陀螺電機轉子動平衡激光精密去重技術

薛亞飛，李 廣，高文焱，李 凱

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

陀螺電機轉子是陀螺的關鍵部件。在高速轉動的情況下，轉子質量的不均勻分布會降低陀螺支撐軸的壽命，產生漂移誤差，影響陀螺的精度［1-2］。目前，針對陀螺電機轉子的動平衡問題，通常采用動平衡機檢測出轉子不平衡量的大小和相位，隨即將轉子從動平衡機上取下，由人工鉆頭打孔進行去重平衡，并多次重復以上過程，直至達到預期的平衡精度［3］。這種方法存在平衡精度低的問題，且其效果在很大程度上取決于操作者的熟練程度。同時，反復啟停的操作過程，帶來了去重效率低的問題，由打孔產生的金屬碎屑易粘在轉子軸承上，也影響了陀螺的精度［4-5］。

采用人工電鉆打孔方法作為陀螺電機轉子的去重方式，已成為制約陀螺生產效率和精度的瓶頸。作為用于陀螺轉子去重的新技術，激光去重技術利用聚焦后的激光束照射轉子表面，使轉子超重部分快速汽化、噴射，從而完成去重過程。通過調節激光脈寬、功率密度等參數，可精確控制去重小坑的形狀和質量。該方法具有去重精度高、無接觸、效率高等優點［6-7］。激光動平衡將不平衡量測量與激光去重技術進行了結合，具有自動測量和去重功能，可解決人工動平衡存在的反復裝卡、效率低、精度低等問題。

激光去重后的盲孔存在氧化現象及殘渣，這嚴重影響了陀螺轉子的穩定性，給陀螺儀表帶來了重大隱患［8-9］。本文研究了激光參數對去重盲孔質量的影響規律，針對激光去重盲孔存在的殘留物及氧化問題，提出了利用激光二次拋光技術去除殘渣的方法，研究了激光參數對拋光效果的影響規律。經激光拋光后，去重盲孔無明顯的殘留物及氧化現象，可滿足精密陀螺電機轉子對去重的要求。

1 實驗方法與設備

實驗所用陀螺電機轉子的材質為高密度合金，所用激光器為脈沖光纖激光器，激光波長為1064nm，激光功率為10W～30W可調，脈沖寬度為100ns，脈沖重復頻率為20kHz～100kHz可調。輸出的激光束經準直鏡、場鏡等整形聚焦后，光斑大小約為40μm，通過掃描振鏡可實現直徑為0.5mm～3mm的打孔去重和拋光工藝，可通過控制系統調節激光參數。

采用激光顯微鏡和掃描電鏡（SEM）對去重和拋光后的轉子樣件進行了測試，研究了激光參數對去重和拋光效果的影響規律。

2 實驗結果與討論

2.1 激光參數對去重效果的影響規律研究

（1）激光頻率對去重效果的影響規律

前期實驗表明，在采用較大的激光功率時，去重效率較高。因此，在去重過程中，針對激光功率選擇了激光器的最大輸出功率——30W。研究了在頻率分別為20kHz、40kHz、60kHz和80kHz時，激光頻率對去重效果的影響規律。在去重過程中，振鏡掃描速度為1000mm／s，去重盲孔直徑約為1mm。

圖1為在采用不同激光頻率進行去重后，轉子樣件表面的顯微鏡照片。當激光輸出功率不變時，頻率越大，單位時間內的脈沖個數越多，單脈沖能量就越小。由圖1可知，在經不同頻率激光去重后，去重盲孔底部均較為平整，激光頻率對去重盲孔表面的平整度影響不大。但隨著激光頻率的增加，去除重量呈減小趨勢，這可能是由于單脈沖能量太小而導致去除率降低。綜合考慮激光去重效果和效率，優化后激光去重的頻率為20kHz。

（2）振鏡掃描速度對去重效果的影響規律

振鏡掃描速度會影響光斑之間的搭接率，振鏡掃描速度越大，光斑搭接率越小。激光輸出功率為30W、頻率為20kHz時，研究了振鏡掃描速度分 別 為 500mm／s、 1000mm／s、 1500mm／s 和2000mm／s時的去重效果影響規律。

圖1 不同激光頻率去重后樣件表面的顯微鏡照片Fig.1 Microphotograph of the samples after laser de-weight with various laser frequency

圖2為在采用不同振鏡掃描速度進行去重后樣件表面的顯微鏡照片。由圖2可知，當振鏡掃描速度為500mm／s時，去重盲孔底部的平整度較差，這可能是由于光斑搭接率過高、過度清洗造成的；當振鏡掃描速度大于或等于1500mm／s時，去重盲孔底部開始出現條紋結構，表面平整度也越來越差，這是由于振鏡掃描速度過快、光斑之間不能有效搭接而導致的盲孔底部表面不均勻；當振鏡掃描速度為1000mm／s時，去重盲孔底部比較平整，故優化后激光去重的振鏡掃描速度為1000mm／s。

