Технология оптического приборостроения

а иногда – и для их тонкого алмазного шлифования (ТАШ). Органические связки на основе бакелитов условно обозначаются буквой Б с дополнительным цифровым или буквенным индексом (например, Б1, Б2, БК и т. п.), характеризующим содержание наполнителя или других добавок в связке.

Керамические связки применяют в виде соединений оксидов, глинистых и стеклообразных веществ с температурой спекания не выше 800 С. Керамические связки обозначают буквой К с цифровым или буквенным индексом (например, К1, К2 и т. п.), характеризующим вид связки и ее состав по основным компонентам. Для обработки оптических деталей алмазный инструмент на керамической связке из-за ее низкой износостойкости применяется редко.

Металлические связки для алмазного инструмента представляют собой порошкообразные металлы или их сплавы, которые тщательно перемешивают с алмазным порошком, а затем прессуют и спекают. Алмазный инструмент на металлической связке обладает наиболее высокими прочностью и износоустойчивостью, которые могут в широких пределах регулироваться свойствами компонентов, входящих в связки. Металлические связки широко применяют при обработке твердых и хрупких материалов, в частности стекла и кристаллов, и обозначают буквой М с цифровыми и буквенными показателями (например, М1, М5, М10 и т. п.), характеризующими состав и свойства связки. Для изготовления инструмента на металлических связках используются более прочные синтетические алмазы, такие как АСР, АСВ и АСК, а также порошки из природных алмазов. В качестве связки используются различные композиции на основе меди, олова, алюминия, железа, никеля и других материалов. Наряду с другими требованиями состав связки выбирается с учетом того, что температура спекания инструмента была ниже температуры сгорания и графитизации алмазов.

Имеется также инструмент на металлических связках, который изготовляется различными электрохимическими методами. Закрепление алмазных зерен в данном случае не требует применения сложных, дорогостоящих пресс-форм и позволяет изготовлять алмазно-абразивный инструмент со сложным фасонным профилем.

Одной из наиболее важных характеристик алмазного абразивного инструмента, определяющих его режущую способность, производительность, срок службы и стоимость, является концентрация алмаза, т. е. содержание алмаза в единице объема алмазоносного слоя. За 100%-ю концентрацию условно принято содержание алмаза в количестве 4,4 карата в 1 см3 алмазоносного слоя или 0,88 мг/мм3, 0,88 гм/см3 (1 кар. = 0,2 г). Приняв плотность алмазов равной 3,52 г/см3, определим объем, который занимают алмазы в 1 см3:

V 3,520,88 0,25 см3.

60

Следовательно, независимо от вида связки (органическая, керамическая, металлическая) при 100%-й концентрации алмазные зерна в алмазоносном слое занимают 25 % по объему.

7.5. Типовые формы алмазно-абразивных кругов и их выбор

Для различных видов обработки используется большое количество различных форм и размеров кругов. Основные из них приведены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Типы алмазного инструмента

Применительно к конкретным условиям использования инструмента выбирают его форму и размеры, вид рабочей поверхности, марку и зернистость алмазного порошка, марку связки, концентрацию алмаза. Исходными данными для выбора характеристик инструмента являются:

форма, размеры детали и обрабатываемой поверхности; материал обрабатываемой детали;

требования к качеству и шероховатости обработанной поверхности; вид и метод обработки; конструкция и эксплуатационные характеристики станка (точность,

жесткость, виброустойчивость); режимы обработки и производительность;

условия обработки (охлаждение, степень механизации и автоматизации); исходная шероховатость поверхности; величина снимаемого припуска.

При этом необходимо учитывать технологические возможности изготовления проектируемого инструмента с требуемыми его характеристиками.

Выбор размеров инструмента определяется эксплуатационными и технологическими факторами. Эксплуатационными факторами являются размеры обрабатываемого изделия и его характеристика, конструкция и мощность станка. Технологические факторы (прессуемость алмазоносной шихты на определенной связке, размеры и мощность технологического оборудования для изготовления шихты) определяют минимальный и максимальный размеры алмазоносного слоя. Как правило, следует стремиться к использованию инструмента с максимально допустимыми по условиям обработки размерами алмазоносного слоя. Это обеспечивает меньшие затраты

61

на инструмент, так как удельная стоимость (общая стоимость изготовления, отнесенная к одному карату) с увеличением количества алмазов в алмазоносном слое уменьшается.

У кольцевых кругов (АК) для обработки выпуклых или вогнутых сферических поверхностей наружный D и внутренний d диаметры определяются исходя из диаметра обрабатываемой поверхности с таким расчетом, чтобы наружная кромка инструмента перекрывала центр заготовки и несколько выходила за ее край для обеспечения свободного выхода СОЖ и продуктов срабатывания (рис. 7.3).

