[发明专利]一种用于加工陀螺电机凸半球的掩模及其加工方法

说明书

本发明提供一种用于加工陀螺电机凸半球的掩模及其加工方法，解决现有凸半球的加工工装无法保证凸半球的加工精度、进而对陀螺电机性能产生影响的问题。该用于加工陀螺电机凸半球的掩模包括安装套筒、半球壳体和延伸套筒；安装套筒、半球壳体和延伸套筒依次同轴设置，半球壳体上沿周向设置有多条与凸半球的对数曲线螺旋槽形状相匹配的对数曲线螺旋孔；本发明提供的用于加工陀螺电机凸半球的掩模的加工方法，包括以下步骤：步骤一、初步加工；步骤二、加工定位芯轴和定位夹具；步骤三、加工外球面；步骤四、数控铣削加工对数曲线螺旋孔；步骤五、去外球面毛刺；步骤六、分离掩模加工件和定位芯轴；步骤七、去内球面毛刺。

技术领域

本发明属于陀螺电机领域，具体涉及一种用于加工陀螺电机凸半球的掩模及其加工方法，特别是一种用于动压气浮轴承陀螺电机凸半球螺旋槽离子刻蚀的掩模及其加工方法。

背景技术

三浮陀螺是目前国内外机电陀螺中精度最高、寿命最长的小型陀螺仪，主要应用于卫星、载人与货运飞船、空间站等惯性导航宇领域，动压陀螺电机是三浮陀螺的“心脏”，对三浮陀螺的性能和寿命起着至关重要的作用。

动压陀螺电机中动压气浮轴承是关键零部件，动压气浮轴承的动压效应和气膜刚度对陀螺电机的性能具有重要影响。凸半球是动压气浮轴承的关键零件，其材料通常为高硬度GT35硬质合金，尺寸形位精度和表面粗糙度要求较高，具体要求半球面圆度为0.3μm、表面粗糙度Ra0.012μm，半球面上均布12条对数曲线螺旋槽，对数曲线螺旋槽的深度为4μm±0.5μm，12条对数曲线螺旋槽的槽形一致性不大于0.01mm，槽底面表面粗糙度为Ra0.1μm，该对数曲线螺旋槽的加工精度对动压气浮轴承的动压效应和气膜刚度具有较大影响，进而对陀螺电机以至三浮陀螺的性能稳定性具有重要意义。

上述对数曲线螺旋槽采用常规切削方法难以保证加工精度和质量。目前，最为可行的方法是采用离子束刻蚀加工。离子束加工是利用高能惰性气体离子(氩离子)在固体表面产生的物理溅射作用来进行刻蚀加工，即在真空条件下利用离子源产生的离子经加速聚焦形成高能离子束流轰击工件表面，使不受遮盖的表面被刻蚀剥离，从而将图形转移到工件表面的一种微细加工技术。但是，凸半球的对数曲线螺旋槽采用离子束进行加工时，其采用的加工装置使得对数曲线螺旋槽的精度经常无法满足使用要求，从而对陀螺电机的性能产生影响。

发明内容

本发明的目的是解决现有凸半球的加工装置无法保证凸半球的加工精度，从而对陀螺电机性能产生影响的问题，提供一种用于加工陀螺电机凸半球的掩模及其加工方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于加工陀螺电机凸半球的掩模，包括安装套筒、半球壳体和延伸套筒；所述安装套筒、半球壳体和延伸套筒依次同轴设置，所述半球壳体的小端与安装套筒连接，大端与延伸套筒连接，且半球壳体的直径与延伸套筒的直径相同，所述半球壳体上沿周向设置有多条与凸半球的对数曲线螺旋槽形状相匹配的对数曲线螺旋孔；所述半球壳体和延伸套筒的壁厚为0.1～0.2mm；所述安装套筒、半球壳体和延伸套筒的材料膨胀系数小于或等于凸半球的材料膨胀系数，所述半球壳体的内球面与凸半球为2～5μm的过盈配合。

进一步地，所述安装套筒、半球壳体和延伸套筒采用TC4钛合金材料。

本发明还提供一种上述用于加工陀螺电机凸半球的掩模的加工方法，包括以下步骤：

步骤一、初步加工；

掩模坯料选用圆棒料，对圆棒料依次进行退火、粗车、去应力、半精车、去应力处理，使得安装套筒的外周面、半球壳体的内球面和外球面留有加工余量，其他加工面加工至设计尺寸，得到掩模加工件；

随后，将掩模加工件装夹在机床上，对半球壳体的内球面进行精车，使得半球壳体与凸半球的配合过盈量为2～5μm；

步骤二、加工定位芯轴和定位夹具；