圖2 經不同振鏡掃描速度去重后樣件表面的顯微鏡照片Fig.2 Microphotograph of the samples after laser de-weight with various galvanometer scanning speed

2.2 激光參數對拋光效果的影響規律研究

（1）振鏡掃描速度對拋光效果的影響規律

采用優化后的去重參數進行去重，去重盲孔底部較為平整，但存在樣件氧化變色及殘留物存留等問題。針對激光去重后基材存在的氧化現象和殘留物存留現象，激光清洗技術可針對性地去除氧化層和殘留物，本文提出了對去重盲孔進行激光二次拋光清洗以去除殘留物的方法，優化了激光拋光的工藝參數。

在激光功率為15W、頻率為50kHz的條件下，研究了振鏡掃描速度分別為1000mm／s、1500mm／s和2000mm／s時的轉子基材拋光效果影響規律。

圖3為在采用不同振鏡掃描速度進行拋光后樣件表面的顯微鏡照片。由圖3可知，拋光后的樣件均存在不同程度的氧化變黑現象。當振鏡掃描速度為1000mm／s時，樣件表面的氧化變黑現象較為嚴重；當振鏡掃描速度為2000mm／s時，樣件表面出現因搭接不足而產生的條紋；當振鏡掃描速度為1500mm／s時，拋光后的樣件表面光滑，氧化變黑現象較少。故在轉子拋光過程中，優化后的振鏡掃描速度為1500mm／s。

（2）激光功率對拋光效果的影響規律

在振鏡掃描速度為1500mm／s、激光頻率為50kHz的條件下，研究了激光功率分別為12W、15W和18W時的拋光效果影響規律。

圖4是經不同激光功率拋光后樣件表面的顯微鏡照片。由圖4可知，當激光功率為12W時，樣件表面顏色基本沒有變化，拋光后樣件表面平整光滑。從顯微鏡照片可觀察到樣件表面光斑照射處出現基材熔化后重新凝結而成的小坑，這是由于此時激光能量僅能使基材熔化，還不足以造成基材揮發、損傷，同時基材表面污染物已被去除干凈。隨著激光功率的增加，拋光表面開始出現氧化發黑現象，同時拋光后的表面開始出現毛刺等殘渣，這說明拋光失效。故優化后激光功率為12W，振鏡掃描速度為1500mm／s，激光頻率為50kHz，可實現最好的拋光效果。

圖3 經不同振鏡掃描速度拋光后樣件表面的顯微鏡照片Fig.3 Microphotograph of the samples after laser polishing with various galvanometer scanning speed

圖4 經不同激光功率拋光后樣件表面的顯微鏡照片Fig.4 Microphotograph of the samples after laser polishing with various laser power

2.3 激光去重盲孔二次拋光效果研究

采用優化后的激光去重參數（功率為30W，頻率為20kHz，振鏡掃描速度為1000mm／s）對轉子進行盲孔去重，盲孔直徑為1.5mm。隨后，采用優化后的拋光參數（激光功率為12W，頻率為50kHz，振鏡掃描速度為1500mm／s）對盲孔進行拋光，拋光圓直徑為2mm。圖5（a）為拋光前盲孔表面SEM圖。由圖5（a）可知，激光去重盲孔表面布滿殘渣，不能滿足陀螺電機轉子的去重要求。圖5（b）為拋光后盲孔表面SEM圖。由圖5（b）可知，經拋光后，去重盲孔表面的殘留物被清除干凈，盲孔底部和側壁平整光滑，盲孔表面光潔度與傳統鉆孔光潔度基本一致。激光打孔和二次拋光去重工藝已被成功應用到了陀螺電機轉子的激光精密去重領域。

圖5 經激光去重拋光前后盲孔表面的SEM圖Fig.5 SEM diagram of blind hole before and after laser de-weight polishing

3 結論

本文針對陀螺電機轉子動平衡精密去重需求，開展了陀螺電機轉子激光去重技術研究。針對去重盲孔的殘渣存留和氧化問題，提出了將激光打孔去重技術與激光二次拋光技術相結合進行殘渣／氧化去除的方法，同時優化了激光去重和二次拋光工藝。激光去重工藝宜采用較大功率激光、較小振鏡掃描速度，二次拋光工藝在去除殘渣時宜采用小功率激光。SEM測試表明，二次拋光后盲孔表面殘渣、氧化去除干凈，盲孔表面由基材熔化重新凝結而成。激光去重與二次拋光的結合工藝方法可滿足陀螺電機轉子對去重盲孔無殘留物、無氧化的要求。