Технология оптического приборостроения

фициент представляет собой отношение суммарной площади всех таблеток

к площади корпуса инструмента. Его оптимальное значение находится

впределах 0,2–0,3. Таблетки распределяют пропорционально по рядам, количество которых принимается в соответствии с предварительным расчетом. Затем это количество уточняется исходя из схемы обработки: при расположении инструмента на шпинделе станка с целью улучшения равномерности его изнашивания плотность распределения таблеток в крайних рядах инструмента следует несколько увеличивать по сравнению с плотностью в средних. Основные размеры таблеток, применение которых на основании опыта наиболее удобно, приведены в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Размеры алмазных цилиндрических таблеток

Для расчета сферических притиров из цилиндрических алмазных таблеток можно использовать методы, применяемые при определении размеров блокировочного инструмента, но с учетом особенностей характера распределения и способа закрепления их на корпусе. Существуют методика специального расчета сферического алмазного инструмента с применением цилиндрических алмазных таблеток и способ его изготовления. Краткое содержание этой методики заключается в следующем. Первоначально определяются размеры и радиусы кривизны корпуса для крепления таблеток в соответствии с их размерами и параметрами обрабатываемой поверхности. Затем, исходя из необходимости сохранения постоянства радиуса кривизны инструмента и учета неизбежной при этом неравномерности изнашивания алмазоносного слоя, производится расчет таблеток и устанавливается система их распределения по поверхности притира.

После определения вспомогательных геометрических параметров инструмента рассчитываются размеры концентрических окружностей для расположения таблеток, углы между ними и необходимое количество таблеток по рядам. Для обработки инструментом большой кривизны рекомендуется выбирать алмазные таблетки меньших диаметров. Кроме того, при их распределении на корпусе необходимо учитывать коэффициент заполне-

70

ния, который для инструментов с H0/R0 < 0,3 может иметь значения от 0,35 до 0,40, а для инструментов с H0/R0 > 0,3 – от 0,45 до 0,50, где Н0 и R0 – соответственно высота и радиус притира.

После сборки поверхность как плоских, так и сферических притиров прошлифовывают абразивным порошком на соответствующем металлическом инструменте до вскрытия алмазоносного слоя и сообщения обрабатывающей поверхности требуемой точности.

Тонкое шлифование сферических поверхностей алмазным кольцевым инструментом проводят на станках моделей «Алмаз», АЛ и АШС. При выборе режима обработки назначают окружные скорости инструмента порядка 20–35 м/с при вращении обрабатываемого изделия с частотой 52–105 с–1.

Шлифование алмазными притирами производят на станках специальной конструкции, обеспечивающих получение повышенных скоростей вращения инструмента и высоких рабочих нагрузок. На данных станках тонкое шлифование поверхностей заготовок или блоков проходит при окружных скоростях инструмента от 8 до 20 м/с и давлениях порядка 15–20 кН/м (150–200 г/см2).

Полирование деталей алмазным инструментом представляет собой новый процесс, пока не получивший широкого распространения. Внедрение алмазного полирования сдерживается появлением волосяных царапин на обрабатываемой поверхности, что объясняется образованием в процессе смешивания алмазной шихты инструмента конгломерата алмазных зерен субмикропорошков, наносящих риски. Кроме того, качество данного метода полирования во многом определяется связкой алмазного инструмента. Поэтому в настоящее время заключительную операцию обработки проводят традиционными полировальниками, в частности пенополиуретановыми. Для придания последним требуемой точности используют так называемые правильники, которые представляют собой тот же алмазный инструмент, но с несколько другим радиусом кривизны рабочей поверхности. Этими правильниками периодически прошлифовывают упомянутые полировальники, сообщая им первоначальную форму. Обработка по такой схеме имеет определенные недостатки, среди которых наиболее существенными являются потеря рабочего времени на исправление формы полировальника и возможность внедрения в его подложку отработанных зерен алмазного порошка и связки, которые впоследствии могут явиться источником царапин на детали. В связи с этим более перспективной является обработка с применением приемов управления процессом формообразования с использованием геометрических, кинематических и силовых параметров технологического оборудования. Создание и внедрение такой технологии, а в некоторых случаях и соответствующих станков, позволит назначать наиболее выгодные режимы обработки и во многом автоматизировать процесс получения прецизионных деталей машин и приборов, что повысит их качество и улучшит экономические показатели производства.

