RU2286535C1

RU2286535C1 - Method for making a rotor of spherical gyroscope

Info

Publication number: RU2286535C1
Application number: RU2005107600/02A
Authority: RU
Inventors: Борис Ефимович Ландау (RU); Борис Ефимович Ландау; Александр Яковлевич Буцык (RU); Александр Яковлевич Буцык; ев Сергей Николаевич Бел (RU); Сергей Николаевич Беляев; Анатолий Петрович Буравлев (RU); Анатолий Петрович Буравлев; Александр Григорьевич Щербак (RU); Александр Григорьевич Щербак
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2006-10-27
Also published as: RU2005107600A

Abstract

FIELD: precise tool-making industry, possible use for making rotors of spherical gyroscopes.

SUBSTANCE: rotor parts are made in form of cylindrical part being enveloped and enveloping bushing, diameters of which are determined from given formulae, and which are mated along cylindrical surface. In middle part of cylindrical part symmetrically to its axis profiled circular groove is made, which is filled with material of reinforcing element for making dominating rotor inertia moment. Parts are mated to each other by mounting enveloping bushing over cylindrical part being enveloped. Parts are welded together along cylindrical mating surface with creation of welding forces directed radially relatively to axis of parts. Then by mechanical processing, shaping of spherical surface of rotor is performed with provision of its symmetry relatively to reinforcing element. Further, sphere is finalized and rotor is balanced.

EFFECT: expanded technological capabilities of method, increased precision of produced rotor.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при изготовлении роторов шаровых гироскопов.The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used in the manufacture of rotors of ball gyroscopes.

Известен способ изготовления полого ротора электростатического гироскопа [Малеев П.И. Новые типы гироскопов. Судостроение, Ленинград, 1971, стр.17-18], содержащий формообразование двух тонкостенных полусфер наружным диаметром ~50 мм, реализацию неразъемного соединения этих полусфер по плоскостям разъема посредством сварки или пайки, сферодоводку и балансировку ротора. Для создания преобладающей главной центральной оси инерции в процессе формообразования в экваториальной области стенки каждой полусферы выполняются более толстыми, чем на полюсе.A known method of manufacturing a hollow rotor of an electrostatic gyroscope [Maleev P.I. New types of gyroscopes. Shipbuilding, Leningrad, 1971, pp. 17-18], containing the shaping of two thin-walled hemispheres with an outer diameter of ~ 50 mm, the implementation of an inseparable connection of these hemispheres along the connector planes by welding or soldering, spherical wiring and balancing of the rotor. To create the predominant main central axis of inertia during shaping in the equatorial region, the walls of each hemisphere are made thicker than at the pole.

Выполнение операций доводки и балансировки ротора осуществляется с приданием ротору вытянутого вдоль оси симметрии эллипсоида вращения для того, чтобы при вращении на рабочих оборотах (десятки тысяч оборотов в минуту) за счет центробежных сил происходила трансформация ротора в правильную сферу.The finishing and balancing of the rotor is carried out with the rotor elongated along the axis of symmetry of the ellipsoid of rotation so that when rotating at working revolutions (tens of thousands of revolutions per minute) due to centrifugal forces, the rotor transforms into the correct sphere.

Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:

1) сравнительно невысокая точность и надежность ротора, связанные с наличием располагающегося в экваториальной зоне ротора сварного (паяного) шва, который имеет прочность, значительно меньшую, чем прочность основного материла (как правило, бериллий), что вызывает отклонения от требуемой расчетной формы эллипсоида при асферизации ротора, а также непрогнозируемые искажения геометрии ротора при его трансформации в сферу в процессе его функционирования на рабочих оборотах;1) the relatively low accuracy and reliability of the rotor associated with the presence of a weld (solder) seam located in the equatorial zone of the rotor, which has a strength significantly lower than the strength of the main material (usually beryllium), which causes deviations from the required design shape of the ellipsoid when rotor aspherization, as well as unpredictable distortions of the rotor geometry during its transformation into a sphere in the process of its functioning at working speeds;

2) сложность технологии изготовления ротора, обусловленная необходимостью комплексного обеспечения совокупности таких согласованных параметров, как остаточный дисбаланс, конечный диаметр, разность осей эллипсоида, точность формы и т.д. на уровне десятых и сотых долей микрометра;2) the complexity of the manufacturing technology of the rotor, due to the need to comprehensively provide a set of such agreed parameters as residual imbalance, final diameter, the difference of the axes of the ellipsoid, the accuracy of the shape, etc. at the level of tenths and hundredths of a micrometer;

3) функциональные погрешности ротора, определяемые отличающейся от основного материала величиной электропроводности зоны сварного (паяного) шва, что создает неравнозначные условия при вращении ротора в электростатическом подвесе;3) the functional errors of the rotor, determined by the value of the electric conductivity of the zone of the welded (soldered) seam that differs from the main material, which creates unequal conditions when the rotor rotates in an electrostatic suspension;

4) ограниченные возможности технологии изготовления ротора, имея в виду обусловленные перспективами использования электростатических гироскопов в аэрокосмической технике, тенденции миниатюризации этих приборов; очевидно, что для ротора диаметром ~10 мм и меньше крайне сложно обеспечить требуемый уровень точности формирования тонкостенных полусфер, сварки (пайки), асферизации и т.д.4) the limited capabilities of the rotor manufacturing technology, bearing in mind the trends of miniaturization of these devices due to the prospects for using electrostatic gyroscopes in aerospace engineering; it is obvious that for a rotor with a diameter of ~ 10 mm or less, it is extremely difficult to provide the required level of accuracy in the formation of thin-walled hemispheres, welding (soldering), asphericization, etc.

