陳白帆，陳 汐，高 峰，黃 德，董君華

（1．北京航天控制儀器研究所，北京100039；2．北京航天微系統(tǒng)研究所，北京100094）

動(dòng)壓馬達(dá)半球零件表面微觀工藝特征對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理的影響研究

陳白帆1，陳 汐2，高 峰1，黃 德1，董君華1

（1．北京航天控制儀器研究所，北京100039；2．北京航天微系統(tǒng)研究所，北京100094）

零件加工過程的工藝因素都會(huì)給零件表面及表層帶來(lái)（留下）特有的微觀特征，這種微觀特征與產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理和零件性能特性要求的匹配性對(duì)高精度慣性產(chǎn)品的固有性能會(huì)產(chǎn)生至關(guān)重要的作用。首次在慣性儀表制造體系中引入了零件表面微觀工藝特征性概念，以解決儀表精度提高和合格率問題。采用微觀工藝特征分析方法思路，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)特征（原理特征和性能特征）角度，從更微觀、更微小的細(xì)節(jié)去識(shí)別、分析加工合格的零件存在的某些特征狀態(tài)。初步分析了動(dòng)壓馬達(dá)半球零件加工表面存在的兩類微觀特征可能導(dǎo)致慣性儀表生產(chǎn)合格率低、參數(shù)穩(wěn)定性差的影響機(jī)理和特征形成的制造因素，提出了改變和完善產(chǎn)品制造工藝設(shè)計(jì)的思路。

零件微觀紋理特征；零件的自相似性；特征與原理匹配性；微觀特征影響機(jī)理

0 引言

隨著國(guó)家戰(zhàn)略導(dǎo)彈性能的不斷提高，對(duì)戰(zhàn)略級(jí)慣性儀表的精度、穩(wěn)定性和可靠性的要求也水漲船高。同時(shí)，我們已使用和配備了當(dāng)今世界上最先進(jìn)、最昂貴、最高精度的制造設(shè)備和檢測(cè)手段，已成功解決高精度零件生產(chǎn)制造問題。但是，目前面臨的依然是高精度儀表的產(chǎn)品生產(chǎn)制造合格率低的困境，長(zhǎng)期以來(lái)一直未能找到有效的解決途徑。不解決產(chǎn)品生產(chǎn)合格率問題，就無(wú)法著手解決產(chǎn)品穩(wěn)定性問題，更談不上解決產(chǎn)品可靠性問題，同樣也就無(wú)法研制下一代更高精度的儀表。

本文調(diào)研了慣性儀表制造技術(shù)特征現(xiàn)狀，提出了從產(chǎn)品制造技術(shù)特征中查找影響儀表精度制造的原因和解決工藝技術(shù)方案。慣性儀表制造的工藝設(shè)計(jì)長(zhǎng)期沿用以零件控制形狀制造為主的產(chǎn)品制造模式。對(duì)零件合格與否采用單一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上控制和評(píng)判的是零件形狀符合設(shè)計(jì)圖紙要求的程度，而不是零件性能特性符合設(shè)計(jì)原理特征和指標(biāo)特征要求的程度。這種零件非控制性能的工藝設(shè)計(jì)思想和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)出的“合格零件”組裝成產(chǎn)品后，該產(chǎn)品是無(wú)法可控、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)特征應(yīng)有的高性能、高精度和可靠性等級(jí)要求。也就是說(shuō)產(chǎn)品的所有零件在滿足了尺寸精度、位置精度和形狀精度以及Ra值的控制要求表象下，依然存在著影響產(chǎn)品原理特征和性能特征及導(dǎo)致產(chǎn)品故障的未知或隱性的固有的、隨機(jī)的微觀特征（或缺陷）參數(shù)。而零件表面的這些微觀特征參數(shù)具有某些已廣泛研究屬常識(shí)性的特定的性能特征，如摩擦性、潤(rùn)滑性、耐磨損性、黏附性、抗腐蝕性等；對(duì)零件表面間有相互配合、接觸要求的零件還將表現(xiàn)出配合性質(zhì)、配合的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、接觸剛度、穩(wěn)定性和密封性等性能；還特別具有未知的、隱性的屬非常識(shí)性的特定的性能特征，即零件表面微觀特征與產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)特征（原理特征和性能特征）的匹配性（或相符合性）。

