石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法与流程

1.本发明涉及检测仪表技术领域，特别是涉及一种石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法。


背景技术：

2.敏感元件既是电容传感器的核心，又是电磁力矩器的一部分，其稳定性、可靠性直接决定了石英加速度计的性能，是加速度计的核心部件。由于石英玻璃材料硬脆，加工易崩边、裂纹、碎裂，常规光学元件加工方法不能适用，合格率很低，加工难度很大。
3.传统分体式摆部件的石英摆片和两个铝合金线圈部件是通过胶粘剂粘接而成，多种介质混合的结构会导致敏感元件环境敏感系数高，加速度计输出不稳定。同时由于胶粘剂固化条件与工作环境条件不同，以及材料的蠕变等因素，随着时间或温度变化，在摆片和胶层中会产生拉应力或压应力，令零件产生形变和相对位移，导致长期保持性差。
4.为此，提出一种石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，包括以下步骤：
7.步骤一、车削石英圆柱毛坯，加工出两侧圆柱状凸起结构，得到摆片；
8.步骤二、飞秒激光加工摆片(1)，去除两侧圆柱状凸起结构的中间部分，得到骨架(3)；
9.步骤三、飞秒激光加工摆片(1)中心的通孔；
10.步骤四、抛光摆片(1)；
11.步骤五、双脉冲贝塞尔光束对摆片的正反面辐照，得到贯穿摆片的改性区域；
12.步骤六、刻蚀液刻蚀改性区域，得到u型通槽；
13.步骤七、高斯激光加工挠性梁，得到石英挠性加速度计的摆组件一体化结构。
14.根据本发明提供的一种石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，所述步骤五中，采用2
°
锥透镜以及100mm平凸和20倍物镜组成的4f系统，将高斯光束在空域上整形为双脉冲贝塞尔光束，双脉冲贝塞尔光束聚焦在摆片内部，对摆片的正反面辐照。
15.根据本发明提供的一种石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，所述步骤五中，采用翻转夹具固定和转动摆片；双脉冲贝塞尔光束通过轨迹扫描的方式，对摆片内部的正反面进行辐照；反面加工时用ccd相机确定正面加工的痕迹，配合高精度六轴平移台进行定位，重复定位精度达到
±
5微米。
16.根据本发明提供的一种石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方
法，所述步骤二的具体操作为：使用20
°
锥透镜将飞秒高斯激光整形为长焦深贝塞尔激光，对两侧圆柱状凸起结构的中间部分进行加工，得到骨架。
17.根据本发明提供的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，所述步骤一中，采用单点金刚石车削石英圆柱毛坯；具体步骤为：将金刚石刀头移动到石英圆柱毛坯的加工端面，使用旋转电机带动三爪卡盘和石英圆柱毛坯转动，车削加工出单侧的圆柱状凸起结构；再重新装夹，加工出另一侧的圆柱状凸起结构。
18.根据本发明提供的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，所述步骤三的具体操作为：使用20
°
锥透镜将飞秒高斯激光整形为长焦深贝塞尔激光，对骨架中心通孔部分进行加工，得到摆片中心的通孔。
19.根据本发明提供的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，所述步骤四中，使用co2激光对摆片的表面以及骨架内腔进行抛光。
20.根据本发明提供的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，所述步骤六中，刻蚀液采用质量分数为5％的氢氟酸溶液，将摆片放置在超声波振动仪中，通过氢氟酸刻蚀掉改性的轮廓区域，得到u型通槽。
