等厚壳体谐振结构的制备方法，包括以下步骤：
将成型模具(21)安装在旋转离心台上，往成型模具中注入纳米二氧化硅粉末制备的浆料(24)，启动旋转离心台，使浆料在离心力的驱动下均匀地注满成型模具并沉积在腔壁上，干燥后得到成型模具对应的轴对称非等厚壳体谐振结构(1)，成型后通过高温烧结制备出致密熔融石英材质的轴对称非等厚壳体谐振结构。
3.根据权利要求2所述的轴对称非等厚壳体谐振结构的制备方法，其特征在于：所述旋转离心台可以通过调节适当的转速，使浆料在离心力的驱动下均匀地注满成型模具；所述干燥过程，可以通过往旋转的成型模具中吹风，控制进风量和进风温度来缩短浆料成型时间，加速干燥进程；所述的成型模具(21)包括成型小球腔(22)和成型大球腔(23)，改变大小球腔尺寸可以制备不同厚度组合的轴对称非等厚壳体谐振结构；所述的成型模具不局限于半球状结构，还可以是圆柱形、双曲面形等轴对称结构。
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