因此，為了尋找和解決長(zhǎng)期以來(lái)慣性儀表生產(chǎn)制造中存在的產(chǎn)品合格率低、參數(shù)易超差和工作一段時(shí)間失效等問題，采用零件表面微觀工藝特征（基因組）性概念，從零件表面微觀特征與產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理和零件性能特性要求匹配性入手，以全新的面向設(shè)計(jì)的產(chǎn)品制造技術(shù)思想，從零件制造源頭以微觀層面的視角，開始逐項(xiàng)清理生產(chǎn)制造的過程、方法、參數(shù)、特殊處理工序、質(zhì)量控制點(diǎn)、存儲(chǔ)、操作等工藝因素給加工完成后的合格零件留下的綜合加工特征，并將這些特征與設(shè)計(jì)要求達(dá)到的實(shí)現(xiàn)原理和性能特性進(jìn)行對(duì)照匹配分析，獲得這些微觀特征對(duì)產(chǎn)品工作效能的影響規(guī)律和影響程度，再?gòu)闹圃旒夹g(shù)特征上研究解決（或控制）這些影響產(chǎn)品性能的微觀特征（缺陷）。

1 動(dòng)壓馬達(dá)半球零件的表面微觀工藝特征（缺陷）分析

研究工作主要結(jié)合近年來(lái)儀表失效案例特征和儀表精度攻關(guān)要求，對(duì)執(zhí)行現(xiàn)行制造工藝文件完成的合格的動(dòng)壓馬達(dá)半球零件進(jìn)行微觀工藝特征的綜合檢測(cè)和特性分析。尋找可能影響動(dòng)壓馬達(dá)原理特征與性能特征的參量，如動(dòng)壓馬達(dá)角動(dòng)量、壓力場(chǎng)分布、圓周壓力分布、軸承受力、軸承徑向剛度、姿態(tài)角和動(dòng)壓馬達(dá)的工作微環(huán)境等零件表面微觀工藝特征和微觀工藝特征形成的制造因素，對(duì)因此可能影響到陀螺儀表零次項(xiàng)、其他項(xiàng)誤差系數(shù)和產(chǎn)品合格率以及形成可靠性隱患的制造工藝所固有的工藝特征（或缺陷）進(jìn)行深入分析，初步梳理分析出動(dòng)壓馬達(dá)制造工藝生產(chǎn)的合格零件存在的微觀工藝特征問題。

1.1 控制加工微觀紋理方向等特征參數(shù)

對(duì)原理性、功能性零件的制造，應(yīng)提出并控制加工微觀紋理方向等特征參數(shù)，不能只要求單一的加工精度。工藝設(shè)計(jì)要跳出只控制零件幾何尺寸精度的制造模式，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先關(guān)注零件與產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理的匹配性和性能特性要求的符合性，將其作為零件制造的關(guān)鍵評(píng)價(jià)目標(biāo)之一。

