王金虎，袁巨龍，呂冰海，李紹良，宋麗君, 訾進鋒，成宇翔，趙萬良，陳效真

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院·杭州·310023；2.上海航天控制技術(shù)研究所·上海·201109；3.西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院·西安·710055；4.西安中科微精光子制造科技有限公司·西安·710000；5.中國航天電子技術(shù)研究院·北京·100094)

0 引 言

半球諧振陀螺是20世紀60年代出現(xiàn)的一種新型慣性陀螺，其具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、功耗低等優(yōu)點，在新一代長壽命衛(wèi)星慣性系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。半球諧振子是半球諧振陀螺的核心零件，其加工精度和質(zhì)量直接制約著陀螺器件及系統(tǒng)的性能。半球諧振子屬于異形零件，其主體結(jié)構(gòu)為帶有中心支撐桿的小尺寸薄壁半球殼體，多采用高品質(zhì)熔融石英玻璃經(jīng)精密加工制成。特定的服役環(huán)境及工作原理對半球諧振子的表面質(zhì)量和形位精度要求極高，而材料的高硬脆性、結(jié)構(gòu)的薄壁特征及內(nèi)表面不規(guī)則球面等問題均給其高效、高質(zhì)量的拋光帶來了挑戰(zhàn)。

對復(fù)雜曲面具有良好適用性的柔性拋光方法主要包括了氣囊拋光、磨料射流拋光、磁流變拋光、離子束拋光等。氣囊拋光的柔性拋光頭可自動適應(yīng)工件的曲面形狀。通過調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部壓力，可實現(xiàn)對拋光效率的控制。磨料射流拋光利用磨粒對工件表面的高速碰撞與剪切作用，通過控制噴射壓力、角度及時間等參數(shù)拋光工件表面。磁流變拋光通過外加磁場控制磁流變液在拋光區(qū)域產(chǎn)生與被加工表面相吻合的柔性“研拋?！?，并進行材料去除。上述拋光方法通過氣壓、磁場、流場等手段，均能夠?qū)崿F(xiàn)“研拋?！钡娜岫茸兓煽?。采用小拋光工具能夠適應(yīng)工件曲面曲率變化，并可通過駐留函數(shù)優(yōu)化面形精度。將離子束拋光技術(shù)應(yīng)用于半球諧振子加工，能夠?qū)崿F(xiàn)原子量級的材料去除，且無亞表面損傷，但其拋光效率低、成本高。磁流變拋光材料的去除函數(shù)穩(wěn)定、亞表面損傷小且加工效率較高，但拋光輪的小型化設(shè)計難度大，其在用于小尺寸半球諧振子拋光時還面臨諸多難題。

總之，目前國外對半球諧振子高效超精密拋光技術(shù)保密，相關(guān)文獻未見報道。成熟的光學(xué)拋光技術(shù)大多面向平面、低陡度非球面及自由曲面，在半球諧振子小口徑、異形結(jié)構(gòu)內(nèi)凹面拋光上的應(yīng)用受限。國內(nèi)在半球諧振子精密磨削、切削及激光加工等成型工藝方面取得了一些進展，但無應(yīng)力研拋工藝作為銜接諧振子質(zhì)量調(diào)平的重要工序，仍需向高效率、高質(zhì)量目標開展研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳明君教授團隊采用永磁小球頭磁流變研拋技術(shù)開展了針對石英半球諧振子拋光的研究。拋光后諧振子的表面粗糙度

R

由78.3nm降低到了14.3nm，面形精度由545.7nm提高到了332.0nm。當采用球頭永磁拋光工具時，不同位置的磁感應(yīng)強度、線速度不同，這增加了材料去除函數(shù)的控制難度。

力流變拋光(Shear Rheological Polishing, SRP)技術(shù)是一種利用非牛頓流體在剪切應(yīng)力作用下的流變特性實現(xiàn)表面拋光的超精密加工方法。力流變拋光工藝的實現(xiàn)不需要外部輔助場，對拋光工具形狀、材質(zhì)等的要求較低，甚至可以在無拋光工具條件下，通過流體動壓和黏性剪切應(yīng)力實現(xiàn)復(fù)雜曲面的柔性、高效拋光，且拋光液的制備成本低、綠色環(huán)保。剪切增稠拋光是一種典型的力流變拋光技術(shù)，目前已實現(xiàn)了對包括晶體、陶瓷、金屬在內(nèi)的平面、球面、圓柱面及復(fù)雜曲面的超精密拋光。

本文擬采用力流變拋光方法替代傳統(tǒng)的小工具頭拋光方法，以增加拋光接觸面積，提高石英半球諧振子的拋光效率；基于力流變拋光非接觸式的特點，實現(xiàn)脆性材料的柔性去除，提高石英半球諧振子的拋光表面質(zhì)量。

