Технология оптического приборостроения

меняют ртутные и ртутно-ксеноновые лампы. Для экспонирования обычно используют область ближнего или дальнего ультрафиолетового излучения, которую из спектра источника вырезают с помощью дихроичных зеркал, отражающих только отдельные линии (h, g, I) излучения ртутной лампы.

Глава 13. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ШАРОВИДНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТЕКЛА

13.1. Предварительная обработка шариков по классической технологии

Положительные линзы с радиусами кривизны менее 15 мм составляют класс оптических деталей, обрабатываемых по технологии получения шаровидных деталей. Необходимость разработки этой технологии вызвана большой трудоемкостью обработки обычными средствами таких деталей с погрешностью оптических поверхностей N 1, N 0,1 и чистотой Р не

грубее 2-го класса.

Характерными особенностями изготовления деталей данного класса по технологии получения шаровидных деталей являются шлифование и полирование сферической поверхности в свободном состоянии, т. е. без закрепления заготовок на наклеечном приспособлении.

Заготовки будущих шариков делают в виде кубиков (нарезают из пластины), которым в результате грубого шлифования (галтовки) придают предварительную форму шара.

Первая стадия обработки выполняется на специальном станке типа центрифуги (рис. 13.1), состоящем из цилиндрического неподвижного корпуса 1, шпинделя 2 с закрепленным на нем абразивным кругом 3 и крышки 4.

Рис. 13.1. Станок для галтовки стеклянных шариков

160

Кубики, находящиеся на вращающемся шлифовальном круге 3, вследствие трения о его поверхность получают вращательное движение. Одновременно под действием центробежной силы кубики перемещаются к внутренней поверхности неподвижного корпуса 1. При этом нижние постепенно перемещаются кверху. Самый верхний ряд кубиков скатывается на центральную зону круга, свободную от кубиков. Такое постоянное перемешивание заготовок обеспечивает их обработку по периметру. Партия загрузки составляет 200–1500 кубиков. Время обработки, в зависимости от размера кубиков, составляет 6–15 ч.

Недостатком этого способа формообразования шариков является отсутствие гарантированного многоосного (трехосного) вращения кубиков в рабочей зоне станка, в результате чего форма обработанных заготовок имеет невысокую степень приближения к шаровидной. Данному недостатку способствует также плоский профиль рабочей поверхности инструмента. В таком случае имеется высокая вероятность контактирования кубика с инструментом своими гранями, а не ребрами, что необходимо для образования шара из куба. Кроме этого, многие заготовки разрушаются при соударении друг с другом, что существенно снижает выход годных изделий. К недостаткам рассматриваемого способа также следует отнести невозможность проведения активного контроля диаметра обрабатываемых шариков (контроля непосредственно в процессе изготовления), следствием чего является получение шариков с отклонением от сферической формы и разноразмерностью до 1,8 мм в пределах партии.

Целью второй стадии операции предварительной обработки является придание всей партии заготовок шариков правильной геометрической формы и одинакового размера. Обработку заготовок выполняют на полуавто-

мате (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Полуавтомат для второй стадии шлифования стеклянных шариков

Шарики из вибробункера 1 по лотку попадают в отверстие сепаратора 2, вращающегося с постоянной скоростью вокруг оси О1. Увлекаемые сепа-

161

ратором шарики перемещаются в зазоре между двумя вращающимися навстречу один другому абразивными кругами 3 и 4, оси вращения О2 и О3 которых смещены на величину b. Эксцентриситет b способствует тому, что шарикам придается сложное вращательное движение, обеспечивающее получение ими правильной геометрической формы. Диаметр шариков регулируется величиной зазора d между абразивными кругами. Прошедшие обработку шарики по лотку направляются в сортировочное устройство 5, в котором прокатываются вдоль щели, образованной лезвиями двух ножей 6, развернутых один относительно другого на некоторый угол. Катящиеся по лезвиям ножей шарики по мере увеличения зазора между ножами проваливаются в кассы 7, соответствующие определенным размерам шариков.

Недостатками обработки на данном полуавтомате являются влияние вибрации абразивных кругов на точность и малое время пребывания шарика в рабочей зоне, в результате чего получаются детали с отклонением от сферической формы и разноразмерностью до 0,2 мм в пределах партии.