兵器集團(tuán)岳政等在研究我國(guó)內(nèi)燃機(jī)零件制造問題研究中提到，對(duì)零件微觀表面質(zhì)量的單一性采標(biāo)是造成水平低、質(zhì)量差的根本原因之一，并舉例做了進(jìn)一步的介紹。多缸柴油機(jī)曲軸與后主軸承油封配合軸頸處在新機(jī)狀態(tài)下，漏油故障時(shí)有發(fā)生，曾采用多種措施，或多或少都有些效果，但總不能徹底奏效。后來(lái)通過對(duì)外咨詢，在曲軸技術(shù)文件上增加了如下要求：“該段軸頸表面最后精磨時(shí)，砂輪只做徑向進(jìn)給，或按圖示規(guī)定方向做軸向進(jìn)給，不得反向。”至此，該漏油故障得以根治。其原因是：該要求規(guī)定了軸頸微觀表面加工紋理的形式和方向，前者只徑向進(jìn)給，形成的是連續(xù)、封閉的環(huán)形線紋理，可視為封油紋理；而后者的軸向進(jìn)給形成的是連續(xù)的螺旋線紋理。此紋理方向分左旋、右旋，在曲軸工作高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，一種是回油螺旋線，不漏油；如果反向，即成為甩油螺旋線，就造成漏油。如對(duì)此不做規(guī)定，按工人的隨機(jī)操作就有漏油的幾率，做了規(guī)定就杜絕了隱蔽的一個(gè)漏油因素，這就是零件表面的紋理形貌的走向?qū)π阅苡绊懙淖饔煤蜋C(jī)理。

再如，三浮陀螺儀采用了液浮、動(dòng)壓氣浮和磁懸浮技術(shù)。動(dòng)壓馬達(dá)設(shè)計(jì)原理中，同樣是從最基礎(chǔ)的電參數(shù)輸入到定子產(chǎn)生磁滯力矩帶動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子相對(duì)定子滑動(dòng)，高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)壓馬達(dá)再通過馬達(dá)定子軸承上刻出的等角螺旋槽在定、轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生流體動(dòng)力楔支承（徑向推力），形成角動(dòng)量和穩(wěn)定的慣量，以產(chǎn)生陀螺效應(yīng)。這就涉及各個(gè)定子線圈三相繞制的一致性和對(duì)稱性控制，更為重要的是物理過程與物理量的一致性和對(duì)稱性。

圖1 動(dòng)壓馬達(dá)安裝圖Fig.1 Installation chart of dynamic pressure motor

動(dòng)壓馬達(dá)設(shè)計(jì)原理如圖1所示，動(dòng)壓馬達(dá)半球、球碗零件是左右配對(duì)使用的，實(shí)際上存在著與上述案例現(xiàn)象相似的狀態(tài)。半球大端刻的螺旋槽在旋轉(zhuǎn)時(shí)起到吸氣作用，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)在機(jī)加工開始階段就明確加工的是左半球、左球碗還是右半球、右球碗。因?yàn)榘船F(xiàn)在不加區(qū)別的車加工工藝方案，動(dòng)壓馬達(dá)左、右半球表面都具有同方向的加工紋理，在刻蝕螺旋槽工序階段再區(qū)分出零件用于左旋半球和右旋半球。圖2所示離子刻蝕出的左旋與右旋半球螺旋槽，這時(shí)必有一側(cè)的半球刻蝕的螺旋槽方向與車削加工的紋理方向相反。按動(dòng)壓馬達(dá)的工作原理：一對(duì)相向?qū)ΨQ裝配的半球，左旋槽逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槽的紋理方向處于吸氣狀態(tài)；右旋槽順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槽的紋理方向也處于吸氣狀態(tài)，保證了對(duì)稱性和穩(wěn)定性。加工紋理方向與螺旋槽方向相反的這一側(cè)半球端可能在非刻蝕表面形成甩氣紋理，從理論上分析必然造成左、右半球組件的微觀進(jìn)氣量不均衡。這種不關(guān)注零件與設(shè)計(jì)原理匹配性，對(duì)零件加工過程不加識(shí)別和不規(guī)定加工紋理方向（紋理形狀）的制造思路，必然影響零件性能特性要求實(shí)現(xiàn)的程度，形成的微觀工藝特征使得動(dòng)壓馬達(dá)自身存在著固有的缺陷（遺傳性缺陷），這一缺陷模式和機(jī)理是隱性的特征因素，可能影響到儀表的原始性能。