Проблемы создания малогабаритного электростатического гироскопа во многом решает изготовление сплошного ротора, что вполне допустимо, т.к. масса ротора в данном случае (для диаметра ~10 мм) не столь велика, чтобы затруднить условия взвешивания ротора в электростатическом поле. Сплошной ротор, кроме того, снимает вопросы его асферизации, поскольку учитывать искажение его формы под действием центробежных сил при вращении на рабочих оборотах нет необходимости вследствие большой жесткости сплошной сферы.The problems of creating a small-sized electrostatic gyroscope are largely solved by the manufacture of a solid rotor, which is quite acceptable, because the rotor mass in this case (for a diameter of ~ 10 mm) is not so large as to complicate the conditions for weighing the rotor in an electrostatic field. A solid rotor, in addition, removes the questions of its aspherization, since it is not necessary to take into account the distortion of its shape under the action of centrifugal forces during rotation at working revolutions due to the high rigidity of the solid sphere.

Известен способ изготовления сплошного ротора электростатического гироскопа [JEEF. Transactions on Aerospace and Electronic System, 1984, VAES-20, №4], содержащий формообразование ротора из бериллиевой заготовки с выполнением в ней элементов, обеспечивающих создание преобладающего момента инерции, путем реализации неразъемного соединения с этой заготовкой армирующих элементов в виде двух танталовых проволочек, ориентированных вдоль оси заготовки. Неразъемное соединение армирующих элементов с основой осуществляется на стадии спекания заготовки. В процессе формообразования получают сплошной ротор, перпендикулярно оси вращения которого расположены более тяжелые массы, смещающие его центр тяжести относительно геометрического центра ротора. Этот дисбаланс используется для определения углового положения ротора при вращении и для его подкрутки.A known method of manufacturing a continuous rotor of an electrostatic gyroscope [JEEF. Transactions on Aerospace and Electronic System, 1984, VAES-20, No. 4], comprising forming a rotor from a beryllium billet with making elements in it that ensure the creation of a predominant moment of inertia, by realizing one-piece connection of reinforcing elements with this billet in the form of two tantalum wires, oriented along the axis of the workpiece. The permanent connection of the reinforcing elements with the base is carried out at the stage of sintering the workpiece. In the process of forming a solid rotor is obtained, perpendicular to the axis of rotation of which are heavier masses, displacing its center of gravity relative to the geometric center of the rotor. This imbalance is used to determine the angular position of the rotor during rotation and to twist it.

Указанному способу-аналогу присущи следующие недостатки.The specified analogue method has the following disadvantages.

1. Сложность технологии изготовления и балансировки ротора, обусловленные тем, что имеет место неопределенность в ориентации проволочных армирующих элементов относительно каких-либо базовых элементов исходной заготовки, что могло бы обеспечить возможность точного формообразования сферы ротора относительно его центра масс.1. The complexity of the manufacturing technology and balancing of the rotor, due to the fact that there is an uncertainty in the orientation of the wire reinforcing elements relative to any basic elements of the initial billet, which could provide the possibility of accurate shaping of the rotor sphere relative to its center of mass.

2. Низкая точность электростатического гироскопа с таким ротором, поскольку сам принцип данного способа-аналога не дает возможность в достаточно широких пределах регулировать величину дисбаланса ротора, что существенно ухудшает его функциональные характеристики.2. The low accuracy of an electrostatic gyroscope with such a rotor, since the very principle of this analogue method does not make it possible to regulate the rotor unbalance in a sufficiently wide range, which significantly impairs its functional characteristics.

По наибольшему числу общих существующих признаков в качестве прототипа принят способ изготовления ротора электростатического гироскопа [Щербак А.Г., Кедров В.Г. Технология прецизионной диффузионной сварки в точном приборостроении, ГНЦ РФ - ЦНИИ ″Электроприбор″, Санкт-Петербург, 1997, стр.140-141], содержащий формообразование бериллиевой шаровой опоры диаметром D с выполнением в ней, по меньшей мере, трех (в конкретном случае - четырех) равномерно распределенных по окружности экваториальной плоскости глухих отверстий диаметром d=(0,15-0,35)D и глубиной Н=(0,2-0,4)D, оси которых пересекаются в центре симметрии опоры (центре сферы диаметром D), формообразование одинаковых бериллиевых цилиндрических вставок и армирующих медных дисков диаметром d₁=d и толщиной b=(0,2-0,5)Н, жесткую фиксацию вставок в теле шаровой опоры посредством диффузионной сварки с размещением на дне каждого отверстия диска, а сверху нее вставки, последующие операции сферодоводки и балансировки ротора.According to the largest number of common existing features, the method of manufacturing the rotor of an electrostatic gyroscope [Shcherbak A.G., Kedrov V.G. The technology of precision diffusion welding in precision instrumentation, State Research Center of the Russian Federation - Central Research Institute ″ Elektropribor ’, St. Petersburg, 1997, pages 140-141], containing the shaping of a beryllium ball bearing with a diameter D with at least three (in a specific case) - four) blind holes uniformly distributed around the equatorial plane around the diameter d = (0.15-0.35) D and depth H = (0.2-0.4) D, the axes of which intersect at the center of symmetry of the support (center of the sphere with a diameter D), shaping of identical beryllium cylindrical inserts and reinforces constituents copper disc with a diameter d ₁ = d and the thickness b = (0,2-0,5) H, rigid fixation of inserts in the body of the ball joint by diffusion welding with the placement of the holes at the bottom of each disk, and on top of it insertion, and subsequent operations sferodovodki rotor balancing.

В данном случае при формировании шаровой опоры появляется базовая сферическая поверхность, относительно которой ориентируют позиции размещения армирующих элементов и осуществляют окончательную обработку ротора. Кроме того (по сравнению со способом-аналогом), исключается выход на наружную поверхность элементов ротора, выполненных из материала, отличающегося от материала шаровой опоры по физико-механическим свойствам, и обеспечивается возможность использования принципа оптического съема углового положения ротора в процессе его изготовления.In this case, when the ball joint is formed, a basic spherical surface appears, with respect to which the position of the reinforcing elements is oriented and the rotor is finished. In addition (in comparison with the analogue method), the access to the outer surface of the rotor elements made of a material that differs from the material of the ball bearing in terms of physical and mechanical properties is excluded, and the possibility of using the principle of optical removal of the angular position of the rotor during its manufacture is ensured.

