石英半球諧振子精密加工技術(shù)探討

徐志強，劉建梅，王 振，陳曉磊，陳效真

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

半球諧振陀螺（Hemispherical Resonator Gyroscope，HRG）是一種高精度、高可靠性和長壽命的新型固體振動陀螺。與傳統(tǒng)陀螺相比，半球諧振陀螺在結(jié)構(gòu)上不存在高速轉(zhuǎn)子和活動支承，是利用半球殼體唇緣的徑向振動駐波進動效應(yīng)感測基座旋轉(zhuǎn)的一種哥式振動陀螺。半球諧振陀螺的零部件數(shù)量少、體積小、質(zhì)量小、功耗低、精度高，具有超強穩(wěn)定性和可靠性、良好的抗沖擊振動性和溫度性能，且其關(guān)機持續(xù)工作時間長、抗輻射能力強、具有15年以上的長期工作壽命，精度可達 0.0001（°）/h， 已在衛(wèi)星、 飛行器、 導彈武器、商用飛機、艦船、戰(zhàn)車及石油勘探等多領(lǐng)域中獲得了成功應(yīng)用，表現(xiàn)出了十分突出的技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

1 半球諧振陀螺的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國是最早研制半球諧振陀螺的國家，代表著半球諧振陀螺的最高發(fā)展水平。1965年，第一個HRG樣機在美國誕生。20世紀80年代，通用汽車公司Delco系統(tǒng)工作部采用熔融石英材料開發(fā)了Φ58mm的HRG-158系列，半球諧振子的品質(zhì)因數(shù)超過了107，首次展示了HRG的優(yōu)異性能。1996年，Northrop Grumman公司研制了Φ30mm的HRG-130Y，基于HRG-130Y的第一個空間慣性參考單元（Space Inertial Reference Unit， SIRU ）發(fā)射升空（用于NEAR項目）。2002年，經(jīng)過一系列結(jié)構(gòu)及工藝改進，HRG-130P實現(xiàn)量產(chǎn)，零偏穩(wěn)定性為0.0005（°）/h～0.001（°）/h。 2004 年， HRG-130P 成功應(yīng)用于空間MESSAGER項目，多套系統(tǒng)累計實現(xiàn)了1500萬小時的無故障在軌運行，任務(wù)成功率達到了100%，充分驗證了HRG在空間領(lǐng)域應(yīng)用的獨特優(yōu)勢。基于HRG-130P技術(shù)，Northrop Grumman公司對微型半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)進行了極大程度的簡化。2012年研制出的m-HRG質(zhì)量僅為113.4g，直徑為 35mm， 零偏穩(wěn)定性為 0.00035（°）/h。 圖 1 為m-HRG系列半球諧振陀螺。

圖1 Northrop Grumman公司研制的m-HRG系列半球諧振陀螺Fig.1 Hemispherical resonator gyroscopes of m-HRG series developed by Northrop Grumman

20世紀90年代，法國Sagem公司開始了針對HRG技術(shù)的研究，設(shè)計了平面電極的結(jié)構(gòu)，簡化了HRG的加工和裝配工藝，并顯著降低了成本。半球諧振子直徑為20mm的REGYS-20的零偏穩(wěn)定性優(yōu)于 0.01（°）/h， 2005 年應(yīng)用于鐵錘（Hammer）空對地精確制導炸彈中，任務(wù)成功率高達99%，年產(chǎn)能力可達5000只。圖2為REGYS-20半球諧振陀螺及慣組。

圖2 Sagem公司研制的REGYS-20半球諧振陀螺及慣組Fig.2 Hemispherical resonator gyroscopes and inertia unit of REGYS-20 developed by Sagem

20世紀80年代，俄羅斯拉明斯克儀器設(shè)計制造局研制了直徑為100mm的HRG。20世紀90年代，該單位又開發(fā)了直徑為50mm的 HRG，該HRG 實現(xiàn)了隨機漂移可達 0.001（°）/h～0.005（°）/h的慣性級精度，如圖3所示。