圖2 離子刻蝕出的左旋與右旋半球螺旋槽Fig.2 Left and right hemisphere spiral grooves for ion etching

實(shí)際上，這是一個(gè)在產(chǎn)品制造階段工藝設(shè)計(jì)如何全面認(rèn)識(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理和零件微尺度效應(yīng)問題。加工方法的表面粗糙度特征如表1所示，可以看到動(dòng)壓馬達(dá)的零件加工精度從宏觀肉眼已無(wú)法辨識(shí)出表面的特征，但這一粗糙度量級(jí)尺度（Ra0．025）還是遠(yuǎn)大于氣體分子直徑，如將氣體分子比作一個(gè)小球，在這一微觀痕跡中氣體分子還是會(huì)在其中流動(dòng)的。隨著慣性儀表精度、可靠性的進(jìn)一步提高，動(dòng)壓馬達(dá)系統(tǒng)中涉及許多微流動(dòng)問題，流體在微尺度槽道中流動(dòng)的影響效應(yīng)因素必須引起重視。隨著精度、可靠性的不斷提高，在宏觀流動(dòng)中可以忽略的一些影響因素變得重要起來(lái)，由于尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)等因素的影響，繼續(xù)沿用粗糙度Ra參數(shù)無(wú)法直觀地表達(dá)出零件表面水平方向（或氣體介質(zhì)流動(dòng)方向）微觀形貌特征和加工的紋理方向，而動(dòng)壓氣浮機(jī)理涉及這些特征參數(shù)。

表1 不同加工方法的零件表面粗糙度特征Table 1 Surface roughness characteristics of parts with different machining methods

圖3所示為完成了離子鍍膜和離子束刻蝕的半球零件的右旋螺旋槽槽深及表面加工紋理形貌測(cè)量圖譜，能較清楚地分辨出在非刻蝕表面存在著與右旋螺旋槽基本同向的加工紋理，這與車加工半球時(shí)進(jìn)刀方向形成的加工紋理方向吻合。這種加工留下的微觀紋理和紋理的方向在動(dòng)壓馬達(dá)的原理上與表面刻蝕螺旋槽和槽的方向的功能和作用是一樣的，只是影響程度大小的區(qū)別。這種影響程度目前雖然很難定量計(jì)算，但是最佳的工藝處理方法還是從一開始就設(shè)計(jì)好加工的差異性路徑，使兩半球加工紋理痕跡方向正好相反，在刻蝕螺旋槽時(shí)車加工紋理與螺旋槽就可以做到同方向了，也就消除這種微觀差異，使對(duì)稱使用的零件具備良好的相互匹配的對(duì)稱性、一致性和自相似性。這種加工紋理在研磨機(jī)或人工研磨半球和球碗過程中同樣也會(huì)形成，但研磨紋理實(shí)際上會(huì)更混亂，所以，目前有經(jīng)驗(yàn)的加工者都會(huì)控制研磨方向。

圖3 半球零件槽深及表面加工紋理形貌測(cè)量圖譜Fig.3 Measurement chart of groove depth and surface texture of hemisphere parts

眾所周知，零件表面加工的紋理方向、表面微觀輪廓形貌、表面及表層的損傷、微裂紋深度和加工產(chǎn)生的宏觀殘余應(yīng)力的大小等特征的形成，都與選擇的工藝參數(shù)（如切削速度、進(jìn)給速度、切削深度、刀具參數(shù)和刀具的更換間隔標(biāo)準(zhǔn)等）直接關(guān)聯(lián)，零件的這些特征都是加工參數(shù)和刀具使用狀態(tài)的映射。如紋理方向特征，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)零件加工的表面紋理方向研究很多，主要分為紋理圖案和紋理粗糙度2個(gè)指標(biāo)。紋理圖案包括紋理形狀（直線形、螺旋形、圓形、交叉形）、紋理走向（紋理方向角45°、60°、90°）、紋理疏密（單條紋理線寬-疏松和密集）3個(gè)指標(biāo)，紋理粗糙度特征參數(shù)包括二維和三維參數(shù)表征。

