способ изготовления ротора шарового гироскопа

Формула изобретения

Способ изготовления ротора шарового гироскопа, при котором осуществляют формообразование и комплектовку полусфер с монотонно уменьшающейся толщиной стенки от h_э в экваториальной плоскости разъема до h_п в полюсной части с наружным диаметром D_р, диффузионную сварку полусфер по плоскостям их разъема посредством размещения полусфер в полусферических выемках диаметра D_п пуансонов, устанавливаемых в направляющий стакан сварочной оснастки и выполненных из материала, коэффициент термического расширения которого меньше, чем у материала полусфер, при диаметре D_п большем D_р, нагрева оснастки с полусферами до температуры сварки T_св, превышающей температуру совпадения диаметров D_п и D_р, с приложением осевого сварочного давления, сферодоводку и балансировку ротора, отличающийся тем, что в процессе формообразования наружный диаметр D_р полусфер выбирают из соотношения где D"_p - расчетный диаметр готового ротора, а _h - припуск на сферодоводку и балансировку, определяемый из условия _h h_э-2h_п, при этом производят измерение увеличения высоты каждой полусферы вдоль ее оси симметрии в процессе нагрева в одинаковом для всех полусфер интервале температур, соответствующем приращению высоты в пределах ~ 0,005 мм, и определяют величину прогиба полюса полусфер в области упругих деформаций под действием фиксированной нагрузки, выбираемой из условия деформации прогиба ~ 0,005 мм, после чего комплектуют пару полусфер ротора, для которых разница в указанных значениях абсолютного удлинения и прогиба не превышает 10%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в технике получения тонкостенных полых сферических оболочек при изготовлении роторов шаровых гироскопов различных типов.

Известен способ изготовления бериллиевых роторов шаровых гироскопов [1], заключающийся в формообразовании средствами механической обработки (точение, шлифование, доводка) двух тонкостенных бериллиевых полусфер, сборка полусфер в сварочном приспособлении, когда полусферы помещают в полусферические выемки сварочных пуансонов, устанавливаемых в направляющий стакан, который обеспечивает строгую соосность полусфер. При этом материалом пуансона является корундовая керамика, имеющая коэффициент термического расширения _p меньший, чем коэффициент термического расширения материала полусфер, а соответственно исходный диаметр D_п полусферических выемок пуансонов выполняется большим наружного диаметра D_р полусфер, исходя из совпадения при температуре сварки T_св.

Очевидно, что диаметры D_р и D_п должны отвечать соотношению:

D_p(I+_p+T) = D_п(I+_пT),

где T = (T_св-298)K.

Далее на свариваемую кольцевую поверхность плоскости разъема нижней полусферы укладывают кольцевую прослойку, выполненную из алюминиевой проволоки, с фиксацией прослойки симметрично кольцевой свариваемой поверхности посредством скруток, выносимых за пределы зоны сварки. Собранное приспособление с полусферами помещают в вакуумную камеру сварочной установки и нагревают до температуры сварки T_св, при которой сравниваются диаметры D_р и D_п, и прикладывают сварочное давление P_о, после чего осуществляют изотермическую выдержку для протекания процессов сварки. Давление P_о совпадает с осью симметрии полусфер и приспособления и перпендикулярно плоскости сварочного шва, т.е. обеспечивает создание напряжений, перпендикулярных плоскости сварного шва. Сварка реализуется за счет деформирования проволочной прослойки и взаимодействия ее материала (алюминий) с материалом полусфер (бериллий). Использование в качестве материала пуансонов корундовой керамики обеспечивает сохранение высокой точности сферических выемок и центровки пуансонов после многократного (практически неограниченного) количества сварок, а разность в исходных диаметрах (D_п > D_р) при заданном _п < _p исключает закусывание сваренного ротора в оснастке. После сварки осуществляют доводку и балансировку ротора до получения требуемого конечного диаметра и заданных значений осевого и радиального дисбаланса.

