微构件测试系统建立及力学特性实验研究

发布时间：2016-05-13 08:48

第1章 绪 论

惯性器件主要包括陀螺仪、加速度计和陀螺稳定平台等惯性测量装置，是飞机、导弹、运载火箭和其它航空航天飞行器制导与控制系统的核心部件[1]。惯性器件为飞行器建立方位和姿态基准，用来测量飞行器相对惯性空间运动的角度、角速度和加速度等参量。高精度的惯性导航技术已成为军用装备中的支撑技术和关键技术，而惯导器件中的核心微构件的性能直接决定整个惯导系统的导航精度及可靠性[2-3]。本课题研究的高精度惯导系统中高弹性合金微构件的薄壁特征尺寸为 8μm，尺寸精度±1μm，如图 1-1 所示，该构件在某新型高精度惯性仪表中成对使用，要求其力学性能指标保持一致[4]。目前的微细加工方法各自均具有不同程度的局限性，严重制约了新型惯性器件的研究进展[5]。为此，哈尔滨工业大学王波教授课题组率先提出了超精密微细铣削加工与超精密微细研拋加工相结合的复合加工工艺方案，即采用微细铣削技术将线切割后的微构件加工至设计尺寸精度、形位精度要求，再利用微细研抛技术去除精密铣削过程中产生的表面变质层[6]。该课题组成功研制了超精密微细铣削机床及超精密微细研拋机床，该复合加工工艺方案及装备已应用于微薄壁结构零件的实际生产中，成功实现了该薄壁微构件的 3-D 结构的高精度确定性加工，将该零件的成品率从 20%提升至 80%。

第2章 微构件力学性能测试装置的结构设计

2.1 引言
惯导系统中的微构件在工作中承受冲击和振动载荷，在其弹性范围内不断地进行加载及卸载[44]。该微构件的弹性模量、断裂强度、屈服强度及疲劳特性等重要力学性能直接决定了惯导系统的使用性能。因此，针对该构件的微小尺寸特征、力学特性及使用工况，力学性能测试装置必须具有以下性能要求：（1）能够实现微米尺度构件的力学性能测试。（2）测试装置的加载系统、控制系统、力与位移检测系统、夹持机构等，必须与微小试件相匹配。（3）不仅实现静态参量测量，而且实现对疲劳特性的探究。（4）高精度。力检测分辨率达到毫牛级，位移检测的分辨率达到纳米级。（5）复合加载，在一定程度上模拟微构件的实际工况。（6）便于夹持，易于对中。

2.2 微构件力学性能测试系统工作原理
为了满足上述性能要求，该测试装置将微拉伸测试法与微桥动态测试法相结合，测试原理图见图 2-1。在待测微构件的中心区域施加一定频率的交变载荷，实现对微构件的动态加载，动态测试完成后，再对构件进行微拉伸测试，从而获得该构件的重要力学性能参量。该方法不仅能直接对微构件进行微拉伸测试，实现静态力学参量的测量，而且可以选择复合测试模式，即将动态测试与静态测试进行结合，拉-压复合载荷可在一定程度上模拟该构件实际工况，从而实现对疲劳特性的探究。测试装置采用模块化的设计理念，由微拉伸测试系统、微桥动态测试系统、原位观测系统、信号采集与控制系统及机械辅助系统等五大部分组成，原理框图如图 2-2 所示。

第 3 章 微构件力学性能测试装置的控制系统设计.............................................33

3.1 引言 ....................................... 33

3.2 控制系统的总体设计 ........................................... 33

3.3 控制系统硬件构成............................................. 34

第 4 章 微构件力学性能测试实验技术研究 .............................................50

4.1 引言 .......................................... 50

4.2 微位移驱动单元特性分析 ...................................... 50

4.3 力传感器标定........................................... 53

结 论...............................................72

第4章 微构件力学性能测试实验技术研究

4.1 引言
微构件力学性能测试实验技术研究主要包括两方面内容。测试装置的实验技术研究：研究重点是对各部件特性分别进行测试实验，对检测装置进行标定，对装置整体性能进行标定；基于该测试系统对待测试件进行实验测试，对实验结果进行分析，验证其可靠性。微构件的力学性能实验研究：合理设计并完成试件的制作；基于该测试系统对待测试件进行实验测试，对实验结果进行分析，探究加工工艺对微构件力学性能的影响，并对微构件的疲劳特性进行探究。实验技术路线如图 4-1 所示。

4.2 微位移驱动单元特性分析
微动台开环位移特性测试。由于压电晶体的晶粒之间存在内摩擦力，在施加电场后，极化不能立即完成，因而产生一定的滞后，致使压电陶瓷的升压位移曲线与降压位移曲线不重合，这种现象叫做迟滞[55,56]。精密驱动单元装配完成后，对其进行开环迟滞特性测试，有利于对驱动单元的控制。迟滞特性实验的装置图见图 4-2，测试时，将待测微动台固定在隔振平台上，采用信号发生器与压电陶瓷电源对精密驱动单元的进行电压的加载，位移检测采用德国米尼公司研发的激光测微仪（ILD2220-2LL），实验装置图如图所示。压电陶瓷两端电压初始值为0.0 V，终止值为 120.0 V，电压步长 5.0 V/步。位移特性曲线见图 4-3。
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结 论

本文针对惯导系统中薄壁微结构零件在加载实验中断裂失效的问题，以微构件力学性能的测试技术为切入点，，设计并实现了一种微构件综合力学性能测试系统，用于研究微构件的力学性能，并对其材料变形、疲劳特性及失效机理进行探究。本文主要完成了下列工作：（1）针对具有微槽结构的薄壁微构件，完成了微构件力学性能测试装置机械结构的总体设计与搭建，并对其关键部件进行建模及校核计算。为后续研究奠定了硬件基础。（2）完成了测试装置控制系统的设计与搭建，并基于 VB 语言自行设计了力学性能测试软件。实现了对测试系统的精确控制及信号的采集与处理，解决了测试过程中涉及对象复杂、控制过程特殊的问题。（3）通过对测试装置的实验研究，验证了该测试系统的可靠性。通过微构件力学性能测试实验技术研究，得到如下结论：微细铣削对微构件力学性能影响显著，经微细铣削加工的微构件的弹性模量提高近 72%；微细铣削后的微构件的屈服强度与抗拉强度变低，数据一致性变差；微构件的断裂大多发生在靠近微槽侧壁的区域；疲劳载荷的施加促使裂纹加速扩展，导致试件的力学性能变差。
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参考文献（略）

本文编号：44526