陳一銘，黎 坤，黨建軍，胡旭東，同昭豫

（西安精密機電研究所，西安 710100）

0 引言

固體波動陀螺是一種基于科里奧利效應的新型陀螺，具有環(huán)境適應性強、可靠性高、長壽命、高精度等優(yōu)點，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駐波沿環(huán)向的進動來敏感表頭旋轉的一種振動陀螺，其核心結構為諧振子，諧振子主要參數(shù)為品質因數(shù)及頻率裂解值。石英玻璃和藍寶石均具有很低的內(nèi)摩擦值，但藍寶石的顆粒具有多項異性，且加工復雜、成本昂貴。在陀螺工作中諧振子駐波需以穩(wěn)定的振動模式存在于完美的結構中，但質量各向異性會破壞駐波[1]，所以高品質因數(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陀螺在工程應用方面開展了廣泛的研究[2]。

1 石英諧振子研制狀況

美國是最早研制固體波動陀螺的國家，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,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，同時精度也保持在0.005（°）/h。俄羅斯是緊隨美國后開始對固體波動陀螺投入的國家，其公開最新固體波動陀螺型號為Medicaon的HRG-30ig采用兩件套形式，精度為0.005（°）/h。該型號諧振子采用30 mm半徑，Q值優(yōu)于3×106。法國主要研制固體波動陀螺單位為SAFRAN，其主要型號為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。國內(nèi)最早展開研究的是中電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題

固體波動陀螺的核心部件為石英諧振子，其精度和表面質量，直接決定整表陀螺的精度，諧振子的主要參數(shù)包括諧振子品質因數(shù)與頻率裂解值。對石英諧振子來說，品質因數(shù)越高其抗干擾能力越強，即諧振子對偏離工作頻率的擾動抗性越強。當石英諧振子存在質量缺陷時，將導致諧振子兩個軸上的固有頻率不一致，產(chǎn)生頻率裂解，其將導致固體波動陀螺產(chǎn)生正交誤差。如果頻率裂解過大，將導致HRG各項指標不夠理想，甚至不能產(chǎn)生陀螺效應。因此針對這兩項關鍵參數(shù)，加工中的瓶頸問題如下：

（1）石英諧振子磨削加工

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

（2）石英諧振子質量不均勻

固體波動陀螺的工作原理需求石英諧振子是完全對稱并均勻的結構，而實際加工出的石英諧振子和理想的對稱模型存在偏差，例如內(nèi)外圓同軸度偏差，圓度偏差，質量分布偏差等問題。對于石英諧振子復雜的三維結構、材料特性及加工技術的限制，單憑石英諧振子的超精密加工并不能滿足應用要求，以上缺陷會嚴重破壞石英諧振子在振動時的一致性和對稱性，石英諧振子去重調平工藝的目的是降低諧振子頻率裂解值，提升固體波動陀螺總體性能。為實現(xiàn)石英諧振子精確定位定量的質量去除，需重點突破對密度不均諧波對諧振子頻率裂解的影響及對質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導致品質因數(shù)急劇下降，其原因主要有兩個：第一是由于金屬層中存在著內(nèi)摩擦，從而導致了能力的耗散；第二個是噴鍍金屬厚度的不均勻引起了諧振子的質量不平衡以及支架中振動能量的耗散。石英諧振子鍍膜技術的關鍵在于提高諧振子品質因數(shù)，減少諧振子工作振動時的能力耗散，降低金屬膜層帶來的品質因數(shù)差，這需要同時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力。

3 石英諧振子加工技術

（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成型法磨削加工以及銑磨加工。為解決硬脆材料復雜結構精密的加工難題，使用超聲振動輔助磨削加工可將石英毛坯加工效率提高5～10倍，加工表面質量提高30%～50%，毛坯邊緣崩邊、開裂等情況大幅減少[3]。同時相比與傳統(tǒng)的研磨拋光方法，磁流變拋光具有無死角、全區(qū)域、柔性化等特點[4]，可以更好消除石英諧振子加工過程中亞表面損傷且加工效率高、表面粗糙度好，能夠實現(xiàn)諧振子復雜表面的拋光加工。

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

（2）石英諧振子調平

根據(jù)測試原理通過比對時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頻率裂解的影響，通過測量石英諧振子支撐柱的振動可以確定前三次密度諧波的分布方位以提高諧振子振動性能。在確定缺陷位置后進行石英諧振子調平，首先是去除單個點質量的激光法。激光去重調平方案是一種可實現(xiàn)精確定位定量去除的調平技術，激光調平具有高功率、高注入速度、加工功率高、無工具損耗、非接觸、易控制和無公害的特點。另一種是運用表面處理法的離子束去重調平，其原理為通過高速離子撞擊石英諧振子表面以達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、微米級加工的微細加工方法，其具有的優(yōu)勢為加工精度和表面質量高，加工材料廣泛以及控制性能好，易于實現(xiàn)自動化。其中通過飛秒激光時空整形加工方法[7]可以實現(xiàn)對諧振子0.5 mHz量級的頻率修調，通過離子束調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，沉積在待鍍膜諧振子上。目前采用磁控濺射鍍膜技術還可以微調石英諧振子頻率，其機理是通過在電極上增加鍍膜層來進行對頻率的干預。通過設置磁控濺射工藝參數(shù)可精確控制成膜的微結構膜和沉積速率，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，檢測得到的石英諧振子品質因數(shù)衰減量為13.13%，可以滿足應用需求[10]。

4 結論

本文研究了石英諧振子在加工過程中需要面臨的問題，對目前石英諧振子加工技術進行了介紹和匯總。針對石英諧振子的加工，應在采用球面磁流變?nèi)嵝話伖夂笕孕枰M行化學拋光以達到高品質因數(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拋光后需增添調平過程，通過激光或離子束調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程中品質因素急劇下降，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因數(shù)可維持86%。優(yōu)化石英諧振子加工工藝、改進調平算法、優(yōu)化鍍膜過程，對實現(xiàn)高精度固體波動陀螺是重要基礎。