Технология оптического приборостроения

Существуют две разновидности ультразвуковой обработки. В первом случае обработка детали производится в абразивной суспензии (вода с карбидом бора), которой сообщаются ультразвуковые колебания. Обычно этот метод используется при декоративном шлифовании и снятии заусенцев.

Более перспективной является размерная (вторая разновидность) ультразвуковая обработка. При ее использовании движения абразивным зернам сообщаются торцом инструмента 2 (рис. 28.3), который через концентратор 3 жестко связан с преобразователем (вибратором) 4. Сердечник преобразователя изготовлен из пакета пластин, материал которых изменяет свои размеры в переменном магнитном поле (магнитострикционный эффект). Этим свойством обладают железо, кобальт, никель и их сплавы. На катушку преобразователя от генератора 5 подают электрические колебания ультразвуковой частоты 16–30 кГц, которые преобразуются в механические колебания инструмента той же частоты. Колебательная система прикреплена к шпинделю, который вместе с инструментом 2 перемещается по стрелке А в сторону обрабатываемой заготовки 1. В зону обработки подается абразивная суспензия 6.

Рис. 28.3. Схема установки для ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка обеспечивает получение размеров по 7–8-му квалитетам точности с шероховатостью обработанных поверхностей

Ra = 0,8–0,2 мкм.

28.3. Электрохимическая и электронно-лучевая обработка. Обработка излучением лазера

Электрохимическая обработка (ЭХО) позволяет обрабатывать (полировать) электропроводные материалы практически любой твердости, при этом отсутствует вредное действие тепла на поверхность детали и инструмента и не образуется наклепа.

300

Сущность ЭХО заключается в том, что при протекании постоянного тока между электродами, погруженными в электролит, происходит процесс анодного растворения (электролитическая эрозия), т. е. переход металла анода в раствор. В качестве анода при этой обработке принимается деталь, а в качестве катодов – токопроводящие материалы, не поддающиеся разрушению электролитом (нержавеющая сталь, медь, свинец).

В электрохимическом полировании металлический катод-инстру- мент 1 (рис. 28.4) с неэлектропроводными притирами 2 устанавливают над анодом – заготовкой 3. При протекании тока между инструментом и заготовкой, помещенными в электролит, на поверхности последней образуется хрупкая пленка, замедляющая процесс растворения. Для удаления пленки в раствор 4 вводят мелкодисперсный абразив (электрокорунд, окись хрома), шаржирующий эластичные неэлектропроводные притиры (из резины или другого пористого материала). Такое полирование называют еще анодно-абразивным.

Рис. 28.4. Схема установки для электрохимической обработки

При электронно-лучевой обработке изделие помещают в герметическую камеру, в которой обеспечивают вакуум. Специальное устройство (электронная пушка) создает остро сфокусированный пучок электронов, который ускоряется в вакууме до скорости порядка 100 км/с. Кинетическая энергия электронов, соударяющихся с деталью, превращается в теплоту, при этом в зоне обработки температура достигает приблизительно 6000 °С и металл испаряется.

Обработка излучением лазера целесообразна при диаметре отверстия (ширине щели) от нескольких микрометров до 0,5 мм, когда другие методы неприемлемы или недостаточно производительны. Процесс изготовления отверстия можно рассматривать как удаление материала за счет его испарения из зоны, на которой сфокусировано излучение лазера.

301

28.4. Плазменная обработка

Плазма – ионизированный газ, в котором объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов практически одинаковы (условие квазинейтральности). Плазма образуется при электрических разрядах в газах (газоразрядная плазма) в процессе нагрева газа до температуры, достаточной для протекания термической ионизации, и отличается от обычного газа рядом признаков, позволяющих считать ее особым, «четвертым» (после твердого, жидкого и газообразного) состоянием вещества. В частности, для плазмы характерно взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями, что обусловлено ее высокой электрической проводимостью. Плазму считают «горячей» (высокотемпературной), если температура ее около 106–107 К. Широкое применение в технике получила «холодная» (низкотемпературная) плазма (103–104 К). Такая плазма образуется в газоразрядных приборах и используется в плазменных генераторах для сварки и резки металлов, а также для нанесения покрытий.

Плазменная резка – резка металлов и неметаллических материалов с использованием низкотемпературной плазмы. Плазменная резка может осуществляться с помощью плазменной струи или плазменной дуги. В первом случае (рис. 28.5, а) плазма, создаваемая в разряде между анодом 3 и катодом 1 плазмотрона, истекает из разрядной камеры в виде струи 5, которая служит режущим инструментом (применяется для резки неэлектропроводных материалов). В случае электропроводного материала плазменная дуга горит между катодом 1 плазмотрона и разрезаемым материалом 6 (рис. 28.5, б), который в этом случае выполняет роль анода.

