《Journal of Materials Processing Technology》：Balancing surface quality and machining efficiency in high-performance fused-silica hemispherical resonator achieved by combined magnetorheological polishing and chemical etching
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磁场流体研磨与化学蚀刻协同提升半球谐振器性能及机理研究。通过分析不同表面质量的 fused silica HSR 在化学蚀刻中的反应行为，揭示了七个定向反应区域。表面粗糙度影响蚀刻形态演变及能量耗散，优化加工参数可使品质因数从2.05×107提升至2.26×107，加工效率提高64.3%。
传振马|刘河南|建城|郭景阳|孙江刚|周子涵|秦彪|田金川|陈明军
哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨150001，中国
摘要
研磨过程中产生的表面损伤显著影响了熔融石英半球谐振器（HSR）的能量耗散特性。磁流变抛光和化学蚀刻被认为是去除熔融石英HSR表面损伤的有效技术。然而，同时实现高去除效率和优异的表面质量仍然是一个挑战。本研究重点探讨了HSR的能量耗散机制和表面损伤去除策略。首先，分析了在化学蚀刻过程中表现出不同表面质量的熔融石英组分的反应行为。根据不同表面类型与化学蚀刻剂的反应性，将处理区域划分为七个不同的反应区，揭示了化学反应与表面材料之间的方向性。其次，研究了在化学蚀刻过程中表现出不同表面质量的HSR的表面形态演变。研究发现，较高的初始表面粗糙度会导致更大的变化和更长的稳定时间。进一步分析表明，表面形态以及表面损伤的形式和分布显著影响能量耗散。最后，基于表面质量与加工参数之间的关系，提出了一种有效提高HSR品质因数的加工策略。该策略将制造时间从28小时缩短至10.5小时，并将品质因数从2.05 × 10^7提高到2.26 × 10^7，实现了效率和性能的同时提升。这项研究加深了对HSR能量耗散机制的理解，为高效高性能HSR的制造提供了实用指导。
引言
半球谐振器陀螺仪（HRG）是高精度惯性导航系统的核心传感器，具有结构简单、体积小、重量轻、能耗低、可靠性高和使用寿命长等优点，因此在航空、航天和导航等领域具有很高的价值[1]。作为HRG的核心传感器件，熔融石英半球谐振器（HSR）由一个半球形壳体及其内外支撑杆组成，体现了由硬脆材料制成的复杂结构组件的特点。品质因数是评估HSR性能的重要参数，高且均匀的品质因数表明在工作模式下能量耗散低、抗干扰能力强，这与HRG的高精度直接相关[2]。由于HSR的几何参数与振动特性之间的复杂耦合，传统的以几何公差为重点的设计和制造方法不足以满足高性能制造的要求[3]。因此，研究能量耗散机制并采用适当的加工工艺以实现高效高性能的HSR制造具有重要的理论和实践意义。
普遍认为，品质因数定义为共振过程中储存的总能量与单个振动周期内耗散的能量之比[4]。表面质量是影响品质因数的关键参数，因为表面损伤和微观缺陷会增强能量耗散并降低谐振器的性能[5]。HSR的表面损伤主要在粗加工阶段产生，部分可以通过超精密研磨得到缓解。然而，由于磨料颗粒与材料的直接接触，研磨过程仍不可避免地会引入残余的表面损伤[6][7]。为克服这些限制，开发了多种先进的抛光技术，这些技术结合了针对硬脆材料的新材料去除机制和工艺原理。与离子束抛光[8]、流体喷射抛光[9]、弹性发射加工[10]、激光抛光[11]、帽子抛光[12]、电液辅助抛光[13]和离子腐蚀加工[14]相比，磁流变抛光具有明显的优势，其特点是抛光力低、材料去除可预测且对最终表面的表面损伤微乎其微。这些特性使其特别适合用于HSR的制造。
