石英諧振子加工技術(shù)

陳一銘，黎 坤，黨建軍，胡旭東，同昭豫

（西安精密機(jī)電研究所，西安 710100）

0 引言

固體波動(dòng)陀螺是一種基于科里奧利效應(yīng)的新型陀螺，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、長(zhǎng)壽命、高精度等優(yōu)點(diǎn)，其的優(yōu)良性能受到諧振子缺陷的限制。其工作原理是利用石英諧振子振動(dòng)駐波沿環(huán)向的進(jìn)動(dòng)來(lái)敏感表頭旋轉(zhuǎn)的一種振動(dòng)陀螺，其核心結(jié)構(gòu)為諧振子，諧振子主要參數(shù)為品質(zhì)因數(shù)及頻率裂解值。石英玻璃和藍(lán)寶石均具有很低的內(nèi)摩擦值，但藍(lán)寶石的顆粒具有多項(xiàng)異性，且加工復(fù)雜、成本昂貴。在陀螺工作中諧振子駐波需以穩(wěn)定的振動(dòng)模式存在于完美的結(jié)構(gòu)中，但質(zhì)量各向異性會(huì)破壞駐波[1]，所以高品質(zhì)因數(shù)諧振子的材料大部分選用石英玻璃。因此由石英玻璃組成的固體波動(dòng)陀螺在工程應(yīng)用方面開(kāi)展了廣泛的研究[2]。

1 石英諧振子研制狀況

美國(guó)是最早研制固體波動(dòng)陀螺的國(guó)家，其最有代表的是Northrop Grumman公司HRG 130P陀螺，采用3件套形式，精度為0.0005（°）/h，其石英諧振子Q值優(yōu)于107,同時(shí),該公司正在研發(fā)的Mili-HRG是采用2件套形式，相比130p其擁有更少的部件及更小的體積，同時(shí)精度也保持在0.005（°）/h。俄羅斯是緊隨美國(guó)后開(kāi)始對(duì)固體波動(dòng)陀螺投入的國(guó)家，其公開(kāi)最新固體波動(dòng)陀螺型號(hào)為Medicaon的HRG-30ig采用兩件套形式，精度為0.005（°）/h。該型號(hào)諧振子采用30 mm半徑，Q值優(yōu)于3×106。法國(guó)主要研制固體波動(dòng)陀螺單位為SAFRAN，其主要型號(hào)為Regys20陀螺，采用平面電極，擁有批量生產(chǎn)能力，精度為0.01（°）/h，其石英諧振子Q值優(yōu)于107。國(guó)內(nèi)最早展開(kāi)研究的是中電26所，其陀螺零偏穩(wěn)定性為0.001（°）/h，已具備小批量生產(chǎn)線，其石英諧振子Q值優(yōu)于107。

2 石英諧振子加工瓶頸問(wèn)題

固體波動(dòng)陀螺的核心部件為石英諧振子，其精度和表面質(zhì)量，直接決定整表陀螺的精度，諧振子的主要參數(shù)包括諧振子品質(zhì)因數(shù)與頻率裂解值。對(duì)石英諧振子來(lái)說(shuō)，品質(zhì)因數(shù)越高其抗干擾能力越強(qiáng)，即諧振子對(duì)偏離工作頻率的擾動(dòng)抗性越強(qiáng)。當(dāng)石英諧振子存在質(zhì)量缺陷時(shí)，將導(dǎo)致諧振子兩個(gè)軸上的固有頻率不一致，產(chǎn)生頻率裂解，其將導(dǎo)致固體波動(dòng)陀螺產(chǎn)生正交誤差。如果頻率裂解過(guò)大，將導(dǎo)致HRG各項(xiàng)指標(biāo)不夠理想，甚至不能產(chǎn)生陀螺效應(yīng)。因此針對(duì)這兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，加工中的瓶頸問(wèn)題如下：

（1）石英諧振子磨削加工

石英玻璃屬于硬脆材料，加工相對(duì)困難，尤其是石英諧振子殼壁非常薄，在機(jī)械加工過(guò)程中極易產(chǎn)生微裂紋甚至破裂。高精度的固體波動(dòng)陀螺，對(duì)石英諧振子的圓度、同軸度、幾何尺寸、表面微觀質(zhì)量缺陷等均提出了極高的要求，可以說(shuō)石英諧振子的超精密加工技術(shù)是固體波動(dòng)陀螺實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的重要保障。

（2）石英諧振子質(zhì)量不均勻

固體波動(dòng)陀螺的工作原理需求石英諧振子是完全對(duì)稱并均勻的結(jié)構(gòu)，而實(shí)際加工出的石英諧振子和理想的對(duì)稱模型存在偏差，例如內(nèi)外圓同軸度偏差，圓度偏差，質(zhì)量分布偏差等問(wèn)題。對(duì)于石英諧振子復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)、材料特性及加工技術(shù)的限制，單憑石英諧振子的超精密加工并不能滿足應(yīng)用要求，以上缺陷會(huì)嚴(yán)重破壞石英諧振子在振動(dòng)時(shí)的一致性和對(duì)稱性，石英諧振子去重調(diào)平工藝的目的是降低諧振子頻率裂解值，提升固體波動(dòng)陀螺總體性能。為實(shí)現(xiàn)石英諧振子精確定位定量的質(zhì)量去除，需重點(diǎn)突破對(duì)密度不均諧波對(duì)諧振子頻率裂解的影響及對(duì)質(zhì)量去除位置及去除量的確定。

