Double-sided polishing method for quartz hemispherical harmonic oscillator

技术领域

本发明属于熔融石英球面工件的超精密加工技术，涉及抛光原理，尤其是一种石英半球谐振子的双面抛光方法。

背景技术

半球谐振陀螺仪因其结构简单、质量轻、工作可靠性高、精度高、寿命长、损耗低以及良好的抗辐射和抗冲击振动等性能，在长寿命卫星、陆基兵器导弹、大型舰船、民用航空器和深空探测器等装备的惯导系统中得到广泛应用。石英半球谐振子是半球谐振陀螺仪的核心敏感功能部件，其加工表面质量、尺寸与形状精度都会使谐振子零件的振动特性发生变化，影响半球谐振陀螺仪的使用性能与工作寿命。目前，半球谐振子多采用铣磨和抛光工艺制得，通过铣磨得到毛坯件，后通过精磨进一步提高表面质量、尺寸精度和形状精度，最后通过超精密抛光得到高质量的半球谐振子。

目前，国内半球谐振子的精密抛光主要采用磁流变抛光技术、化学机械抛光技术和剪切流变抛光技术。磁流变抛光技术虽然可以实现很高的表面粗糙度，但是难以保证谐振子的球面抛光的均匀性和内外球面的面形精度；化学机械抛光技术广泛用于加工金属材料的谐振子，对于石英半球谐振子，无法进行加压抛光，而且石英半球谐振子的内球面带有中心支撑杆，没有空间去使用此抛光方式。例如中国专利CN202010843765介绍了一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法，该方法利用剪切流变流场并控制抛光液流速及工件主轴转速实现半球谐振子高效抛光，该方法虽然可以加工出表面质量较高的半球谐振子，但是由于该方法对于半球谐振子内外球面是分开加工的，在加工过程中会因为受力不平衡而导致工件损坏，并且在换面加工时，会引入装夹误差、重复定位误差等，导致加工精度降低，难以加工出高精度的半球谐振子。为解决现有技术存在的上述问题，本发明采用控制抛光器与谐振子表面的间隙来保证加工后的半球谐振子的面形精度，并且本发明实现了谐振子内外表面同时加工，大大提高了加工的效率。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能保证半球谐振子的面形精度，又能大大提高加工的效率石英半球谐振子的双面抛光方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种石英半球谐振子的双面抛光方法，包括以下步骤：

A、制备出具有剪切增稠效应的非牛顿流体抛光液，经过超声分散后加入抛光液站备用；

B、将半球谐振子通过夹具安装到机床转台上，调整半球谐振子的回转轴线，使得半球谐振子的回转轴线与机床转台的回转轴线重合；

C、通过传感器测量出当前半球谐振子的位置，记录于五轴数控机床的数控系统中；

D、设计并制作内表面抛光器和外表面抛光器，然后将外表面抛光器装于机床主轴上，调整到数控系统记录的半球谐振子的位置，并将将内表面抛光器和外表面抛光器连在一起，形成一个整体的抛光器；

E、启动液循泵，使抛光液进入内表面抛光器和半球谐振子内表面的间隙中以及外表面抛光器和半球谐振子外表面的间隙中，启动机床的主轴和转台，使抛光器和半球谐振子相对转动，抛光液在抛光器和半球谐振子的间隙中流动，在半球谐振子的内外侧形成两个剪切流变的流场，并通过机床的控制台控制抛光器的旋转速度和半球谐振子的旋转速度，对半球谐振子的外表面和内表面同时进行抛光。

进一步地，所述步骤A中，非牛顿流体抛光液为非牛顿流体基液、磨料和添加剂制成的混合物，所述非牛顿流体基液为多羟基聚合物和水组成的非牛顿流体，所述磨粒为二氧化硅；所述添加剂为分散剂、防腐剂和pH调节剂。

进一步地，所述步骤B中，半球谐振子与夹具连接的方式为机械装夹，半球谐振子采用定位夹具，利用半球谐振子中心支撑柱圆柱面定位和夹紧，夹具与机床转台通过定位面进行连接，并消除定位误差，保证转台回转轴线与半球谐振子回转轴线的同轴度误差小于10μm。

