DE2329972C3 - Verfahren zur Herstellung eines mit Massenunwucht versehenen Kugelrotors für ein Kreiselgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eine» .nit Massenunwuciit versehenen massiven Kugelrotors für ein Kreiselgerät durch Formen eines Rohlings aus Metall mit anisotropem Wärmeausdehnungskoeffizienten und Bearbeiten des Rohlings zur Kugelform. Die Bearbeitung eines Kugelrotors für Kreiselgeräte durch Läppen ist z. B. in der US-PS 3 111 789 beschrieben. Derartige Kugelrotoren werden in Kreiselgeräten elektrostatisch gelagert, wie es in der US-PS 412 618 beschrieben ist.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Kugelrotors ist aus der US-PS 3 274 666 bekannt, bei dem eine Kugel mit einer verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeit gedreht und dabei die Oberfläche abgefühlt wird und Ung'eichförmigkeiten der Oberfläche durch Aufdampfen von Metall beseitigt werden. Dann wird die Kugel mit der Betriebsgeschwindigkeit gedreht und die Zentrifugalverformung gemessen, die durch Aufbringen von Material auf die Oberfläche der Kugel ausgeglichen wird. Dieser bekannte Rotor besitzt keine absichtlich eingebaute Massenunwucht, wie sie für Kreiselgeräte mit elektrostatisch gelagertem Rotor gemäß der US-PS 3 412 618 erforderlich ist
Die Anmelderin hat ein derartiges Kreiselgerät entwickelt bei dem der massenmäßig nicht ausgewuchtete Rotor in einem Winkelabgriffsystem modulierte Ausgangssignale erzeugt, mit denen die Orientierung der Drehimpulsachse ermittelt wird. Bisher wurden hierfür die Kugelrotoren auf der einen Hälfte ihrer Oberfläche mit einer Metallschicht plattiert um die Massenunwucht um die Drehachse der Kugel herum zu erhalten. Der Rotor für eine elektrostatische Lagerung soll eine nahezu ideale Kugel, verhältnismäßig leicht und fest sein. Aus diesen Gründen werden nahezu alle Rotoren aus Beryllium hergestellt. Die Auswuchtung des Rotors muß so vorgenommen werden, daß der Schwerpunkt nicht um mehr als einige hundertstel Millimeter von dem geometrischen Zentrum abweicht.
Das genannte Plattieren des Rotois zur Erzeugung einrr Massenunwucht verursacht jedoch einen sphärischen Fehler von ungefähr 0,05 mm. Dieser könnte vermieden werden, wenn an Stelle der Plattierung kleine Einsenkungen in den Rotor eingeformt und mit einem dichteren Material, z. B. Plattierkupfer, Gold oder eine andere Legierung, gefüllt werden. Bei diesem Verfahren treten praktische Schwierigkeiten aber insofern auf, als ein mit einem Stopfen gefülltes kleines Loch Schmutz oder Gas einschließen kann. Außerdem kann das Läppen von Materialien unterschiedlicher Härte zu Verarbeitungsfehlern führen. Ein anderes dabei auftretendes Problem ist, daß der Rotor sich an den Polen auf Grund der Zentrifugalbelastung abplattet, was einen sphärischen Fehler von etwa 0,05 bis 0,08 mm ergibt. Ferner wird ein Rotor aus Beryllium, das hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten anisotrop ist, entweder an den Polen der Anisotropieachse abgeflacht oder ausgedehnt, wenn die jeweilige Betriebstemperatur von der Temperatur, bei der der Rotor zu einer Kugel bearbeitet wurde, abweicht. Berylliumkristalle sind hexagonal und haben nahezu zylindrische Symmetrie, aber keine Kugelsymmetrie. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Elastizitätsmodul und andere Eigenschaften sind daher unterschiedlich, je nachdem, ob sie entlang der Symmetrieachse oder senkrecht dazu gemessen werden. Eine Kiigel, die aus einem großen Einkristall aus Beryllium hergestellt ist, würde anisotrope Eigenschaften zeigen.

Im Handel erhältliches Beryllium der für Instrumente verwendeten Güter wird normalerweise aus pulverförmigem Metall gesintert. Das Pulver wird in einer Form unter Vakuumbedingungen bei einer unterhalb des Schmelzpunktes liegenden Temperatur verdichtet. Das gesinterte Produkt ist isotrop, wenn die Vielzahl der Partikel, die selbst nahezu Einkristalle und anisotrop sind, in den Pulver statistisch orientiert sind. Das pulverförmige Metall wird jedoch durch ein Verfahren hergestellt, bei dem die Partikeln sich im wesentlichen entlang den Kristallebenen abspalten. Die Partikeln haben infolgedessen statistisch gesehen im Mittel eine ge- streckte Tetraeder-Form, die Weizenkörnurn ähnlich ist. Werden die Partikeln in einer Preßform verdichtet, richten sie sich statistisch entlang der Preßlinie aus. Das führt zu einem Material, das anisotrope Eigenschaften

zeigt, ähnlich wie ein Einkristall, wenn auch in einem geringeren Ausmaß.