а б

Рис. 7.3. Выбор трубчатого инструмента для обработки сферической поверхности

Расчет ведется в следующем порядке. При обработке выпуклой поверхности внутренний расчетный диаметр инструмента

d KD0.

При обработке вогнутой поверхности наружный расчетный диаметр инструмента

D KD0.

Коэффициент K выбирают в зависимости от относительной высоты H0 / R0 обрабатываемой поверхности:

при H0 / R0 0,8 1 K 0,8; H0 / R0 0,6 0,8 K 0,7;

H0 / R0 0,5 K 0,6.

Полученное расчетное значение D и d округляют до целого по нормальному ряду предпочтительных чисел согласно ГОСТ 6636–69.

62

7.6. Расчет алмазного абразивного инструмента на металлической связке

Для изготовления алмазного инструмента необходимо знать весовые содержания алмаза в алмазоносном слое и компонентов шихты этого слоя.

Расчет весового содержания А алмазов в инструменте выполняют по формуле

A 1004,4VK, кар,

где 4,4 – содержание алмазов (в каратах) в 1 см3 алмазоносного слоя при 100%-й концентрации;

V – объем алмазоносного слоя;

K – концентрация алмазов в алмазоносном слое, %.

Масса шихты Gсв металлической связки для изготовления алмазонос-

ного слоя, объем V которого известен, с учетом технологических потерь при смешивании и засыпке шихты алмазоносного слоя в полость прессформы рассчитывается по формуле

где св – плотность связки, г/см3; Kп – коэффициент потерь.

Формулу для определения св можно получить, исходя из следующих

соображений. Если взять 100 г связки, состоящей из n компонентов, то масса каждого из них численно будет соответствовать величине процентного содержания. Объем, занимаемый каждым компонентом, составит gi / i ( gi –

содержание по массе i-го компонента, %; i – плотность этого компонента,

Формулы (7.1) и (7.2) справедливы для любых беспористых материалов, когда соотношение компонентов задано в процентах по массе.

63

П р и м е р

Определить массу компонентов шихты связки для изготовления алмазоносного слоя круга АПП 200 10 5 на связке МI при 100%-й концентрации.

Объем алмазоносного слоя круга составляет 30,6 см3. Объем материала связки

По известным значениям плотности меди 8,94 г/см3 и олова 7,3 г/см3 и процентному содержанию их в связке МI (80 и 20 % соответственно) определяем плотность связки:

Для изготовления алмазоносного слоя круга при коэффициенте потерь Kп 1,1 требуемое количество связки

Gсв Vсв свKп 23 8,54 1,1 216,1 г.

Количество меди для приготовления шихты

Gм Gсв 100gм 216,1 10080 172,88 г.

Количество олова

Gо Gсв100gо 216,1 10020 43,22 г.

Количество алмазов в инструменте будет

A 1004,4 VK 1004,4 30,6 100 134,6 кар.

7.7. Изготовление алмазного абразивного инструмента

Независимо от вида применяемой связки процесс изготовления алмазного инструмента состоит из следующих отдельных стадий:

64

изготовление пресс-формы; подготовка корпуса инструмента;

изготовление алмазоносного слоя и соединение его с корпусом. Изготовление пресс-форм и корпусов для алмазного инструмента, ма-

териалом для которых служат металлы, обычно производят методами токарной обработки с последующим шлифованием и доводкой. Наиболее распространенным способом изготовления алмазоносного слоя для всех видов связки является прессование с последующей термической обработкой. Соединение алмазоносного слоя с корпусом производят как непосредственно

впроцессе его изготовления, так и путем приклеивания или припаивания. После подготовки навесок порошка алмаза и компонентов, входящих

всостав связки, производят их смешивание до получения однородной массы. Считается более целесообразным сначала смешивать компоненты связки, а потом получать смесь связки с алмазным порошком. Однако часто смешивание всех составляющих шихты производят одновременно. Однородность шихты после смешивания является основным условием обеспечения равномерности распределения зерен алмазного порошка в алмазоносном слое инструмента. Поэтому процесс смешивания требует весьма тщательного выполнения, так как из-за разности плотностей компонентов их смесь легко расслаивается. Смешивание производят в барабанных смесителях. Продолжительность смешивания при больших объемах шихты может доходить до 48 ч. Смешивание порошков производят в увлажненном состоянии, так как при этом достигается лучшее сцепление частиц материалов, разнородных по своей плотности, и снижение возможности их расслоения. В качестве увлажнителей применяют 20%-й раствор глицерина в спирте, а также бензин, веретенное или вазелиновое масла.