进一步地，所述步骤C中，利用触碰式传感器对半球谐振子中心的位置进行检测，在同一高度即Z向高度下利用触碰式传感器去接触半球谐振子，最后通过机床内部宏程序计算半球谐振子装夹后的具体位置并记录到机床的数控系统中。

进一步地，所述步骤D中，在加工半球谐振子之前，采用泰勒轮廓仪测量经过磨削后的半球谐振子的面形精度，看面形精度是否符合应用要求，若符合应用要求，则抛光器保持现有面形精度；否则，根据测量得到的半球谐振子的面形设计相应的抛光器去修整面形。

进一步地，在所述步骤D之前，制作与半球谐振子材料相同的平面工件，并制作直径为12mm的圆柱形抛光器，在相同的线速度情况下，利用平面工件和圆柱形抛光器进行间隙为0--0.4mm变化的实验，得到不同间隙大小下的材料去除率情况；利用之前实验得到的抛光间隙与去除率大小的关系，通过以下材料去除率公式计算半球谐振子上不同点的抛光压力的大小：

MRR＝kPV

其中，MRR为材料去除率，k为Preston系数，其在一定的加工工艺条件下为常数，P为抛光压力，V为相对速度。

进一步地，在设计所述修正面形的抛光器时，根据测量得到的半球谐振子的面形设计相对应的抛光器，在材料去除率高的地方，设计相对大的间隙，在材料去除率低的地方，设计相对小的间隙。同时为防止干涉，外表面抛光器在中心打孔，孔的半径比支撑柱的半径大1-3mm；内表面抛光器^{和外表面抛光器}上均开抛光垫槽，抛光垫槽的数量为3-6条。

进一步地，所述内表面抛光器和外表面抛光器的整体形状是半球形、八分之三球形或八分之一球形。

进一步地，所述抛光垫槽的形状为梯形、扇形、直线形或月牙形。

进一步地，所述内表面抛光器和外表面抛光器的整体形状为半球形、四分之三球形或四分之一球形。

进一步地，所述内表面抛光器和外表面抛光器可以改变安装位置，实现内外表面抛光器分别驱动加工。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明采用设计的抛光器替代现有的传统的小抛光头的点接触抛光，增大了抛光的接触面积，提高了整体加工的效率；通过抛光器的设计，同时加工半球谐振子的内外表面，不仅使半球谐振子受力平衡，而且保证了内外表面的材料同时均匀去除，保证了半球谐振子壁厚的均匀性，提高了加工效率。

2、由于本发明采用控制内外抛光器壁面与半球谐振子壁面的间隙来控制流体压力的大小，从而保证半球谐振子整体均匀加工；因为半球谐振子是一个球类的薄壁零件，球面上不同高度下的点相对于回转中心的垂直距离是不同的，所以不同高度的点的相对线速度是不同的，导致不同点处的材料去除率不同，根据影响材料去除率的因素，当速度一定时，可以改变压力来控制材料去除率的大小；利用之前实验得到的抛光间隙与去除率大小的关系，来计算半球谐振子上不同高度的点的抛光压力的大小，从而实现整体均匀加工。

3、由于本发明采用高精度的触碰式传感器来检测半球谐振子的装夹位置和抛光器的相对位置，可以消除因为装夹误差带来的加工误差；采用高精度的触碰式传感器(精度为1μm)来检测半球谐振子的位置，从而保证抛光器能够精准地运动到半球谐振子的正上方，在加工过程中不会影响谐振子的同轴度，避免了装夹误差，能加工出高精度半球谐振子。

4、由于本发明采用的柔性非接触的加工方法，实现了半球谐振子表面高质量加工，抛光过程中采用剪切增稠效应去除工件表面材料，去除原理为：流体的剪切增稠特性，使得其中的固态粒子形成“粒子族”，将磨粒把持、包裹其中，产生流体剪切力F_剪切，剪切增稠效应的不断增强，由于进一步增强了固态粒子对磨料的把持作用，得以形成类似“柔性固着模具”，并在较大的流体压力F_压作用下，使得磨粒在工件表面产生相对运动，从而去除工件表面的材料。加工过程中磨粒与工件表面为柔性接触，能够避免对表面产生划痕和磨粒嵌入的损伤，能够实现无损伤的表面材料去除。