Вместе с тем, способу-прототипу присущи такие недостатки, как ограниченные технологические возможности процесса изготовления ротора и недостаточно высокая точность ротора, что обусловлено следующими факторами.However, the prototype method has such disadvantages as limited technological capabilities of the manufacturing process of the rotor and insufficiently high accuracy of the rotor, due to the following factors.

1) Практически ротор включает девять составных частей (шаровая опора, четыре армирующих медных диска и четыре вставки) и небольшие погрешности их изготовления и сварки в каждой из четырех позиций размещения армирующих элементов в целом могут значительно ухудшать точность изготовления ротора.1) In practice, the rotor includes nine components (ball bearing, four reinforcing copper disks and four inserts) and small errors in their manufacture and welding in each of the four positions of the reinforcing elements as a whole can significantly impair the accuracy of the rotor manufacturing.

2) Значительные деформации ротора в процессе диффузионной сварки вследствие необходимых деформаций сжатия каждой вставки за счет направленного вдоль ее оси сварочного давления, что необходимо для появления радиально ориентированных напряжений сжатия на контактной цилиндрической поверхности и позволяет реализовать неразъемное соединение вставки с шаровой опорой. Причем эти деформации будут различными и будут неопределенным образом изменяться при каждой последующей сварке (например, каждой пары противолежащих позиций сварки), поскольку при этом меняется конфигурация и жесткость опоры2) Significant rotor deformations during diffusion welding due to the necessary compression deformations of each insert due to the welding pressure directed along its axis, which is necessary for the appearance of radially oriented compression stresses on the contact cylindrical surface and allows one-piece connection of the insert with the ball bearing. Moreover, these deformations will be different and will indefinitely change during each subsequent welding (for example, each pair of opposite welding positions), since the configuration and rigidity of the support change

3) Ограничения, связанные с количеством и геометрией размещения армирующих элементов, что обусловлено, в том числе, и указанными выше деформациями. При этом очевидно, что наилучшим вариантом является равномерное распределение массы армирующего элемента по окружности в теле ротора.3) Limitations associated with the number and geometry of the placement of reinforcing elements, which is due, inter alia, to the above deformations. It is obvious that the best option is a uniform distribution of the mass of the reinforcing element around the circumference in the body of the rotor.

4) Ограничения в выборе материала армирующих элементов, поскольку необходимо определить параметры сварки для стыкового соединения в системе ″опора-армирующий элемент-вставка″ и соединения вставок с опорой (с учетом преобразования одноосного давления сжатия в радиально ориентированные напряжения в цилиндрическом контакте).4) Limitations in the choice of material of the reinforcing elements, since it is necessary to determine the welding parameters for the butt connection in the system "support-reinforcing element-insert" and the connection of inserts with support (taking into account the transformation of uniaxial compression pressure into radially oriented stresses in a cylindrical contact).

Задачей изобретения является повышение точности и расширение технологических возможностей процесса изготовления ротора шарового гироскопа.The objective of the invention is to improve the accuracy and expand the technological capabilities of the manufacturing process of the rotor of a ball gyroscope.

Согласно изобретению поставленная задача решается тем, что детали ротора получают в виде сопрягаемых по цилиндрической поверхности охватываемой цилиндрической детали диаметром d₁ и охватывающей втулки с внутренним диаметром d₂ и наружным диаметром d₃, при этом упомянутые диаметры цилиндрической детали и охватывающей втулки определяют из следующих соотношений:According to the invention, the task is solved in that the rotor parts are obtained in the form of mating on the cylindrical surface of the male cylindrical part with a diameter of d ₁ and the female sleeve with an inner diameter of d ₂ and an outer diameter of d ₃ , while the said diameters of the cylindrical part and the female sleeve are determined from the following ratios :

где D - диаметр сферической поверхности ротора,where D is the diameter of the spherical surface of the rotor,

а длины L₁ охватываемой детали и L₂ охватывающей втулки задают в пределах (1,5-3,0)D, в средней части цилиндрической детали симметрично ее оси выполняют профилированную кольцевую проточку, которую заполняют материалом армирующего элемента для создания преобладающего момента инерции ротора, сопряжение деталей ротора между собой осуществляют путем установки охватывающей втулки на охватываемую цилиндрическую деталь, диффузионную сварку производят по цилиндрической поверхности сопряжения упомянутых втулки и цилиндрической детали с созданием радиально ориентированных по отношению к их оси сварочных напряжений, а затем посредством механической обработки осуществляют формообразование сферической поверхности ротора диаметром D₁=D+Δ, где Δ - припуск на сферодоводку и балансировку ротора, с обеспечением симметрии упомянутой сферической поверхности ротора относительно армирующего элемента и производят сферодоводку и балансировку ротора. При этом радиально ориентированные сварочные напряжения создают за счет разности коэффициентов термического линейного расширения материала свариваемых цилиндрической детали и охватывающей втулки и материала размещаемой на последней кольцевой обоймы.and the lengths L _{1 of the} male part and L _{2 of the} female sleeve are set within (1.5-3.0) D, in the middle part of the cylindrical part, a profiled annular groove is made symmetrically to its axis, which is filled with the material of the reinforcing element to create the predominant moment of inertia of the rotor, the rotor parts are interconnected by installing the female sleeve on the male cylindrical part, diffusion welding is performed on the cylindrical surface of the interface of the mentioned sleeve and the cylindrical part with it radially oriented with respect to their axes welding stresses and then by machining carried shaping a spherical surface of the rotor diameter D ₁ = D + Δ, where Δ - allowance sferodovodku and rotor balancing, ensuring symmetry of said spherical surface of the rotor relative to the reinforcing element, and produce spherodovodka and balancing of the rotor. In this case, radially oriented welding stresses are created due to the difference in the coefficients of linear thermal expansion of the material of the welded cylindrical part and the female sleeve and material placed on the last annular ring.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на фиг.1 представлена охватываемая цилиндрическая деталь, на фиг.2 - охватывающая втулка, на фиг.3 - общий вид сборки деталей ротора перед операцией диффузионной сварки и на фиг.4 - заготовка ротора после операции сварки и схема формообразования сферического ротора. На фиг.1, 2, 3 и 4 обозначены:The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a male cylindrical part, Fig. 2 - a female sleeve, Fig. 3 - a general view of the assembly of rotor parts before a diffusion welding operation, and Fig. 4 - a rotor blank after a welding operation and spherical rotor shaping scheme. In figure 1, 2, 3 and 4 are indicated:

