Технология оптического приборостроения

10

11

ВВЕДЕНИЕ

Издание содержит материал по технологии обработки высокоточных оптических деталей и нанесения на их исполнительные поверхности специальных покрытий, а также шкал и сеток, методам получения деталей различной формы, степени точности и качества поверхности из металла и пластмасс, по сборке и совместной отладке (юстировке) оптических и механических узлов и приборов в целом, а также испытанию, эксплуатации и ремонту оптических приборов. Такое комплексное освещение отмеченных вопросов в их взаимосвязи отображает последовательность выполнения операций по изготовлению современных оптических приборов, начиная с заготовок из различных материалов и заканчивая готовым изделием, его испытанием, эксплуатацией и ремонтом, что повышает информативность пособия и является его отличительной особенностью в сравнении с существующими изданиями.

Наряду с традиционными методами получения элементов приборов из оптического стекла в пособии изложены перспективные приемы изготовления оптических деталей, направленные на повышение качества приборов

иснижение их себестоимости. Сюда можно отнести одновременное двустороннее формообразование маложестких линз с тонким центром; пневмоцентробежную обработку стеклянных шариков для микрооптики, обеспечивающую самоорганизацию процесса получения шара из куба и позволяющую существенно повысить выход годных деталей; центрирование микролинз, при использовании которого не задействуются дорогостоящие станки-полуавтоматы модели ЦС и реализуется операция группового совмещения оптической и геометрической осей детали.

Вразделе, посвященном получению механических деталей, кроме классической технологии резания металла излагаются эффективные физикохимические методы обработки, а именно: высокоэнергетическая штамповка, электроэрозионная, ультразвуковая, электрохимическая, магнитно-абра- зивная, плазменная и электронно-лучевая обработка, а также обработка лучом лазера и технология быстрого прототипирования (послойного изготовления трехмерных объектов). Последняя является прогрессивным приемом изготовления различных макетов (прототипов), инструмента (технологической оснастки) для традиционных производственных процессов (литья, штамповки) либо промежуточных средств для его производства

инепосредственного изготовления деталей.

При рассмотрении вопросов непосредственного изготовления оптических приборов как готовых изделий особое внимание уделяется способам сборки и юстировки типовых узлов приборов, а также самих приборов различного назначения, в том числе для работы в условиях ограниченной видимости. Помимо этого даются описания наиболее распространенных вспомогательных операций сборочного процесса.

12

Изложены сведения по методике эксплуатации приборов и технологии их ремонта, которая предусматривает восстановление размеров и чистоты механических элементов, наращивание изношенных поверхностей, пригонку деталей и упрочняющую обработку.

По содержанию издание согласовано с программами соответствующих дисциплин для студентов, магистрантов и аспирантов приборостроительных факультетов вузов и может быть полезно не только изучающим технологию оптического приборостроения (в том числе в приборостроительных техникумах) и работающим в этой области, но и конструкторам оптических приборов, которые должны учитывать как техническое задание на изделие, так и требования технологии, т. е. прибор должен быть технологичным с точки зрения его производства, эксплуатации и ремонта.

В пособии не приводятся исчерпывающие сведения по всей совокупности порой весьма сложных технологических вопросов реального производства, многие из которых изложены в справочной литературе и в разнообразной нормативной документации (государственных и отраслевых стандартах, нормалях, инструкциях и т. п.). Дается методическое освещение основных приемов, позволяющих решать широкий спектр конкретных постоянно изменяющихся задач технологического обеспечения на всех этапах создания и эксплуатации оптических приборов.

13

Раздел 1

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Глава 1. АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1.Шлифующие абразивы естественного

иискусственного происхождения

Кшлифующим абразивам относятся алмаз, корунд, кварцевый песок, карбид кремния, электрокорунд, карбид бора.

Алмаз (природный и синтетический) представляет собой кристаллическую модификацию углерода. Твердость по минералогической шкале составляет 10, микротвердость – порядка 100 000 МПа. В зависимости от условий синтеза синтетического алмаза получают порошки, зерна которых

отличаются размером, формой, характером поверхности, прочностью

ихрупкостью. В соответствии с этим их относят к различным маркам. Алмаз применяют в виде единичных жестко закрепленных зерен и

ввиде мелкой крошки-пудры, спрессованной и спеченной с металлической пудрой. В первом случае алмазом выполняют операцию резания стекла, а также гравирование штрихов на отдельных сетках; во втором – операции сверления, фрезерования и шлифования. В свободном состоянии синтетический алмаз применяют в виде паст и суспензий на завершающих стадиях обработки (полирования) некоторых кристаллов.