21.根据本发明提供的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，所述翻转夹具包括：
22.支撑底座；
23.旋转台，安装在所述支撑底座上；
24.夹具组件，安装在旋转台上；摆片可拆卸连接在所述夹具组件上；
25.其中，所述旋转台用于驱动所述夹具组件转动。
26.根据本发明提供的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，所述夹具组件包括顶板和底板；所述底板位于所述顶板的正下方，所述底板安装在所述旋转台上；所述顶板、所述底板通过螺栓组件可拆卸连接；所述摆片压装在所述顶板和所述底板之间；所述摆片与所述顶板之间、所述摆片与所述底板之间均设有垫片。
27.本发明公开了以下技术效果：
28.本发明的石英摆组件采用一体式结构，通过车削加工进行一体化加工成型；骨架和摆片都为熔融石英材料，不使用粘接剂，不存在异种材料粘接导致的误差；石英摆组件在使用过程中不会产生残余应力，同时温度循环影响低，长期保持性良好；
29.本发明采用双脉冲贝塞尔光束加工u型通槽，通过高斯激光加工挠性梁，显著提高u型通槽和挠性梁加工精度，改善表面粗糙度，提高成品质量。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明石英挠性加速度计的摆组件的结构示意图；
32.图2为本发明的摆片的加工工艺流程图；
33.图3为本发明的翻转夹具的结构示意图；
34.其中，1、摆片；2、挠性梁；3、骨架；4、顶板；5、垫片；7、底板；8、旋转台；9、支撑底座。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.参照图1-3，本发明提供石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，包括以下步骤：
38.步骤一、车削石英圆柱毛坯，加工出两侧圆柱状凸起结构，得到摆片1；
39.步骤二、飞秒激光加工摆片1，去除两侧圆柱状凸起结构的中间部分，得到骨架3；
40.步骤三、飞秒激光加工摆片1中心的通孔；
41.步骤四、抛光摆片1；
42.步骤五、双脉冲贝塞尔光束对摆片1的正反面辐照，得到贯穿摆片1的u型改性区域以及挠性梁部分的非贯穿改性区域；
43.步骤六、刻蚀液刻蚀改性区域，得到u型通槽，矩型通槽以及挠性梁部分的四个盲槽；
44.步骤七、高斯激光继续加工挠性梁2，得到石英挠性加速度计的摆组件一体化结构；因为挠性梁2部分的厚度只有0.02mm，故选用贝塞尔激光辅助刻蚀后，再高斯激光多次扫描的方式加工挠性梁2部分，单次高斯激光扫面的加工深度可以精确控制到10微米，实现高精度加工；
45.如此设置，本发明的石英摆组件采用一体式结构，通过车削加工进行一体化加工成型；骨架3和摆片1都为熔融石英材料，不使用粘接剂，不存在异种材料粘接导致的误差；石英摆组件在使用过程中不会产生残余应力，同时温度循环影响低，长期保持性良好；
46.本发明采用双脉冲贝塞尔光束加工u型通槽，通过高斯激光加工挠性梁2，显著提高u型通槽和挠性梁2加工精度，改善表面粗糙度，提高成品质量。
47.进一步优化方案，步骤五中，采用2
°
锥透镜以及100mm平凸和20倍物镜组成的4f系统，将高斯光束在空域上整形为双脉冲贝塞尔光束，双脉冲贝塞尔光束聚焦在摆片1内部，对摆片1的正反面辐照；采用双脉冲贝塞尔光束，选择合适的双脉冲延时，本实施例中优选为15.42ps；相比于单脉冲贝塞尔光束，可以显著提高加工深度同时提升加工质量和精度；采用4f系统将飞秒激光倍频后可以显著提高熔融石英对光子的吸收效率，同时可以实现空间形状与能量分布的整形、控制材料结构改性程度等，进而在改性区实现高效率、选择性刻蚀。
48.采用低倍物镜，可以提高贝塞尔光束的加工范围，只需要正反各加工一次就可以对整个区域进行改性，配合翻转夹具，可以大幅提高石英摆片1的加工效率，同时采用正反加工，可以显著减少激光在熔融石英内部折射导致的加工路径偏移，提高摆片1上下表面轨迹的一致性。