13.2. Метод пневмоцентробежной обработки шариков

Сущность метода пневмоцентробежной обработки заключается в том, что заготовки кубической формы, помещенные между соосно расположенными инструментами с коническими рабочими поверхностями, вращают вокруг оси последних посредством среды под давлением.

Схема устройства для реализации рассматриваемого метода содержит инструменты 1 и 2 (рис. 13.3), по периферии снабженные рабочими участками в виде алмазоносных конических колец 3.

Рис. 13.3. Устройство для центробежной обработки шариков

Инструменты расположены соосно с зазором, величину d0 которого устанавливают равной диаметру готового шарика. На верхнем инструмен-

162

те укреплен полый цилиндр 4, снабженный камерой расширения 5 с тангенциальными соплами 6 в его боковой поверхности, а на нижнем – кольцо 7, которое направляет выходящие из рабочей зоны готовые шарики в наклонную канавку 8. Для выхода отработанного воздуха между кольцом 7 и инструментом 1 имеется зазор шириной h.

Устройство работает следующим образом. Заготовки 9 в виде кубиков с размером ребра а помещают в рабочую зону и открывают вентиль 10. В результате сжатый воздух от воздушной сети через регулятор давления 11 по воздухопроводу 12 попадает в камеру расширения 5 и, проходя через тангенциальные сопла 6, разгоняет заготовки 9 до рабочей переносной скорости вокруг общей оси симметрии инструментов 1 и 2 вдоль алмазоносного рабочего участка. В результате заготовки 9 приобретают шаровидную форму диаметром d (шарик 13). В процессе дальнейшего формообразования шарики принимают окончательный размер диаметром d0 (шарик 14) и после выхода из рабочей зоны по наклонной канавке 8 скатываются в сторону отверстия 15 в инструменте 2, через которое направляются на последующую операцию.

13.3. Модернизированное устройство для пневмоцентробежной обработки шариков

В устройстве, рассматриваемом в п. 13.2, усилие на заготовку обеспечивается только за счет давления рабочей среды (например, сжатого воздуха), что не позволяет существенно повысить производительность обработки из-за ограниченного значения этого давления (0,4–0,6 МПа) в производственных условиях. С целью устранения этого недостатка предлагается модернизированное устройство, конструкция которого показана на рис. 13.4.

Устройство состоит из нижнего 1 и верхнего 2 соосно расположенных рабочих дисков, на обращенных друг к другу поверхностях которых закреплены нижний 3 и верхний 4 абразивные сегменты. При этом на боковой поверхности нижнего рабочего диска 1 смонтировано кольцо 5 с профильным рабочим торцом 6. Это кольцо с нижним абразивным сегментом 3 образует круговую канавку 7 для накопления готовых шариков 8, выгружаемых через закрытое пробкой 9 отверстие 10 в нижнем рабочем диске 1. На наружной поверхности верхнего рабочего диска 2 закреплены кронштейн 11 с регулировочным винтом 12, головка которого входит в паз втулки 13, установленной с возможностью перемещения вдоль стойки 14 кронштейна 11. Во втулке 13 расположена ось 15, на которой через подшипник смонтирован ролик 16. На верхнем рабочем диске 2 закреплены также хомут 17 и штуцер 18, несущий камеру расширения 19 с тангенциальными соплами 20. Для загрузки заготовок 21 в рабочую зону 22 в верхнем рабочем диске 2 имеется отверстие 23, закрытое пробкой 24.

163

между верхним 2 и нижним 1 рабочими дисками при нахождении ролика 16 на возвышенности профильного рабочего торца 6. Далее открывают пробку 24 и через отверстие 23 заготовки 21 загружают в рабочую зону 22, а затем через штуцер 18 подают среду под давлением (например, сжатый воздух) в камеру расширения 19. Выходя через тангенциальные сопла 20, данная среда приводит заготовки 21 в движение вокруг оси симметрии нижнего 1 и верхнего 2 рабочих дисков вдоль абразивных сегментов 3 и 4. После этого в движение приводят нижний рабочий диск 1 (привод не показан) вместе с кольцом 5 и профильным рабочим торцом 6, который через ролик 16, ось 15, втулку 13, регулировочный винт 12 и кронштейн 11 вызывает переносное возвратно-поступательное перемещение верхнего рабочего диска 2 с верхним абразивным сегментом 4. В момент сближения рабочих дисков 1 и 2 друг относительно друга происходит смещение заготовок к их оси симметрии, а при увеличении расстояния между дисками заготовка смещается от упомянутой оси.