圖3 俄羅斯拉明斯克儀器設(shè)計制造局研制的半球諧振陀螺及慣組Fig.3 Hemispherical resonator gyroscopes and inertia unit developed by Russia

國內(nèi)針對半球諧振陀螺的研究始于20世紀80年代，北京航天控制儀器研究所、中電26所、北航、東北大學、南航等多家單位對半球諧振陀螺的理論、加工技術(shù)、信號處理等開展了相關(guān)研究工作。中電26所在2003年研制的HRG樣機，其隨機漂移精度優(yōu)于 0.2（°）/h， 初步達到了導航級工作要求。此后，中電26所開發(fā)了直徑為30mm的HRG，解決了熔融石英的精密機械加工、諧振子質(zhì)量調(diào)平、球面鍍膜、真空封裝等關(guān)鍵工藝技術(shù)。半球諧振子加工內(nèi)外球同心度≤0.1μm， 隨機漂移優(yōu)于0.03（°）/h。2013年8月，中電26所與航天科技803所聯(lián)合研制的HRG慣導系統(tǒng)在實踐九號衛(wèi)星上完成搭載試驗。2017年2月，該慣導系統(tǒng)在我國通信技術(shù)試驗衛(wèi)星二號上成功實現(xiàn)在軌應(yīng)用。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，特別是在精密加工技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)的大力推動下，半球諧振陀螺技術(shù)取得了快速發(fā)展，并經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)形式由繁到簡、核心零件數(shù)量由多到少、體積重量由大到小的轉(zhuǎn)變。陀螺的精度和性能越來越高，制造難度和生產(chǎn)成本大幅降低，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，實現(xiàn)了衛(wèi)星與航天器等的空間導航、機載慣性導航、艦船導航、陸地導航及石油地質(zhì)鉆探定位定向等的成功應(yīng)用，市場前景廣闊，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2 半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)分析

半球諧振陀螺的經(jīng)典結(jié)構(gòu)主要由半球諧振子、激勵罩和敏感基座3部分組成，構(gòu)件均為高品質(zhì)因數(shù)的熔融石英材料經(jīng)超精密加工而成。材料表面經(jīng)金屬化處理，并將半球諧振子、靜電激勵罩和敏感基座精密裝配焊接在一起，密封在一個高真空的容器中，形成了一個完整而獨立的角度或角速度傳感器。幾個經(jīng)典的半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)如圖4～圖6所示。

圖4 Delco公司的HRG結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of HRG developed by Delco

圖5 俄羅斯拉明斯克儀器設(shè)計制造局的HRG結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of HRG developed by Russia

圖6 Sagem公司的REGYS-20結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of REGYS-20 developed by Sagem

半球諧振陀螺發(fā)展至今，其典型結(jié)構(gòu)形式主要可分為兩類：三件套構(gòu)型和二件套構(gòu)型（球面電極、平面電極），如圖7、圖8所示。

圖7 三件套HRG構(gòu)型Fig.7 Three-pieces structure of HRG

圖8 二件套HRG構(gòu)型Fig.8 Two-pieces structure of HRG

二件套構(gòu)型是在經(jīng)典三件套構(gòu)型的基礎(chǔ)上，將 “激勵電極”與 “讀出電極”合二為一，省去了 “激勵罩”零件。此種方式雖然加大了電路與控制系統(tǒng)的技術(shù)難度，但將HRG的核心零件數(shù)量由3個減少為2個，簡化了陀螺結(jié)構(gòu)，降低了制造難度。兩類HRG的結(jié)構(gòu)特點如表1所示。

表1 半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)特點Table 1 Structure characteristics of HRG

3 半球諧振子精密加工工藝

半球諧振陀螺技術(shù)上最復雜、最重要的部件是半球諧振子，它決定著陀螺的精度和性能。理想的半球諧振子應(yīng)具有高品質(zhì)因數(shù)、彈性物質(zhì)各向同性、耗散各向同性。由于半球諧振子在制造過程中存在加工誤差和表面缺陷，其密度、楊氏模量、殼體厚度等不一致，導致其品質(zhì)因數(shù)和駐波對稱性等出現(xiàn)了損失，影響了陀螺的穩(wěn)定性、重復性、噪聲、標定因數(shù)等關(guān)鍵指標。

