撓性接頭微細(xì)加工關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

戴勇(普斐特油氣工程(江蘇)股份有限公司，江蘇 淮安 211600)

1 研究背景與意義

撓性接頭是精密導(dǎo)航調(diào)諧陀螺儀重要的部件，撓性接頭的制造水平和精度直接決定了其使用性能，最終決定導(dǎo)航系統(tǒng)的位姿精度。撓性接頭目前主要由組合式和一體式兩種，由于撓性接頭的空間微細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且加工精度高，采用組合式的方法可以降低加工的難度，但同時(shí)撓性接頭的性能和壽命也因此下降。一體式撓性接頭的采用整根棒料加工而成，消除了組合式撓性接頭組裝帶來(lái)的裝配誤差，同時(shí)一體化撓性接頭具有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以消除2倍頻角振動(dòng)引起的漂移誤差，導(dǎo)航精度更高，因此更具有使用前景。受加工水平的限制，我國(guó)目前使用的陀螺儀上均配備的是組合式撓性接頭，導(dǎo)航精度遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的一體式撓性接頭，且使用壽命一般不超過(guò)1 000 h。

撓性接頭的導(dǎo)航主要通過(guò)細(xì)筋的變形實(shí)現(xiàn)，因此撓性接頭加工的關(guān)鍵技術(shù)[1]在于細(xì)筋的加工工藝和加工質(zhì)量。細(xì)筋結(jié)構(gòu)目前主要通過(guò)兩個(gè)相鄰的圓實(shí)現(xiàn)，一體化撓性接頭上通常徑向均布的四組細(xì)筋，四組細(xì)筋加工的一致性也是影響導(dǎo)航精度的主要因素，也是最難加工部位。一些科研和生產(chǎn)單位已經(jīng)著手撓性接頭的研制，通過(guò)減除鏜削加工產(chǎn)生的變質(zhì)層，改善表面粗糙度、表面變質(zhì)層、殘余應(yīng)力、接頭疲勞強(qiáng)度和使用壽命，但相關(guān)的微細(xì)磨削機(jī)理及表面完整性控制的理論知識(shí)還非常欠缺。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 撓性接頭的加工方法

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)一體式撓性接頭的制造技術(shù)積累較多，其加工技術(shù)相對(duì)成熟。產(chǎn)品已成功應(yīng)用于火星探測(cè)器(俄羅斯研制)和DRIRU Ⅱ航天器(美國(guó))。但由于航空航天導(dǎo)航技術(shù)的敏感性，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)撓性接頭的制造技術(shù)一直處于保密狀態(tài)。我國(guó)的撓性接頭加工技術(shù)還處于成長(zhǎng)期，經(jīng)過(guò)三四十年的不懈努力，航天研究所、高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)、儀表公司等都進(jìn)行了大量研究，以期通過(guò)不懈的努力盡快縮小和發(fā)達(dá)國(guó)家在撓性接頭制造方面的差距。撓性接頭細(xì)筋的加工要經(jīng)歷粗加工、精加工和超精加工三個(gè)階段。粗加工的主要方法有電火花、鉆、鏜、銑；精加工的方法有精密電火花放電、精密數(shù)控坐標(biāo)磨、精密坐標(biāo)鏜；超精加工的方法目前只有精細(xì)研磨。華東理工和同濟(jì)大學(xué)[2]制定一體式撓性接頭工藝流程，差值百分比都在3%之內(nèi)，而且測(cè)量的數(shù)值都在技術(shù)要求的公差之內(nèi)。

2.2 細(xì)筋角剛度解析

撓性接頭細(xì)筋的另一個(gè)更加廣泛的名稱是柔性鉸鏈，由于柔性鉸鏈無(wú)配合間隙、無(wú)摩擦、體積小、總量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、理論上具有無(wú)限分辨率等特點(diǎn)，在加速度計(jì)、陀螺儀、微進(jìn)給工作臺(tái)、光纖對(duì)齊設(shè)備、導(dǎo)彈控制、位移放大、掃描隧道顯微鏡、高精度照相機(jī)等領(lǐng)域獲得了廣泛引用。柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式、剛度特性是國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