1 - охватываемая цилиндрическая деталь диаметром d₁ и длиной L₁;1 - male cylindrical part with a diameter of d ₁ and a length L ₁ ;

2 - профилированная кольцевая проточка шириной L_пр и глубиной h_пр, выполняемая в средней части цилиндрической детали 1;2 - profiled annular groove width L _CR and depth h _CR performed in the middle of the cylindrical part 1;

3 - торцевая базовая поверхность цилиндрической детали 1 для ориентации проточки 2;3 - end base surface of the cylindrical part 1 for the orientation of the groove 2;

4 - сопрягаемая (свариваемая) поверхность охватываемой цилиндрической детали 1;4 - the mating (welded) surface of the male cylindrical part 1;

5 - материал армирующего элемента, заполняющий объем проточки 2;5 - material of the reinforcing element, filling the volume of the groove 2;

6 - охватывающая втулка, имеющая диаметр d₂ внутренней сопрягаемой (свариваемой) поверхности, диаметр d₃ наружной цилиндрической поверхности и длину L₂;6 is a female sleeve having a diameter d _{2 of the} inner mating (welded) surface, a diameter d _{3 of the} outer cylindrical surface and a length L ₂ ;

7 - сопрягаемая (свариваемая) цилиндрическая поверхность втулки 6 диаметром d₂;7 - mating (welded) cylindrical surface of the sleeve 6 with a diameter of d ₂ ;

8 - торцевая базовая поверхность втулки 6 для требуемой ориентации втулки 6 относительно цилиндрической детали 1 и армирующего элемента 5 при сборке деталей под сварку;8 - end base surface of the sleeve 6 for the desired orientation of the sleeve 6 relative to the cylindrical part 1 and the reinforcing element 5 when assembling parts for welding;

9 - кольцевая обойма, выполненная из материала с меньшим значением коэффициента термического линейного расширения, чем материал охватываемой цилиндрической детали 1 и охватывающей втулки 6, и используемая для создания радиально ориентированных по отношению к осям деталей 1 и 6 сварочных напряжений, обеспечивающих при нагреве протекание процессов диффузионной сварки;9 - an annular cage made of a material with a lower coefficient of thermal linear expansion coefficient than the material of the covered cylindrical part 1 and the covering sleeve 6, and used to create welding stresses radially oriented with respect to the axes of parts 1 and 6, which ensure diffusion processes during heating welding;

10 - торцевая базовая поверхность обоймы 9 для выставки обоймы относительно деталей 1 и 6 в требуемом положении при сборке деталей под сварку;10 - end base surface of the holder 9 for the exhibition of the holder relative to parts 1 and 6 in the required position when assembling parts for welding;

11 - сферический ротор, получаемый из сваренных охватываемой цилиндрической детали 1 и охватывающей втулки 6;11 - spherical rotor obtained from welded male cylindrical part 1 and female sleeve 6;

12 - наружная сферическая поверхность ротора 11;12 - outer spherical surface of the rotor 11;

13 - сварной шов деталей 1 и 6;13 - weld of parts 1 and 6;

d₁' - диаметр деформированной охватываемой цилиндрической детали 1 после операции диффузионной сварки;d ₁ 'is the diameter of the deformed covered cylindrical part 1 after the diffusion welding operation;

d₃' - наружный диаметр охватывающей втулки 6 после операции диффузионной сварки;d ₃ 'is the outer diameter of the female sleeve 6 after the diffusion welding operation;

D - диаметр готового ротора после операций сферодоводки и балансировки;D is the diameter of the finished rotor after spherical and balancing operations;

Δ - припуск на сферодоводку и балансировку ротора 11;Δ - allowance for spherodovodka and balancing of the rotor 11;

0₁-0₁ и 0₂-0₂ - оси симметрии деталей 1 и 6 соответственно;0 ₁ -0 ₁ and 0 ₂ -0 ₂ - axis of symmetry of parts 1 and 6, respectively;

0₁(0₂)-0₁(0₂) - ось симметрии заготовки после сварки и ось вращения ротора 11.0 ₁ (0 ₂ ) -0 ₁ (0 ₂ ) is the axis of symmetry of the workpiece after welding and the axis of rotation of the rotor 11.

Способ заключается в выполнении совокупности и последовательности следующих технологических операций.The method consists in performing the totality and sequence of the following technological operations.

1. Средствами механической обработки (точение, шлифовка) производят формообразование охватываемой цилиндрической детали 1 и охватывающей втулки 6 (в данном конкретном случае рассматривается вариант изготовления сплошного бериллиевого ротора электростатического гироскопа). Цилиндрические поверхности 4 и 7, определяемые диаметром d₁ охватываемой цилиндрической детали 1 и диаметром d₂ охватывающей втулки 6, являются сопрягаемыми при сборке деталей и образующими соединение по цилиндрической поверхности 13 в процессе диффузионной сварки. Поэтому соотношение этих диаметров составляет d₁=(0,995-0,998)d₂, т.е. практически при сборке деталей 1 и 6 под сварку исходный радиальный зазор между цилиндрическими поверхностями 4 и 7 составляет единицы микрометра. Численная величина диаметра d₁ определяется расчетным путем как характеристика ротора, поскольку этим задается позиция размещения в теле ротора 11 армирующего элемента 5. Очевидным является условие: d₁<D, d₂<D и d₃>D.1. By means of machining (turning, grinding), the male cylindrical part 1 and the female sleeve 6 are shaped to form (in this particular case, the production of a solid beryllium rotor of an electrostatic gyroscope is considered). Cylindrical surfaces 4 and 7, determined by the diameter d _{1 of the} male cylindrical part 1 and the diameter d _{2 of the} female sleeve 6, are mating when assembling the parts and form a connection along the cylindrical surface 13 during diffusion welding. Therefore, the ratio of these diameters is d ₁ = (0.995-0.998) d ₂ , i.e. practically when assembling parts 1 and 6 for welding, the initial radial clearance between the cylindrical surfaces 4 and 7 is one micrometer. The numerical value of the diameter d ₁ is determined by calculation as a characteristic of the rotor, since this sets the position of the reinforcing element 5 in the rotor body 11. The condition is obvious: d ₁ <D, d ₂ <D and d ₃ > D.

