Технология оптического приборостроения

перемещении срывают участки поверхностной пленки, толщина которой и определяет предельную точность полирования (1/200λ).

Большое значение для уяснения сущности полирования стекла представляют исследования В. М. Винокурова в области влияния свойств полировальных порошков на скорость полирования. Им установлено, что производительность полирования растет по мере увеличения размера зерен полирита и при размере зерен порядка 0,34 мкм процесс прекращается. В. М. Винокуров показал, что между поверхностями стекла и подложки полировальника имеется несжимаемый аномальный слой жидкости, толщина которого зависит от давления на инструмент.

Исследованиями В. М. Винокурова установлено, что полировальные зерна производят на стекле разрушения в виде микробороздок, направленных по движению зерен. Это свидетельствует о том, что при полировании происходит не хрупкое разрушение поверхности с образованием трещин (как при шлифовании), а удаление микростружки и полировальные зерна при работе закрепляются на подложке полировальника, а не кантуются, как при шлифовании.

В работах В. М. Винокурова также показано, что скорость полирования существенно изменяется в зависимости от степени смачиваемости суспензий полировальных зерен и подложки. Чем меньше смачиваемость, тем лучше зерна закрепляются на подложке и тем интенсивнее идет полирование. Уменьшение смачиваемости полировальных порошков может быть достигнуто обработкой их растворами олеиновой кислоты или неорганическими соединениями.

3.5. Влияние основных технологических факторов на производительность процесса полирования

3.5.1. Природа подложки полировальника

Для равномерного давления на полировальные зерна с практически различными размерами материал полировальника должен обладать упругими свойствами. Для обеспечения высокой точности полируемой поверхности поверхность инструмента должна длительное время сохранять свою форму. Для обеспечения эффективного полирования, т. е. быстрого получения чистой прозрачной поверхности образца, материал инструмента должен позволять хорошо закрепляться зернам полировального порошка на его поверхности. Для точной регулировки кривизны поверхности детали по общим и местным ошибкам необходимо легко и с большой чувствительностью корректировать кривизну поверхности инструмента.

Полировальники, изготовленные из металлов, плохо удовлетворяют указанным требованиям. Поэтому для полирования стекла используются неметаллические подложки, закрепляемые на приспособлении – полировальном инструменте. В качестве подложек применяют волокнистые материалы и композиции различных смол.

30

К волокнистым материалам относятся: войлок толщиной до 14 мм, фетр толщиной от 2,5 до 5 мм, мягкая кирза толщиной до 2 мм. Плотные материалы (например, фетр) обеспечивают лучшее качество поверхности, чем менее плотные (войлок).

Поверхность стекла, отполированная «суконными» (волокнистыми) полировальниками, получается слегка волнистой. Кроме того, такие полировальники не позволяют корректировать кривизну их поверхности, что необходимо для обеспечения высокой точности обрабатываемой детали.

Исследования процессов полирования при помощи «суконных» полировальников показали, что глубина микронеровностей поверхности, оставшихся после полирования, находится в пределах 0,06–0,12 мкм и не оказывает ощутимого влияния на разрешающую силу оптической системы. Поэтому «суконные» полировальники можно рекомендовать для обработки некоторых точных, например склеиваемых, поверхностей деталей визуальных систем, поверхностей коллективов, глазных линз и окуляров.

Важным свойством смоляной подложки является ее вязкость, которая позволяет полировальнику легко изменять свою форму и приобретать поверхность заданной кривизны как при его изготовлении, так и в процессе полирования деталей.

Вязкость подложки зависит от температуры смолы. Последняя, в свою очередь, изменяется в зависимости от температуры окружающего воздуха. Существует оптимальная вязкость смолы, при которой полирование стекла протекает наиболее интенсивно. В этом случае полировальные зерна наиболее выгодно закрепляются на поверхности подложки, а сама подложка наилучшим образом приспосабливается к поверхности стекла и сохраняет приданную ей форму. Для обеспечения этого необходимо, чтобы предел текучести смолы не превышал напряжений сдвига. Практически оптимальную вязкость определяют режимом полирования и температурой воздуха.

При вязкости выше или ниже оптимальной производительность полирования падает. С увеличением вязкости полировальные зерна хуже закрепляются на поверхности подложки и быстрее смываются с нее. При пониженной вязкости зерна углубляются в смолу и плохо выполняют свою функцию. Кроме того, в этом случае смола растекается и изменяется кривизна поверхности полировальника. При полировании с помощью «твердой» смолы чистота обрабатываемой детали может быть несколько хуже, так как зерна полирита иногда царапают поверхность стекла.

Смоляные подложки позволяют легко корректировать величину их рабочей (эффективной) поверхности в различных участках путем подрезки. Эта операция заключается в нанесении на поверхности подложки канавокрезов каким-либо режущим инструментом.