1 力流變拋光原理

力流變拋光技術(shù)利用力流變拋光液的增稠或固化效應(yīng)，使流變流體柔性把持游離磨粒，并通過其與工件表面的相對運動實現(xiàn)材料的去除。如圖1(a)所示，非牛頓流體拋光液相對工件表面發(fā)生運動，受黏性剪切應(yīng)力作用而產(chǎn)生流變現(xiàn)象，流變層中的分散相顆粒團聚成簇，黏度增大。磨粒受流變層粒子簇的柔性把持，形成與被拋光表面輪廓、形狀完全吻合的柔性拋光模。在力流變拋光過程中，通過控制拋光液流場的速度、方向，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜表面的全口徑拋光。在力流變拋光過程中，磨粒的存在形式與傳統(tǒng)游離磨料加工、固結(jié)/半固結(jié)磨粒加工均有較大差異，其可被稱之為“柔性全包覆磨粒加工”，其特點為大、小磨粒突出高度均近似于零，如圖1(a)所示。當拋光液流場相對工件表面靜止時，由于磨粒處于懸浮狀態(tài)，且粒徑相對整個流場極小，磨粒所受重力和浮力抵消，壓強梯度力近似為零，工件表面只受到均勻的流體靜壓力作用。對于傳統(tǒng)拋光方法，如圖1(b)所示，游離磨料在拋光墊局部包覆作用下相對工件表面發(fā)生運動，其受力與磨粒尺寸、拋光正壓力、拋光墊硬度等均直接相關(guān)。

(a)力流變拋光原理

(b) 傳統(tǒng)游離磨粒拋光原理圖1 力流變拋光方法與傳統(tǒng)拋光方法的對比Fig.1 Comparison between shear rheological polishing and traditional polishing methods

圖2 力流變流體的剪切流變特性Fig.2 The shear rheological properties of shear rheological polishing fluid

(a) 外表面拋光原理圖

(b) 外表面拋光實物圖圖3 石英半球諧振子外表面的力流變拋光Fig.3 Shear rheological polishing of quartz hemispheric resonator external surface

(a)內(nèi)表面拋光原理圖

(b) 內(nèi)表面拋光實物圖圖4 石英半球諧振子內(nèi)表面的力流變拋光Fig.4 Shear rheological polishing of quartz hemispheric resonator internal surface

(a) 拋光前3D表面形貌圖

(b) 拋光30分鐘后3D表面形貌圖圖5 外表面拋光前后3D表面形貌圖Fig.5 3D surface topography of the external surface before and after polishing

力流變拋光材料的去除率受拋光液流變特性及流場參數(shù)的影響。在拋光過程中，流體及磨粒的運動近似于勻速運動，磨粒所受附加質(zhì)量力及慣性力均等效為零。當磨粒相對工件表面產(chǎn)生滑擦、耕犁、切削時，磨粒會受到拋光液流場的阻力及流體的動、靜壓力作用。

根據(jù)牛頓阻力定律和斯托克斯阻力定律，磨粒受到的拋光液流場阻力

F

可以表達為

(1)

式中,

Re

為拋光液雷諾數(shù)，

ρ

為液相密度，

μ

為流體黏度，

d

為由拋光液中的磨粒、分散相顆粒形成的粒子簇的當量直徑，

u

為流場中液相的速度，

u

為顆粒的速度，

C

為阻力系數(shù)。磨粒所受的流場動壓力

F

及靜壓力

F

的計算表達式為

(2)

F

=

ρ

gh

S

(3)

式中，

S

和

S

分別為磨粒-工件接觸面在流場速度方向和重力方向上的投影面積。由圖2(a)結(jié)合式(1)、式(2)及式(3)可以發(fā)現(xiàn)，流場速度對磨粒受力具有顯著影響，流場速度的提高能夠增加磨粒切削力，有利于提高拋光效率。此外，在固液兩相力流變拋光液中，磨粒受力受顆粒本身尺寸的影響較小，其受由磨粒、分散相顆粒所形成的粒子簇尺寸(采用當量直徑

d

表征)的影響較大，提高拋光液的剪切增稠特性有利于提升材料的去除效率。同時，當所采用的力流變拋光工藝的拋光液層流流場平行于工件表面時，在被拋光表面趨近于理想光滑表面的過程中，拋光液中的流變相包覆磨粒與工件表面法向方向的作用力逐漸減弱，主要依靠切向的剪切應(yīng)力實現(xiàn)材料去除。因此，力流變拋光也是一種能夠?qū)崿F(xiàn)低損傷超精密加工的拋光技術(shù)。

2 力流變拋光液

具有穩(wěn)定流變特性的拋光液是實現(xiàn)拋光過程材料去除、降低表面粗糙度的基礎(chǔ)。實驗以多羥基聚合物(PHHP)的水溶液作為基液配制了力流變拋光液，該拋光液可在較低的相對運動速度下產(chǎn)生增稠效應(yīng)，且原材料易獲得、無污染。在以PHHP(平均粒徑約為14 μm)為分散相的力流變拋光基液中加入3000#氧化鋁磨料，配制質(zhì)量分數(shù)為10%的力流變拋光液。采用AR-G2型流變儀(TA Instruments, USA)檢測上述力流變拋光液的流變曲線，剪切速率為0.1～1000s，溫度為(25±1)℃。圖2所示曲線為在連續(xù)剪切增稠力流變拋光液時剪切黏度與剪切速率之間的關(guān)系。