半球諧振子的材料為高純度熔融石英，形狀為帶有中心支撐桿的半球形薄壁殼體，直徑通常為15mm～50mm， 壁厚為 0.3mm～1.1mm， 面形精度＜0.5μm， 內(nèi)外球面及支撐桿同心度＜0.5μm，表面粗糙度 Ra＜0.025μm，品質(zhì)因數(shù) Q值高于107。其精密制造過程包括粗磨成型、精密磨削、研磨拋光、化學腐蝕、表面鍍膜、質(zhì)量調(diào)平等。

半球諧振子的異形薄殼結(jié)構(gòu)硬度高、脆性大，對內(nèi)外球面和支撐桿的形狀精度和位置精度要求高（亞微米級），制造難度很大，上述因素一直以來是制約半球諧振陀螺發(fā)展的瓶頸和難題。隨著制造技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，諧振子結(jié)構(gòu)的演變改善了其加工工藝性，降低了制造成本。如圖9所示，半球諧振子的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由三件套到二件套的演變過程。

圖9 半球諧振子的結(jié)構(gòu)演變Fig.9 Evolution of hemispherical harmonic oscillator

3.1 粗磨成型

（1）軌跡成型法

使用電鍍或固結(jié)磨料小球頭金剛石砂輪，在加工中心、坐標磨床等數(shù)控機床上按照編程好的加工軌跡，砂輪以點接觸磨削形式加工半球諧振子形面，如圖10所示。

圖10 軌跡成型法磨削加工Fig.10 Grinding based on path-forming method

近年來，超聲振動輔助磨削加工技術(shù)已成為解決硬脆材料復雜結(jié)構(gòu)精密加工難題的有效方法。超聲振動輔助磨削加工是將超聲振動施加于旋轉(zhuǎn)的磨削工具上，在超聲振動的高頻侵蝕與空化雙重作用下，使加工區(qū)的材料得以弱化，可有效抑制砂輪堵塞，顯著減小磨削力和磨削溫度，降低工件變形和表面損傷，實現(xiàn)高效率、高精度、低損傷的材料去除。與常規(guī)方法相比，超聲振動輔助磨削加工的效率可提高5～10倍，加工表面質(zhì)量提高30%～50%，崩邊、開裂等問題大幅減少。圖11為坐標磨床磨削加工，圖12為超聲振動輔助磨削加工。

（2）銑磨成型法

對于內(nèi)外支撐桿長度縮短的半球諧振子，可采用 “范成法”進行球面銑磨加工，如圖13所示。“范成法”球面銑磨加工能夠在一次裝夾的情況下，完成諧振子內(nèi)外球、內(nèi)外支撐桿、端面等各關(guān)鍵部位的加工，效率高，且易于保證半球諧振子對形位精度的要求。

圖12 超聲振動輔助磨削加工Fig.12 Assisted grinding with ultrasonic vibrating

圖13 “范成法”球面銑磨加工Fig.13 Spherical milling-grinding based on generation method

3.2 精密磨削

在超精密機床上，依賴機床的運動和定位精度，使用微粉金剛石砂輪進行精密磨削加工，進一步提高了諧振子零件的尺寸精度和形位精度，減小了加工裂紋等表面缺陷，為后續(xù)研磨、拋光奠定了基礎(chǔ)。微粉金剛石砂輪粒度低、易堵塞，關(guān)鍵要解決好其砂輪在位修整問題（包括砂輪整形和修銳），以降低磨削力。此外，砂輪對刀、砂輪磨損補償對半球諧振子的加工精度也有很大影響。