Широкие возможности «управления» поверхностью смоляной подложки в процессе обработки образца позволяют вести полирование с высокой степенью точности.

31

Существенным недостатком смоляных подложек является значительное изменение их вязкости с изменением температуры окружающей среды и в зоне обработки, что затрудняет ведение полирования при интенсивных режимах.

В настоящее время ведутся работы по внедрению в оптическое производство пластмассовых полировальников, например пенополиуретановых.

3.5.2. Концентрация и расход полирующей суспензии

Исследования показали, что оптимальная концентрация для полирующей суспензии

T +TЖ 0,1,

где Т и Ж – твердая и жидкая фазы суспензии.

Если расход полирующей суспензии превышает оптимальный, то происходит снижение производительности полирования. Это явление объясняется снижением температуры на поверхности стекла и замедлением химических реакций, происходящих в поверхностном слое стекла при полировании.

В то же время, придавая при полировании большее значение механическим факторам, в оптическом производстве полирование (как и шлифование) в большинстве случаях ведут при «неограниченном» расходе суспензии, т. е. всегда выше оптимального. Однако весьма часто при изготовлении некоторых деталей полирование ведут с «подсушенным» полировальником, т. е. с расходом суспензии менее оптимального. Полирование в этом случае протекает с повышенным нагревом смоляной подложки и стекла и сопровождается характерным звуком – «писком».

3.5.3. Температура поверхности стекла и окружающей среды

Установлено, что при изменении температуры воздуха от 5 до 20 °С производительность полирования увеличивается почти в два раза, после чего рост интенсивности процесса замедляется, а при температуре 50–60 °С практически не возрастает. Принято считать, что оптимальная для полирования температура окружающей среды должна находиться в пределах 22–26 °С.

При полировании следует учитывать также влияние температуры поверхностей полировальника и обрабатываемой детали на термические деформации последней при ограниченном и неограниченном расходе суспензии. При ограниченном расходе суспензии температурные деформации деталей небольших размеров незначительны. При больших размерах деталей эти деформации могут существенно влиять на точность детали. При неограниченном расходе суспензии термические деформации поверхности детали уменьшаются.

32

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

4.1. Основные сведения о кинематике станков для обработки оптических деталей

Слово «технология» происходит от греческого «технэ», означающего «искусство, мастерство, умение». Под технологией понимается совокупность способов и приемов достижения цели.

Станки для финишной обработки высокоточных оптических деталей по методу свободной притирки имеют один или несколько вертикальных шпинделей, на которые, в зависимости от условий обработки, закрепляют инструмент или блок. Инструмент или блок, закрепленные на шпинделе станка, называют нижним звеном. Для перемещений блока по инструменту (или наоборот) и передачи рабочего усилия на обрабатываемые детали станки снабжены механизмом верхнего звена.

Инструмент или блок крепят к шпинделю станка либо непосредственным навинчиванием их на шпиндель, либо через переходный патрон. Крепление блока или инструмента к механизму верхнего звена осуществляется с помощью поводка 3 с шаровым наконечником (рис. 4.1, а и б), который свободно входит в гнездо хвостовика инструмента или блока и прижимается к нему под действием рабочего усилия Р. При вращении инструмента с угловой скоростью 1 блок увлекается им в свободное враще-

ние относительно оси поводка при обработке плоскостей (см. рис. 4.1, а) и оси O1O2 при обработке сферических деталей (см. рис. 4.1, б) с угловой

скоростью 2 (ось O1O2 – прямая, проходящая через центр O1 сферы инструмента и центр O2 шарика поводка). Кинематически скорость 2 зависит от скорости 1 . Теоретически можно полагать, что при обработке плоскостей 2 = 1 ; при обработке сфер 2 = 1 cos (см. рис. 4.1, б). Практически, однако, на скорость 2 оказывают влияние состояние абразивной сус-

пензии на поверхности нижнего звена, момент трения поводка, величина площади соприкосновения верхнего и нижнего звеньев, случайные сопротивления, тормозящие блок, и т. д. Поэтому скорость 2 непостоянна и со-

ставляет в среднем (0,7–0,9) 1 . Причем скорость 2 не может быть изме-

нена при регулировании режима обработки.

Траекторию O O центра О шара поводка при обработке плоскостей (см. рис. 4.1, а) и проекцию траектории O2 O2 на плоскость при обработке

сфер (см. рис. 4.1, б) называют штрихом верхнего звена.

В случае обработки плоскостей расстояние L по хорде между крайними положениями поводка при его колебательном движении (см. рис. 4.1, а) принято называть абсолютной длиной штриха, а отношение длины L к диаметру нижнего звена D1 – относительной длиной штриха.