Рис. 28.5. Схема плазменной резки:

а – резка плазенной струей; б – резка дугой прямого действия; 1 – катод; 2 – газ; 3 – анод; 4 – электрическая дуга; 5 – плазма; 6 – разрезаемый материал

Плазменная сварка – сварка плавлением, при которой соединяемые детали нагревают плазменной дугой, сжатой потоком газа или внешним

302

магнитным полем (рис. 28.6, а), либо посредством плазменной струи (рис. 28.6, б). При плазменной сварке дугой объект сварки включается в электрическую сварочную цепь, где выполняет роль анода. При плазменной сварке с помощью струи объект сварки не подключается к источнику тока и нагревается за счет теплоты плазменной струи.

Рис. 28.6. Плазменная сварка дугой:

а– прямого действия; б – косвенного действия;

1– неплавящийся электрод; 2 – струя газа (аргон, гелий, азот, водород); 3 – охлаждаемое водой медное сопло; 4 – дуги; 5 – струя плазмы

Нанесение покрытий (напыление) производится для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подвергающихся интенсивному механическому воздействию. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, окислы, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка (или проволоки) в плазменную струю, в которой он плавится и со скоростью около 100–200 м/с в виде мелких частиц (20−100 мкм) распыляется на поверхность изделия.

28.5.Магнитно-абразивная обработка

Воснове процесса магнитно-абразивной обработки (МАО) лежит механический и механохимический съем металла и его окислов с поверхности обрабатываемой детали, а также сглаживание микронеровностей путем их пластического деформирования зернами магнитно-абразивного порошка, который под воздействием постоянного магнитного поля увеличивает свою жесткость и прижимается к обрабатываемой поверхности, совершающей относительное движение. Подача СОЖ в зону обработки обеспечивает возникновение процесса электролиза, в результате которого растворяются поверхностный слой материала детали и ферромагнитная основа зерен порошка, т. е. СОЖ в данном процессе выступает как носитель по- верхностно-активных веществ, а не как средство охлаждения детали. Анодное растворение поверхности металла обрабатываемой детали влияет на съем материала, а растворение ферромагнитной основы зерен порошка

303

обеспечивает вскрытие абразивных частиц и способствует увеличению их режущей способности.

На рис. 28.7 показана схема магнитно-абразивной обработки на примере доводки цилиндрических деталей. Обрабатываемую деталь 1 помещают между полюсными наконечниками 3 электромагнита 4 с определенными зазорами, в которые подают порошок 2, обладающий магнитными и абразивными свойствами. Электромагнит закреплен в ярме 5. Механическим приводом заготовке детали сообщают вращательное и осциллирующее вдоль оси движения.

Рис. 28.7. Схема магнитно-абразивной обработки наружных поверхностей тел вращения

Силами магнитного поля зерна порошка удерживаются в рабочих зазорах, прижимаются к поверхности заготовки и производят ее обработку. В рабочие зазоры подается СОЖ (эмульсия, керосин и т. д.). В данном случае функции рабочего (прижимного) усилия, действующего на порошок, и его упругой связки выполняет энергия постоянного магнитного поля. Степень упругости «магнитной» связки легко регулируется изменением напряженности магнитного поля, что позволяет процессу МАО приближаться к шлифованию связанным или свободным абразивом и тем самым использовать преимущества первого и второго в одном рабочем цикле.

Используемые в качестве режущего инструмента при МАО порошки должны обладать не только абразивными, но и высокими магнитными свойствами.

Основным свойством магнитно-абразивных порошков является прочность соединения ферромагнитной и абразивной составляющих.

Технология получения магнитно-абразивных порошков на основе железа и электрокорунда белого, а также железа и тугоплавких соединений

304

заключается в смешивании исходных порошков, прессовании брикетов из смеси, их спекании и последующем измельчении в порошок.

28.6.Технология быстрого прототипирования

Внастоящее время можно выделить три области использования технологий быстрого прототипирования:

1)изготовление различных макетов (прототипов);

2)изготовление инструмента (технологической оснастки) для традиционных производственных процессов (литья, штамповки) либо промежуточных средств для его производства. Такое направление носит название

быстрый инструмент;

3)непосредственное изготовление деталей.