北京航天控制儀器研究所在自主研制的超精密磨削機床上使用了W15碗型微粉金剛石砂輪實現(xiàn)了球面銑磨超精密磨削工藝，諧振子內(nèi)球面加工圓度誤差＜0.5μm， 表面粗糙度Ra＜0.04μm， 加工效率較高，實現(xiàn)了 “以磨代研”的加工效果。

3.3 研磨和拋光

研磨和拋光加工進一步提高了零件的尺寸精度、面形精度和一部分位置精度，降低了零件的表面粗糙度，減小了零件表面的加工損傷層。半球諧振子為 “蘑菇狀”的異形復雜結(jié)構(gòu)，其研磨和拋光加工的難度主要體現(xiàn)在：

1）中心支撐桿加工干涉影響，在支撐桿圓弧過渡處，存在研磨拋光 “死角”；

2）諧振子零件薄壁、材料硬脆，如加工作用力不當，易導致零件碎裂；

3）加工中需調(diào)頭裝夾和找正，高于微米級的同軸、同心等位置精度要求很難保證。

傳統(tǒng)的研磨拋光工藝方法難以滿足半球諧振子的加工精度要求，迫切需要探索具備無死角、全區(qū)域、柔性化等特點的研拋新工藝?；瘜W機械拋光、離子束拋光、磁場輔助拋光、磁性磨粒拋光、超聲波輔助拋光、剪切增稠拋光等非傳統(tǒng)光整加工技術(shù)發(fā)展迅速，已成為復雜面型、超光滑表面等加工難題的重要解決方法。

磁流變拋光是利用磁流變液在磁場中的流變效應(yīng)實現(xiàn)光整加工的先進工藝方法，如圖14所示。在外加變化磁場的作用下，磁流變液的黏度隨著磁場的增大而迅速增大。磁流變液附著在拋光輪表面形成類固體狀態(tài)的緞帶，并隨拋光輪的轉(zhuǎn)動而與工件接觸，通過在相對運動中產(chǎn)生的剪切力對工件表面的材料進行微量去除。磁流變拋光是一種柔性拋光方法，去除函數(shù)穩(wěn)定，面形誤差收斂快，不會產(chǎn)生亞表面損傷層，加工效率高。但是，由于磁流變拋光輪的小型化設(shè)計還存在困難，其在諧振子拋光應(yīng)用中還存在著諸多難題。磁流變拋光應(yīng)用了磁性流體的磁性磨粒拋光技術(shù)，拋光工具頭選用永磁材料，不受工件外形尺寸的限制。哈爾濱工業(yè)大學研究開展的永磁小球頭磁流變研拋技術(shù)，使半球諧振子加工表面的粗糙度Ra≤0.02μm。

圖14 永磁小球頭磁流變研拋加工Fig.14 Magnetorheological polishing with small permanent magnet ball head

3.4 化學腐蝕

諧振子在經(jīng)過粗磨成型、精密磨削、研磨拋光等機械加工處理后，其表面仍然存在著一定深度的加工變質(zhì)層，這一變質(zhì)層對諧振子的品質(zhì)因數(shù)、表面鍍膜和頻率裂解等均產(chǎn)生了嚴重影響。

諧振子為高純度石英材料，采用氫氟酸溶液化學腐蝕方法能夠有效消除諧振子加工表面的損傷層。石英材料與氫氟酸的化學作用可表示為

式中，n為聚硅酸的聚合度。

酸洗產(chǎn)物（不同聚合度的多硅酸）會吸附在零件表面，阻礙酸洗液與表面材料的相互作用，導致腐蝕過程不均勻，破壞零件的表面粗糙度。在加工過程中，使用強無機酸可去除酸洗產(chǎn)物，保持氫氟酸溶液的性能。

石英材料的氫氟酸化學腐蝕過程十分復雜，材料的溶解程度與表層去除深度不僅與氫氟酸溶液的濃度、溫度、加工時間有關(guān)，還與諧振子的材料成份、機械加工表面質(zhì)量、循環(huán)化學處理方法等密切相關(guān)。研究自動化的化學腐蝕加工裝置，優(yōu)化工藝參數(shù)，對保證諧振子化學腐蝕加工的表面均勻性、提升加工質(zhì)量具有重要意義。圖15為國外應(yīng)用的諧振子化學腐蝕自動化加工裝備。

