挠性接头微细加工关键技术研究综述

1 研究背景与意义

挠性接头是精密导航调谐陀螺仪重要的部件，挠性接头的制造水平和精度直接决定了其使用性能，最终决定导航系统的位姿精度。挠性接头目前主要由组合式和一体式两种，由于挠性接头的空间微细结构复杂且加工精度高，采用组合式的方法可以降低加工的难度，但同时挠性接头的性能和寿命也因此下降。一体式挠性接头的采用整根棒料加工而成，消除了组合式挠性接头组装带来的装配误差，同时一体化挠性接头具有双平衡环结构，该结构可以消除2倍频角振动引起的漂移误差，导航精度更高，因此更具有使用前景。受加工水平的限制，我国目前使用的陀螺仪上均配备的是组合式挠性接头，导航精度远低于发达国家的一体式挠性接头，且使用寿命一般不超过1 000 h。

挠性接头的导航主要通过细筋的变形实现，因此挠性接头加工的关键技术[1]在于细筋的加工工艺和加工质量。细筋结构目前主要通过两个相邻的圆实现，一体化挠性接头上通常径向均布的四组细筋，四组细筋加工的一致性也是影响导航精度的主要因素，也是最难加工部位。一些科研和生产单位已经着手挠性接头的研制，通过减除镗削加工产生的变质层，改善表面粗糙度、表面变质层、残余应力、接头疲劳强度和使用寿命，但相关的微细磨削机理及表面完整性控制的理论知识还非常欠缺。

2 国内外研究现状

2.1 挠性接头的加工方法

国外发达国家针对一体式挠性接头的制造技术积累较多，其加工技术相对成熟。产品已成功应用于火星探测器(俄罗斯研制)和DRIRU Ⅱ航天器(美国)。但由于航空航天导航技术的敏感性，发达国家对挠性接头的制造技术一直处于保密状态。我国的挠性接头加工技术还处于成长期，经过三四十年的不懈努力，航天研究所、高校科研团队、仪表公司等都进行了大量研究，以期通过不懈的努力尽快缩小和发达国家在挠性接头制造方面的差距。挠性接头细筋的加工要经历粗加工、精加工和超精加工三个阶段。粗加工的主要方法有电火花、钻、镗、铣；精加工的方法有精密电火花放电、精密数控坐标磨、精密坐标镗；超精加工的方法目前只有精细研磨。华东理工和同济大学[2]制定一体式挠性接头工艺流程，差值百分比都在3%之内，而且测量的数值都在技术要求的公差之内。

2.2 细筋角刚度解析

挠性接头细筋的另一个更加广泛的名称是柔性铰链，由于柔性铰链无配合间隙、无摩擦、体积小、总量轻、运动平稳、理论上具有无限分辨率等特点，在加速度计、陀螺仪、微进给工作台、光纤对齐设备、导弹控制、位移放大、扫描隧道显微镜、高精度照相机等领域获得了广泛引用。柔性铰链的结构形式、刚度特性是国内外众多学者研究的热点。

2.3 仿真建模

计算机技术的高速发展使得仿真在加工上的应用越来越普遍，目前仿真手段已经成为了实验手段的一个重要补充。根据选择的工艺参数，结合自适应工艺策略，可实现最好加工质量、最少加工时问和最高经济效率。有限元分析(finite element analysis，FEA)已成功用于磨削加工的广阔领域。

针对挠性接头采用的微细磨削技术的数值模拟仿真，目前由多种方法可以实现，常用的方法由有限元法、自适应网格法、光滑粒子动力学法、分子动力学法等方法。在数值模拟的过程中，受仿真体系限制，早期的磨削仿真仅能仿真单颗磨粒划擦的过程。

2.4 加工冷却系统研究

磨削是一种能量密集型的加工方法，加工过程中超过60%以上的能量以转化为热量，从而引发工件或者砂轮的热膨胀，导致加工过程的精度丧失，因此有效加工冷却系统是确保加工质量和精度的基础。在细筋磨削过程中，高速旋转的砂轮由于空气粘度的原因会带动周围的空气运动，形成一层包裹砂轮周围高速旋转的气流层，导致砂轮周围空气的气压增加，排斥喷射到磨削区域的磨削液，使其无法进入磨削区对磨削过程进行冷却。使接触区高温得不到有效抑制，影响冷却效果，工件易出现烧伤，严重影响零件的表面完整性和机械物理性能。因此，构建高效的磨削液供给系统，从而限制磨削时的温升，抑制工件表面的热损伤和组织变化，对细筋的高精密加工具有重要的意义。目前国际研究趋势重点在于改善冷却方式来提高加工质量。因此在加工中一定要合理冷却条件，充分考虑冷却对加工表面质量的影响。