По мере обработки исходная заготовка 21 превращается в шарик 8, который в момент приобретения заданного размера выходит из рабочей зоны 22 и попадает в наклонную канавку 7. При накоплении шариков в канавке 7 открывают пробку 9 и через отверстие 10 выгружают готовые шарики.

При использовании предлагаемого устройства заготовки в процессе обработки постоянно находятся в контакте с режущими участками, и на них дополнительно воздействует усилие верхнего рабочего диска, что позволяет повысить производительность обработки шариков из хрупких материалов.

13.4. Устройство для формообразования шаровидных деталей широкого диапазона диаметров

Рассмотренные в п. 13.2 и 13.3 устройства для ПЦО целесообразно использовать при получении шариков диаметром до 9 мм. В случае более крупных заготовок из-за уменьшения их скорости вращения эффективность обработки на данных устройствах заметно снижается. Эта проблема успешно решается, если применить устройство, состоящее из основания 1 (рис. 13.5) прямоугольной формы, в котором смонтированы направляющие 2, несущие фиксирующие сухарики 3 и расположенные между ними держатели 4 с инструментальными втулками 5, снабженными сферическими алмазоносными лунками для исходных заготовок некруглой формы 6 и пружинами 7. В одной из боковых поверхностей основания установлены зажимные винты 8, а находящийся на пересечении его диагоналей фиксирующий сухарик снабжен хвостовиком 9. Устройство закрепляют на шпиндель 10 базового станка, а на заготовки 6 помещают планшайбу 11 с наклеенной листовой резиной 12 и шарнирно соединяют ее с поводком 13 выходного звена исполнительного механизма станка.

Устройство работает следующим образом. Первоначально в сферические лунки инструментальных втулок 5 помещают заготовки 6 и устрой-

165

ство закрепляют на шпиндель 10 базового станка. Затем на заготовки 6 устанавливают планшайбу 11 с листовой резиной 12 и отвинчивают зажимные винты 8 в основании 1, что приводит к некоторому смещению фиксирующих сухариков 3 по направляющим 2 в сторону винтов 8 и осевому перемещению под действием пружин 7 держателей 4 с инструментальными втулками 5 и заготовками 6, способствуя расположению последних в горизонтальной плоскости. После этого завинчивают зажимные винты 8, фиксируя сухариками 3 достигнутое положение держателей 4. Далее в сферическую лунку планшайбы 11 вводят шаровидный наконечник поводка 13 выходного звена исполнительного механизма базового станка, включают вращение его шпинделя 10 и возвратно-вращательное движение поводка 13. При этом устройство с заготовками 6 совершает вращение, планшайба 11 – переносное возвратно-вращательное перемещение, а под действием сил трения заготовок 6 о резину – и относительное вращение вокруг оси симметрии поводка 13. В результате сочетания этих движений и благодаря сцеплению резины 12 с заготовками 6 последние совершают сложное (трехосное) вращение относительно инструментальных втулок 5. В случае необходимости к планшайбе 11 через поводок 13 прикладывают рабочее усилие требуемой величины.

Рис. 13.5. Устройство для формообразования шаровидных деталей широкого диапазона диаметров

166

В процессе обработки в инструментальные лунки 5 периодически подают СОЖ специального состава.

13.5. Классические методы шлифования и полирования стеклянных шариков

13.5.1. Шлифование

Шлифование выполняют на станке (рис. 13.6), нижнее звено которого представляет собой планетарно перемещающуюся планшайбу 1 с наклеенной листовой резиной 2.