33

в

Рис. 4.1. Основные элементы траектории перемещения верхнего звена станка

При обработке сфер абсолютной длиной штриха называют угол 2 ,

образованный крайними положениями поводка (см. рис. 4.1, б), а относи-

тельной длиной штриха – отношение угла 2 к углу 2 и (или 2 б ), опре-

деляющему угловой размер нижнего звена.

Положение штриха может быть различным относительно оси шпинделя станка. Штрих может проходить через ось шпинделя (дуга АБ, см. рис. 4.1, в) и иметь смещения относительно нее (дуга СД). Различают три вида смещения: параллельное, перпендикулярное и комбинированное.

При параллельном смещении штрих O1O1O1 проходит через ось шпинделя, но не симметричен ей (O1O1 O1O1) . Если штрих проходит от оси шпинделя на некотором расстоянии l´ и симметричен ей (O2O2 O2O2) , то

это смещение называют перпендикулярным. Комбинированное смещение штриха представляет собой сочетание параллельного и перпендикулярного смещений.

34

4.2. Влияние относительной линейной скорости при обработке плоскостей

4.2.1. Способы оценки кинематического срабатывания при различных условиях обработки

Знание закономерностей изменения линейной относительной скорости различных точек поверхностей блока или инструмента позволяет оценить величину срабатывания этих поверхностей в зависимости от влияния данного фактора обработки (от скорости скольжения). Такое срабатывание называют кинематическим. Его оценку можно произвести построением эпюр (отрезков) , являющихся либо функцией относительной линейной скорости 0

f ( 0),

либо функцией путей l , проходимых точками за определенное время обработки:

f (l) .

Рассмотрим различные схемы кинематического срабатывания инструмента и детали. При этом необходимо анализировать, в каких случаях целесообразнее строить эпюру кинематического срабатывания по отрезкам, пропорциональным длинам путей, а в каких – по отрезкам, пропорциональным относительным скоростям.

Пусть, например, плоская деталь 1 в виде прямоугольного треугольника АВС (рис. 4.2, а) в процессе обработки перемещается по неподвижному инструменту 2 в направлении стрелки 3 со скоростью 0 . Тогда кинема-

тическое срабатывание всех точек детали 1, полностью перекрываемой инструментом 2, будет постоянно и пропорционально времени (пути) перемещения (заштрихованная фигура детали 1 в верхней части рис. 4.2, а).

По-другому будет срабатываться инструмент 2 при воздействии на него детали 1 в виде треугольника АВС. За одно и то же время перемещения детали 1 над точкой 4 инструмента 2 пройдет только одна точка С детали, а над точкой 5 инструмента – множество точек детали в виде прямой АВ. Следовательно, срабатывание инструмента 2 в зоне перемещения детали 1 будет неравномерным и зависит от степени перекрытия инструмента деталью.

Если поверхности детали 1 и инструмента 2 в процессе обработки все время полностью перекрывают друг друга и встречно вращаются (рис. 4.2, б), то их общее кинематическое срабатывание в любой точке (например, в точке А) пропорционально алгебраической разности линейных скоростей детали и инструмента, эпюры которых приведены в нижней части рис. 4.2, б, т. е.

35

О О(1) ( О(2) ) rA( 1 2 ),

где rA – расстояние от точки О до точки А на рис. 4.2, б.

Рис. 4.2. Распределение эпюр кинематического срабатывания при различных условиях обработки

Пусть на рис. 4.2, в деталь 1 неподвижна, а инструмент 2 вращается с угловой скоростью 2 . Анализ этого рисунка показывает, что эпюру ки-

нематического срабатывания детали целесообразно строить по скоростям, а инструмента – по длинам путей. Учитывая это, замечаем, что максимальное кинематическое срабатывание детали 1 будет в точке 3, а минимальное – в точке 4, так как оно пропорционально только скорости:

2rm ,

где rm – расстояние между точкой m обрабатываемой поверхности дета-

ли 1 и осью вращения инструмента 2.

Поскольку точки 5, 6, 7 инструмента 2 соприкасаются с поверхностью детали 1 только частично, проходя пути, равные дугам соответственно ВГ, ДЕ, ЖЗ, то максимальное кинематическое срабатывание инструмента 2 будет в точке 7, проходящей наибольший путь ЖЗ при соприкосновении с деталью 1.

4.2.2. Поступательное движение плоской детали по неподвижному инструменту

Данное движение возможно при ручной доводке детали 2 по инструменту 1 (рис. 4.3, а). В этом случае траектории всех точек поверхности де-

36

тали параллельны друг другу и она срабатывается равномерно (участок А на детали 2), поскольку все точки находятся в одинаковых условиях. При движении детали 2 на инструменте 1 будет срабатываться участок Б (см. сечение по В–В), причем максимальное кинематическое срабатывание будет в середине участка, а минимальное – на краях. В результате инструмент будет изборожден канавками. Поэтому для равномерного срабатывания инструмента необходимо перемещать деталь по всей его поверхности, непрерывно меняя направление или вращая инструмент.