Соотношение

Ratio

определяется особенностями технологии сварки и задано из условия, что равные площади поперечного сечения деталей 1 и 6 при радиально ориентированных сварочных напряжениях термического натяга обеспечивают равные осесимметричные деформации каждой из деталей 1 и 6, одинаковый характер последующей релаксации сварочных напряжений и, в конечном счете, идентичность свойств материала по всему объему готового ротора. Указанное соотношение (1) следует из выражения, определяющего равенство площадей поперечного сечения деталей 1 и 6:is determined by the features of the welding technology and set from the condition that equal cross-sectional areas of parts 1 and 6 at radially oriented welding stresses of thermal interference provide equal axisymmetric deformations of each of parts 1 and 6, the same nature of the subsequent relaxation of welding stresses and, ultimately, the identity of the properties material throughout the volume of the finished rotor. The indicated relation (1) follows from the expression determining the equality of the cross-sectional areas of parts 1 and 6:

πd₁ ²/4=πd₃ ²/4-πd₂ ²/4=π/4(d₃ ²-d₂ ²),πd _^1/2 4 ₃ = πd ^2/4 _2-πd ^2/4 = π / 4 (d _{February ³} -d _{February ²⁾}

или d₁ ²=d₃ ²-d₂ ²,or d ₁ ² = d ₃ ² -d ₂ ² ,

откуда d₃ ²=d₁ ²+d₂ ².whence d ₃ ² = d ₁ ² + d ₂ ² .

Подставляя в последнем выражении d₂ вместо d₁, поскольку они имеют весьма близкие значения, можно получить зависимость:Substituting d ₂ instead of d ₁ in the last expression, since they have very close values, we can obtain the dependence:

Множитель (0,9-1,1) в соотношении (1) определяет область возможного варьирования величиной диаметра d₃ от номинального значения, задаваемого выражением (2).The factor (0.9-1.1) in the ratio (1) determines the region of possible variation by the diameter d ₃ from the nominal value specified by expression (2).

Длины L₁ и L₂ деталей 1 и 6 соответственно задаются в диапазоне (1,5-3,0)D, что обеспечивает необходимые условия последующей механической обработки сваренного узла для различных диаметров D, значения которых и определяют конкретные величины L₁ и L₂. Кроме того, значения L₁ и L₂ обусловливают возможность выполнения требуемых операций начального, промежуточного и конечного метрологического контроля геометрии и точности в процессе обработки ротора. При изготовлении охватываемой цилиндрической детали 1 торцевая поверхность 3 выполняется как базовая, что определяет соответствующий уровень требований в части ее плоскостности, чистоты обработки, перпендикулярности поверхности 3 оси 0₁-0₁ детали 1 и т.д. Аналогичные условия обеспечиваются и при выполнении базовой торцевой поверхности 8 на охватывающей втулке 6.The lengths L ₁ and L _{2 of} parts 1 and 6 are respectively set in the range (1.5-3.0) D, which provides the necessary conditions for subsequent machining of the welded assembly for various diameters D, the values of which determine the specific values of L ₁ and L ₂ . In addition, the values of L ₁ and L ₂ determine the ability to perform the required operations of the initial, intermediate and final metrological control of geometry and accuracy in the processing of the rotor. In the manufacture of the male cylindrical part 1, the end surface 3 is made as the base, which determines the appropriate level of requirements in terms of its flatness, cleanliness, perpendicularity to the surface 3 of the axis 0 ₁ -0 _{1 of} part 1, etc. Similar conditions are provided when performing the base end surface 8 on the enclosing sleeve 6.

2. В средней части охватываемой цилиндрической детали 1 симметрично ее оси 0₁-0₁, которая в данном случае является осью вращения изготавливаемого ротора, со стороны сопрягаемой поверхности 4 выполняют профилированную кольцевую проточку 2 шириной L_пр и глубиной h_пр, значения которых определяются расчетным путем с учетом величины диаметра d₁ и материала армирующего элемента 5. При этом осуществляется жесткая привязка с требуемой точностью местоположения проточки 2 к базовому торцу 3 детали 1.2. In the middle part of the covered cylindrical part 1 symmetrically to its axis 0 ₁ -0 ₁ , which in this case is the axis of rotation of the manufactured rotor, from the side of the mating surface 4, a profiled annular groove 2 is made of width L _CR and depth h _CR , the values of which are determined by the calculated by taking into account the diameter d ₁ and the material of the reinforcing element 5. In this case, a rigid reference is made with the required accuracy of the location of the groove 2 to the base end 3 of the part 1.

