CN116900930A - 一种石英半球谐振子球面抛光刀具及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英半球谐振子球面抛光刀具及抛光方法，该抛光刀具包括内抛光刀和外抛光刀，内抛光刀包括第一刀柄和设于第一刀柄一端的内抛光块，内抛光块呈杯状，第一刀柄设在内抛光块外且与内抛光块底部连接，第一刀柄和内抛光块同轴设置，内抛光块杯底外侧表面设有避位圆角，便于在抛光内球面时，半球谐振子可自由偏摆；外抛光刀包括第二刀柄和设于第二刀柄一端的外抛光块，第二刀柄设于外抛光块上端面中心，外抛光块下端面中心设有与半球谐振子外球面上的轴柄抵接的凸台，凸台圆周具有与半球谐振子外球面曲率对应的曲面。本发明能有效提高抛光效率，且能提高半球谐振子面形精度和球面抛光的均匀性，从而有利于提高半球谐振子的振动性能。

Description

一种石英半球谐振子球面抛光刀具及抛光方法

技术领域

本发明属于陀螺仪技术领域，涉及半球谐振子球面抛光，特别涉及一种石英半球谐振子球面抛光刀具及抛光方法。

背景技术

半球谐振陀螺仪因其结构简单、质量轻、工作可靠性高、精度高、寿命长、损耗低以及良好的抗辐射和抗冲击振动等性能，在长寿命卫星、陆基兵器导弹、大型舰船、民用航空器和深空探测器等装备的惯导系统中得到广泛应用。

石英半球谐振子是半球谐振陀螺仪的核心敏感功能部件，其加工表面质量、尺寸与形状精度都会使谐振子零件的振动特性发生变化，影响半球谐振陀螺仪的使用性能与工作寿命。目前，半球谐振子多采用铣磨和抛光工艺制得，通过铣磨得到毛坯件，后通过精磨进一步提高表面质量、尺寸精度和形状精度，最后通过超精密抛光得到高质量的半球谐振子。

目前，石英半球谐振子的精密抛光主要采用磁流变抛光及球头砂轮抛光等方式。磁流变抛光不能够很好的控制半球谐振子面形精度和球面抛光的均匀性；球头砂轮抛光的效率较低，抛光时间长，且半球谐振子的振动性能不可控。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供一种石英半球谐振子球面抛光刀具及抛光方法，本发明能有效提高抛光效率，且能提高半球谐振子面形精度和球面抛光的均匀性，从而有利于提高半球谐振子的振动性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种石英半球谐振子球面抛光刀具，包括用于抛光半球谐振子内球面的内抛光刀和用于抛光半球谐振子外球面的外抛光刀。

所述内抛光刀包括第一刀柄和设于第一刀柄一端的内抛光块，所述内抛光块呈杯状，第一刀柄设置在内抛光块外且与内抛光块底部连接，所述第一刀柄和内抛光块同轴设置，内抛光块杯底外侧表面设有避位圆角，便于在抛光半球谐振子内球面时，半球谐振子可自由偏摆。

所述外抛光刀包括第二刀柄和设于第二刀柄一端的外抛光块，所述第二刀柄设于外抛光块上端面中心，外抛光块下端面中心设有与半球谐振子外球面上的轴柄抵接的凸台，所述凸台圆周具有与半球谐振子外球面曲率对应的曲面。