Недостатками данного способа-аналога являются:

1. Низкое качество ротора, связанное с проведением процесса сварки полусфер через промежуточную прослойку, наличие которой в сварном шве определяет его неоднородность и пониженную прочность. Неоднородность свойств в зоне сварки приводит к анизотропии свойств ротора в целом, а пониженная прочность соединения - к искажениям формы ротора при его функционировании в подвесе. При этом использование промежуточной прослойки при сварке ротора по рассматриваемой схеме является объективно необходимым средством реализации соединения. Это обусловлено тем, что прикладываемая осевая нагрузка P_о обеспечивает создание нормальных к плоскости сварки напряжений, распределенных по всей сферической поверхности каждой полусферы. При этом в полюсной части эти напряжения максимальны. При такой схеме сварки для реальной конструкции ротора допустимые величины параметров сварки, не вызывающие деформации более 0,012 мм, составляют T_св ~ (750...780)K и P_св ~ (20...25) МПа.

Приведенные значения T_св и P_св не позволяют реализовать беспрослойную сварку полусфер и делает вынужденным использование промежуточной прослойки.

2. Невысокое качество ротора, определяемое сохраняющейся исходной анизотропией свойств полусфер, что связано со структурными характеристиками материала и является характерным свойством бериллия.

Известна технология изготовления бериллиевых роторов электростатического гироскопа [2], в которой на стадии формообразования на наружной стороне каждой из полусфер выполняют кольцевой фланец, одна, внутренняя торцевая поверхность которого совпадает с плоскостью разъема полусферы, а вторая, внешняя - смещена в сторону полюса полусферы на величину где D_н и D_вн - наружный и внутренний диаметры полусферы, соответственно. При этом на цилиндрической части фланцев наносят риску, определяющую угловую ориентацию полусферы относительно исходной заготовки (прутка). Далее осуществляют сборку полусфер в сварочной оснастке, где сварочные пуансоны устанавливают на внешние торцы фланцев, на которые и передается сварочное давление P_св при нагреве оснастки до температуры T_св. Указанные риски при сборке совмещают в одной плоскости, проходящей через ось симметрии полусфер по одну сторону от этой оси, что уменьшает обусловленный возможной анизотропией свойств градиент физико-механических характеристик в зоне сварки. Высота фланца h, определяемая приведенным выше соотношением, обеспечивает равенство диаметра линии перехода наружной сферической поверхности полусферы в плоскость внешнего торца полусферы и диаметра D_вн, что обусловливает передачу P_св на требуемый участок внутреннего торца фланца, соответствующий зоне сварного шва ротора. Таким образом, в данной схеме сварки реализован такой технологический прием, как локализация сварочной нагрузки на вспомогательном технологическом элементе свариваемой детали, что в рассматриваемом варианте обеспечивает сварку с ненагружаемой сферической поверхностью. Кроме того, на указанных фланцах выполняют элементы центровки, обеспечивающие строго заданную соосность полусфер, и узлы фиксации, позволяющие устанавливать полусферы в исходном разнесенном положении. После операции диффузионной сварки осуществляют обрезку фланцев до получения сферической заготовки ротора, которую балансируют и доводят до требуемых параметров.

Недостатками данного аналога являются:

Низкая технологичность процесса изготовления ротора, поскольку составными элементами технологии сварки в данном случае являются предварительное формообразование фланцев и их удаление после сварки. Помимо достаточно большой трудоемкости этих операций (с учетом выполнения на фланцах элементов центровки и фиксации), в данном случае имеет место явно выраженная экономическая неэффективность процесса, т.к. во фланцах сосредоточено до (70... 80)% массы заготовки полусферы, а после сварки материал фланцев уходит в отходы.

Недостаточно высокие точностные характеристики ротора, обусловленные характерной для бериллия (а также ряда других поликристаллических материалов, получаемых методом горячего прессования и выдавливания) анизотропией свойств, определяемой направлением, совпадающим или перпендикулярным оси выдавливания заготовки на стадии ее изготовления. Указанная анизотропия свойств, как электрических, определяющих симметрию и жесткость подвеса ротора в электростатическом поле, так и физико-механических, обусловливающих возможные отклонения от требуемой расчетной формы ротора при его функционировании на рабочих скоростях вращения, составляющих десятки тысяч оборотов в минуту, могут существенно снижать точность и надежность работы гироскопа. Частично решает эту проблему использование на стадии спекания исходных заготовок изостатического прессования, однако очевидно, что изостатическое прессование заготовок, конфигурация которых существенно отличается от сферы (наличие объективно необходимых технологических фланцев, буртиков, хвостовиков на полюсной части и т. д. ), не обеспечивает требуемый уровень изотропности свойств у получаемого в конечном счете сферического изделия.