а

Рис. 4.3. Распределение эпюр срабатывания при поступательном перемещении заготовки с плоской поверхностью

Если диаметры инструмента и детали близки по величине или равны, то в процессе обработки края детали будут выходить за края инструмента (рис. 4.3, б и в). Когда штрих детали симметричен относительно центра инструмента (рис. 4.3, б), на обеих плоскостях образуется непрерывно обрабатываемая центральная зона Г, в то время как крайние зоны Д некоторое время не будут соприкасаться друг с другом. Вследствие этого поверхности детали и инструмента получаются вогнутыми. Если штрих детали направлен в одну сторону от центра инструмента (рис. 4.3, в), то кинематическое срабатывание краев дисков будет несимметричным.

37

4.2.3. Влияние относительной линейной скорости при обработке сферических деталей

В случае ручной обработки линз с помощью вращающегося инструмента кинематическое срабатывание детали пропорционально скорости1r и, следовательно, оно неравномерно (r – расстояние от оси враще-

ния инструмента до рассматриваемой точки Б на детали). Эпюры срабатывания поверхностей деталей, представленные на рис. 4.4, а, показывают, что при вращении инструмента 2 минимальное срабатывание поверхности детали будет при ее расположении на вершине гриба, а максимальное – на его краю.

Рис. 4.4. Распределение эпюр срабатывания при поступательном перемещении заготовки со сферической поверхностью

Более равномерное срабатывание поверхности деталей можно получить при их дополнительном вращении вокруг своей оси (скорость 2 ).

Однако обработка заготовки на одном и том же участке поверхности инструмента, как и при обработке плоскости, приводит к неравномерному его срабатыванию. Поскольку в данном случае условия срабатывания инструмента такие же, как и на рис. 4.2, в, то на обрабатывающей поверхности появится кольцевая зона М с несимметричным профилем. Поэтому обработка детали на одном и том же участке поверхности инструмента недопустима. Деталь должна совершать дополнительное движение (скорость 3 )

через вершину инструмента.

При обработке сферических деталей, когда поводок совершает колебательное движение, кинематическое срабатывание поверхности заготовки в произвольной точке K пропорционально линейной относительной скорости

к 3l,

где l – длина нормали, опущенной из точки K на мгновенную ось С1С2

(рис. 4.4, б).

38

Следовательно, если учитывать только колебательное движение детали 2 по инструменту 1, то максимальное кинематическое срабатывание ее поверхности будет в точке K0 на оси симметрии, так как в этом случае длина l максимальна и равна R .

4.3. Влияние давления при обработке плоскости

Определим закономерность срабатывания детали и инструмента в зависимости от рабочего усилия Q на поводке. Сила Q , оказывающая давление на деталь,

приложена к точке А контакта шарового наконечника поводка 4 с хвостовиком 3 наклеечного инструмента (рис. 4.5). Эту силу можно разложить на две составляю-

щие: Qг и Qв.

Наличие расстояния l между точкой А и притирающимися поверхностями

вызывает образование опрокидывающего момента Qгl, прижимающего при

движении детали ее переднюю часть к поверхности инструмента. Вследствие этого давление на край детали будет увеличиваться, что приведет к более сильному ее срабатыванию, т. е. образуется «завал края» М. Этот завал можно ослабить, если уменьшить момент Qгl, т. е. приблизить точку А

приложения силы Q к обрабатываемой поверхности, или обеспечить выход

детали за край инструмента. В последнем случае края детали будут соприкасаться с инструментом меньшее время, чем середина. Вес же детали и величина силы Q будут действовать на меньшую площадь обрабатываемой

поверхности, в результате чего срабатывание средней ее части усиливается по отношению к выступающим краям, компенсируя влияние момента Qгl.

Одновременно с этим сильнее срабатываются края инструмента. В случае вращения последнего и выхода детали за его край еще сильнее срабатываются середина детали и край инструмента вследствие большей линейной скорости на его краях.

При обработке сферической поверхности неравномерность срабатывания от действия опрокидывающего момента проявляется незначительно.

4.4.Влияние неравномерного измельчения абразивных зерен

икорректировки поверхности инструмента

Поскольку в процессе обработки оптических деталей на станках модели ШП (ПД) абразивная суспензия наносится на периодически открывающиеся края блока (инструмента), то более крупные зерна будут усиленно срабатывать края блока, в то время как в его среднюю зону будут посту-

39