进一步地，内抛光块和外抛光块上均粘贴有抛光垫。

进一步地，内抛光块和外抛光块上均设有若干螺纹孔，并分别通过若干螺丝将抛光垫固定在内抛光块和外抛光块上。

进一步地，内抛光块杯口内壁和外壁采用圆角过渡。

进一步地，外抛光块上端面对应的球面结构外沿向外延伸一定长度，便于覆盖整个半球谐振子外球面。

进一步地，所述内抛光刀和外抛光刀均采用45钢或者硬质合金钢制成。

本发明还提供了一种石英半球谐振子球面抛光方法，使用前面所述的一种石英半球谐振子球面抛光刀具进行抛光，具体包括以下步骤：

(1)以使内抛光刀和半球谐振子相对转动，以完成半球谐振子内球面一次抛光；

(3)检测半球谐振子内球面的光洁度是否符合要求，若符合要求，则进入步骤(4)；否则，重复步骤(2)；

(4)将抛光液存储在外抛光刀的抛光垫上，转动外抛光刀和半球谐振子，以使外抛光刀和半球谐振子相对转动，以完成半球谐振子外球面一次抛光；

(5)检测半球谐振子外球面的光洁度是否符合要求，若符合要求，则完成半球谐振子内外球面的抛光；否则，则进入步骤(4)。

进一步地，所述抛光液包括高锰酸钾、脂肪醇聚氧乙烯醚和磨粒，所述磨粒为二氧化硅，所述抛光液pH值为10～12。

进一步地，采用pH调节剂调节抛光液pH值，所述pH调节剂为氨水。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过抛光刀具和CMP抛光技术的协同作用，能有效提高石英半球谐振子的抛光效率，同时还能有效提高半球谐振子面形精度和球面抛光的均匀性，此外，还能提高半球谐振子表面光洁度，降低半球谐振子加工过程中产生的破坏层深度；能够在后续镀膜工艺中保证膜层的均匀性，降低膜层厚度，减少镀膜后的阻尼及半球谐振子Q值的衰减，提高半球谐振子的振动性能。

2、本发明采用的抛光液的pH为10～12，为碱性抛光液，其腐蚀性较低，能较低CMP抛光对设备的要求，同时能提高操作人员的安全性，并能提高谐振子抛光效率。本发明采用二氧化硅作为磨粒具有良好的分散性和稳定性，且硬度较低，不易造成谐振子表面划伤；脂肪醇聚氧乙烯醚作为分散剂和表面活性剂能够使磨粒均匀稳定的分布在抛光液中，维持稳定的抛光环境，同时能提高谐振子表面光洁度；高锰酸钾作为氧化剂可以促使抛光表面较快的形成一层结合力弱的氧化膜，有利于后续的机械擦除；氨水作为PH调节剂能够维持稳定的化学环境，利于抛光过程化学反应的进行，维持碱性化学环境更适用于石英玻璃抛光，提高谐振子抛光的效率。

附图说明

图1-本发明所述内抛光刀的结构示意图。

图2-本发明所述外抛光刀的结构示意图。

图3-本发明抛光半球谐振子内球面的结构示意图。

图4-本发明抛光半球谐振子外球面的结构示意图。

图5-本发明所述抛光方法流程图。

图6-石英半球谐振子抛光前以及实施例1抛光后粗糙度对比图。

图7-石英半球谐振子抛光前以及实施例1抛光后表面起伏曲线图。

图8-石英半球谐振子抛光前以及实施例1抛光后轮廓度曲线图。

图9-石英半球谐振子抛光前以及实施例1抛光后品质因素Q值与频率裂解图。

其中：100-内抛光刀；101-第一刀柄；102-内抛光块；200-外抛光刀；201-第二刀柄；202-外抛光块；300-半球谐振子；301-内球面；302-外球面；303-内轴柄；304-外轴柄。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1、图2、图3和图4，一种石英半球谐振子球面抛光刀具，包括用于抛光半球谐振子300内球面301的内抛光刀100和用于抛光半球谐振子300外球面302的外抛光刀200。

所述内抛光刀100包括第一刀柄101和设于第一刀柄101一端的内抛光块102，所述内抛光块102呈杯状，第一刀柄101设置在内抛光块102外且与内抛光块102底部连接，所述第一刀柄101和内抛光块102同轴设置，内抛光块102杯底外侧表面设有避位圆角，便于在抛光半球谐振子300内球面301时，半球谐振子300可自由偏摆。

这里，内抛光块的杯底外侧表面设置避位圆角，使得在采用内抛光刀抛光半球谐振子内球面时，半球谐振子可自由偏摆。同时，为了增加内抛光刀的结构强度，可内抛光块杯底和杯内壁处设置过度圆角。

为了增加内抛光刀整体结构强度和抛光稳定性，可增加第一刀柄大小，本实施例中，在不与半球谐振子产生干涉的前提下，将第一刀柄直径增加到6mm。为了避免产生应力集中，内抛光块杯口内壁和外壁采用圆角过渡。