Корунд состоит в основном из глинозема (Al2O3) в количестве 70–90 %

ипримесей (железа, хрома, титана), которые определяют его окраску. Твердость корунда по минералогической шкале составляет 9, микротвердость – 16 000–24 000 МПа. В свободном состоянии корунд используют для шлифования практически всех оптических материалов. Имеет природное происхождение.

Карбид кремния (карборунд) – химическое соединение углерода с кремнием (SiC), получаемое при плавлении смеси угля с кварцевым песком при

температуре 2000–2200 С. Твердость карборунда по минералогической шкале составляет 9,5–9,75, микротвердость – 28 000–33 000 МПа. Применяется в виде порошка для грубого шлифования (обдирки) стекла, а также для изготовления шлифовальных кругов.

Электрокорунд Al2O3 представляет собой кристаллический глинозем, получаемый электроплавкой боксита при температуре 2000 С. Благодаря высокому содержанию глинозема (до 99,5 %) электрокорунд обладает весьма высокой твердостью: по минералогической шкале – 9–9,2; микротвердость – 18 000–22 000 МПа. Применяется в виде порошков для всех видов шлифования (от грубого до самого мелкого) и изготовления шлифовальных кругов.

Сорт электрокорунда различают по цвету: наивысший сорт – белый, корунд худшего качества имеет розовый, коричневый или черный цвета.

14

Электрокорунд более вязок, чем карборунд, поэтому в процессе шлифования его зерна не так быстро измельчаются.

Карбид бора В4С представляет собой соединение углерода с бором, получаемое плавлением смеси борного ангидрида и кокса при температуре

2500 С. По твердости карбид бора близок к алмазу; его микротвердость – 33 350–43 000 МПа. Применяется при сверлении отверстий в стекле, а также для шлифования твердых кристаллов.

1.2. Зернистость и зерновой состав абразивов

Все абразивные материалы, кроме алмаза и нитрида бора, в зависимости от способа классификации условно делятся на два класса. К первому относятся абразивные материалы, получаемые рассевом на ситах, ко второму – гидроклассификацией (зерна абразива различного размера выносятся из сосуда потоком воды, движущейся с различной скоростью). Первые делят на две группы – шлифзерно и шлифпорошки, продукты второго класса называют микропорошками. Каждая из этих групп делится на порошки разной зернистости, которым присвоены номера, соответствующие размеру зерен основной фракции (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация абразивных материалов на группы

15

Для первых двух групп абразивных материалов характеристикой крупности являются размеры ячеек двух смежных сит, из которых на одном сите зерно основной фракции задерживается, а через второе сито зерно должно проходить.

Абразивные порошки одной и той же зернистости выпускают с различным содержанием основной фракции. В зависимости от этого в обозначение порошка после номера вводят одну из букв: В, П, Н, Д. Буква В характеризует порошок с наибольшим содержанием основной фракции, буква Д – с наименьшим. В зерновой состав порошков кроме основной входят побочные фракции: предельная, крупная, мелкая. Роль каждой фракции в процессе шлифования следующая:

мелкая не оказывает влияния ни на интенсивность шлифования, ни на шероховатость шлифуемой поверхности;

основная определяет интенсивность износа (ее количество должно составлять 30–40 % – по числу зерен);

крупная определяет шероховатость шлифуемой поверхности; предельной фракции в порошке должно быть не более 0,2 %, что не

увеличивает шероховатость шлифованной поверхности.

Качество абразивных порошков оценивают по их шлифующей способности и шероховатости обработанной поверхности. Шлифующую способность характеризуют массой материала, отшлифованного с образца стекла в стандартных условиях испытания.

П о р о ш к и природного и синтетического алмазов разделены на две группы: шлифпорошки и микропорошки. Шлифпорошки природного алмаза имеют одну марку – А, синтетического – пять марок: АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС (АС – алмаз синтетический; О, Р, В, К, С – индексы типов порошков, отличающихся физико-химическими свойствами).