2.3 仿真建模

計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得仿真在加工上的應(yīng)用越來(lái)越普遍，目前仿真手段已經(jīng)成為了實(shí)驗(yàn)手段的一個(gè)重要補(bǔ)充。根據(jù)選擇的工藝參數(shù)，結(jié)合自適應(yīng)工藝策略，可實(shí)現(xiàn)最好加工質(zhì)量、最少加工時(shí)問(wèn)和最高經(jīng)濟(jì)效率。有限元分析(finite element analysis，F(xiàn)EA)已成功用于磨削加工的廣闊領(lǐng)域。

針對(duì)撓性接頭采用的微細(xì)磨削技術(shù)的數(shù)值模擬仿真，目前由多種方法可以實(shí)現(xiàn)，常用的方法由有限元法、自適應(yīng)網(wǎng)格法、光滑粒子動(dòng)力學(xué)法、分子動(dòng)力學(xué)法等方法。在數(shù)值模擬的過(guò)程中，受仿真體系限制，早期的磨削仿真僅能仿真單顆磨粒劃擦的過(guò)程。

2.4 加工冷卻系統(tǒng)研究

磨削是一種能量密集型的加工方法，加工過(guò)程中超過(guò)60%以上的能量以轉(zhuǎn)化為熱量，從而引發(fā)工件或者砂輪的熱膨脹，導(dǎo)致加工過(guò)程的精度喪失，因此有效加工冷卻系統(tǒng)是確保加工質(zhì)量和精度的基礎(chǔ)。在細(xì)筋磨削過(guò)程中，高速旋轉(zhuǎn)的砂輪由于空氣粘度的原因會(huì)帶動(dòng)周?chē)目諝膺\(yùn)動(dòng)，形成一層包裹砂輪周?chē)咚傩D(zhuǎn)的氣流層，導(dǎo)致砂輪周?chē)諝獾臍鈮涸黾?，排斥噴射到磨削區(qū)域的磨削液，使其無(wú)法進(jìn)入磨削區(qū)對(duì)磨削過(guò)程進(jìn)行冷卻。使接觸區(qū)高溫得不到有效抑制，影響冷卻效果，工件易出現(xiàn)燒傷，嚴(yán)重影響零件的表面完整性和機(jī)械物理性能。因此，構(gòu)建高效的磨削液供給系統(tǒng)，從而限制磨削時(shí)的溫升，抑制工件表面的熱損傷和組織變化，對(duì)細(xì)筋的高精密加工具有重要的意義。目前國(guó)際研究趨勢(shì)重點(diǎn)在于改善冷卻方式來(lái)提高加工質(zhì)量。因此在加工中一定要合理冷卻條件，充分考慮冷卻對(duì)加工表面質(zhì)量的影響。

2.5 表面完整性控制

由于接頭是重要的彈性靈敏元件，細(xì)筋厚度只有40 μm，對(duì)加工過(guò)程中產(chǎn)生的變質(zhì)層非常敏感。加工后的表面可能存在的變質(zhì)層，包括微觀組織變化、顯微硬度變化、熱影響區(qū)、塑形變形、再結(jié)晶和殘余應(yīng)力。若單面變質(zhì)層為5～10 μm，雙面加在一起將占整個(gè)工作截面厚度的20%～40%，由于變質(zhì)層的存在對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度、使用壽命都將帶來(lái)負(fù)面影響，因此，對(duì)接頭質(zhì)量的評(píng)價(jià)不應(yīng)僅限于零件的表面，還需要考慮零件的亞表面的特性，這涉及到表面完整性。

彈撓性薄壁零件加工具有一定特殊性，加工后變質(zhì)層具有其特殊的變化規(guī)律：細(xì)筋本身要求厚度很小，加工時(shí)若一個(gè)側(cè)面產(chǎn)生了變質(zhì)層后，再加工另一個(gè)側(cè)面，則后加工側(cè)面產(chǎn)生的變質(zhì)層，勢(shì)必會(huì)對(duì)前一個(gè)側(cè)面加工產(chǎn)生的變質(zhì)層造成耦合影響，因?yàn)榧庸ぷ冑|(zhì)層在整個(gè)薄筋厚度中，占有較大比例，所以這種耦合影響以及如何降低耦合的負(fù)作用是研究重點(diǎn)之一。