在内抛光块上粘结有抛光垫，抛光垫背面贴有背胶，通过背胶将抛光垫固定在内抛光块上；同时为了保证抛光垫粘接牢固，在内抛光块上均匀设有抛光垫固定螺纹孔，将粘贴后的抛光垫用螺丝紧固，防止在抛光过程中抛光垫脱落。

所述外抛光刀200包括第二刀柄201和设于第二刀柄201一端的外抛光块202，所述第二刀柄202设于外抛光块202上端面中心，外抛光块202下端面中心设有与半球谐振子300外球面上的轴柄(称为外轴柄304，而位于半球谐振子内球面上的轴柄成为内轴柄303)抵接的凸台，所述凸台圆周具有与半球谐振子300外球面302曲率对应的曲面。

使用外抛光刀抛光半球谐振子外球面时，外抛光刀的球面完全贴合于半球谐振子外球面。且外抛光块凸台端面与球面圆角过度；外抛光块上端面对应的球面结构外沿向外延伸一定长度，便于覆盖整个半球谐振子外球面，一般地，由半球谐振子唇口处向外延长1mm即可，使外抛光刀能将整个半球谐振子外球面完全抛光。

为了增加外抛光刀整体结构强度和抛光稳定性，可增加第二刀柄大小，本实施例中，在不与半球谐振子产生干涉的前提下，将第二刀柄直径增加到8mm。

具体实施时，所述内抛光刀100和外抛光刀200均采用45钢或者硬质合金钢制成。

一种石英半球谐振子球面抛光方法，使用前面所述的一种石英半球谐振子球面抛光刀具进行抛光，其抛光方法流程图如图5所示，具体包括以下步骤：

(1)对待抛光半球谐振子进行预处理，以去除待抛光半球谐振子内球面和外球面附着的颗粒状物质，然后将通过半球谐振子外轴柄将半轴谐振子装夹到转动台上；

(2)将抛光液存储在内抛光刀的抛光垫上，转动内抛光刀，同时使半球谐振子以半球谐振子内球球心为基准点进行偏摆，以使内抛光刀和半球谐振子相对转动，以完成半球谐振子内球面一次抛光；

(3)检测半球谐振子内球面的光洁度是否符合要求，若符合要求，则进入步骤(4)；否则，重复步骤(2)；

(4)将抛光液存储在外抛光刀的抛光垫上，转动外抛光刀和半球谐振子，以使外抛光刀和半球谐振子相对转动，以完成半球谐振子外球面一次抛光；

(5)检测半球谐振子外球面的光洁度是否符合要求，若符合要求，则完成半球谐振子内外球面的抛光；否则，则进入步骤(4)。

这里，可以将带有抛光垫的内抛光刀和外抛光刀浸没在抛光液中，从而使得抛光垫储存有抛光液，这里采用抛光垫，可以使得抛光液在抛光过程中均匀分布在整个加工区域，同时还能有利于维持抛光过程中的化学和机械环境，从半球谐振子抛光表面除去抛光过程产生的残余物，并且还能在抛光过程中缓冲抛光液和磨料颗粒的压力，防止过度磨损。同时在具体应用时，可先对半球谐振子外球面进行抛光，再对半球谐振子内球面进行抛光。

在抛光过程中，抛光液与半球谐振子球面表面材料发生化学反应，形成一层容易被磨削的薄膜层；然后通过抛光液中的磨粒和抛光垫的相对运动，将这一层化学反应的薄膜去除，使半球谐振子球面表面材料重新裸露出来，然后再次进行化学反应与薄膜层去除，二者交替进行直至抛光完成。

具体实施时，所述抛光液包括高锰酸钾、脂肪醇聚氧乙烯醚和磨粒，所述磨粒为二氧化硅，所述抛光液pH值为10～12。

这里，抛光液的pH为10～12，为碱性抛光液，其腐蚀性较低，能较低CMP抛光对设备的要求，同时能提高操作人员的安全性，并能提高谐振子抛光效率，同时采用二氧化硅作为磨粒具有良好的分散性和稳定性，且硬度较低，不易造成谐振子表面划伤；脂肪醇聚氧乙烯醚作为分散剂和表面活性剂能够使磨粒均匀稳定的分布在抛光液中，维持稳定的抛光环境，同时能提高谐振子表面光洁度；高锰酸钾作为氧化剂可以促使抛光表面较快的形成一层结合力弱的氧化膜，有利于后续的机械擦除。