49.进一步优化方案，步骤五中，采用翻转夹具固定和转动摆片1；双脉冲贝塞尔光束通过轨迹扫描的方式，对摆片1内部的正反面进行辐照，得到贯穿石英材质上下表面的u型和矩型改性区域；加工挠性梁部分时，激光焦点移动到摆片1上方200μm处进行加工，从而保证改性区域不会贯穿摆片1；反面加工时用ccd相机确定正面加工的痕迹，配合高精度六轴平移台进行定位，重复定位精度达到
±
5微米。
50.进一步优化方案，步骤二的具体操作为：使用20
°
锥透镜将飞秒高斯激光整形为长焦深贝塞尔激光，对两侧圆柱状凸起结构的中间部分进行加工，得到骨架3。
51.进一步优化方案，步骤一中，采用单点金刚石车削石英圆柱毛坯；具体步骤为：将金刚石刀头移动到石英圆柱毛坯的加工端面，使用旋转电机带动三爪卡盘和石英圆柱毛坯转动，刀头从对称轴线内部进给到最外部制定壁厚，并逐渐从端面相内沿着轴线进给，进而车削加工出单侧的圆柱状凸起结构；再重新装夹，加工出另一侧的圆柱状凸起结构；金刚石刀头的尺寸根据实际工况进行设定；
52.旋转电机的转动角度可以通过控制系统进行设置；控制系统(图中未示出)与旋转电机电性连接；
53.在全石英一体式敏感元件毛坯成型后，需要对毛坯整体进行精加工以提高敏感元件的尺寸精度，考虑到敏感元件毛坯为回转体，而且骨架3内腔以及通孔尺寸很小，因此采用飞秒激光进行加工，提高加工精度。
54.进一步优化方案，步骤三的具体操作为：使用20
°
锥透镜将飞秒高斯激光整形为长焦深贝塞尔激光，对骨架3中心通孔部分进行加工，得到摆片1中心的通孔。
55.进一步优化方案，步骤四中，使用co2激光对摆片1的表面以及骨架3内腔进行抛光，经过以上步骤加工完成后一体式石英摆片毛坯的尺寸精度可以达到0.02mm，表面粗糙度可以达到0.012μm。
56.进一步优化方案，步骤六中，刻蚀液采用质量分数为5％的氢氟酸溶液，将摆片1放置在超声波振动仪中，通过氢氟酸刻蚀掉改性的轮廓区域，得到u型通槽；显著提升刻蚀速度，同时减少对非改性区域的刻蚀。
57.进一步优化方案，步骤七中，对氢氟酸刻蚀后的摆片1样品再次进行高斯激光加工，改善挠性梁2部分的槽底粗糙度，同时可以精确调整挠性梁2的厚度。
58.进一步优化方案，翻转夹具包括：
59.支撑底座9；支撑底座9固定在高精度六轴平移台上；
60.旋转台8，安装在支撑底座9上；
61.夹具组件，安装在旋转台8上；摆片1可拆卸连接在夹具组件上；
62.其中，旋转台8用于驱动夹具组件转动；通过旋转台8实现摆片1的正反面加工的切换；旋转台8的内部结构和工作原理均为现有技术，此处不再赘述。
63.进一步优化方案，夹具组件包括顶板4和底板7；底板7位于顶板4的正下方，底板7安装在旋转台8上；顶板4、底板7通过螺栓组件可拆卸连接；摆片1压装在顶板4和底板7之间；摆片1与顶板4之间、摆片1与底板7之间均设有垫片5。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
65.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、车削石英圆柱毛坯，加工出两侧圆柱状凸起结构，得到摆片(1)；步骤二、飞秒激光加工摆片(1)，去除两侧圆柱状凸起结构的中间部分，得到骨架(3)；步骤三、飞秒激光加工摆片(1)中心的通孔；步骤四、抛光摆片(1)；步骤五、双脉冲贝塞尔光束对摆片(1)的正反面辐照，得到贯穿摆片(1)的改性区域；步骤六、刻蚀液刻蚀改性区域，得到u型通槽；步骤七、高斯激光加工挠性梁(2)，得到石英挠性加速度计的摆组件一体化结构。2.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，其特征在于：所述步骤五中，采用2
°