Сохранение взаимной ориентации полусфер в составе ротора в соответствии с их расположением в исходной заготовке (совмещение рисок) не уменьшает интегральную анизотропию, а лишь исключает скачкообразные изменения свойств материала в зоне стыка полусфер (сварной шов), что не является решением проблемы обеспечения точности ротора.

По наибольшему числу общих существенных признаков в качества прототипа принята технология изготовления тонкостенного сферического ротора шарового гироскопа [3] , в которой осуществляют формообразование средствами механической обработки и комплектовку полусфер ротора, основанную на совместной доводке в трехпритирочном устройстве наружного диаметра пары полусфер с переменной монотонно уменьшающейся от величины h_э в экваториальной плоскости разъема до значения h_п в полюсной части толщиной стенки и наружным диаметром D_р, учитывающим припуск на сварочные деформации и операцию балансировки. Далее полусферы размещают в полусферических выемках диаметром D_п пуансонов, устанавливаемых в направляющих станка и выполненных из материала, коэффициент термического расширения _п которого меньше, чем у материала полусфер _p, а диаметр D_п при этом больше диаметра D_р, проводят нагрев оснастки с полусферами в вакуумной камере сварочной установки до температуры сварки T_св, превышающей температуру T_с совпадения диаметров D_р и D_п, с приложением при температуре T₁ T_с осевого сварочного давления P_с и выдерживают по меньшей мере равной температуре рекристаллизации материала полусфер.

Сварка осуществляется в условиях протекания в интервале температур (T_с-T_св) согласованных процессов диффузионной ползучести и зернограничного проскальзывания материала полусфер, что обусловлено скоростью деформирования не более (4-6)10^-6 с^-1 и связано с уменьшением диаметра ротора на (1,15-0,20)%. Конкретное значение уменьшения диаметра на балансировку и точность ротора не влияет. Основное значение для балансировки и точности ротора имеют отклонения от круглости (несферичность) сварной заготовки ротора и симметричность этих отклонений (искажений сферы) относительно экваториальной плоскости разъема (зоны сварки) и проходящей через полюса ротора его оси симметрии.

Далее, используя методы сферодоводки в трехпритирочном устройстве и направленной доводки, осуществляют балансировку сваренной заготовки ротора с получением изделия с требуемым конечным диаметром D_р и необходимыми значениями осевого и радиального дисбалансов. Способ-прототип имеет следующие основные недостатки.

1. Ограниченные технологические возможности при изготовлении роторов различных типоразмеров, в частности с большими значениями коэффициента K_h = h_э/h_п, который характеризует степень разнотолщинности ротора. Монотонное изменение толщины стенки по заданному закону от плоскости разъема (h_э) до высшей точки (полюса) внутренней полости полусферы (h_п) позволяет получить в сваренном роторе превышение полярного момента инерции над экваториальным на величину - 20%. Реальные значения K_h для бериллиевых полых роторов электростатических гироскопов могут составлять 4-5. Что определяет резко неравнозначные условия деформирования материала полусфер при сварке в зоне экватора и в полюсной части и существенно увеличивает несимметрию искажений формы ротора. Это, в свою очередь, затрудняет процесс балансировки высокоточных роторов (погрешность формы 0,02 мкм).

Используемая в способе-прототипе компенсация разнотолщинности полусфер посредством формирования соответствующей эпюры радиальных сварочных напряжений термонатяга за счет уменьшения осевого сварочного давления возможна только до определенных пределов (как показывает практика - для значений K_h не более 2), поскольку именно осевое давление является основной составляющей сварочной нагрузки, нормально ориентированной к плоскости сварного шва и определяющей его качество - прочность и герметичность.

