Повышение качества оптических поверхностей элементов приборов алмазным шлифованием на сверхточных станках

м о с к ов ск|/шт г о с у дАР с тввннь1и тЁ хну[1Р'ск\ш| униввРситвтимвни н.э. БАумАнА(национ а_гтьньтй иооледов атель окий универ оитет)[{а правах рукописи1[авва 1!{ария Александров}1аповь|1швнив кАчвствА оптичвских поввРхностшйэлвмвнтов пРиБоРов АлмАзнь!м 1шлиФовАниш,м нАсввРхточнь1х стАнкАх€пециа-гтьность05.02.07 _ 1ехнологияи оборулование механической и физико-техничеокой обработки[иссертация на соиокание уленой отепени кандидата технических наукЁаунньтй руководитель _доктор технических наук'доцент €.Б.Р1осква, 2о1'7[рубьтй2ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….5ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИБОРОВ ИЗ ИЗОТРОПНЫХОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ…………………………………………141.1.

Требования к качеству оптических поверхностей элементовприборов из изотропных оптических материалов……………………141.2. Особенности технологии обработки оптических поверхностейэлементов приборов…………………………………………………….201.3. Механизмы разрушения изотропных оптических материалов…241.4.Особенностиоборудованиядляобработкиоптическихповерхностей элементов приборов……………………………………341.5. Алмазный инструмент для обработки изотропных оптическихматериалов………………………………………………………………371.6. Состояние вопроса по моделированию процесса алмазногошлифования……………………………………………………………..381.7.

Методы метрологического контроля параметров качестваоптической поверхности……………………………………………….391.8. Выводы по Главе 1…………………………………………………41ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗОТРОПНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ...432.1. Моделирование формы алмазного зерна…………………………432.2.

Моделирование процесса резания единичным алмазным зерном452.3.Влияниеизносаалмазногозернаисвойствсвязкиалмазоносного слоя на процесс резания………………………………502.4. Моделирование поверхности алмазного шлифовального круга..582.5. Выбор кинематической схемы плоского алмазного шлифования642.6.

Расчет суммарных сил резания при шлифовании………………..733Стр.2.7.Расчетвеличиныкинематическойсоставляющейшероховатости оптической поверхности……………………………...742.8. Расчет глубины трещиноватого слоя оптической поверхности802.9. Выбор угла наклона оси с учетом параметров круга и глубинытрещиноватого слоя …………………………………………………….862.10. Влияние связки алмазных шлифовальных кругов приобработке оптических поверхностей………………………………......882.11. Выводы по Главе 2………………………………………………..91ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХИССЛЕДОВАНИЙПОАЛМАЗНОМУШЛИФОВАНИЮОПТИЧЕСКИХ ИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ………………………933.1.

Создание экспериментального стенда и разработка методикидля измерения сил резания при плоском алмазном шлифованиипериферией круга ………………………………………………………933.2. Разработка специального режущего инструмента для алмазногошлифования оптических поверхностей……………………………….963.3.

Создание сверхточного экспериментального стенда……………1003.4. Разработка методики экспериментальных исследований повыбору параметров алмазных шлифовальных кругов для обработкиоптических поверхностей ……………………………………………...1033.5. Разработка методики проверки расчетных зависимостейшероховатости поверхности и глубины трещиноватого слоя, иметрологического контроля обработанных поверхностей …………..1093.6. Выводы по Главе 3…………………………………………………112ГЛАВА4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕИССЛЕДОВАНИЯПОАЛМАЗНОМУ ШЛИФОВАНИЮ СИТАЛЛА И КВАРЦЕВОГОСТЕКЛА……………………………………………………………………1134Стр.4.1.

Экспериментальная проверка силовых зависимостей влияниярежимов резания при плоском алмазном шлифовании материаловпериферией круга………………………………………………………1134.2. Экспериментальные исследования по выбору параметровалмазных шлифовальных кругов для обработки оптическихповерхностей……………………………………………………………1164.3. Результаты исследований по проверке расчетных зависимостейшероховатости поверхности и глубины трещиноватого слоя………4.4.Сравнениерасчетныхиэкспериментальных118значенийшероховатости поверхности и глубины трещиноватого слоя………1254.5.

Выводы по Главе 4………………………………………………...128ГЛАВА5.ПРИМЕНЕНИЕТЕХНОЛОГИИАЛМАЗНОГОШЛИФОВАНИЯ НА СВЕРХТОЧНЫХ СТАНКАХ ДЛЯ ОБРАБОТКИОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИБОРОВ ………1295.1. Разработка программы ЭВМ для расчета сил резания ипараметровповерхностногослояприплоскомалмазномшлифовании изотропных оптических материалов …………………..1295.2. Разработка технологических рекомендаций для повышенияпроизводительности обработки и качества поверхностного слояоптических поверхностей элементов приборов ………………………1355.3. Разработка сверхточного станка для алмазного шлифованияэлементов приборов из оптических изотропных материалов ……….1455.4.

Выводы по Главе 5…………………………………………………150ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………….151СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ………………………………………………154СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………..162ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………………1715ВВЕДЕНИЕАктуальностьработы.Всоставесовременныхизделиймашиностроения, авиакосмической, оптико-механической и электроннойпромышленности широкое применение находят элементы приборов изизотропных оптических материалов: отражатели, резонаторы, подложкиизмерительных шкал и др.