71

8.3.Станки для шлифования и полирования свободным абразивом

иполирующей суспензией

Данный тип технологического оборудования широко используется в оптико-механической промышленности при изготовлении оптических деталей с прецизионными плоскими и сферическими поверхностями методом свободного притирания и может найти применение также в электронной и металлообрабатывающей промышленности для формообразования соответствующих деталей (например, пластин из полупроводниковых материалов, направляющих или других деталей из металлов с высокими требованиями к неплоскостности и точными углами). Характерной особенностью обсуждаемых станков является их сравнительно несложная конструкция, простота наладки и эксплуатации, высокая надежность в работе и универсальность, заключающаяся в возможности обработки как плоских, так и сферических поверхностей на одном и том же станке.

Существующие шлифовально-полировальные станки можно разделить на три группы:

1)станки с пневматическим давлением;

2)станки с ременной передачей движения на вал кривошипа (пово-

док);

3)станки с фрикционной передачей.

Шлифовально-полировальные станки обозначаются условным шифром, состоящим из буквенного и цифрового индексов, первый из которых указывает технологическое назначение станка (ШП – шлифовально-поли- ровальный, ПТ – для тонкого полирования, ПД – полировально-дово- дочный), а второй – максимальный диаметр детали или блока, обрабатываемых на данном оборудовании. У станков с шифром ШП диаметр детали указывается в миллиметрах, а с шифром ПТ – в сантиметрах. Дополнительно добавляют цифровой индекс, показывающий количество шпинделей на станке, и буквенный, характеризующий конструктивные особенности станка.

Внастоящее время наибольшее распространение получили станки

спневматическим давлением, которые характеризуются высокой производительностью и удобством в эксплуатации. Отличительной конструктивной особенностью этих станков является наличие механизма давления, обеспечивающего безынерционную регулируемую силу нажатия на поводок. Подача абразивной и полирующей суспензии в зону обработки осуществляется посредством циркуляционного питателя. Основные сведения о станках данного типа приведены в табл. 8.3. Конструкция этих станков унифицирована.

72

Таблица 8.3

Станки для шлифования и полирования свободным абразивом и полирующей суспензией

Глава 9. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

9.1. Обработка по методу свободного притирания

9.1.1. Сущность метода

Сущность метода заключается в том, что две поверхности при взаимном притирании самоисправляются и приобретают правильную геометрическую форму одинаковой кривизны: либо сферическую (одна – выпуклая, другая – вогнутая), либо плоскую. Причем на стадии шлифования заготовка притирается к обрабатывающей поверхности твердого шлифовальника, а при полировании мягкие подложки полировальника притираются к шлифованной поверхности заготовки стекла.

73

Обработка деталей методом притирания обеспечивает максимальную точность по сравнению с другими методами. Этот способ является весьма старым и получил название классического.

Метод свободного притирания определяется наличием нескольких признаков:

1.Контакт притирающихся поверхностей инструмента и заготовки обеспечивается силовым замыканием.

2.Одна из притирающихся поверхностей самоустанавливается на другой благодаря наличию шарового шарнира.

3.Наладочные параметры станка выбирают так, чтобы все точки на притирающихся поверхностях инструмента и детали находились в многократном апериодическом контакте.

Свободным притиранием можно получать весьма точные поверхности на грубом оборудовании и грубым инструментом.

9.1.2.Прогрессивное технологическое оборудование для одновременной двусторонней обработки линз с тонким центром

При формообразовании высокоточных линз по классической технологии односторонней обработки заготовки деталей закрепляют (блокируют) на приспособление наклеечным веществом (в большинстве случаев наклеечной смолой), которое поочередно наносят на каждую из исполнительных поверхностей.

Недостатком такого метода крепления является деформация деталей с тонким центром (двояковогнутые и плосковогнутые линзы и отрицательный мениск). Эта деформация обусловлена тем, что блокировка сопровождается нагревом заготовки и наклеечного вещества, которые при остывании из-за различных значений ТКЛР сокращаются на разную величину. В результате заготовка в блоке находится в напряженном (упругодеформированном) состоянии. И если ее точно обработать, а затем удалить наклеечное вещество, то упругая деформация стекла снимается, вызывая изменение той точности, которая была достигнута на заблокированной детали, т. е. возникает погрешность формы обработанной поверхности.