同樣，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)中也應(yīng)對(duì)零件表面間有相互配合、接觸要求的零件，明確規(guī)定零件加工的紋理方向，這對(duì)提高配合的穩(wěn)定性、密封性、接觸剛度等至關(guān)重要。即慣性儀表零件制造的工藝設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)師對(duì)零件和零件組單元性能的具體要求，擴(kuò)大零件制造中工藝控制參數(shù)范圍，不能沿用粗糙度Ra來(lái)代替粗糙度標(biāo)準(zhǔn)中的16項(xiàng)參數(shù)值。

工藝改進(jìn)建議：第一步從工藝文件要求上明確規(guī)定左右半球、球碗加工紋理方向，實(shí)現(xiàn)與螺旋槽方向一致，并規(guī)定更換刀具間隔，對(duì)每個(gè)零件標(biāo)識(shí)加工的次序等，后續(xù)再開展加工各種參數(shù)優(yōu)化組合研究。

在工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)該特別關(guān)注對(duì)稱使用的零件微觀特征的一致性（自相似性），確保零件制造的對(duì)稱性以及相互配合的零件表面紋理的相互匹配性、水平方向的粗糙度參數(shù)。

1.2 工藝參數(shù)控制要求應(yīng)滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原理性，不能只機(jī)械地控制零件加工精度的均勻性

目前，生產(chǎn)制造工藝在合格的半球零件表面螺旋槽中存在著稱之為影響產(chǎn)品原理的“機(jī)理性的加工缺陷”。

離子束刻蝕的特點(diǎn)是：對(duì)不同元素有不同的刻蝕速度；對(duì)相同的元素，平面刻蝕的均勻性高于球面刻蝕的均勻性。正是這一種加工方法存在固有缺陷性，實(shí)際加工形成的螺旋槽的微觀工藝特征與動(dòng)壓馬達(dá)楔形氣流層結(jié)構(gòu)工作原理相背離，有可能造成馬達(dá)偏離設(shè)計(jì)參數(shù)，形成不穩(wěn)定的氣流，甚至形成湍流，造成氣流層失穩(wěn)、動(dòng)壓的起浮點(diǎn)偏離等問題。

動(dòng)壓馬達(dá)設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)是氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入后，是一個(gè)逐漸增壓的過程，形成楔形氣流層結(jié)構(gòu)，直至進(jìn)入高壓區(qū)。根據(jù)離子束加工的工藝特性分析，可以推斷出目前采用的加工工藝方案將造成非楔形結(jié)構(gòu)，形成槽深分布為中間深度大于兩邊的微觀結(jié)構(gòu)特征。

針對(duì)這一工藝過程可能給零件表面帶來(lái)的微觀工藝特征的真實(shí)情況，實(shí)際測(cè)量了4件馬達(dá)半球螺旋槽?？涛g完成的半球零件表面螺旋槽如圖4所示，圖5為測(cè)試的槽深擬合曲線圖，一個(gè)半球12條槽，每個(gè)槽各測(cè)3個(gè)點(diǎn)。

圖4 刻蝕完成的半球表面螺旋槽Fig.4 Etched hemispherical surface spiral grooves

測(cè)量點(diǎn)1、2、3為從左向右排序。1號(hào)測(cè)量點(diǎn)為左側(cè)，屬進(jìn)氣端；2號(hào)測(cè)量點(diǎn)為半球弧面中間；3號(hào)測(cè)量點(diǎn)為右側(cè)，屬出氣端進(jìn)入設(shè)計(jì)的高壓區(qū)。

從這4件測(cè)量結(jié)果分析，半球零件各條槽深不均勻，單條槽深的非等深性，螺旋槽中間普通形成深坑，一個(gè)動(dòng)壓馬達(dá)兩個(gè)半球，24條螺旋槽離散性極大，這種微觀特征的螺旋槽有可能影響動(dòng)壓馬達(dá)性能：