Das anisotrope Verhalten von gesintertem Beryllium ist nachteilig bei der Verwendung für Kugelrotoren von Kreiselgeräten, weil sich die K\jgelform nicht nur mit der Temperatur, sondern auch noch unterschiedlich entsprechend der Anisotropie des Elastizitätsmoduls auf Grund der Zentrifugalkräfte verändert. Die bevorzugte Materialachse geht verloren, wenn der Kugelrotor bearbeitet wird. Die Achse der anisotropen Symmetrie ist daher beliebig mit Bezug zu der Plattierung orientiert, welche zur Herstellung der Unwucht angebracht wird. Wird der Rotor bei einer Temperatur betrieben, die höher ist als die Temperatur beim Bearbeiten, verändert der Rotor nicht nur seine Form, sondern auch die Hauptdrehmomentachse, und die Eigenschaften der Massenauswuchtung des Roto-s verändern sich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aufgezählten Nachteile von aus anisotropem Beryllium hergesiellten Kreiselmotoren zu beseitigen und die Anisotropie des Materials in vorteilhafter Weise zur Herstellung möglichst exakter Kugelrotoren auszunutzen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Herstellungsverfahren gelöst.

Ein danach hergestellter Rotor nimmt bei Betriebsgeschwindigkeit exakte Kugelform an, die ein? vorbestimmte Massenunwucht aufweist.

Zu vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die IJnteranspriiche verwiesen.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen zylindrischen Körper, gebohrt und mit eingeführten Drähten,

F i g. 2 in schematischer Form das Extrudieren des zylindrischen Körpers zu einer zylindrischen Stange,

F i g. 3 den Schritt des Schneidens der zylindrischen Stange in Abschnitte (Rohlinge), F i g. 4 den bearbeiteten Kugelrotor,

F i g. 5, 5b und 5c den fertig bearbeiteten Rotor in Ruhe, bei veränderter Temperatur, und bei Rotation und veränderter Temperatur,

F i g. 6 ein·: auseinandergezogene Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines einzuführenden Drahtes,

F i g. 7 den zusammengebauten Draht zur Einführung in einen gebohrten zylindrischen Körper,

F i g. 8 einen gebohrten zylindrischen Körper mit den Drähten,

F i g. 9 einen zylindrischen Körper, der mit einer Stahlumhüllung versehen ist,

Fig. 10 den zylindrischen Körper, wie er unter Druck und Hitze zu einer zylindrischen Stange extrudiert wird,

F i g. 11 die Stange, in Rohlinge aufgeteilt und

Fi g. 12 einen der in Kugelform angebrachten Rohlinge.

In F i g. 1 ist ein länglicher zylindrischer Körper 10 aus Berylliummaterial gezeigt, der eine Zylinderachse 12 aufweist und zwei Löcher, die parallel zu der Zylinderachse 12 gebohrt, aber von der Achse abgesetzt sind. Die Löcher sind ungefähr 70° voneinander entfernt gebohrt. In die Löcher sind zwei Metalldrähte 13 eingeführt, die eine Dichte aufweisen, die gegenüber der Dichte des Berylliummantels wesentlich anders ist. Die Drähte können z. B. aus Silber hergestellt sein, das chemisch mit Beryllium nicht reagiert. Der Berylliurnkörper wird vorzugsweise aus Partikeln von pulverförmigem Beryllium hergestellt, die in einer Form unter Vakuumbedingungen und bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes verdichtet werden.

Bei der vorzugsweisen Ausführungsform werden zwei Drähte verwendet, um eine verbesserte dynamische Auswuchtung des fertigen Rotors zu erhalten.

In F i g. 2 ist schematisch gezeigt, wie der zylindrische Körper 10 unter einem Druck Fund einer Temperatur Tin einer Presse (nicht gezeigt) extrudiert wird, um eine die Drähte 13 enthaltende zylindrische Stange 21 zu bilden, mit einem wesentlich geringeren Durchmesser als der des zylindrischen Körpers 10 von etwa 25 :1. Die angewendete Temperatur liegt bei 850"C + 100⁰C. Die extrudierten Stangen werden dann in Abschnitte 22 zerschnitten, wie in F i g. 3 gezeigt ist, wobei die Längen dieser Rohlinge größer sind als der Durchmesser des fertigen Kugelrotors, leder Rohling wird dann zu einer Kugel verarbeitet, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist. Bei Drehung mit der relativ hohen Betriebsfrequenz flacht der Rotor an den Polen auf Grund der Zentrifugalkraft ab, so daß die Form nunmehr nicht mehr kugelförmig ist. Dieser Fehler wird wie folgt vermieden: Bei dem gewählten Flächenreduktionsverhaltnis werden die anisotropen Kristallachsen in der zylindrischen Stange weitgehend so ausgerichtet, daß die Anisotropieachse der Wärmeausdehnung parallel /ur Zylinderachse der Stange und der eingeführten Drähte liegt. Wenn die Drehimpulsachse ebenfalls parallel zur Anisotropieachse der Ausdehnung festgelegt wird, kann durch Anpassen der Temperatur und der Rotalionsgeschwindigkeit ein genau kugelförmiger Rotor erreicht werden.