На практике отмеченную погрешность уменьшают так называемой разгрузкой линзы, при которой в центральную зону заготовки помещают бумажную прокладку небольшого диаметра. При этом исключается адгезия (прилипание) смолы к стеклу в центральной зоне заготовки, что способствует уменьшению деформации последней, однако это происходит не всегда, особенно в случае линз с малой относительной толщиной (0,05 и меньше).

Перечисленных недостатков можно избежать при одновременной двусторонней обработке линз. В таком случае на исполнительные поверхности деталей наносить наклеечное вещество не требуется, что исключает деформацию заготовки.

74

Двусторонняя обработка линз с тонким центром может быть реализована на технологическом оборудовании, представляющим собой модернизированный шлифовально-полировальный или полировально-доводочный станок модели ШП (ПД).

Принципиальная схема станка для одновременной двусторонней обработки отрицательных линз, диаметр которых не превышает 1,6 R, где R – радиус кривизны обрабатываемой поверхности, представлена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Схема станка для одновременной двусторонней обработки линз с пологими вогнутыми поверхностями

Станок состоит из основания 1, на котором смонтированы шпиндель 2

сприводом вращения 3, механизм привода линзы, состоящий из центрального зубчатого колеса 4, жестко установленного на шпинделе 2, вала 5

сведущим 6 и ведомым 7 зубчатыми колесами, сепаратора 8 для линзы 9 и зубчатого колеса 10, неподвижно закрепленного на сепараторе 8, а также механизма качания инструмента 11 с приводом вращения 12 и механизма качания верхнего инструмента 13.

Механизмы качания инструмента 11 и верхнего инструмента 13 содержат соответственно входной вал 14 и 15, пальцы 16 и 17, шатуны 18 и 19, рычаги 20 и 21, валы штанги 22 и 23, штанги 24 и 25 с державками 26 и 27, удерживающими поводки 28 и 29. В механизм качания инструмента 11 входит также блок зубчатых колес 30, неподвижно закрепленный на вход-

75

ном валу 14, а в механизм качания инструмента 13 – кривошипный диск 31, смонтированный на входном валу 15, и полый вал 32 с блоком зубчатых колес 33 и винтом 34, установленный с возможностью перемещения вдоль оси входного вала 15. При этом поводки 28 и 29 шарнирно соединены

синструментами 11 и 13, штанги 24 и 25 кинематически связаны с валами штанг 22 и 23 с возможностью качания в плоскости, проходящей через ось симметрии последних, рычаги 20 и 21 жестко закреплены на валах штанг 22 и 23, шатуны 18 и 19 шарнирно соединены с рычагами 20 и 21 и с пальцами 16 и 17, установленными с возможностью радиального перемещения по поверхности соответственно верхнего зубчатого колеса блока зубчатых колес 30 и кривошипного диска 31, а зубчатое колесо 10 неподвижно соединено с сепаратором 8.

Для сообщения рабочего усилия на линзу 9 используются грузы 35 и 36, расположенные на штангах 24 и 25.

Станок работает следующим образом. Линзу 9 неподвижно закрепляют в сепараторе 8, на ее исполнительные поверхности устанавливают инструменты 11 и 13, с последними приводят в контакт поводки 28 и 29, грузами 35 и 36 нагружают штанги 24 и 25, создавая необходимое рабочее усилие, и включают приводы вращения 3 и 12. Крутящий момент от первого из них через центральное зубчатое колесо 4, ведущее 6 и ведомое 7 зубчатые колеса, зубчатое колесо 10 и сепаратор 8 вызывает вращение линзы 9. Благодаря наличию сил трения между линзой и инструментами последние совершают вращение вокруг собственных осей симметрии.