1）動(dòng)壓馬達(dá)原理要求是等深槽，但加工結(jié)果認(rèn)為合格的12個(gè)槽深不均勻，單個(gè)槽深也不均勻，而陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的氣流層的穩(wěn)定性、對(duì)稱性和均勻性是動(dòng)壓馬達(dá)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。

圖5 4件半球螺旋槽槽深擬合曲線Fig.5 Deep fitting curve of 4 hemispherical spiral grooves

2）動(dòng)壓馬達(dá)原理要求從進(jìn)氣端到出氣端應(yīng)形成楔形狀態(tài)，使氣膜剛度（壓力）逐漸增加，最終進(jìn)入高壓區(qū)。但加工結(jié)果是單條槽中間位置空間增大，氣流進(jìn)到中間位置反而減小了氣膜剛度或氣壓強(qiáng)度，這種氣流在半球中部區(qū)域的一個(gè)微小的擾動(dòng)有可能出現(xiàn)局部渦流，會(huì)造成徑向壓力的減小，這對(duì)動(dòng)壓定心作用可能有影響。

3）加工出的螺旋槽進(jìn)氣端槽深都小于出氣端（進(jìn)入高壓區(qū)端），變成了倒楔形，一圈的12個(gè)槽深在同一圓周點(diǎn)上的差異較大，有可能形成軸承徑向受力不均，造成轉(zhuǎn)子不穩(wěn)。

以上分析單個(gè)零件微觀特征可能帶來(lái)的影響，現(xiàn)在分析零件組單元零件的差異性帶來(lái)的可能影響。動(dòng)壓馬達(dá)設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)是氣體從進(jìn)氣端等量進(jìn)入左、右半球，形成一個(gè)逐漸增壓的過程，形成楔形氣流層結(jié)構(gòu)，直至進(jìn)入高壓區(qū)。如果對(duì)稱使用的半球螺旋槽進(jìn)氣端槽的加工尺寸存在較大差異，如表2所示的4個(gè)半球螺旋槽進(jìn)氣、出氣端槽深比對(duì)數(shù)據(jù)分析。其中兩個(gè)半球螺旋槽進(jìn)氣端槽深最大差異達(dá)到7．57μm，進(jìn)氣端槽深總深度最大為44．68μm，如果這兩個(gè)半球配對(duì)使用，必然導(dǎo)致左、右半球吸入的氣體量不一致（相差約17%），會(huì)造成出氣端（進(jìn)入高壓區(qū)）的氣體流量不一致。而如果選配的兩個(gè)半球螺旋槽進(jìn)氣端槽深差異最小為0．16μm，設(shè)計(jì)原理的一致性將大大改善。具體對(duì)動(dòng)壓原理和儀表精度的影響程度和影響規(guī)律有待進(jìn)一步深入研究。

表2 4個(gè)半球螺旋槽進(jìn)氣端、出氣端槽深比對(duì)數(shù)據(jù)（單位：μm）Table 2 The groove depth comparison data of 4 hemispheres’spiral groove gas inlet port and gas outlet port（unit：μm）

俄羅斯曾試驗(yàn)4支KИ92-326型動(dòng)壓氣浮軸承，采用測(cè)定轉(zhuǎn)子接觸滑行速度的方法評(píng)定動(dòng)壓氣浮軸承的性能質(zhì)量。對(duì)儀表的試驗(yàn)進(jìn)行了轉(zhuǎn)子軸的3個(gè)位置測(cè)量，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為：2支有較均勻槽深為1μm的軸承，1支軸承質(zhì)量良好、1支軸承處于中間狀態(tài)；2支有不均勻的槽深（相差0．2μm～0．4μm）的軸承，1支軸承處于中間狀態(tài)，1支軸承質(zhì)量較差。說(shuō)明在高精度儀表氣浮軸承的質(zhì)量狀況中，幾何參數(shù)間隙、槽深、槽的相對(duì)寬度、槽數(shù)、槽邊界角、槽對(duì)圓周角都將對(duì)儀表氣浮軸承的質(zhì)量產(chǎn)生影響。動(dòng)壓氣浮軸承的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)表明，主要影響剛度特性的4個(gè)首要變量參數(shù)：間隙、槽深、傾角和邊界角中，就有槽深參數(shù)。