Для получения алмазоносного слоя, достаточно однородного и без дефектов, существенное значение имеет равномерное распределение шихты в рабочем пространстве пресс-формы. Поэтому при загрузке шихты

впресс-форму производят тщательное ее разравнивание по всему объему. После загрузки шихты в пресс-форму выполняют холодное прессова-

ние (брикетирование). В зависимости от принятого способа соединения рабочей части инструмента с корпусом брикетирование осуществляют при корпусе, помещенном в пресс-форме, или без него. Эту операцию совершают при комнатной температуре и давлении, величина которого определяется в зависимости от состава связки (для кругов на металлических связках применяют давление 196–294 Па, т. е. 2000–3000 кг/см2).

После брикетирования полученное достаточно плотное и прочное, но еще пористое изделие извлекают из пресс-формы брикетницы и помещают в пресс-форму для спекания и уплотнения. Поверхности пресс-формы смазывают коллоидно-графитовым препаратом, который предотвращает припекание к ней связки. При спекании за счет образования расплавов отдельных компонентов связки, их рекристаллизации, процессов диффузии, а также в результате последующего уплотнения массы в горячем состоянии

65

снижается пористость и повышается прочность спрессованного брикета. Спекание происходит при температурах 600–1200 С, которые зависят от температур плавления компонентов, входящих в состав связки. После брикетирования оставляют некоторый запас хода пуансона для возможности уплотнения прессуемого слоя путем горячего подпрессовывания при спекании. Уплотнение производят после выдержки при заданной температуре спекания, охлаждения до температуры 500–600 С и при давлении, составляющем 50 % давления, принятого для брикетирования. По окончании медленного охлаждения вместе с пресс-формой готовый инструмент извлекают из нее.

Поскольку опрессованная рабочая поверхность алмазоносного слоя получается гладкой ввиду того, что зерна алмаза располагаются на одном уровне со связкой, необходимо обнажить зерна, чтобы их части, выступающие из связки, могли производить работу разрушения поверхности обрабатываемого материала. Для этого производят вскрытие зерен, находящихся на поверхности алмазоносного слоя, посредством удаления связки шлифованием свободным абразивным порошком, абразивным бруском или ее поверхностного растворения азотной или соляной кислотой или их смесью – царской водкой.

После вскрытия и проверки алмазоносного слоя производят балансировку круга, которая необходима для обеспечения его устойчивости в процессе работы и отсутствия биений, вызывающих вибрации. Балансировка выполняется при помощи специальных приспособлений и приборов, которые позволяют определять положения и величины дисбаланса. Для устранения дисбаланса производят уравновешивание круга путем удаления необходимого количества материала по весу на участках, создающих нарушение равновесия.

Глава 8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

8.1. Станки для тонкого алмазного шлифования и полирования

Конструкция станков для выполнения операций тонкого алмазного шлифования предусматривает возможность обработки плоских и сферических поверхностей алмазным притиром соответствующей формы. Поэтому кинематика такого оборудования в основном сохранила схему оптических шлифовально-полировальных станков с колебательным движением верхнего звена и вращением нижнего. Однако в связи с требованиями процесса алмазной обработки оно отличается от этих станков наличием принудительного вращения изделия, повышенного усилия прижима верхнего звена к нижнему, значительно увеличенной скоростью вращения шпинделя инструмента и автоматизацией рабочего цикла. В связи с этим общей схеме данных станков характерно применение гидравлических или пневматиче-

66

ских устройств, что усложняет их конструкцию по сравнению с технологическим оборудованием обычного типа и повышает требования к точности изготовления механизмов и узлов.

Технические характеристики отечественных станков для тонкого шлифования алмазным притиром приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Станки для тонкого шлифования притиром

Станок модели СТША-200 предназначен для шлифования сферических выпуклых и вогнутых поверхностей. Изделие или инструмент крепятся на верхнем шпинделе, располагающемся в качающейся головке, которая может совершать колебательное движение по дуге вокруг центра кривизны обрабатываемой поверхности. Алмазный сферический притир, как правило, укрепляется на нижнем шпинделе станка, но в необходимых случаях может располагаться также и сверху.

На станке модели СТША-400П алмазная шлифовальная планшайба располагается на нижнем шпинделе, а обрабатываемое изделие находится сверху и под действием сжатого воздуха через поводок прижимается к поверхности инструмента. Во время рабочего цикла происходят вращение инструмента, вращение изделия под действием сил трения, колебание поводка с заданной частотой и постепенное опускание последнего по мере съема материала с поверхности обрабатываемого изделия.

67

Станок модели 2ША-63 представляет собой объединение двух рабочих агрегатов, каждый из которых может быть настроен независимо от другого. Оба агрегата состоят из нижнего шпинделя, несущего инструмент, и верхней головки для изделия, совершающей колебательное движение, передающей нагрузку на изделие и сообщающей ему принудительное вращение. Прижим изделия к инструменту осуществляется при помощи сжатого воздуха.