In F i g. 5a ist der bearbeitete kugelförmige Rotor 22 mit der Drehimpulsachse 12 parallel zu den eingeführten Drähten 13 gezeigt. In der F i g. 5b ist der Rotor 22 in der Form gezeigt, die er bei erhöhter Temperatur aufweist. In Fig. 5c ist der Rotor in seiner exakten kugelförmigen Form gezeigt, die er bei erhöhter Temperatur und Betriebsdrehzahl um seine Achse 12 wieder einnimmt.

In F i g. 6 ist ein Draht 30 aus Berylliummetall, der eine Nut 31 aufweist, und ein Draht 13, der z. B. aus Silber sein kann und gemäß F i g. 7 in die Nut 31 eingepreßt wird, dargestellt.

In F i g. 8 ist der zylindrische Körper 10 mit den Bohrungen gezeigt, die von der Mittelachse 12 einen Abstand aufweisen und in die die Drahte 30, 13 gemäß F i g. 7 eingeführt werden.

In F i g. 9 ist der nächste Verfahrensschritt gezeigt, bei dem der Körper 10 mit den Drähten 30,13 mit einer Stahlumhüllung 23 versehen wird, wobei die Stahlumhüllung durch Schweißen im Vakuum hermetisch abgedichtet wird.

Fig. 10 zeigt die Verformung des Körpers 10 während des Extrudierens zu der Stange 21. Die extrudierte Stange wird dann in eine verdünnte Salpetersäurelösung eingetaucht, um die Stahlumhüllung aufzulösen.

Die Berylliumstange mit den zwei Drähten parallel zur Längsachse wird entsprechend F i g. 11 in Abschnitte 22 zerschnitten, von denen der vorderste und hinterste Abschnitt wegen ihrer Nichtgleichförmigkeit nicht verwendet werden. Die gleichmäßigen Rohlinge werden dann unter Verwendung herkömmlicher Verfahren bearbeitet und geläppt, bis die gewünschte Kugelform gemäß F i g. 12 erreicht ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines mit Massenunwucht versehenen massiven Kugelrotors für ein Kreiselgerät durch Formen eines Rohlings aus Metall mit anisotropem Wärmeausdehnungskoeffizienten und Bearbeiten des Rohlings zur Kugelform, gekennzeichnet durch Bohren mindestens einer öffnung durch einen zylindrischen Körper in einem Abstand parallel zur Zylinderachse, die mit der Anisotropieachse übereinstimmt, Einführen eines Drahtes mit gegenüber dem anisotropen Metall unterschiedlicher Dichte in die Öffnung; Extrudieren des zylindrischen Körpers entlang der Zylinderachse zur Formung einer Stange mit einem Durchmesser, der geringfügig größer ist als der des herzustellenden Kugelrotors; Zerschneiden der Stange in Rohlinge und Bearbeiten eines jeden Rohlings zu einem Kugelrotor bei soweit unter der Betriebstemperatur und -drehzahl des Kreiselgerätes liegenden Temperatur und Drehzahl, daß sich die Deformation des Kugelrotors infolge der anisotropen Wärmeausdehnung bei der Betriebstemperatur und die Abflachung der Pole des um die Anisotropieachse mit der Betriebsdrehzahl rotierenden Kugelrotors gegenseitig kompensieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope Wärmeausdehnung des Rohlings durch Ausrichten der anisotropen Teilchen in dem zylindrischen Körper beim Extrudieren erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht zur Einführung in die öffnung in folgender Weise hergestellt wird: Formen eines Drahtes aus dem Material des Kugelrotors mit dem Durchmesser der öflnung; Formen einer Längsnut in den Draht; Anordnen eines Metalldrahtes mit gegenüber dem Rotormaterial unterschiedlicher Dichte in der Nut.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotormaterial gesintertes Beryllium ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, gekennzeichnet durch Anordnen einer Metallhülse um den zylindrischen Körper und Entfernen der Metallhülse von der Stange nach der Extrusion.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhülle aus Stahl besteht.