В совокупности конкретные величины d₁, L_пр и h_пр, а также выбор материала армирующего элемента 5 взаимообусловлены и определяются требуемым значением основного функционального параметра ротора - соотношения моментов инерции ротора относительно оси вращения 0₁(0₂)-0₁(0₂) ротора 11 и любой из осей, расположенной в плоскости, перпендикулярной этой оси и проходящей через геометрический центр ротора. Очевидно, что конфигурация проточки 2 может быть самой различной, в том числе и иметь переменную вдоль оси охватываемой цилиндрической детали 1 глубину h_пр. Однозначно необходимым исходным условием является обеспечение симметрии конфигурации проточки 2 как относительно оси детали 1, так и плоскости, перпендикулярной оси детали 1 и проходящей через середину проточки 2, т.е. через точку L_пр/2.Together, the specific values of d ₁ , L _CR and h _CR , as well as the choice of material of the reinforcing element 5 are interdependent and determined by the required value of the main functional parameter of the rotor - the ratio of the moments of inertia of the rotor relative to the axis of rotation 0 ₁ (0 ₂ ) -0 ₁ (0 ₂ ) rotor 11 and any of the axes located in a plane perpendicular to this axis and passing through the geometric center of the rotor. Obviously, the configuration of the groove 2 can be very different, including having a depth h _pr along the axis of the covered cylindrical part 1. An unequivocally necessary initial condition is to ensure the symmetry of the configuration of the groove 2 both with respect to the axis of the part 1, and the plane perpendicular to the axis of the part 1 and passing through the middle of the groove 2, i.e. through the point L _pr / 2.

3. Далее объем проточки 2 заполняют материалом, имеющим удельный вес, больший, чем у бериллия (в общем случае это может быть медь, молибден и т.д.), формируя в теле заготовки ротора армирующий элемент 5. Выбор конкретного способа заполнения в данном случае не является принципиальным. Можно использовать механическую запрессовку пластичного материала, гальваническое и электрохимическое осаждение и т.д. Однако, учитывая, что процесс последующей диффузионной сварки деталей 1 и 6 осуществляется в вакууме, а также возможность получения однородного по свойствам компактного материала с плотностью, близкой к теоретически возможной, в качестве способа формообразования армирующего элемента 5 наиболее приемлемым является метод термического напыления в вакууме, в частности метод магнетронного напыления. Очевидно, возможен как вариант чистового напыления армирующего элемента 5 без дополнительных операций, так и напыление избыточного количества материала армирующего элемента 5 с последующей его механической доработкой (точение) для получения единой цилиндрической сопрягаемой поверхности 4, что может быть связано со сложным профилем проточки 2.3. Next, the volume of the groove 2 is filled with a material having a specific gravity greater than that of beryllium (in general, it can be copper, molybdenum, etc.), forming a reinforcing element in the body of the rotor blank 5. Selecting a specific filling method in this case is not fundamental. It is possible to use mechanical pressing of plastic material, galvanic and electrochemical deposition, etc. However, taking into account that the process of subsequent diffusion welding of parts 1 and 6 is carried out in vacuum, as well as the possibility of obtaining a compact material homogeneous in properties with a density close to theoretically possible, the most suitable method of forming the reinforcing element 5 is thermal spraying in vacuum, in particular, magnetron sputtering. Obviously, it is possible both to finish spraying the reinforcing element 5 without additional operations, and to spray excess material of the reinforcing element 5 with its subsequent mechanical refinement (turning) to obtain a single cylindrical mating surface 4, which may be associated with a complex profile of the groove 2.

После окончательного формообразования входящих деталей - охватываемой цилиндрической детали 1 и охватывающей втулки 6 - осуществляют их сборку (фиг.3), устанавливая на деталь 1 цилиндрическую втулку 6 и размещая снаружи цилиндрической втулки 6 обойму 9. Оси 0₁-0₁ и 0₂-0₂ при этом совмещаются, образуя общую ось симметрии 0₁(0₂)-0₁(0₂), показанной на фиг.3 сборки. Ось 0₁(0₂)-0₁(0₂) также является осью симметрии заготовки ротора после сварки и осью вращения ротора 11. Наиболее приемлемым решением в данном случае является использование для создания радиально ориентированных сварочных напряжений давления термического натяга, определяемого различными значениями коэффициентов термического линейного расширения между материалом деталей 1,6 и материалом кольцевой обоймы 9. Практически для бериллиевого ротора в качестве материала обоймы 9 может быть использована корундовая керамика, имеющая существенно меньшее значение коэффициента термического линейного расширения. Очевидно, что в процессе сварки с осью 0₁(0₂)-0₁(0₂) совмещается и ось симметрии обоймы 9 (на чертеже не обозначена).After the final shaping of the incoming parts — the male cylindrical part 1 and the female sleeve 6 — they are assembled (Fig. 3), installing the cylindrical sleeve 6 on the component 1 and placing a ferrule 9 outside the cylindrical sleeve 6. Axes 0 ₁ -0 ₁ and 0 ₂ - 0 ₂ at the same time are combined, forming a common axis of symmetry 0 ₁ (0 ₂ ) -0 ₁ (0 ₂ ), shown in figure 3 Assembly. The axis 0 ₁ (0 ₂ ) -0 ₁ (0 ₂ ) is also the axis of symmetry of the rotor billet after welding and the axis of rotation of the rotor 11. In this case, the most acceptable solution is to use thermal tension pressure to create radially oriented welding stresses, determined by different values of the coefficients thermal linear expansion between the material of parts 1.6 and the material of the annular ferrule 9. Practically for a beryllium rotor, corundum ceramics having substantially lower coefficient of thermal linear expansion. It is obvious that during the welding process with the axis 0 ₁ (0 ₂ ) -0 ₁ (0 ₂ ) the axis of symmetry of the holder 9 is also aligned (not indicated in the drawing).