2. Сложности с изготовлением высокоточных роторов, обусловленные специфичными особенностями используемых материалов, в частности такого материала, наиболее приемлемого для роторов шаровых гироскопов, как бериллий. Характеризуется анизотропией свойств, определяемых технологией получения исходных заготовок. Наибольшее влияние как на технологию изготовления, так и на функционирование ротора в подвесе гироскопа оказывает анизотропия коэффициента термического расширения (ТКЛР) и других свойств материала. При диффузионной сварке различные величины ТКЛР у полусфер ротора не позволяют обеспечить фиксированный момент совпадения диаметров D_р и D_п по всей сферической поверхности. Это обусловливает неопределенность процесса пластического деформирования полусфер и также приводит к несимметрии искажений формы ротора.

Возможность использования специальных сортов материала, например бериллия марки ТИП-56 (технический изостатического прессования), где анизотропия указанных свойств минимальна, может ограничиваться другими соображениями: чистотой материала (технический бериллий содержит больше примесей, чем дистиллированный) и, как следствие, его электрическими свойствами, стоимостно-ценовыми показателями и т.д. Указанные в прототипе усреднение и стабилизация свойств материала, в том числе и значений ТКЛР, в процессе пластического деформирования при сварке может реализовываться при заданном характере распределения радиальных сварочных напряжений и строго определенном во времени термомеханическом цикле сварки, что, как отмечалось, не обеспечивается при больших величинах K_h и различных исходных ТКЛР полусфер.

3. Возможные искажения формы ротора в процессе его сферодоводки в трехпритирочном устройстве, связанные с анизотропией указанных выше упругих свойств материала. Это объясняется характером взаимодействия притиров и заготовки ротора, когда строго одинаковое давление притиров на ротор может приводить к различной величине упругой деформации полусфер и, как следствие, к различному съему материала с наружной поверхности ротора, что резко усложняет процесс сферодоводки и балансировки и ухудшает точность формы ротора.

4. Недостаточно высокие рабочие параметры ротора при его функционировании в подвесе гироскопа. В частности градиент температур вдоль оси кинетического момента (ось симметрии) ротора ~0,1^o (точность современных систем термостабилизации) при различии ТКЛР полусфер ~ 210^-6 град^-1 вызывает несимметричное изменение геометрии ротора электростатического гироскопа и удельного осевого дисбаланса на 0,01 мкм, что приводит к ухудшению объявленной точности гироскопа на 3 порядка, поскольку в этом случае невозможно разделить случайную и систематическую составляющие дрейфа гироскопа.

5. Снижение точности ротора в процессе функционирования в гироскопе на высоких оборотах, когда центробежные силы приводят к изменению формы ротора в области упругих деформаций. Неопределенность этих изменений вызывает искажение расчетной формы ротора и ухудшение параметров гироскопа.

Таким образом, основными факторами, взаимосвязанными по негативным последствиям в процессе изготовления ротора и при его функционировании в составе гироскопа, являются степень разнотолщинности полусфер ротора и анизотропия таких свойств материала полусфер как ТКЛР и упругие характеристики.

Целью изобретения является упрощение технологии изготовления и повышение точности ротора шарового гироскопа. Согласно изобретению указанная цель достигается тем, что в процессе формообразования наружный диаметр D_р полусфер выбирают из соотношения где D"_р - расчетный диаметр готового ротора, _h - припуск на сферодоводку и балансировку, определяемый из условия _h h_э-2h_п, при этом производят измерение увеличения высоты каждой полусферы вдоль ее оси симметрии в процессе нагрева в одинаковом для всех полусфер интервале температур, соответствующем приращению высоты в пределах ~0,005 мм, и определяют величину прогиба полюса полусфер в области упругих деформаций под действием фиксированной нагрузки, выбираемой из условия деформации прогиба ~0,005 мм, после чего комплектуют пару полусфер ротора, для которых разница в указанных значениях абсолютного приращения и прогиба не превышает 10%.