2.6 加工精度測(cè)量

精密撓性接頭作為導(dǎo)航傳感器的核心部件，其加工精度直接影響到撓性接頭的性能和導(dǎo)航精度。撓性接頭的傳感過(guò)程主要通過(guò)細(xì)筋的彈性變形獲得，因此要求細(xì)筋要對(duì)位姿變化引起的慣性力敏感，即慣性力存在時(shí)細(xì)筋要發(fā)生彈性變形，因此對(duì)細(xì)筋的加工精度要求非常高，開(kāi)發(fā)細(xì)筋加工過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量的軟件和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工精度的在線測(cè)量對(duì)保證撓性接頭的加工精度具有重要的意義。因此對(duì)于此類微細(xì)尺寸的加工、結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的在線高精度測(cè)量方法提出了需求。由于目前國(guó)內(nèi)普遍使用的是組合式撓性接頭，因此細(xì)筋結(jié)構(gòu)暴露在外面，測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單。而對(duì)于一體式撓性接頭，細(xì)筋隱藏在微小孔內(nèi)，多數(shù)傳感器無(wú)法進(jìn)入小孔實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)筋的測(cè)量。因此實(shí)際過(guò)程中對(duì)于一體式撓性接頭傾向于采用離線測(cè)量的辦法，即加工好細(xì)筋或者完成細(xì)筋的某道加工工序以后將撓性接頭或撓性接頭與夾具一起取出，測(cè)量細(xì)筋的加工精度是否滿足要求。采用的離線測(cè)量方法主要有方箱和三坐標(biāo)測(cè)量。離線法的缺點(diǎn)是耗時(shí)耗力，并且反復(fù)的裝夾夾具還會(huì)導(dǎo)致定位誤差和重復(fù)定位誤差，影響加工的精度，特別是對(duì)于如此精密的撓性接頭元件，定位誤差完全不能忽略。因此從保證加工精度和提高加工效率的角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的在線檢測(cè)方法和系統(tǒng)顯得非常有必要。

撓性接頭精密細(xì)筋的公稱尺寸為40 μm，如果加工過(guò)程中的力太大，則會(huì)直接導(dǎo)致細(xì)筋發(fā)生塑形變形甚至破壞細(xì)筋結(jié)構(gòu)，是導(dǎo)航過(guò)程喪失精度。因此在細(xì)筋加工過(guò)程在線監(jiān)測(cè)時(shí)首選非接觸式測(cè)量，如：激光測(cè)量和電感傳感器測(cè)量。激光測(cè)量過(guò)程中由于光無(wú)法穿透細(xì)筋，導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程困難。采用電感原理的電感位移傳感器能夠高精度地測(cè)量細(xì)筋的厚度?；趫D像處理的方法液能實(shí)現(xiàn)細(xì)筋的厚度測(cè)量，但僅能測(cè)量工件表面的細(xì)筋厚度，無(wú)法測(cè)量?jī)?nèi)部的細(xì)筋厚度，因此無(wú)法確定細(xì)筋最薄的位置。

2.7 加工尺寸效應(yīng)

微切削過(guò)程中，切削力隨著切屑厚度的減小而增加有關(guān)，也就是所謂的尺寸效應(yīng)。微機(jī)械加工的切削深度和進(jìn)給速度比傳統(tǒng)機(jī)械加工小，所以在加工多晶材料時(shí)切削深度要比平均晶粒度還要小。由于材料晶粒尺寸的關(guān)系，微機(jī)械加工時(shí)，刀具常在晶粒內(nèi)部和晶界上工作。因此，晶向和晶體尺寸對(duì)微機(jī)械加工有很大影響，在微細(xì)磨削中應(yīng)該考慮材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。晶粒與晶粒之間的晶界很薄，早在19世紀(jì)就有冶金學(xué)家預(yù)言晶界的存在，但直到電子掃描顯微技術(shù)出現(xiàn)以后才得到證實(shí)。晶界雖然很薄，但對(duì)金屬加工特性有很大影響，它是固體材料中的一種面缺陷，它與純金屬在塑性變形、強(qiáng)度、斷裂、疲勞、蠕變和脆性等力學(xué)性能上存在很大的差異[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

一體化撓性接頭是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)和必然，實(shí)現(xiàn)一體化撓性接頭加工技術(shù)首先要突破細(xì)筋的微細(xì)加工機(jī)理，未來(lái)可在細(xì)筋的加工工藝參數(shù)優(yōu)化、加工順序優(yōu)化、表面溫度控制、殘余應(yīng)力分布計(jì)算和預(yù)測(cè)、表面質(zhì)量控制等多個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，同時(shí)補(bǔ)充現(xiàn)有的微細(xì)加工機(jī)理。