谐振陀螺微半球凹模阵列式多域可控研抛新方法研究

Current processing methods of micro hemispherical mold have common problems such as low geometry precision, poor shape-consistency and low working efficiency, which are bottlenecks of fabricating high accuracy MEMS resonator gyroscopes, and are the reasons for not applying it to national defense equipment and navigation and positioning.. To solve this difficult problem, a new lapping method for array mode for multi domain controllable is proposed in the project. The research objective is shown as following: Combined with theoretical analysis, numerical simulation and experiments, break through key technologies including dynamics of contour impact abrasive and controllability of impact kinetic energy. Determine critital conditions for lapping hard and brittle material workpiece by the method named multi-domain-controllable lapping, and reveal material remove theory of lapping mold with the effect of contour impact abrasive, build a multi domain lapping mold of workpiece material remove, master controllable technology of contour impact abrasive. Develop a model machine, optimize the principle of technical processes, and realize efficient and ultra-precision lapping of micro hemispherical mold. The project provides fundamental theory and technology support for efficient ultra-precision machining of high resonator gyroscopes micro hemispherical mold, and a new technological approach for machining of hard and brittle material microstructure..

利用现有方法制造谐振陀螺微半球凹模，存在微凹模几何精度低、形状一致性差、加工效率低的共性难题,使高精度微机电陀螺谐振子的制造存在瓶颈,制约了微机电陀螺在国防装备和导航定位中的应用。. 针对这一难题,本项目提出一种阵列式多域可控研抛新方法，将理论分析、数值模拟和实验相结合，以空间阵列式约束流场内仿形冲击磨粒的动力学规律和冲击动能可控性等科学问题和关键技术为突破点，解析硬脆工件材料多域可控研抛的临界条件，揭示仿形冲击磨粒作用下研抛模近无损耗地去除工件材料的机制,建立多域可控研抛材料去除模型，掌握仿形冲击磨粒冲击动能的可控技术；设计和研制设备原理样机，优化微半球凹模阵列研抛工艺，实现谐振陀螺微半球凹模高效超精密研抛成形。项目的研究可为谐振陀螺微半球凹模的高效超精密加工提供理论基础和技术支持，为硬脆材料微结构高效精密加工提供又一技术途径。

本项目拟解决现有方法加工谐振陀螺微凹模精度低、质量差、一致性不佳的瓶颈问题。半球谐振子的精度受半球凹模精度的制约，惯导级的MEMS半球谐振陀螺对飞行器导航、导弹盲区致导、深海舰船姿态测量等国防领域具有重要意义，项目实施中的微零件加工共性方法、数学模型和工艺结果，对零件的超精密加工提供借鉴，具有科学意义。. 项目结题时主要研究内容：1）在理论研究方面，研究了空化气泡的演化规律，流场的基本特性（流场的动压力、流场的湍动能、气泡含量等）、磨粒的运动学和动力学规律。2）提出一种微半球凹模多域可控研抛新方法，单晶硅上加工高形状精度、高表面质量、高一致性、低表面粗糙度的微半球凹模，对微凹模质量提出评价体系。3）研制微半球凹模阵列式多域可控研抛原理样机，优化了微凹模阵列批量化生产的加工工艺，建立了微半球凹模阵列式多域可控研抛的技术体系，建立工具磨损和微半球凹模形状精度、表面完整性之间的映射关系。. 项目得到的重要结果和关键数据：1）验证了气泡对磨粒运动的加速作用，以及空化气泡对流场动压力、湍动能的影响规律。空化辅助流场相比同参数的传统流体抛光效率大幅提高，经12 h 抛光后工件表面粗糙度Ra 从160 nm 最低下降到4.95 nm。2）提出一种超精密陶瓷整球工具（UCET）微超声加工谐振陀螺微半球凹模新方法，UCET工具球度误差小于0.08微米，UCET加工出的微半球凹模同一零件半径变化率∆R=6.47 µm，半径变化量标准差小于2 µm，远优于文献记录的微EDM一次加工完整微凹模时32 µm的半径变化率。3）开发并优化了了微凹模研抛原理样机，原理样机重复定位精度200nm，研究了工具磨损对微凹模的几何精度具有影响，连续加工10个凹模UCET碳化钨工具使凹模球度产生的偏差率分别仅为1.71%。提出了涂覆保护层方法，降低工具偏振，并建立了理论模型，提高微加工工件表面完整性。