Крутящий момент от привода вращения 12 через входной вал 14, верхнее зубчатое колесо блока зубчатых колес 30, палец 16, шатун 18, рычаг 20, вал штанги 22, штангу 24 и поводок 28 вызывает возвратно-вращательное перемещение инструмента 11 по одной из исполнительных поверхностей линзы 9. Кроме того, крутящий момент от привода вращения 12 через одно из зубчатых колес блока зубчатых колес 30, находящегося в зацеплении

сзубчатым колесом блока зубчатых колес 33, полый вал 32, винт 34, входной вал 15, кривошипный диск 31, палец 17, шатун 19, рычаг 21, вал штанги 23, штангу 25 и поводок 29 вызывает возвратно-вращательное перемещение верхнего инструмента 13 по второй исполнительной поверхности линзы 9.

Для управления величиной съема припуска в той или иной зоне исполнительных поверхностей линзы 9 в процессе ее обработки производят независимое регулирование следующих наладочных параметров станка: рабочего усилия посредством подбора величины грузов 35 и 36, амплитуды возвратно-вращательных перемещений инструментов 11 и 13 по по-

верхностям линзы, что обеспечивается регулированием расстояний l1 и l2 между осями симметрии пальцев 16, 17 и входных валов 14, 15, а также количества двойных ходов в минуту инструментов, что достигается изменением скорости вращения входного вала 14 и назначением зацепления той или иной пары зубчатых колес блоков зубчатых колес 30 и 33.

76

По окончании процесса формообразования отключают приводы вращения 3 и 12, поводки 28 и 29 рассоединяют с инструментами 11 и 13, последние снимают с поверхностей линзы 9, линзу достают из сепаратора 8, на ее место в сепаратор закрепляют новую линзу и цикл обработки повторяют.

Кинематическая схема станка для формообразования оптических деталей с вогнутыми сферическими поверхностями диаметром не менее 1,6 R приведена на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Схема станка для одновременной двусторонней обработки линз с крутыми вогнутыми поверхностями

Станок состоит из основания 1, на котором смонтированы шпиндель 2

сприводом вращения 3, механизм привода линзы, состоящий из центрального зубчатого колеса 4, жестко установленного на шпинделе 2, вала 5

сведущим 6 и ведомым 7 зубчатыми колесами, сепаратора 8 для линзы 9 и зубчатого колеса 10, неподвижно закрепленного на сепараторе 8, а также механизма качания инструмента 11 с приводом вращения 12 и механизма качания верхнего инструмента 13.

Механизмы качания нижнего 11 и верхнего 13 инструментов содержат соответственно входные валы 14 и 15, пальцы 16 и 17, шатуны 18 и 19, рычаги 20 и 21, валы штанги 22 и 23, штангу переменной длины, состоящую из неподвижных 24 и 25 и подвижных 26 и 27 элементов, кронштейны 28 и 29, рычаги 30 и 31, поводки 32 и 33. В механизм качания инструмента 11 входит также блок зубчатых колес 34, неподвижно закрепленный на входном

77

валу 14, а в механизм качания инструмента 13 – кривошипный диск 35, смонтированный на входном валу 15, и полый вал 36 с блоком зубчатых колес 37 и винтом 38, установленный с возможностью перемещения вдоль оси входного вала 15. При этом подвижные элементы 26 и 27 установлены

свозможностью перемещения вдоль оси симметрии неподвижных элементов 24 и 25 и вращения вокруг этой оси, поводки 32 и 33 жестко соединены

синструментами 11 и 13 и шарнирно – с рычагами 30 и 31, неподвижные элементы 24 и 25 жестко связаны с валами штанг 22 и 23, рычаги 20 и 21 неподвижно закреплены на валах штанг 22 и 23, шатуны 18 и 19 шарнирно соединены с рычагами 20 и 21 и пальцами 16 и 17, установленными с возможностью радиального перемещения по поверхности соответственно верхнего зубчатого колеса блока зубчатых колес 34 и кривошипного диска 35, зубчатое колесо 10 неподвижно соединено с сепаратором 8, а кронштейны 28 и 29 шарнирно соединены с рычагами 30 и 31 и установлены с возможностью возвратно-вращательных движений вокруг оси, совпадающей с центром кривизны обрабатываемой поверхности линзы 9 и перемещения относительно подвижных элементов 26 и 27 штанг переменной длины.

Для сообщения рабочего усилия на линзу 9 используются грузы 39 и 40, расположенные на рычагах 30 и 31.