Полуавтоматы 2ША-40 и 2ША-100 предназначены для шлифования заготовок или блоков малых размеров с кривизной до полусферы. Станки включают в себя два независимых рабочих агрегата с вращающимся нижним шпинделем и качающимся верхним. Изделие вращается за счет трения об инструмент. Рабочий цикл – автоматический и осуществляется путем гидравлического и пневматического управления. Станки могут использоваться в механизированной поточной линии.

Станок-полуавтомат модели А-2507 применяется для тонкого алмазного шлифования сферических блоков притиром в виде кольца с уширенной рабочей поверхностью. Станок состоит из двух рабочих агрегатов, управляемых самостоятельно. В состав агрегата входят нижний шпиндель для крепления заготовки и верхняя головка со шпинделем инструмента. Поскольку последний представляет собой кольцо, он всегда располагается сверху. Ось поворота верхней головки, вокруг которой происходит ее качание, совпадает с центром кривизны обрабатываемой поверхности.

В настоящее время широкое применение находят станки моделей ЗША-20 и П-20, первый из которых предназначен для тонкого алмазного шлифования деталей со сферическими поверхностями, а второй – для их полирования. Обработка в обоих случаях производится по методу свободного притирания. Станки имеют две основные кинематические цепи: цепь привода вращения шпинделей изделия и цепь привода качания поводков механизма давления.

8.2.Особенности точного формообразования плоских

исферических поверхностей алмазным инструментом

Тонкое шлифование алмазным инструментом обеспечивает получение точных поверхностей, подготовленных к полированию, и поэтому характеризующихся шероховатостью с параметрами высоких классов. Отличительной чертой процесса обработки с применением тонкого алмазного шлифования (ТАШ) является возможность ограничиться двумя переходами шлифования – грубого и тонкого – и получение поверхностей с шероховатостью на один–три класса выше по сравнению с обычным шлифованием. Эти преимущества позволяют значительно сократить продолжительность технологического цикла обработки деталей.

К инструменту для ТАШ предъявляются высокие требования по чистоте и однородности алмазных и металлических (или других) порошков, образующих алмазоносный слой. Поэтому изготовление такого инстру-

68

мента следует проводить в условиях особой чистоты при использовании специально выделенных для этой цели оборудования, приспособлений, прессформ и т. д. во избежание попадания в алмазоносный слой посторонних крупных и твердых частиц, а также различного рода загрязнений. Общие характеристики алмазоносного слоя инструмента для тонкого шлифования отличаются тем, что при его изготовлении применяются микропорошки из синтетических алмазов, зернистость которых зависит от обрабатываемого материала. В частности, для доводки деталей из твердых сплавов, стекла и кремния используют алмазные микропорошки с размерами зерен 60/40–5/3, 28/20–10/7 и 2/1–1/0 соответственно.

Применяются два вида алмазного инструмента: кольцевой и притиры сферические и плоские. Первый находит применение в основном для шлифования поверхностей низкой, а второй – средней точности и выше.

Формообразование сферической поверхности при обработке узким кольцевым инструментом реализуется на станках без осцилляции верхнего звена и происходит за счет геометрических параметров процесса. При такой обработке явление взаимного притира поверхностей инструмента и детали играет незначительную роль. Поэтому для обеспечения требуемой точности обработки необходима соответствующая точность и жесткость звеньев станка, которые обычно недостаточно высоки. В связи с этим стандартные кольцевые круги используют только для тонкого шлифования поверхностей низкой точности с отклонениями по кривизне не менее 10–12 интерференционных колец. Для получения поверхностей более высокой точности (пять–восемь интерференционных колец) применяют кольцевой инструмент с уширенной рабочей поверхностью (до 0,2–0,25 его диаметра). Алмазоносный слой такого инструмента может быть выполнен в виде сплошного заданной сферической формы или сборного из элементов в виде цилиндрических таблеток. Кольцевой алмазный инструмент с уширенной рабочей кромкой можно применять не только на станках без осцилляции верхнего звена, но и на обычных шлифовальных станках с возвратно-качательным перемещением инструмента относительно заготовки, или наоборот.

Алмазный притир для тонкого шлифования представляет собой инструмент с плоской или сферической формой рабочей поверхности, образованной алмазоносным слоем. Расчет и проектирование алмазных притиров заключается в установлении их общих размеров и формы в соответствии с обрабатываемым изделием, определении размеров, количества алмазных элементов и схемы их распределения на рабочей поверхности инструмента.

При расчете плоского притира его общие размеры устанавливают как в случае обычного шлифовальника-планшайбы. Для предварительного определения числа концентрических рядов на корпусе и количества алмазоносных таблеток на нем можно использовать методику расчета плоских блоков из круглых оптических заготовок. Полученное в результате такого расчета количество таблеток для изготовления инструмента уточняют с учетом коэффициента заполнения поверхности инструмента. Этот коэф-

69