所以，從取樣的這4件半球的螺旋槽加工情況分析，如從設(shè)計(jì)原理角度（控性制造觀點(diǎn)）下結(jié)論，可能都不能算是合格的零件；但是如從目前生產(chǎn)制造工藝角度（控形制造觀點(diǎn)）下結(jié)論，槽深在3μm～5μm之間都是合格的。

這實(shí)際上反映出2個(gè)深層次的產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題：

1）對(duì)涉及原理性的零件加工結(jié)果參數(shù)的認(rèn)定太單一，對(duì)這類加工結(jié)果的評(píng)價(jià)應(yīng)結(jié)合零件要實(shí)現(xiàn)的物理過程和性能特性提出要求。如不能做到等深，至少是漸淺趨勢(shì)，要保證等圓周上位置槽深的一致性范圍，槽深的加工不均勻性控制要求等不能按產(chǎn)品設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)可選用的槽深范圍值3μm～5μm來(lái)確定，半球表面上槽深的不均勻性工藝控制范圍應(yīng)該有一個(gè)遠(yuǎn)小于2μm的值，即要與慣性儀表精度量級(jí)有關(guān)。

2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造人員之間溝通不充分，制造人員缺乏對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理的掌握，也就是說(shuō)目前產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)特征多以結(jié)構(gòu)參數(shù)為主，產(chǎn)品設(shè)計(jì)不能將隱性的設(shè)計(jì)原理（機(jī)理）顯性地表述出來(lái)。工藝人員不知設(shè)計(jì)原理內(nèi)涵，只看到顯性的表述，而忽視隱性的表述；只以產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為零件的制造依據(jù)，而不以產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)原理和零件功能特性為工藝設(shè)計(jì)依據(jù)之一。同時(shí)，投產(chǎn)前設(shè)計(jì)和工藝的技術(shù)交底應(yīng)形成一個(gè)更具工程意義的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不只是一個(gè)投產(chǎn)前的形式，應(yīng)該有許多實(shí)質(zhì)性的制造技術(shù)特征與產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)特征匹配的內(nèi)容。驗(yàn)證了對(duì)制造如此高性能零件的思想認(rèn)識(shí)階段僅僅停留在零件控形制造，沒有形成零件控性制造的思想認(rèn)識(shí)，僅僅依靠先進(jìn)的硬件設(shè)備，是不會(huì)理所當(dāng)然就獲得和形成高端、核心零件制造能力。

工藝改進(jìn)建議：在繼續(xù)使用離子束加工方法前提下，先研究解決進(jìn)氣端槽深要大于出氣端的加工工藝（離子束入射角度問題），后續(xù)開展其他加工方法的試驗(yàn)驗(yàn)證（如采用激光加工）。確保本道工序做到兩點(diǎn)：①槽深的均勻性要求應(yīng)明確方向性，做不到等深，至少要做到從進(jìn)氣端到出氣端槽深的變化為漸淺；②半球的12條槽必須確保槽深和均勻性的一致性、對(duì)稱性和自相似性，半球等角螺旋槽功能特征的物理過程與物理量的一致性、對(duì)稱性控制遠(yuǎn)比半球結(jié)構(gòu)裝配的一致性、對(duì)稱性更重要。