（3）石英諧振子表面金屬化

石英諧振子表面金屬化鍍膜后會(huì)導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)急劇下降，其原因主要有兩個(gè)：第一是由于金屬層中存在著內(nèi)摩擦，從而導(dǎo)致了能力的耗散；第二個(gè)是噴鍍金屬厚度的不均勻引起了諧振子的質(zhì)量不平衡以及支架中振動(dòng)能量的耗散。石英諧振子鍍膜技術(shù)的關(guān)鍵在于提高諧振子品質(zhì)因數(shù)，減少諧振子工作振動(dòng)時(shí)的能力耗散，降低金屬膜層帶來(lái)的品質(zhì)因數(shù)差，這需要同時(shí)保證石英諧振子鍍膜膜層均勻性以及高附著力和低參與應(yīng)力。

3 石英諧振子加工技術(shù)

（1）石英諧振子超精密加工

石英諧振子的毛坯由材料特性決定主要加工方法是磨削加工，其加工通常采取估計(jì)成型法磨削加工以及銑磨加工。為解決硬脆材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)精密的加工難題，使用超聲振動(dòng)輔助磨削加工可將石英毛坯加工效率提高5～10倍，加工表面質(zhì)量提高30%～50%，毛坯邊緣崩邊、開(kāi)裂等情況大幅減少[3]。同時(shí)相比與傳統(tǒng)的研磨拋光方法，磁流變拋光具有無(wú)死角、全區(qū)域、柔性化等特點(diǎn)[4]，可以更好消除石英諧振子加工過(guò)程中亞表面損傷且加工效率高、表面粗糙度好，能夠?qū)崿F(xiàn)諧振子復(fù)雜表面的拋光加工。

在石英諧振子在機(jī)械拋光后，諧振子的破壞深度超過(guò)了缺陷層的厚度，石英諧振子表面的損傷層及雜質(zhì)會(huì)極大程度的影響諧振子的品質(zhì)因數(shù)，因此必須經(jīng)過(guò)化學(xué)處理提升石英諧振子的品質(zhì)因數(shù)。石英諧振子化學(xué)拋光通常采用氫氟酸水溶液作為浸蝕劑。經(jīng)驗(yàn)表明，因表面的初始狀態(tài)不同，化學(xué)拋光可以提高諧振子品質(zhì)因數(shù)1.5～15倍[5]。

（2）石英諧振子調(diào)平

根據(jù)測(cè)試原理通過(guò)比對(duì)時(shí)域與頻率曲線可以確定石英諧振子固有剛度軸用以去除四次缺陷對(duì)頻率裂解的影響，通過(guò)測(cè)量石英諧振子支撐柱的振動(dòng)可以確定前三次密度諧波的分布方位以提高諧振子振動(dòng)性能。在確定缺陷位置后進(jìn)行石英諧振子調(diào)平，首先是去除單個(gè)點(diǎn)質(zhì)量的激光法。激光去重調(diào)平方案是一種可實(shí)現(xiàn)精確定位定量去除的調(diào)平技術(shù)，激光調(diào)平具有高功率、高注入速度、加工功率高、無(wú)工具損耗、非接觸、易控制和無(wú)公害的特點(diǎn)。另一種是運(yùn)用表面處理法的離子束去重調(diào)平，其原理為通過(guò)高速離子撞擊石英諧振子表面以達(dá)到諧振子表面原子產(chǎn)生脫離的效果。其是一種典型的納米、微米級(jí)加工的微細(xì)加工方法，其具有的優(yōu)勢(shì)為加工精度和表面質(zhì)量高，加工材料廣泛以及控制性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。其中通過(guò)飛秒激光時(shí)空整形加工方法[7]可以實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振子0.5 mHz量級(jí)的頻率修調(diào)，通過(guò)離子束調(diào)平可以抑制諧振頻率裂解至0.5 mHz。

（3）低耗散的金屬鍍膜

目前石英諧振子主要鍍膜方法為真空磁控濺射鍍膜，其是采用高能粒子打在靶材表面，使表面的原子、分子獲得能量飛濺出來(lái)，沉積在待鍍膜諧振子上。目前采用磁控濺射鍍膜技術(shù)還可以微調(diào)石英諧振子頻率，其機(jī)理是通過(guò)在電極上增加鍍膜層來(lái)進(jìn)行對(duì)頻率的干預(yù)。通過(guò)設(shè)置磁控濺射工藝參數(shù)可精確控制成膜的微結(jié)構(gòu)膜和沉積速率，原理裝置如圖1所示[9]。

圖1 磁控濺射裝置原理示意圖

采用多自由度的磁控濺射鍍膜及熱源均勻加熱方法，在沉積厚度為100 nm的金屬薄膜后，檢測(cè)得到的石英諧振子品質(zhì)因數(shù)衰減量為13.13%，可以滿足應(yīng)用需求[10]。

4 結(jié)論

本文研究了石英諧振子在加工過(guò)程中需要面臨的問(wèn)題，對(duì)目前石英諧振子加工技術(shù)進(jìn)行了介紹和匯總。針對(duì)石英諧振子的加工，應(yīng)在采用球面磁流變?nèi)嵝話伖夂笕孕枰M(jìn)行化學(xué)拋光以達(dá)到高品質(zhì)因數(shù)的要求。為滿足石英諧振子頻率裂解值的要求需要在化學(xué)拋光后需增添調(diào)平過(guò)程，通過(guò)激光或離子束調(diào)平使頻率裂解值降至0.01Hz以下。為避免石英諧振子在鍍膜過(guò)程中品質(zhì)因素急劇下降，需保證其膜層均勻性，采用真空磁控濺射鍍膜方法諧振子品質(zhì)因數(shù)可維持86%。優(yōu)化石英諧振子加工工藝、改進(jìn)調(diào)平算法、優(yōu)化鍍膜過(guò)程，對(duì)實(shí)現(xiàn)高精度固體波動(dòng)陀螺是重要基礎(chǔ)。