锥透镜以及100mm平凸和20倍物镜组成的4f系统，将高斯光束在空域上整形为双脉冲贝塞尔光束，双脉冲贝塞尔光束聚焦在摆片(1)内部，对摆片(1)的正反面辐照。3.根据权利要求2所述的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，其特征在于：所述步骤五中，采用翻转夹具固定和转动摆片(1)；双脉冲贝塞尔光束通过轨迹扫描的方式，对摆片(1)内部的正反面进行辐照；反面加工时用ccd相机确定正面加工的痕迹，配合高精度六轴平移台进行定位，重复定位精度达到
±
5微米。4.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，其特征在于：所述步骤二的具体操作为：使用20
°
锥透镜将飞秒高斯激光整形为长焦深贝塞尔激光，对两侧圆柱状凸起结构的中间部分进行加工，得到骨架(3)。5.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，其特征在于：所述步骤一中，采用单点金刚石车削石英圆柱毛坯；具体步骤为：将金刚石刀头移动到石英圆柱毛坯的加工端面，使用旋转电机带动三爪卡盘和石英圆柱毛坯转动，车削加工出单侧的圆柱状凸起结构；再重新装夹，加工出另一侧的圆柱状凸起结构。6.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，其特征在于：所述步骤三的具体操作为：使用20
°
锥透镜将飞秒高斯激光整形为长焦深贝塞尔激光，对骨架(3)中心通孔部分进行加工，得到摆片(1)中心的通孔。7.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，其特征在于：所述步骤四中，使用co2激光对摆片(1)的表面以及骨架(3)内腔进行抛光。8.根据权利要求1所述的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，其特征在于：所述步骤六中，刻蚀液采用质量分数为5％的氢氟酸溶液，将摆片(1)放置在超声波振动仪中，通过氢氟酸刻蚀掉改性的轮廓区域，得到u型通槽。9.根据权利要求3所述的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，其特征在于：所述翻转夹具包括：支撑底座(9)；旋转台(8)，安装在所述支撑底座(9)上；夹具组件，安装在旋转台(8)上；摆片(1)可拆卸连接在所述夹具组件上；其中，所述旋转台(8)用于驱动所述夹具组件转动。10.根据权利要求9所述的石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，
其特征在于：所述夹具组件包括顶板(4)和底板(7)；所述底板(7)位于所述顶板(4)的正下方，所述底板(7)安装在所述旋转台(8)上；所述顶板(4)、所述底板(7)通过螺栓组件可拆卸连接；所述摆片(1)压装在所述顶板(4)和所述底板(7)之间；所述摆片(1)与所述顶板(4)之间、所述摆片(1)与所述底板(7)之间均设有垫片(5)。

技术总结
本发明公开一种石英挠性加速度计的摆组件一体化飞秒激光复合加工方法，包括步骤一、车削石英圆柱毛坯，加工出两侧圆柱状凸起结构，得到摆片；步骤二、飞秒激光加工摆片，去除两侧圆柱状凸起结构的中间部分，得到骨架；步骤三、飞秒激光加工摆片中心的通孔；步骤四、抛光摆片；步骤五、双脉冲贝塞尔光束对摆片的正反面辐照，得到贯穿摆片的改性区域；步骤六、刻蚀液刻蚀改性区域，得到U型通槽；步骤七、高斯激光加工挠性梁，得到石英挠性加速度计的摆组件一体化结构。本发明可实现摆片和骨架的一体化加工成型，减少误差源，在使用过程中不会产生残余应力，同时温度循环影响低、加工精度高，长期保持性良好。长期保持性良好。长期保持性良好。


技术研发人员：姜澜 王猛猛 李鹏飞 朱彤 聂鲁燕 赵丙权 赵小明
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/13