Рис. 13.6. Станок для шлифования стеклянных шариков

Верхним звеном является неподвижно закрепленный латунный шлифовальник 3, в котором высверлены сквозные фигурные отверстия. Нижняя часть последних имеет диаметр D = Dш + (0,2…0,5) мм, в зависимости от размера зерен применяемого абразива. Средняя часть имеет коническую форму с углом 60°. Глубину конического отверстия выполняют такой, чтобы обеспечить выступание шариков наружу на (1/3) Dш. Так как коэффициент трения стекла о резину больше, чем стекла о латунь, то шарики начинают свободно вращаться в конических лунках. Коническая поверхность выполняет функцию шлифовальника переменного радиуса кривизны. Реализация многоосного вращения шарика в лунке осуществляется планетарной кинематикой станка, обеспечивающей одинаковый съем припуска со всех заготовок. Шлифование выполняют абразивной суспензией М20, М14, М7 в три перехода. Суспензию подают сверху через цилиндрическую часть отверстий шлифовальника.

Эксцентриситет е планетарной передачи изменяют в зависимости от требуемой интенсивности процесса шлифования. С увеличением эксцентриситета скорость обработки возрастает.

Недостатком шлифования по рассматриваемой схеме является разноразмерность обрабатываемых шариков в партии. Эта погрешность возникает из-за того, что поступающие с предыдущей операции шарики непременно отличаются по диаметрам, а устройство не обеспечивает возможность

167

управления величиной съема припуска с деталей, находящихся в той или иной зоне шлифовальника. Кроме этого, технически сложно выполнить одинаковую глубину конической части всех отверстий в шлифовальнике.

13.5.2. Полирование

Полирование осуществляют на станке (рис. 13.7) в два перехода при помощи двух полировальников.

Рис. 13.7. Станок для полирования стеклянных шариков

Верхний полировальник 1 закреплен на вращающемся вертикальном шпинделе станка, а нижний 2 неподвижен. Для выполнения первого перехода используют полировальники, состоящие из смеси смолы с опилками мягких пород дерева, а для второго – из мягкой смолы. Полирующей суспензией служит полирит с водой Т : Ж = 1 : 1. На обеих поверхностях полировальников протачивают канавки с одной установки резца, глубина канавок 0,25 Dш.

В канавки помещают стеклянные шарики вместе с разделительными пластмассовыми, которые предохраняют полируемые поверхности стеклянных шариков от царапин и выколок. Диаметр разделительных шариков выбирают на 0,1–0,5 мм меньше обрабатываемых. После выполнения первого перехода все шарики сортируют по диаметрам через 0,1 мкм на вертикальном оптиметре, снабженном специальным устройством, а после второго перехода контроль N и N осуществляют на интерферометре.

Дальнейшую обработку шариков выполняют различно в зависимости от конструктивных особенностей линз.

13.6. Перспективный метод финишной обработки стеклянных шариков

Финишная обработка шариков сводится к их тонкому шлифованию и полированию и может быть выполнена с использованием устройства, аналогичного рассмотренному в п. 13.4, с заменой сферических инструментальных втулок 5 коническими 1 (рис. 13.8). При этом планшайбу 2 с листовой резиной 3 закрепляют на шпиндель 4 базового станка (напри-

168

мер, модели ШП или ПД), а в конические втулки 1 помещают шаровидные заготовки 5. В находящихся на пересечении диагоналей основания 6 фиксирующих сухариках 7 выполнена сферическая лунка 8, в которую устанавливают сферический наконечник поводка 9 выходного звена исполнительного механизма станка.

Рис. 13.8. Устройство для финишной обработки стеклянных шариков

В процессе обработки шлифующую и полирующую суспензии наносят на поверхность резины 3 и периодически проводят контроль диаметров шариков.

При эксплуатации рассматриваемого устройства возможно выпадание шариков из инструментальных втулок, что усложняет процесс обработки. Этот недостаток устраняется использованием составной инструментальной втулки, показанной на рис. 13.9. Она состоит из собственно инструментальной втулки 1 и резьбовой втулки 2, предохраняющей выход шарика 3 из рабочей зоны (выскакивание из инструментальной втулки). Инструментальная втулка выполняется в виде полого тонкостенного цилиндра (чем тоньше стенка, тем точнее сферическая поверхность шарика) и является самозатачивающимся инструментом. Для стадий тонкого шлифования и полирова-

169