Одним из способов быстрого прототипирования (послойного изготовления трехмерных объектов) является лазерная стереолитография. Принцип работы установки для лазерной стереолитографии иллюстрирует рис. 28.8. Ванна, оборудованная подвижным столом 1, заполнена жидким фотополимером 2, который может затвердевать (полимеризироваться) под действием лазерного луча. В исходном положении поверхность стола находится ниже уровня жидкости на толщину слоя. Луч лазера 3, направляемый сканирующим зеркалом 4, засвечивает только те участки поверхности, где на текущем слое должен находиться материал. Освещенные участки поверхности фотополимера за 2–3 с затвердевают и прилипают к столу или к ранее выращенной части детали. По завершении обработки первого слоя стол опускается на глубину следующего слоя, а выравнивающая линейка 5 наносит тонкий слой жидкой смолы одинаковой толщины на ранее выращенную часть детали 6. Далее опять засвечиваются только те участки поверхности нового слоя, на которых должен находиться материал. Так, слой за слоем, и формируется деталь. По завершении построения готовая деталь промывается от остатков жидкой смолы, сушится и может быть дополнительно помещена в ультрафиолетовую камеру для ускорения полимеризации.

Рис. 28.8. Схема установки для стереолитографии

305

Установка трехмерной печати (3D Printing, 3DP) выращивает деталь из порошка, для соединения частиц которого между собой используется клей. На поверхность подвижной платформы 1 (рис. 28.9) при помощи ролика подачи 2 наносится тонкий равномерный слой порошка 3. Подвижная головка с соплами 4 сканирует поверхность слоя и разбрызгивает быстро застывающий клей 5 только на те участки поверхности, где на текущем слое должен находиться материал. В этих местах частицы порошка склеиваются между собой и с нижеследующим слоем, формируя таким образом деталь 6.

Рис. 28.9. Установка для трехмерной печати

Технологию моделирования распределением расплава (Fused Deposition Modelling, FDM) иллюстрирует рис. 28.10.

Рис. 28.10. Установка для моделирования распределением расплава

В нагревательную головку 1 со множеством сопел, которая перемещается по программе, подается нить 2 (или нити, шнуры) из термопласта. В головке нить плавится и отдельными каплями выбрасывается из сопел на нужный участок. Застывая, капельки пластика 3 привариваются к предыдущему слою. Головка перемещается над поверхностью детали 4, формируя очередной слой. Далее подвижный стол 5 опускается на толщину слоя, и цикл повторяется до завершения выращивания детали.

306

Глава 29. ИЗГОТОВЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ДЕТАЛЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

29.1.Изготовление корпусных деталей

29.1.1.Конструктивно-технологические характеристики

Корпусные детали в оптических приборах выполняют функцию базирующих элементов. С их помощью соединяются и в пределах заданной точности взаимно располагаются все звенья прибора.

Наряду с требованием точности к обработке корпусных деталей предъявляются требования сохранения этой точности в течение всего периода эксплуатации прибора.

Условно корпусные детали можно разбить на следующие группы: коробчатые, рамочные, П-образные, Г-образные (кронштейны), трубчатые и др.

Характерной конструктивной особенностью корпусных деталей является наличие точно расположенных друг относительно друга отверстий и базовой поверхности.

Большинство корпусных деталей оптических приборов изготовляют из сплавов на основе термообработанного алюминия (Д1Т, Д16Т), титана, магния и др. Кроме того, корпусные детали изготовляют из сталей и чугуна, а для неответственных корпусных деталей применяют пластмассы.

Заготовки для корпусов получают различными способами литья, прессованием, сваркой или пайкой, комбинированным способом, когда отдельные элементы заготовки корпуса отливают, а затем их сваривают или соединяют пайкой.

Трудоемкость изготовления корпусных деталей существенно зависит от технологичности их конструкции, т. е. от правильного выбора материала детали, назначения оптимальных конструкторских баз, рациональной простановки размеров, оптимальной формы поверхностей и их расположения, заданной точности размеров и т. д.

При проектировании корпусных деталей рекомендуется обеспечить следующие технологические требования:

1.Корпусная деталь должна быть жесткой и прочной, чтобы при закреплении заготовки и в процессе ее обработки под воздействием силы резания не возникали деформации, вызывающие погрешности обработки.

2.В корпусных деталях нерабочие поверхности, где это возможно, желательно оставлять без механической обработки (во избежание вскрытия раковин), для получения товарного внешнего вида ограничиваясь только обдувкой песком.

3.Следует избегать наклонного расположения обрабатываемых поверхностей (особенно под разными углами).

4.Базовые поверхности корпусной детали должны иметь достаточный размер, обеспечивающий устойчивость закрепляемых на них деталей.