На фиг.3 для обоймы 9 указана только установочная торцевая поверхность 10, которая с помощью вспомогательного элемента сварочного модуля, в частности опоры (на фиг.3 не показана), используется для ориентации обоймы 9 относительно деталей 1 и 6. Кроме того, указанная опора может быть использована для взаимной ориентации деталей 1 и 6. Очевидно, что параметры обоймы 9 являются чисто технологическими и производными от конкретных условий процесса диффузионной сварки. В частности диаметр внутренней цилиндрической поверхности связан с выбранным значением температуры сварки, величиной задаваемых осесимметричных деформаций, давлением термического натяга, в свою очередь определяемого принятой скоростью деформирования при сварке (например, в условиях установившейся ползучести) и т.д. Для реального варианта сварки бериллиевых деталей 1 и 6 с использованием обоймы 9 из корундовой керамики при диаметре ротора D ~10-12 мм (остальные размерные характеристики являются производными величинами от D) превышение внутренним диаметром кольцевой обоймы 9 наружного диаметра d₃ охватывающей втулки 6 (т.е. фактический диаметральный зазор) на величину 0,04-0,05 мм обеспечит величину осесимметричной деформации деталей 1 и 6, выражаемую разницей (d₁-d₁') и (d₃-d₃'); в пределах 0,040-0,045 мм, что вполне отвечает условию образования качественного диффузионного соединения с образованием сварного шва 13. Указанный зазор для данной схемы сварки станет равным нулю при температуре ~550°С, что определяет выбор в диапазоне температур 550-980°С скорости нагрева, отвечающей скорости установившейся ползучести бериллия, равной, например, ~0,28·10^-6 с^-1, которая соответствует напряжению ~7 МПа. Отсюда, исходя из величины предела прочности корундовой керамики ~10 МПа, можно определить габариты обоймы 9 (площадь диаметрального сечения или наружный диаметр), исключающие возможность ее разрушения в процессе сварки. При этом скорость установившейся ползучести бериллия посредством изменения скорости нагрева может быть определена и другим значением, соответствующим иному напряжению при той же величине сварочных деформаций.In Fig. 3, for the clip 9, only the mounting end surface 10 is indicated, which, using the auxiliary element of the welding module, in particular the support (not shown in Fig. 3), is used to orient the clip 9 with respect to parts 1 and 6. In addition, the specified support can be used for mutual orientation of parts 1 and 6. Obviously, the parameters of the holder 9 are purely technological and derived from the specific conditions of the diffusion welding process. In particular, the diameter of the inner cylindrical surface is associated with the selected value of the welding temperature, the value of the set axisymmetric deformations, the pressure of thermal interference, which in turn is determined by the accepted strain rate during welding (for example, under conditions of steady creep), etc. For a real variant of welding beryllium parts 1 and 6 using a holder 9 made of corundum ceramics with a rotor diameter D ~ 10-12 mm (other dimensional characteristics are derived from D), the inner diameter of the ring holder 9 exceeds the outer diameter d _{3 of the} sleeve 6 (t ie the actual diametrical clearance) of 0.04-0.05 mm will provide the axisymmetric deformation of parts 1 and 6, expressed by the difference (d ₁ -d ₁ ') and (d ₃ -d ₃ '); within 0.040-0.045 mm, which fully meets the condition for the formation of a high-quality diffusion joint with the formation of a weld 13. The specified gap for this welding circuit will become zero at a temperature of ~ 550 ° C, which determines the choice of heating speed in the temperature range 550-980 ° C corresponding to the rate of steady creep of beryllium, equal, for example, ~ 0.28 · 10 ^-6 s ^-1 , which corresponds to a voltage of ~ 7 MPa. Hence, on the basis of the tensile strength of corundum ceramics ~ 10 MPa, it is possible to determine the dimensions of the holder 9 (diametrical cross-sectional area or outer diameter), eliminating the possibility of its destruction during welding. In this case, the rate of steady creep of beryllium by changing the heating rate can be determined by another value corresponding to a different stress at the same magnitude of welding deformations.

Таким образом, конкретная схема процесса диффузионной сварки допускает различные варианты практической реализации, которые ввиду своей очевидности не требуют детализации в описании способа и непринципиальны для настоящего изобретения.Thus, the specific scheme of the diffusion welding process allows for various options for practical implementation, which, due to their obviousness, do not require detailing in the description of the method and are unprincipled for the present invention.

Представленную на фиг.3 сборку устанавливают в вакуумную печь и осуществляют нагрев в вакууме порядка 1·10^-5 мм рт.ст. до температур 950-980°С (рекомендуемые температуры диффузионной сварки бериллия). Следует отметить, что режим сварки определяется по отношению к бериллию без учета участия в этом процессе материала армирующего элемента 5. Очевидно, что температура плавления армирующего элемента 5 должна быть ниже, чем температура сварки.Presented in figure 3, the assembly is installed in a vacuum oven and heating is carried out in vacuum of the order of 1 · 10 ^-5 mm RT.article up to temperatures of 950-980 ° С (recommended temperatures of diffusion welding of beryllium). It should be noted that the welding mode is determined with respect to beryllium without taking into account the participation of the material of the reinforcing element 5. In this process, it is obvious that the melting temperature of the reinforcing element 5 should be lower than the welding temperature.

4. Сваренную заготовку ротора устанавливают на токарный станок и, выставляя круговой резец относительно базовой поверхности 3 детали 1 по сферической поверхности 12, производят формообразование сферической заготовки ротора 11 до диаметра D₁=D+Δ, где Δ припуск на финишную доводку и балансировку ротора. Симметрия сферической поверхности 11 и армирующего элемента 5 обеспечивается посредством точного совмещения оси 0₁(0₂)-0₁(0₂) с осью вращения шпинделя токарного станка и постоянного контроля положения обрабатываемой сферы 12 относительно базового торца 3 охватываемой цилиндрической детали 1.4. The welded rotor billet is mounted on a lathe and, setting the circular cutter relative to the base surface 3 of the part 1 along the spherical surface 12, the spherical billet of the rotor 11 is shaped to a diameter D ₁ = D + Δ, where Δ is the allowance for finishing and balancing of the rotor. The symmetry of the spherical surface 11 and the reinforcing element 5 is ensured by the exact alignment of the axis 0 ₁ (0 ₂ ) -0 ₁ (0 ₂ ) with the axis of rotation of the spindle of the lathe and constant monitoring of the position of the machined sphere 12 relative to the base end 3 of the male cylindrical part 1.