磁流变抛光是一种非接触式抛光方法，通过在抛光工具和工件表面之间保持可控间隙，并利用该间隙内的磁流变流体流动来促进材料去除[15]。先前的研究表明，通过适当的工具设计和参数优化，磁流变抛光可以在HSR壳体上实现纳米级的表面粗糙度[16]。同时，通过将三维流体动力学与经典去除理论相结合，建立了材料去除功能模型，从而能够定量描述去除速率与关键工艺参数之间的关系[17]。然而，对于具有复杂曲率的半球谐振器，表面质量不仅取决于磁流变抛光的固有去除特性，还受到工具-工件干涉和抛光轨迹规划的影响。为解决这些问题，已经开发了描述抛光工具与谐振器壳体之间相对运动的运动学和几何模型，为轨迹优化和工艺设计提供了指导[18]。此外，通过将热效应和化学效应纳入基于永磁体的磁流变抛光系统，提高了材料去除速率[19]。尽管取得了这些进展，传统的基于轨迹的磁流变抛光在高效去除表面损伤方面仍存在固有局限性。为了确保表面精度而需要使用小尺寸工具，往往会导致去除效率低下；而为了加速材料去除而设置的激进参数可能会影响表面完整性。为了克服这些限制，人们探索了基于流变学的替代抛光策略和包络型抛光方法。通过调节抛光介质的流场和剪切应力分布，或采用多磁体配置来扩大有效抛光区域，这些方法提供了更高效的表面损伤去除途径[20][21]。然而，与小直径确定性抛光工具相比，这些方法通常会产生较差的最终表面质量，表明效率和表面完整性之间存在尚未完全解决的权衡。
化学蚀刻被广泛认为是熔融石英组件的有效后处理工艺[22]。通过选择性地去除表面污染层、残留颗粒和机械诱导的损伤，化学蚀刻可以钝化表面和表面下的缺陷，显著提高表面完整性。已有多种蚀刻策略（包括延迟蚀刻[23]、循环氢氟酸蚀刻[24]和复合蚀刻方案[25]）被报道可以提升半球谐振器的品质因数。对酸性和碱性蚀刻过程的比较研究进一步表明，蚀刻化学性质在决定最终表面形态和缺陷状态方面起着关键作用[26]。此外，还提出了表面损耗模型，将表面形态的变化与品质因数的变化联系起来，强调了与表面相关的能量耗散机制的重要性[4]。研究人员还进行了关于HSR表面损伤检测[27]、性能评估[28]和质量修整[29]的相关研究。总之，以往的研究主要集中在机械抛光和化学处理方法上，以去除半球谐振器的表面损伤，这些方法可以显著提高品质因数。然而，这些方法往往仅关注表面质量的提升，而对加工效率和潜在的能量耗散机制考虑不足。此外，系统性地研究制造过程中表面完整性的演变与HSR能量耗散之间的联系仍然较少。因此，阐明与表面完整性相关的能量耗散基本机制，并开发出在表面质量和加工效率之间取得有效平衡的制造策略对于高性能HSR的制造至关重要。
鉴于此，本研究旨在通过结合磁流变抛光和化学蚀刻来探讨熔融石英HSR的能量耗散产生机制和表面损伤去除策略。通过整合加工实验、多尺度表面和表面下特性分析以及蚀刻引起的形态分析，系统地分析了不同加工条件下表面完整性的演变。系统总结了不同表面完整性下的化学蚀刻反应机制及其对应的表面形态演变。随后，深入分析了HSR的能量耗散机制，并据此设计了高效的制造策略。这些结果不仅提供了关于HSR中损伤相关耗散的机制洞察，还为开发高效、低损伤的制造策略提供了实用指导。
实验细节
实验细节
为了研究HSR的能量耗散机制并探索高性能制造方法，本节首先介绍了当前HSR制造方法的局限性，并提出了一种结合磁流变抛光和化学蚀刻的高性能制造方法。然后，详细阐述了基于磁流变抛光和化学蚀刻的HSR制造工艺。接下来，介绍了一种跨尺度表征方法
结果与讨论
第3.1节分析了具有不同表面质量的熔融石英组件在化学蚀刻过程中的反应物成分分布。第3.2节研究了化学蚀刻过程中各种表面形态的演变模式，并总结了不同缺陷表面对蚀刻行为的影响。在此基础上，第3.3节分析了不同表面类型对能量耗散的影响。
结论
本研究揭示了半球谐振器（HSR）在工作模式下的能量耗散机制，并提出了一种创新的HSR表面损伤去除方法。首先，分析了现有表面损伤去除技术的局限性，并通过结合磁流变抛光和化学蚀刻提出了一种高效、高性能的HSR制造策略。其次，基于理论模型和实验结果，分析了表面
作者贡献声明
陈明军：资源管理、项目统筹、研究实施、资金获取、概念构思。田金川：监督、方法论设计。秦彪：数据可视化、验证。周子涵：验证、软件开发。孙江刚：监督、软件开发。郭景阳：验证、软件开发。建城：验证、监督、方法论设计、资金获取。刘河南：撰写-审稿与编辑、方法论设计、资金获取、概念构思。传振马：撰写-审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFB3403600）和中国国家自然科学基金（编号52305461、52293403、52235010）的支持。