2.5 表面完整性控制

由于接头是重要的弹性灵敏元件，细筋厚度只有40 µm，对加工过程中产生的变质层非常敏感。加工后的表面可能存在的变质层，包括微观组织变化、显微硬度变化、热影响区、塑形变形、再结晶和残余应力。若单面变质层为5～10 µm，双面加在一起将占整个工作截面厚度的20%～40%，由于变质层的存在对接头疲劳强度、使用寿命都将带来负面影响，因此，对接头质量的评价不应仅限于零件的表面，还需要考虑零件的亚表面的特性，这涉及到表面完整性。

弹挠性薄壁零件加工具有一定特殊性，加工后变质层具有其特殊的变化规律：细筋本身要求厚度很小，加工时若一个侧面产生了变质层后，再加工另一个侧面，则后加工侧面产生的变质层，势必会对前一个侧面加工产生的变质层造成耦合影响，因为加工变质层在整个薄筋厚度中，占有较大比例，所以这种耦合影响以及如何降低耦合的负作用是研究重点之一。

2.6 加工精度测量

精密挠性接头作为导航传感器的核心部件，其加工精度直接影响到挠性接头的性能和导航精度。挠性接头的传感过程主要通过细筋的弹性变形获得，因此要求细筋要对位姿变化引起的惯性力敏感，即惯性力存在时细筋要发生弹性变形，因此对细筋的加工精度要求非常高，开发细筋加工过程中实时测量的软件和系统，实现加工精度的在线测量对保证挠性接头的加工精度具有重要的意义。因此对于此类微细尺寸的加工、结构复杂零件的在线高精度测量方法提出了需求。由于目前国内普遍使用的是组合式挠性接头，因此细筋结构暴露在外面，测量相对简单。而对于一体式挠性接头，细筋隐藏在微小孔内，多数传感器无法进入小孔实现对细筋的测量。因此实际过程中对于一体式挠性接头倾向于采用离线测量的办法，即加工好细筋或者完成细筋的某道加工工序以后将挠性接头或挠性接头与夹具一起取出，测量细筋的加工精度是否满足要求。采用的离线测量方法主要有方箱和三坐标测量。离线法的缺点是耗时耗力，并且反复的装夹夹具还会导致定位误差和重复定位误差，影响加工的精度，特别是对于如此精密的挠性接头元件，定位误差完全不能忽略。因此从保证加工精度和提高加工效率的角度出发，开发相应的在线检测方法和系统显得非常有必要。

挠性接头精密细筋的公称尺寸为40 µm，如果加工过程中的力太大，则会直接导致细筋发生塑形变形甚至破坏细筋结构，是导航过程丧失精度。因此在细筋加工过程在线监测时首选非接触式测量，如：激光测量和电感传感器测量。激光测量过程中由于光无法穿透细筋，导致测量过程困难。采用电感原理的电感位移传感器能够高精度地测量细筋的厚度。基于图像处理的方法液能实现细筋的厚度测量，但仅能测量工件表面的细筋厚度，无法测量内部的细筋厚度，因此无法确定细筋最薄的位置。

2.7 加工尺寸效应

微切削过程中，切削力随着切屑厚度的减小而增加有关，也就是所谓的尺寸效应。微机械加工的切削深度和进给速度比传统机械加工小，所以在加工多晶材料时切削深度要比平均晶粒度还要小。由于材料晶粒尺寸的关系，微机械加工时，刀具常在晶粒内部和晶界上工作。因此，晶向和晶体尺寸对微机械加工有很大影响，在微细磨削中应该考虑材料微观结构的影响。晶粒与晶粒之间的晶界很薄，早在19世纪就有冶金学家预言晶界的存在，但直到电子扫描显微技术出现以后才得到证实。晶界虽然很薄，但对金属加工特性有很大影响，它是固体材料中的一种面缺陷，它与纯金属在塑性变形、强度、断裂、疲劳、蠕变和脆性等力学性能上存在很大的差异[3]。

3 结语

一体化挠性接头是未来发展的趋势和必然，实现一体化挠性接头加工技术首先要突破细筋的微细加工机理，未来可在细筋的加工工艺参数优化、加工顺序优化、表面温度控制、残余应力分布计算和预测、表面质量控制等多个方面进行系统研究，同时补充现有的微细加工机理。