2 結(jié)論

航天高精度、高性能、高可靠性產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率低、參數(shù)穩(wěn)定性差問題，均與零件生產(chǎn)制造的工藝要求單一性，零件合格與否的評(píng)價(jià)不全面有關(guān)，與未認(rèn)識(shí)到零件表面微觀特征與產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)原理匹配性機(jī)理有關(guān)。在產(chǎn)品制造中，零件功能特征的物理過程與物理量的一致性、對(duì)稱性控制遠(yuǎn)比產(chǎn)品結(jié)構(gòu)裝配的一致性、對(duì)稱性更重要。目前，制造過程中客觀存在的因工藝方法、工藝參數(shù)等過程給零件帶來(lái)的各種微觀層面的特征是長(zhǎng)期忽略的工程制造技術(shù)科學(xué)問題。

從工程技術(shù)層面上講，隨著新一代產(chǎn)品的精度、性能和可靠性要求不斷提高，這種在過去傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段工藝設(shè)計(jì)中可以忽略的微觀層面的工藝特征，可能就是造成目前精度等級(jí)產(chǎn)品精度難以提高、產(chǎn)品生產(chǎn)合格率低、性能不穩(wěn)定、參數(shù)易超差和使用可靠性不高等現(xiàn)狀的關(guān)鍵因素。尤其對(duì)于慣性儀表產(chǎn)品，慣性原理決定了慣性器件的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和隨機(jī)誤差都是屬于微結(jié)構(gòu)變化和原理（機(jī)理）敏感型，因而制造的微觀特征對(duì)這類產(chǎn)品的內(nèi)在影響可能是很大的。因此，應(yīng)盡快研究改變慣性儀表產(chǎn)品制造階段的工藝設(shè)計(jì)思想，從單純地研究精密、超精密加工技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樯钊胙芯咳绾翁岣吡慵c產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理的匹配性和性能特性的符合性。在工藝設(shè)計(jì)中建立產(chǎn)品工藝可靠性設(shè)計(jì)體系，以一種自下而上的可靠性設(shè)計(jì)方法，從制造角度協(xié)助完善和提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)。通過產(chǎn)品工藝可靠性設(shè)計(jì)控制和消除產(chǎn)品制造階段的各種工藝缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，最終形成自主的慣性儀表制造工藝基準(zhǔn)平臺(tái)體系，從而全面解決工程用產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率和可靠性問題。

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Study on Influence of Micro Process Characteristics of Hemispherical Parts on Design Principles of Dynamic Pressure Motors

CHEN Bai-fan1，CHEN Xi2，GAO Feng1，HUANG De1，DONG Jun-hua1
（1．Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039；2．Beijing Aerospace Institute of Microsystems，Beijing 100094）

The process factors of parts manufacturing process bring（leave）special microscopic characteristics to the surface and surface of parts．The micro characteristics of parts surface and the matching of product design principles and parts performance requirements will play a vital role in the inherent performance of high precision inertial products．For the first time，the concept of micro process characteristic of parts surface is introduced in the inertial instrument manufacturing system to solve the problem of improving the precision and qualified rate．From technical characteristics of product design（principle performance），the micro process feature analysis method is adopted to identify and analyze some characteristic states of qualified parts from microscopic and finer details．In this paper，the two kinds of micro features which exist on the machining surface of the hemisphere parts of the dynamic pressure motor are analyzed，which may lead to the low production rate of the inertial instrument，the poor influence of the parameter stability and the manufacturing factors of the features．The idea of changing and perfecting product manufacturing process design is put forward．

micro texture feature of parts；self-similarity of parts；feature and principle matching；microscopic characteristics influence mechanism

U666．1

A

1674-5558（2017）04-01357

10．3969/j．issn．1674-5558．2017．03．012

陳白帆，男，研究員，研究方向?yàn)楦呔葢T性儀表、高可靠電磁繼電器制造可靠性、工藝可靠性設(shè)計(jì)、零件表面微觀工藝特征性、零件制造與產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理匹配性。

2016-12-26