圖15 半球諧振子化學腐蝕自動化加工裝備Fig.15 Automation equipment of hemispherical harmonic oscillator chemical corrosion

3.5 質(zhì)量調(diào)平

雖然半球諧振子經(jīng)過了一系列的精密加工，但受加工誤差、材料不均勻性等因素的影響，其與理想狀態(tài)的諧振子仍然存在著偏差，諧振子在周向不同方位上的幾何尺寸、材料密度、質(zhì)量、彈性模量、品質(zhì)因數(shù)等產(chǎn)生的不對稱性導致了諧振子的諧振頻率差異。高精度半球諧振陀螺要求諧振子的頻率差應(yīng)小于0.01Hz，質(zhì)量分布不平衡差異小于0.1mg。諧振頻率差異（頻率裂解）的大小決定著半球諧振陀螺的精度，其關(guān)系如圖16所示。

圖16 陀螺穩(wěn)定性與諧振子頻差的關(guān)系Fig.16 Relationship between gyroscope stability and frequency difference

為修正頻差，需通過調(diào)平工藝去除和修正諧振子的表面質(zhì)量分布，補償諧振子球殼圓周上的各向異性，使諧振子盡量達到理想的狀態(tài)。諧振子的質(zhì)量調(diào)平工藝目前主要有：機械去重調(diào)平、化學腐蝕調(diào)平、激光去重調(diào)平和離子束刻蝕調(diào)平等。

離子束刻蝕調(diào)平方法為原子量級的無應(yīng)力去除，調(diào)平精度高，對材料表面和深層結(jié)構(gòu)的影響小，目前在諧振子質(zhì)量調(diào)平中應(yīng)用較為普遍。飛秒激光作為超快激光的典型代表，具有超短的脈沖寬度，脈沖寬度為幾飛秒到幾百飛秒（1fs＝1×10-15s）；飛秒激光具有極高的峰值功率，峰值功率可達109量級。在物鏡聚焦后，可輕松實現(xiàn)1017W/cm2的功率密度。飛秒激光加工無需真空環(huán)境，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，工藝簡單，加工質(zhì)量高，且材料加工的可適性強，可加工材料包括了聚合物、金屬、半導體、石英、金剛石等幾乎所有材料。飛秒激光脈沖寬度極短，在對材料進行燒蝕加工時的熱影響區(qū)非常小，可以實現(xiàn)冷加工。作為一種高精度的加工手段，飛秒激光在微光學元件的制造中越來越重要。

3.6 表面鍍膜

半球諧振子表面需要進行金屬化處理制成電極，形成激勵電容施加靜電控制，以及讀出電容檢測諧振子的振動波形。諧振子鍍膜技術(shù)的關(guān)鍵在于確保膜層的均勻性（優(yōu)于3%）和石英諧振子的品質(zhì)因數(shù)Q值，以降低膜層殘余應(yīng)力，滿足膜層電阻率等的要求。一般采用磁控濺射等工藝方法，鍍鉻膜和金膜。

4 結(jié)論

半球諧振陀螺技術(shù)優(yōu)勢明顯，應(yīng)用前景廣闊，我國現(xiàn)已進入實際應(yīng)用階段，但與國外差距還很大，應(yīng)把握慣性技術(shù)發(fā)展機遇，下大力氣加速其發(fā)展。針對研制中的瓶頸和難題——石英半球諧振子，今后需重點研究高效精密與超精密磨削加工技術(shù)、新型柔性研拋技術(shù)、高精度質(zhì)量調(diào)平技術(shù)等精密與超精密加工工藝方法，研制開發(fā)相關(guān)精密工藝裝備，提高石英半球諧振子的加工精度，提升效率，降低成本，形成批量化生產(chǎn)制造能力，滿足航空、航天、航海等多領(lǐng)域工程應(yīng)用的迫切需求。