具体实施时，采用pH调节剂调节抛光液pH值，所述pH调节剂为氨水。

这里，采用氨水作为PH调节剂能够维持稳定的化学环境，利于抛光过程化学反应的进行，维持碱性化学环境更适用于石英玻璃抛光，提高谐振子抛光的效率。

同一批次的三石英半球谐振子采用本发明所述抛光方法进行抛光，分别对应实施例1、实施例2和实施例3，石英半球谐振子抛光前的粗糙度图片如图6(a)所示，实施例1抛光后粗糙度图片如图6(b)所示。石英半球谐振子抛光前以及实施例1抛光后表面起伏曲线图、轮廓度曲线图以及品质因素Q值与频率裂解图分别如图7(a)和7(b)、图8(a)和图8(b)、图9(a)和图9(b)所示，抛光前和实施例1、实施例2和实施例3抛光后的实验数据见下表。

由上表可以看出，采用本发明所述抛光方法对石英半球谐振子进行抛光，能有效提高半球谐振子表面光洁度和轮廓圆弧度，提高半球谐振子的品质因素Q值，降低频率裂解和镀膜后膜层厚度。

最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种石英半球谐振子球面抛光刀具，其特征在于：包括用于抛光半球谐振子内球面的内抛光刀和用于抛光半球谐振子外球面的外抛光刀；

所述内抛光刀包括第一刀柄和设于第一刀柄一端的内抛光块，所述内抛光块呈杯状，第一刀柄设置在内抛光块外且与内抛光块底部连接，所述第一刀柄和内抛光块同轴设置，内抛光块杯底外侧表面设有避位圆角，便于在抛光半球谐振子内球面时，半球谐振子可自由偏摆；

所述外抛光刀包括第二刀柄和设于第二刀柄一端的外抛光块，所述第二刀柄设于外抛光块上端面中心，外抛光块下端面中心设有与半球谐振子外球面上的轴柄抵接的凸台，所述凸台圆周具有与半球谐振子外球面曲率对应的曲面。

2.根据权利要求1所述的一种石英半球谐振子球面抛光刀具，其特征在于，内抛光块和外抛光块上均粘贴有抛光垫。

3.根据权利要求2所述的一种石英半球谐振子球面抛光刀具，其特征在于，内抛光块和外抛光块上均设有若干螺纹孔，并分别通过若干螺丝将抛光垫固定在内抛光块和外抛光块上。

4.根据权利要求2或3所述的一种石英半球谐振子球面抛光刀具，其特征在于，内抛光块杯口内壁和外壁采用圆角过渡。

5.根据权利要求2所述的一种石英半球谐振子球面抛光刀具，其特征在于，外抛光块上端面对应的球面结构外沿向外延伸一定长度，便于覆盖整个半球谐振子外球面。

6.根据权利要求1所述的一种石英半球谐振子球面抛光刀具，其特征在于，所述内抛光刀和外抛光刀均采用45钢或者硬质合金钢制成。

7.一种石英半球谐振子球面抛光方法，其特征在于，使用权利要求2~5任一所述的一种石英半球谐振子球面抛光刀具进行抛光，具体包括以下步骤：

（1）以使内抛光刀和半球谐振子相对转动，以完成半球谐振子内球面一次抛光；

（3）检测半球谐振子内球面的光洁度是否符合要求，若符合要求，则进入步骤（4）；否则，重复步骤（2）；

（4）将抛光液存储在外抛光刀的抛光垫上，转动外抛光刀和半球谐振子，以使外抛光刀和半球谐振子相对转动，以完成半球谐振子外球面一次抛光；

（5）检测半球谐振子外球面的光洁度是否符合要求，若符合要求，则完成半球谐振子内外球面的抛光；否则，则进入步骤（4）。

8.根据权利要求7所述一种石英半球谐振子球面抛光方法，其特征在于，所述抛光液包括高锰酸钾、脂肪醇聚氧乙烯醚和磨粒，所述磨粒为二氧化硅，所述抛光液pH值为10~12。

9.根据权利要求8所述一种石英半球谐振子球面抛光方法，其特征在于，采用pH调节剂调节抛光液pH值，所述pH调节剂为氨水。