Далее осуществляют финишную обработку ротора посредством последовательных циклических операций направленной доводки, сферодоводки и балансировки со съемом материала с наружной поверхности ротора. Окончательно изготовленный ротор с требуемой величиной дисбаланса ограничен сферической поверхностью диаметра D с допуском, определяемым требованиями чертежа.Next, the rotor is finished by sequential cyclic operations of directional refinement, spherical finishing and balancing with the removal of material from the outer surface of the rotor. The finally manufactured rotor with the required imbalance is limited by a spherical surface of diameter D with a tolerance determined by the requirements of the drawing.

Предлагаемая технология позволяет по сравнению со способом-прототипом существенно расширить технологические возможности процесса изготовления ротора и обеспечить повышение его точности, что обусловлено следующими факторами.The proposed technology allows in comparison with the prototype method to significantly expand the technological capabilities of the manufacturing process of the rotor and to increase its accuracy, which is due to the following factors.

1. Существенно повышается качество ротора, определяемое тем, что в данном случае ротор включает три составные части, а не девять, как это имело место в способе-прототипе. Каждая из составных частей может быть выполнена с высокой точностью на уровне единиц микрометра, что существенно уменьшает суммарную погрешность изготовления. Кроме того, процесс формообразования деталей и армирующего элемента по предлагаемой технологии более технологичен и значительно проще, чем в способе-прототипе.1. Significantly improves the quality of the rotor, determined by the fact that in this case the rotor includes three components, and not nine, as was the case in the prototype method. Each of the components can be performed with high accuracy at the level of micrometer units, which significantly reduces the total manufacturing error. In addition, the process of forming parts and a reinforcing element according to the proposed technology is more technological and much simpler than in the prototype method.

2. Уменьшается негативное влияние сварочных деформаций ротора на точность его последующей обработки, поскольку имеет место только один вид осесимметричной деформации, контролируемой с достаточно высокой точностью. Причем эта деформация одинакова по отношению ко всему объему заготовки ротора.2. The negative impact of welding deformations of the rotor on the accuracy of its subsequent processing is reduced, since there is only one type of axisymmetric deformation, controlled with sufficiently high accuracy. Moreover, this deformation is the same with respect to the entire volume of the rotor blank.

3. Существенно расширяются технологические возможности, связанные с процессом формообразования армирующего элемента, который выполняется в виде сплошного кольца практически любого профиля. Таким образом, с высокой точностью (доли микрометра) обеспечивается получение армирующего элемента, равномерно распределенного в теле ротора по окружности заданного диаметра.3. The technological capabilities associated with the process of forming the reinforcing element, which is performed in the form of a continuous ring of almost any profile, are substantially expanding. Thus, with high accuracy (micrometer fractions), a reinforcing element is obtained that is uniformly distributed in the rotor body around the circumference of a given diameter.

4. Во многом снимаются ограничения, связанные с выбором материала армирующих элементов, поскольку армирующий элемент непосредственно не участвует в процессе сварки.4. The restrictions related to the choice of material of reinforcing elements are largely removed, since the reinforcing element is not directly involved in the welding process.

Таким образом, поставленная цель достигнута.Thus, the goal is achieved.

Достижение поставленной цели обеспечивается единством существенных признаков способа, выполнением условия необходимости и достаточности признаков и их устойчивой взаимосвязью.Achieving this goal is ensured by the unity of the essential features of the method, the fulfillment of the conditions of necessity and sufficiency of the features and their stable relationship.

На данный момент в ГНЦ РФ - ЦНИИ ″Электроприбор″ предлагаемый способ был опробован при изготовлении опытной партии сплошных бериллиевых роторов малогабаритных электростатических гироскопов с получением положительных результатов.At the moment, in the State Research Center of the Russian Federation - Central Research Institute ″ Elektropribor ″ the proposed method has been tested in the manufacture of an experimental batch of solid beryllium rotors of small-sized electrostatic gyroscopes with positive results.

В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования способа в серийном изготовлении этих приборов.Currently, technical documentation is being developed for using the method in the serial production of these devices.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в расширении технологических возможностей процесса изготовления и повышения точности роторов электростатических гироскопов, в повышении эффективности навигационных систем и комплексов, где эти гироскопы используются.The technical and economic efficiency of the invention consists in expanding the technological capabilities of the manufacturing process and improving the accuracy of the rotors of electrostatic gyroscopes, in increasing the efficiency of navigation systems and systems where these gyroscopes are used.

Экономический эффект подсчитать не представляется возможным вследствие отсутствия статистически обоснованных исходных и сравнительных данных.It is not possible to calculate the economic effect due to the lack of statistically sound initial and comparative data.

Claims

1. A method of manufacturing a rotor of a ball gyroscope, including the shaping of parts of the rotor and the reinforcing element, designed to be placed in the body of one of the parts of the rotor and to ensure the creation of the prevailing moment of inertia of the rotor, subsequent welding of the rotor parts to each other, spherical wiring and balancing of the rotor, characterized in that the rotor receive in the form of mating on the cylindrical surface of the male cylindrical part with a diameter of d ₁ and covering the sleeve with an inner diameter of d ₂ and an outer diameter of d ₃ wherein said diameters of the cylindrical part and the female sleeve are determined from the following relationships:

where D is the diameter of the spherical surface of the rotor;

and the length of the male part L ₁ and the female sleeve L _{2 is} set within (1.5-3.0) D, in the middle part of the cylindrical part, a profiled annular groove is made symmetrically to its axis, which is filled with the material of the reinforcing element to create the predominant moment of inertia of the rotor, the rotor parts are interconnected by installing the female sleeve on the male cylindrical part, diffusion welding is performed on the cylindrical surface of the interface of the mentioned sleeve and the cylindrical part with it radially oriented with respect to their axes welding stresses and then by machining carried shaping a spherical surface of the rotor diameter D ₁ = D + Δ, where Δ - allowance sferodovodku and rotor balancing, ensuring symmetry of said spherical surface of the rotor relative to the reinforcing element, and produce spherodovodka and balancing of the rotor.

2. The method according to claim 1, characterized in that the radially oriented welding stresses are created due to the difference in the coefficients of linear thermal expansion of the material of the welded cylindrical part and the female sleeve and material placed on the last annular ring.