К таким элементам приборов можно отнестидиэлектрические зеркала резонаторов лазерных гироскопов. Качество обработкиоптических поверхностей зеркал влияет на долговременную стабильностьлазерных гироскопов и точность работы навигационной системы.Традиционная технология обработки элементов приборов из изотропныхоптическихматериаловпредусматриваетобработкупоследовательносвязанным, а затем свободным абразивом - химико-механическое полирование всреде полировальной суспензии. К основным недостаткам такой технологииотносятся: возникновение поврежденного слоя обработанной поверхности;шаржирование обработанной поверхности абразивными частицами; низкаяпроизводительность процесса полирования оптических поверхностей.

Дляизменения технологии, сокращения или исключения операций полирования,травления и ионно-лучевой обработки предлагается использовать алмазноешлифование на сверхточных станках. Однако для алмазного шлифованияостается открытым вопрос о возможности достижения предельных требованийпо качеству обработки.Существующиематематическиемоделипроцессовалмазногошлифования изотропных оптических материалов не позволяют использовать ихдля прикладных расчетов, т.к. в них не учитываются закономерности физическихпроцессов, протекающих в зоне резания, а также отсутствует методика расчетаглубины трещиноватого слоя. Кроме того, не описана методика контроляглубины трещиноватого слоя при финишной обработке оптических материалов.6Для решения проблемы повышения качества оптических поверхностейэлементов приборов и производительности обработки актуальной являетсязадача по разработке математической модели процесса, которая позволитрассчитатьпараметрызонырезания,выходныепоказателикачестваобработанной поверхности, режимные параметры, стойкость инструмента итеоретическиобосноватьиспользованиефинишногометодаалмазногошлифования на сверхточных станках.

Разработанная модель также позволитсформулировать технические требования к сверхточному оборудованию дляпрактической реализации финишного метода алмазного шлифования.Целью диссертационной работы является уменьшение шероховатостии глубины трещиноватого слоя оптических поверхностей элементов приборов изситалла и кварцевого стекла за счет использования алмазного шлифования насверхточных станках.Задачи работы:Разработать1.математическуюмодельпроцессаалмазногошлифования изотропных оптических материалов для получения расчетныхзависимостей сил резания, шероховатости и глубины трещиноватого слояобработанной поверхности от режимов резания, параметров алмазоносного слоякруга и свойств обрабатываемого материала;Разработать методики и провести экспериментальные исследования2.для проверки расчетных зависимостей сил резания, шероховатости и глубинытрещиноватого слоя, и выполнить контроль параметров качества оптическихповерхностей;Создать сверхточный экспериментальный стенд для проведения3.исследований по алмазному шлифованию образцов из ситалла и кварцевогостекласпреобладающиммеханизмомпластическогодеформированияматериала, технические характеристики которого будут использованы приразработке технического задания на сверхточный станок;4.Разработать специальные алмазные круги для обработки оптическихповерхностей деталей из ситалла и кварцевого стекла, обеспечивающие7возможность достижения показателей качества исполнительных поверхностей,предусмотренныхнормативнойтехнологическойдокументацией-шероховатость Ra 10 нм и глубина трещиноватого слоя 50 нм и менее;5.Разработать сверхточный станок и технологические рекомендациипо обработке оптических поверхностей, обеспечить повышение качества иснижение трудоемкости обработки.Научная новизна:1)Установлено,чтоминимальнаяшероховатостьиглубинатрещиноватого слоя достигается при обеспечении перехода от хрупкогоразрушения к пластическому деформированию обрабатываемого изотропногооптического материала алмазным зерном.

Теоретически обоснованы иэкспериментально подтверждены условия этого перехода по предельнымнагрузкам и толщине срезаемого слоя;2) Доказано, что предельные требования по качеству обработкидостигаются при использовании схемы плоского шлифования с разворотом осикруга, которая позволяет регулировать толщину срезаемого слоя единичнымзерном, управлять направлением распространения трещин и обеспечиваетминимальную глубину трещиноватого слоя;3) Установлены рациональные соотношения между свойствами связкиинструмента, алмазного зерна и силами резания, действующими на единичноезерно, которые позволяют одновременно обеспечить условия прочности связкии зерна, и расчетную стойкость круга;4) Разработаны методики: экспериментальных исследований по выборуэксплуатационных параметров абразивного алмазного инструмента для работына сверхточных станках; для проверки расчетных зависимостей сил резания,шероховатости и глубины трещиноватого слоя; для контроля шероховатости иглубины трещиноватого слоя оптических поверхностей деталей из изотропныхоптических материалов.Теоретическая значимость работы заключается в том, что:81) Разработаны функциональные связи между характеристикамиабразивного алмазного инструмента и свойствами обрабатываемого изотропногооптическогоматериала:твердостью,эффективнойповерхностнойпрочностью,энергией,которыетрещиностойкостью,позволяютопределитьрациональные режимные параметры процесса шлифования и выходныепоказатели качества обработанной поверхности – шероховатость и глубинутрещиноватого слоя;2)Разработаныматематическиезависимости,характеризующиепараметры зоны шлифования, которые позволяют рассчитать длину и площадьконтакта круга и заготовки, число режущих зерен, толщину срезаемого слоя,шероховатостьобработаннойповерхности.Теоретическиобоснованоиспользование кинематической схемы с наклоном оси шлифовального круга.3)На основании выявленных и систематизированных функциональныхи математических зависимостей разработана программа ЭВМ «Расчетпараметров процесса наноразмерной обработки хрупких материалов алмазнымшлифованием», которая позволяет рассчитать параметры зоны резания пришлифовании,силырезания,шероховатостьповерхности,глубинутрещиноватого слоя и др.