307

5.Обрабатываемые поверхности должны быть открыты и доступны для подхода режущего инструмента при врезании и на выходе.

6.Отверстия в корпусной детали должны иметь по возможности простую геометрическую форму без кольцевых канавок.

7.Основные отверстия должны быть сквозными, по возможности без пересечения с другими отверстиями и окнами.

8.Точные отверстия должны быть только во внешних стенках корпусных деталей. Наличие точных отверстий в перегородках нежелательно.

9.Крепежные отверстия корпусной детали должны быть стандартными, а их номенклатура (по диаметру) – минимальной.

29.1.2. Изготовление заготовок корпусных деталей

Литье является основным способом получения заготовок корпусов, при этом форму и размеры заготовок максимально приближают к готовым деталям, что уменьшает последующую механическую обработку.

Для изготовления заготовок (отливок) корпусных деталей применяют литье в землю, литье по выплавляемым моделям (технология быстрого прототипирования) и литье под давлением.

Литье в землю применяют главным образом для изготовления небольших серий крупногабаритных корпусов из сталей, чугунов и алюминиевых сплавов.

Литье по выплавляемым моделям назначают для получения деталей сложной конфигурации.

Процесс литья под давлением заключается в том, что расплавленный металл первоначально заливают в камеру литьевой машины, соединенную литниковыми каналами с замкнутой формующей полостью разъемной металлической формы. Затем под действием поршня металл с камеры машины принудительно перегоняется в полость формы, заполняет ее, затвердевает и образует отливку. При раскрытии формы отливку удаляют.

29.1.3. Механическая обработка корпусных деталей

Трудоемкость механической обработки корпусных деталей вызвана необходимостью обеспечения их высокой точности и стабильности размеров. Высокие требования к точности обязывают вести обработку поверхностей и основных отверстий в несколько этапов и на стадии окончательной обработки использовать точные станки и инструмент. Разделение механической обработки на черновые и чистовые операции обусловлено необходимостью уменьшить влияние деформаций заготовки на точность детали и износ прецизионного оборудования и на появление дополнительных внутренних напряжений в самом корпусе.

Одним из наиболее сложных и важных вопросов, решаемых при проектировании технологического процесса обработки корпусных деталей, являет-

308

ся назначение базирующих поверхностей. От решения этого вопроса зависят точность выполнения размеров, конструкция приспособлений и инструментов, а также общая трудоемкость обработки. При выборе базирующих поверхностей технологические и измерительные базы желательно совмещать с основными базами детали, т. е. осуществлять принцип единства баз.

При жестких требованиях к плоскостности после обработки на станках детали шабруют, а если помимо плоскостности необходимо обеспечить высокое качество поверхности (чистоту), их подвергают доводке.

Шабрением достигается плоскостность до 0,001 мм на длине 300 мм. Причем шабрение обеспечивает лучшее по сравнению со шлифованием прилегание поверхностей.

Доводкой достигается плоскостность 0,0006 мм на длине 300 мм. Доводку плоских поверхностей производят на притирочных плитах с помощью суспензии абразивного или алмазного порошков, а также пасты на их основе.

Обработка основных отверстий является наиболее сложной и трудоемкой частью технологического процесса изготовления корпусов. Эта обработка делится на черновую, чистовую и отделочную.

Перспективным при обработке корпусных деталей является применение пяти осевых станков, когда две поворотные оси используются для переориентации инструмента, а три линейные оси задействованы во время резания. Наклонив шпиндель по отношению к крутой стене обрабатываемой детали, можно сократить длину инструмента и соответственно провести обработку на более высоких режимах резания.

29.1.4. Стабилизирующая термическая обработка корпусных деталей

Термическая обработка заготовок корпусных деталей обеспечивает стабильность размеров и формы в условиях эксплуатации при переменной температуре.

Самопроизвольное изменение размеров механических деталей происходит из-за двух факторов: нестабильности кристаллической решетки (решетки бывают: центрированный куб, куб с центрированными гранями, гексагональная и др.) и структурного состояния материала (в зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие, которые могут переходить друг в друга: аустенит, ледебурит, перлит, феррит и цементит, фосфидная эвтевтика, графит); релаксации (выравнивания) остаточных внутренних напряжений, возникающих в деталях в процессе различных операций гoрячей и холодной обработки, а также при механосборочных работах.

Для обеспечения стабильности размеров деталей последние подвергают термической стабилизации. С этой целью вводят такие термические операции, как термическая обработка, обработка холодом, термоциклическая обработка.

309