Предлагаемый способ заключается в выполнении совокупности и последовательности следующих технологических операций:

1. Средствами механической обработки (точение, шлифование, доводка) осуществляют форматирование партии (10-20 шт.) тонкостенных полусфер, у которых наружный диаметр D_р определяют соотношением где D"_р - расчетный диаметр готового ротора, _h - припуск на сферодоводку и балансировку, задаваемый из условия _h = h_э-2h_п.

Приведенная зависимость для величины _h следует из экспериментально установленного допустимого значения коэффициента K_h, который должен быть не больше 2 для возможности компенсации фактора разнотолщинности полусфер в процессе их деформирования при сварке посредством корректировки эпюры радиальных напряжений термонатяга. Очевидно, что если записать



то отсюда получается приведенное выше выражение _h = h_э-2h_п. В данном случае подразумевается, что величина _h должна быть не менее значения, определяемого некруглостью ротора и обеспечивающего возможность выкатать и отбалансировать точную сферу требуемого конечного диаметра _р.

2. У изготавливаемой таким образом партии полусфер осуществляют измерение приращения т высоты каждой полусферы (вдоль ее оси симметрии) при нагреве в интервале температур T_x, обеспечивающем величину приращения T не менее 0,005 мм. Измерение осуществляют с помощью микронного индикатора с погрешностью измерения не более 10%.

Далее аналогичным образом посредством микронного индикатора производят измерение величины прогиба _p полюсной части каждой полусферы за счет упругой деформации под действием фиксированной нагрузки, направленной вдоль оси симметрии полусфер и ориентированной от верхней наружной точки полусферы (ее полюса) к плоскости разъема. Индикатор при этом располагают со стороны разъема полусферы, устанавливая его щуп соосно нагрузке внутри полусферы. Величину фиксированной нагрузки выбирают из условия прогиба не менее 0,005 мм, обеспечивая погрешность измерения не более 10%. Очевидно, что в данном случае измеряется упругая деформация не материала, а конкретной конструкции - тонкостенной оболочки.

Указанные выше значения _т и _p устанавливают исходя из реально возможного, определяемого техническими условиями, разброса величин ТЛКР и упругих свойств материала, приведенных в реальной конструкции полусфер. Погрешность измерения 10% обеспечивают соответствующей методикой измерения и статистической обработкой результатов, исходя из требуемой точности измерения - 0,5 мкм.

Далее производят комплектовку полусфер в пары, причем в каждой паре разница значений T с одной стороны и _p с другой стороны для входящих полусфер не должна превышать величину 10%, соответствующую погрешности измерения.

3. Скомплектованную подобным образом пару полусфер сваривают посредством диффузионной сварки, размещая их в полусферических выемках диаметра D_п>D_р пуансонов, устанавливаемых в направляющий стакан сварочной оснастки и выполненных из материала _п < _p, и нагревая сборку в вакуумной сварочной камере до температуры T_св, превышающей температуру T_с совпадения диаметров D_п и D_р, с приложением при температуре T₁ < T_с осевого сварочного давления P_о. Величину P_о выбирают из условия формирования требуемой эпюры распределения действующих на ротор радиально ориентированных сварочных напряжений, что обусловлено:

- величиной давления термонатяга, создаваемого в интервале температур (T_с - T_св);

- необходимым сварочным давлением, ориентированным перпендикулярно плоскости сварного шва;

- значением коэффициента K_h, характеризующего разнотолщинность полусфер.

Поскольку по приведенной схеме сварки значение K_h задается K_h 2, то имеют место оптимальные условия для реализации процесса сварки с минимально возможной несимметрией отклонений формы наружной поверхности заготовки ротора от правильной сферы даже при значительных (0,1-0,2 мм) сварочных деформациях обжатия ротора. С другой стороны, разница термического удлинения полусфер на уровне 0,5 мкм при величине удлинения ~ 0,005 мм соответствует разнице термического удлинения не более 0,012 мм при температуре T_с, что заведомо меньше интегральной величины искажения наружной геометрии заготовки ротора при сварке и, как следствие, в незначительной степени влияет на несимметрию этого искажения. Т.е. в данном случае момент совпадения диаметров D_п и D_р достаточно точно определен во времени и процесс деформирования при сварке протекает в условиях регулируемого термомеханического цикла.