Станок работает следующим образом. Линзу 9 неподвижно закрепляют в сепараторе 8, на ее исполнительные поверхности устанавливают инструменты 11 и 13 с поводками 32 и 33, в контакт с последними приводят рычаги 30 и 31 и нагружают их грузами 39 и 40, создавая необходимое рабочее усилие, а затем включают приводы вращения 3 и 12. Крутящий момент от первого из них через центральное зубчатое колесо 4, ведущее 6 и ведомое 7 зубчатые колеса, зубчатое колесо 10 и сепаратор 8 вызывает вращение линзы 9. Благодаря наличию сил трения между линзой и инструментами последние совершают вращение вокруг собственных осей симметрии.

Крутящий момент от привода вращения 12 через входной вал 14, верхнее зубчатое колесо блока зубчатых колес 34, палец 16, шатун 18, рычаг 20, вал штанги 22, неподвижный 24 и подвижный 25 элементы, кронштейн 28, рычаг 30 и поводок 32 вызывает возвратно-вращательное перемещение инструмента 11 по одной из исполнительных поверхностей линзы 9. Кроме того, крутящий момент от привода вращения 12 через одно из зубчатых колес блока зубчатых колес 34, находящегося в зацеплении с зубчатым колесом блока зубчатых колес 37, полый вал 36, винт 38, входной вал 15, кривошипный диск 35, палец 17, шатун 19, рычаг 21, вал штанги 23, неподвижный 25 и подвижный 27 элементы, кронштейн 29, рычаг 31 и поводок 33 вызывает возвратно-вращательное перемещение верхнего инструмента 13 по второй исполнительной поверхности линзы 9.

Для управления величиной съема припуска в той или иной зоне исполнительных поверхностей линзы 9 в процессе ее обработки производят независимое регулирование следующих наладочных параметров станка: рабочего усилия посредством подбора величины грузов 39 и 40, амплиту-

78

ды возвратно-вращательных перемещений инструментов 11 и 13 по поверхностям линзы, что обеспечивается регулированием расстояний l1 и l2 между осями симметрии пальцев 16, 17 и входных валов 14, 15, а также количества двойных ходов в минуту инструментов, что достигается изменением скорости вращения входного вала 14 и назначением зацепления той или иной пары зубчатых колес блоков зубчатых колес 34 и 37.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что обработка высокоточных линз с радиусами кривизны от 12 до 95 мм (крутые сферические поверхности) становится менее трудоемкой и более качественной, если в процессе колебательного движения инструмента рабочее усилие направлять по нормали к исполнительной поверхности детали. Для реализации выявленной особенности в предложенной схеме станка возвратновращательное движение инструментов 11 и 13 организовано с помощью рычагов 30 и 31, установленных с возможностью вращения в вертикальной плоскости вокруг центров кривизны сферических поверхностей детали 9. При этом поводки 32 и 33 соединены с рычагами 30 и 31 шарнирно, а с инструментами – жестко. Такая конструкция рабочей зоны требует определенной длины поводков, при которых исключается раскрытие стыка в системе «заготовка–инструмент», приводящее к появлению локальной погрешности N в краевой зоне детали. Проведенные экспериментальные исследования показали, что для исключения погрешности N длина поводков 32 и 33 должна составлять не менее четырех значений соответствующих R.

9.1.3. Блокировка линз при одновременной двусторонней обработке

Как видно из рис. 9.3, наклеечная оправка 1 с посадочным отверстием для линзы должна иметь такую конфигурацию, чтобы она свободно помещалась между продолжениями обрабатываемых поверхностей А и Б линзы 2.

При блокировке линзу вместе с наклеечной оправкой устанавливают на подставку 3 с круговой канавкой. Размеры последней должны быть такими, чтобы наклеечная оправка располагалась примерно посередине боковой поверхности линзы. При этом оправку необходимо центрировать относительно оси линзы.

Подставку вместе с линзой и оправкой нагревают до температуры плавления наклеечной смолы, которую в виде шариков 4 (8–10 шт.) диаметром 2–3 мм помещают в зазор между линзой и оправкой (при использовании вместо наклеечной смолы гипсоцементной смеси нагрев подставки с линзой исключается). После расплавления смоляных шариков подставку с линзой и оправкой охлаждают.

Рассмотренный метод крепления линзы не вызывает ее деформации.

79