Шл и ф п о р о ш о к каждой марки разделен на номера зернистости.

Впорошок каждой зернистости входят три фракции: крупная, основная и мелкая. Зернистость порошка установлена по основной фракции. Ее обозначают дробью, у которой числитель – размер (мкм) стороны ячейки верхнего сита, знаменатель – размер (мкм) стороны ячейки нижнего сита.

М и к р о п о р о ш к и природных алмазов имеют марки АМ и АН, синтетических – АСМ и АСН (М – medium – средний, Н – high – высокий). Микропорошок каждой марки разделен на номера зернистости, что осуществляется центрифугированием и осаждением в столбе жидкости. В промышленности используются микропорошки следующей зернистости: 60/40, 40/28, 28/20, 20/14, 14/10, 10/7, 7/5, 5/3, 3/2, 2/1, 1/0.

Микропорошок марки АСМ с размером зерен меньше 0,7 мкм служит исходным сырьем для изготовления с у б м и к р о п о р о ш к о в, используемых при обработке кварца, рубина, полупроводниковых кристаллов, металлов и некоторых оптических материалов. Субмикропорошки бывают следующей зернистости: АСМ 0,7/0, 0,5/0 и 0,3/0.

16

Детали из оптического стекла шлифуют водными суспензиями абразивных порошков. Концентрации суспензий выражают соотношением весовых количеств жидкой (вода) и твердой (абразив) фаз и условно обозначают Ж: Т. Обычно Ж: Т принимают в пределах 2–5.

1.3. Регенерация абразивов

Абразивные зерна в процессе обработки стекла разрушаются, размельчаются и загрязняются осколками разрушенного стекла, металлом шлифующего инструмента, жирами и другими органическими примесями. Однако если отработанный абразивный материал тщательно очистить от загрязнений и проклассифицировать по крупности на соответствующие фракции, то его снова можно использовать для обработки стекла.

Совокупность процессов очистки и классификации использованного абразива называют регенерацией.

Отходы металла и органических веществ, загрязняющие абразив, удаляют процеживанием абразива через сита и обработкой его кислотами (HCl или H2SO4). Значительно сложнее обстоит дело с очисткой абразива от осколков стекла. Отделить зерна от осколков стекла с помощью водной классификации невозможно, так как их плотность почти одинакова. Разрушение же стекла в воде может быть осуществлено только с помощью плавиковой кислоты. Однако вредность этой кислоты не позволяет применять ее для очистки абразивов. Шлифующая способность абразива заметно не понижается при содержании в нем сошлифованного стекла примерно до 50 %, поэтому при регенерации абразивов стекло не удаляют.

Качество регенерированных порошков определяют их шлифующей способностью и структурой поверхности обработанного стекла. Основным видом контроля порошков является определение их зернового состава.

1.4. Полирующие абразивы

Полирующие абразивы применяют для удаления следов шлифования с поверхности стекла до приобретения ею прозрачности с необходимой степенью чистоты. Полировальные материалы не должны вызывать на обрабатываемой поверхности механических повреждений (точек, царапин) и налетов, нарушающих ее прозрачность и увеличивающих светорассеивание поверхности. Полировальные порошки должны обладать:

твердостью в пределах 5–7 единиц по шкале Мооса; постояннымзерновымсоставом(оптимальныйразмерзерен0,8–1,4 мкм);

пластинчатой формой зерен, которые при дроблении должны давать осколки остроугольной формы;

отсутствием в порошке царапающих примесей; малой смачиваемостью жидкостью суспензии (для улучшения закреп-

ляемости зерен на подложке полировальника).

17

Полирующие абразивы являются окислами некоторых металлов и представляют собой искусственно получаемые мелкозернистые порошки кристаллического строения.

Качество полировальных порошков определяют полирующей способностью и чистотой полирования. Полирующую способность порошка определяют по весу стекла марки К8, сполированного с образца диаметром 75 мм в течение 30 мин в стандартных условиях. Чистоту полирования характеризуют классом чистоты отполированной поверхности детали.