4. Далее осуществляют сферодоводку и балансировку заготовки ротора. При этом относительно малые (по сравнению со способом-прототипом) значения несимметричности искажений формы заготовки позволяют получать более точную сферу с меньшими величинами осевого и радиального дисбалансов, а минимизированная разница в упругих характеристиках полусфер исключает возможность неконтролируемой деформации ротора под действием давления притиров в процессе его обкатки в трехпритирочном устройстве. Это существенно упрощает технологию изготовления ротора и повышает его точностные характеристики, поскольку не имеет места неравномерный съем материала при обкатке и обусловленные этим неуправляемая разнотолщинность ротора и многоэтапное последовательное устранение дисбаланса методом направленной доводки. Комплектовка полусфер с разницей в величине упругой деформации прогиба не более 0,5 мкм при ее значениях ~ 0,005 мм по приведенной выше схеме испытаний исключает влияние деформаций конкретного бериллиевого ротора (D_р ~ 50 мм, h_э ~ 1,3 и h_п ~ 0,70 в процессе обкатки в трехпритирочном устройстве на точность его формы в пределах до 0,02 мкм, что подтверждается экспериментально.

При функционировании роторов в подвесе гироскопа на высоких (1810³ - 6010³) оборотах/мин действие центробежных сил, определяющих возможное изменение формы ротора при указанной выше допустимой разнице в упругой деформации прогиба исходных полусфер также не вызывает искажений формы ротора, превышающих величину 0,02 мкм, что установлено экспериментально на основании определения коэффициентов ухода гироскопа. При этом коэффициенты ухода, характеризующие четные гармоники формы ротора не превышают 10^{-3 o}/час. Комплектовка полусфер ротора по минимальной (0,5 мкм) разнице температурного удлинения полусфер (для самого удлинения ~ 0,005 мм - интервал температур 30-40^o) позволяет при градиенте температур вдоль оси кинетического момента ротора ~ 0,1^o (точность системы термостабилизации) ограничить вызываемую разницей ТКЛР несимметрию геометрии ротора значениями в тысячные доли микрометра, что исключает ее влияние на точность ротора. Следует отметить, что изменение геометрии ротора при его функционировании при различных температурах в пределах рабочего диапазона температур гироскопа учитывается системой обработки выходного сигнала как систематическая погрешность и не влияет на объявленную точность гироскопа.

Таким образом, предлагаемая схема изготовления ротора сводит к минимуму негативное влияние на точность ротора трех взаимосвязанных по отрицательным последствиям факторов - степени разнотолщинности исходных полусфер, разницы в ТКЛР и анизотропии упругих свойств материала, что особенно важно, поскольку эти факторы проявляются как во взаимообусловленных этапах изготовления ротора, так и в процессе функционирования ротора в подвесе гироскопа.

Комплексное устранение недостатков, связанных с указанными факторами, определяет единство отличительных признаков изобретения, их устойчивую взаимосвязь, выполнение условия необходимости и достаточности признаков.

На предприятии предлагаемое изобретение использовано при изготовлении основной партии роторов шаровых гироскопов с получением положительных результатов. В настоящее время производится отработка технической документации для серийного изготовления роторов.

Технико-экономическая эффективность заключается в упрощении технологии изготовления роторов шаровых гироскопов различных модификаций, повышении точности роторов и гироскопов, улучшении характеристик систем и комплексов, в которых используются эти гироскопы. Экономический эффект подсчитать не представляется возможным из-за отсутствия статистически обоснованных исходных данных.

Литература

1. Инструкция КФО.603.005, Л.: ЦНИИ "Электроприбор", 1986.

2. Технология прецизионной диффузионной сварки в точном приборостроении/А. Г. Щербак, В.Г.Кедров - СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 1996, - 166 с.

3. Патент РФ N 2085348 от 01.07.94, МКИ B 23 K 20/00, "Способ диффузионной сварки полусфер ротора шарового гироскопа"/А.Г.Щербак, В.Г.Пешехонов, А. С.Анфиногенов и др.