(4)

3 石英半球諧振子力流變拋光

力流變拋光方法可分為浸入式、切入式、流道式和浮動式等，通過選擇不同的加工方式，力流變拋光不僅可適用于正、負曲率的復(fù)雜曲面拋光，也可被用于平面及各種類型孔壁的拋光。石英半球諧振子力流變拋光實驗在STP-1型試驗樣機上進行，實驗條件如表1所示。使用Form Talysurf i-Series輪廓儀(Taylor Hobson, UK)檢測諧振子在加工前后的表面粗糙度值。針對諧振子外表面的粗糙度，檢測邊緣、根部和中間位置；針對諧振子內(nèi)表面的粗糙度，由于其內(nèi)表面受錨桿干涉影響，需檢測邊緣三個位置，采樣長度均為3mm，檢測結(jié)果選用三次測量值的平均值。采用SuperView W1型光學(xué)3D表面輪廓儀(中圖儀器，中國)觀測拋光前后表面的形貌變化。

表1 力流變拋光實驗條件

石英半球諧振子外表面力流變拋光采用浸入式拋光法，其原理及拋光實物圖如圖3所示。在拋光過程中，石英半球工件浸沒在拋光液中，依據(jù)拋光液流變曲線調(diào)控拋光液-工件界面的相對剪切速度，并通過控制工件自轉(zhuǎn)及擺動的速度、駐留的時間實現(xiàn)對石英半球振子外表面的均勻拋光。

石英半球諧振子內(nèi)表面的力流變拋光采用切入式拋光方法，其原理如圖4所示。在拋光過程中，工件自轉(zhuǎn)，拋光液以一定速度切入工件凹面，在內(nèi)凹面形成回轉(zhuǎn)流道，通過拋光液中的磨粒對工件表面的微切削作用實現(xiàn)對工件的材料去除。通過控制半球面相對非牛頓流體的切入角度，實現(xiàn)半球內(nèi)表面的全域拋光。

石英半球諧振子外表面的拋光時間為30 min，內(nèi)表面的拋光時間為15 h，拋光后的表面粗糙度均達到了10nm以下，如表2所示。在對石英半球諧振子進行內(nèi)表面拋光時，力流變拋光液切入工件表面，流場內(nèi)法向壓力場相比外表面拋光更弱，故拋光效率相對較低。

表2 石英半球諧振子拋光前后的表面粗糙度

石英半球諧振子外表面拋光前后的表面形貌對比如圖5所示。由圖5可以明顯看出，拋光前的石英半球諧振子表面比較粗糙，表現(xiàn)出了磨削過程中的微崩碎材料去除特征，表面凹坑深度為微米級。經(jīng)過力流變拋光的石英半球諧振子的表面粗糙度明顯下降，表面平整，無脆性損傷特征，低頻的輪廓波動幅度為納米級。

圖6所示為內(nèi)外表面經(jīng)過力流變拋光之后的石英半球諧振子。相比拋光之前精密磨削件的粗糙、不透明狀態(tài)，力流變拋光后石英半球諧振子的表面光潔度獲得了明顯提升，呈現(xiàn)出了透明的效果，無表面劃痕、霧化等宏觀表面缺陷。

圖6 力流變拋光后的石英半球諧振子Fig.6 Quartz hemispheric resonator after shear rheological polishing

4 結(jié) 論

(1)力流變拋光技術(shù)利用拋光液的剪切流變特性，使流變相柔性把持游離磨粒與工件表面的相對運動，實現(xiàn)了材料的去除。通過控制拋光液流場及界面剪切應(yīng)力，可實現(xiàn)復(fù)雜曲面的全口徑柔性、高效拋光。力流變拋光液的剪切屈服強度與剪切應(yīng)力大小具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，是材料去除過程可控的基礎(chǔ)。

(2)在STP-1型試驗樣機上對石英半球諧振子內(nèi)、外表面進行了力流變拋光實驗。外表面采用浸入式拋光方法，在拋光時長為30min時，材料表面粗糙度

R

從135.5nm降至6.6nm；內(nèi)表面采用切入式拋光方法，在拋光時長為15h時，材料表面粗糙度

R

從128.2nm降至9nm。

(3)上述工藝實驗的開展證明了力流變拋光方法在石英半球諧振子拋光領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，后續(xù)研究將結(jié)合流道約束、化學(xué)原理，進一步對諧振子內(nèi)、外表面拋光的面形精度、表面質(zhì)量及效率提升的理論及方法進行研究和實現(xiàn)。