Основными полирующими материалами являются крокус, полирит, окись тория, двуокись циркония, окись хрома, алмазные микропорошки.

Крокус (Fe2O3) – безводный мелкокристаллический оксид железа. Средний размер зерна 0,6–1,0 мкм, твердость по шкале Мооса 5,0–6,0 единиц. Используется при полировании деталей из стекла, чистота поверхности которых должна соответствовать первому классу.

Полирит состоит в основном из оксидов редкоземельных металлов, однако полирующие свойства определяет оксид церия CeO2. Размер зерен – до 5 мкм, твердость 6,0–7,0 единиц. Полирит является основным полирующим абразивом, который используется при изготовлении оптических деталей.

Оксид тория (ThO2) – это порошок с кристаллами размером до 10 мкм, получаемый прокаливанием гидроокиси или органических солей тория. Имеет высокую полирующую способность, но не обеспечивает хорошей чистоты поверхности, поэтому применяется, как правило, для быстрого удаления следов шлифования.

Двуокись циркония (ZrO2) получают термическим разложением соединений карбонатов и сульфатов. Сырьем является минерал циркон. Средний размер зерен 3,5–5 мкм. Применяется в основном для полирования стекол СТК.

Оксид хрома (Cr2O3) изготовляют восстановлением бихромата калия серой либо термическим разложением бихромата аммония. Зерна имеют размер 0,3–1,2 мкм, твердость близка к 9,0 единицам. Для обработки стекла полирующая способность окиси хрома недостаточна, однако этот порошок хорошо полирует кристаллы и металлы, менее твердые, чем стекло. Оксид хрома в виде паст (паста ГОИ) используется для доводочных и притирочных работ в инструментальной промышленности.

Алмазные микропорошки АСМ и АСН зернистостей 3/2–1/0 и субмикропорошки зернистостей 0,7/0−0,3/0 используют при полировании деталей из кристаллов рубина, сапфира, кремния и других особо твердых материалов и металлов. При определенных условиях, характеризуемых свойствами связки, микропорошки применяют для полирования стекла.

По полирующей способности рассмотренные порошки располагаются в следующем порядке:

18

Глава 2. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. Смазочно-охлаждающие жидкости

Процесс механической обработки оптических деталей (шлифование, кругление, полирование) сопровождается выделением тепла и продуктов обработки (шлама), что снижает производительность труда, сокращает срок службы инструмента, ухудшает качество обработанной поверхности.

Отвод тепла и продуктов обработки, а также уменьшение трения в зоне контакта инструмента и детали осуществляют применением смазочноохлаждающих жидкостей (СОЖ). СОЖ также участвует в разрушении стекла путем физико-химического воздействия.

При обработке оптических деталей алмазным инструментом и абразивными кругами эффективно используют СОЖ, состоящую из эмульсола, керосина осветительного и воды. Эмульсол представляет собой отходы масляного производства. Малое количество содержащихся в нем поверхностноактивных веществ и плохая растворимость в воде определяют низкие смазывающие и смачивающие свойства эмульсий. Поэтому в зоне контакта алмазных зерен со стеклом практически нет смазывающей пленки, а находится только прослойка воды. При отводе тепла она испаряется, трение пары «стекло–алмаз» происходит почти всухую, что ускоряет износ зерен.

Улучшенные смазочно-охлаждающие свойства имеют 5%-е водные эмульсии на основе эмульсола, компонентами которого являются сульфокислота (75 %), тринатрийфосфат (15 %), глицерин (10 %).

При использовании водосодержащих СОЖ и работе алмазного инструмента с малой нагрузкой наблюдается его засаливание. Причиной этого является взаимодействие частиц разрушенного стекла со связкой инструмента. Частицы стекла, выполняя защитную функцию, замедляют износ связки и удаление затупившихся зерен алмаза. Режим самозатачивания инструмента нарушается, и инструмент теряет режущую способность. Взаимодействие стекла со связкой уменьшают, вводя в состав СОЖ вещества, которые адсорбируются на связке данного состава лучше, чем стекло (часто используют кальцинированную соду).

При выполнении операции центрирования линз алмазными кругами в качестве СОЖ используют веретенное или вазелиновое масла. Для центрирования линз из неналетоопасных стекол могут быть применены водо-

19