Повышение качества оптических поверхностей элементов приборов алмазным шлифованием на сверхточных станках, страница 2

Программа ЭВМ прошла государственнуюрегистрацию.Практическая значимость работы:1)Разработанытехнологическиерекомендациипообработкеоптических поверхностей подложки диэлектрического зеркала резонаторакольцевого лазерного гироскопа, включающие использование схемы плоскогошлифования периферией с наклоном оси круга на сверхточном станке наследующих режимах резания: глубина резания 1...5 мкм, скорость шлифования10…15 м/с, скорость продольной подачи заготовки 0,025…0,06 м/мин, скоростьпоперечной подачи круга 0,0004…0,0006 м/мин, а также использованиеспециального шлифовального круга с конической фаской.

Реализованавозможность алмазного шлифования оптических поверхностей деталей из9ситалла и кварцевого стекла с шероховатостью Ra 10 нм и глубинойтрещиноватого слоя 50 нм и менее.2)Создан сверхточный экспериментальный стенд для проведенияисследований по алмазному шлифованию ситалла и кварцевого стекла сиспользованием схемы с наклоном оси шлифовального круга, реализующийвозможностьшлифованияпомеханизмупластичногодеформированияматериала с предельно малой глубиной трещиноватого слоя;3)Разработаныиобоснованырезультатамиэкспериментальныхисследований на сверхточном экспериментальном стенде технические итехнологические требования к оборудованию и алмазному шлифовальномуинструменту для реализации финишной обработки оптических поверхностейдеталей из ситалла и кварцевого стекла;4)Разработаныконструкцииспециальныхалмазныхкруговсзернистостью алмазоносного слоя 2/3 мкм на металлической и органическойсвязке.

Проведены сравнительные испытания кругов, изготовленных потрадиционнойтехнологииипотехнологиинанесениямногослойногокомпозиционного электролитического покрытия;5)Разработан и создан сверхточный станок с биением поверхностейшпиндельных узлов не более 0,1 мкм и жесткостью не менее 400 Н/мкм, которыйреализует схему плоского шлифования периферией с наклоном оси круга.Методология и методы. Работа включает в себя теоретические иэкспериментальныеметодыисследованияимоделированиенаЭВМ.Использованы основные положения теории шлифования материалов, механикиразрушения твердого тела, методы теории вероятности и математическойстатистики, элементы теории инженерного эксперимента и др.Алгоритмизация и верификация математической модели алмазногошлифования изотропных оптических материалов проведена с использованиемметода объектно-ориентированного программирования в среде Turbo Delphi 7.Разработка конструкций узлов и систем сверхточного экспериментального10стенда, а также специальных алмазных кругов и сверхточного станка выполненас помощью программного комплекса САПР SolidWorks.Экспериментальныеисследованияпоалмазномушлифованиюповерхностей деталей из ситалла и кварцевого стекла выполнены, в том числе насверхточномэкспериментальномстенде.Висследованияхиспользованмикроскоп Zeiss Axio Imager Z2 и трехкомпонентный динамометр Kistler модели9257B.

Исследования шероховатости обработанной поверхности проводилиськонтактнымиоптическимметодамисиспользованиемпортативногопрофилометра Mitutoyo Surftest SJ-210 и оптического профилометра моделиTalysurf CCL 600. Глубина трещиноватого слоя оценивалась методом ионнолучевого травления с использованием нанотехнологического комплексаHeliosNanolab и сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira 3 LM поразработанным методикам.Основные положения, выносимые на защиту:1) Математические уравнения, описывающие функциональные связимеждувходнымипеременными,характеризующимиобрабатываемыйизотропный оптический материал (твердость, прочность, трещиностойкость,эффективная поверхностная энергия, модуль упругости), параметрами зерна иалмазоносного слоя шлифовальных кругов, режимными параметрами процессашлифования и выходными показателями качества обработанной поверхности –шероховатостью и глубиной трещиноватого слоя;2) Методики и результаты экспериментальных исследований иметрологического контроля поверхностей образцов из ситалла и кварцевогостекла, подтверждающие достижение минимальной шероховатости и глубинытрещиноватого слоя при алмазном шлифовании с преобладающим механизмомпластичного деформирования материала;3) Технологические рекомендации по характеристикам алмазных круговирежимамрезания,обеспечивающиеповышениепроизводительностиобработки и качества оптических поверхностей элементов приборов из ситаллаи кварцевого стекла;114)Разработанныеиобоснованныеметодомматематическогомоделирования технические и технологические требования на сверхточныйстанок, позволяющие реализовать финишный метод плоского алмазногошлифования, в том числе с разворотом оси круга, который обеспечиваетмеханизм пластичного деформирования материала в зоне резания, его обработкус шероховатостью Ra не более 10 нм и глубиной трещиноватого слоя не более50 нм.Краткое содержание работы.

Диссертационная работа состоит извведения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.Первая глава посвящена анализу особенностей обработки оптическихповерхностей элементов приборов из ситалла и кварцевого стекла, современныхтехнологий, определению цели, основных задач и предметной областиисследования.Во второй главе разработана функциональная математическая модельпроцесса алмазного шлифования изотропных оптических материалов, котораяпозволяет проанализировать условия работы единичного зерна и алмазногокруга, теоретически рассчитать силы резания, шероховатость обработаннойповерхности и глубину трещиноватого слоя.Третья глава содержит описание экспериментальных стендов иконструкцийспециальногорежущегоинструмента,применяемыхприэкспериментальных исследованиях, а также описание методик исследованияпроцесса алмазного шлифования образцов из ситалла и кварцевого стекла, иметрологического контроля показателей качества обработанной поверхности.Четвертаяглавасодержитрезультатыэкспериментальныхисследований по алмазному шлифованию ситалла и кварцевого стекла, которыепозволяют провести сравнение теоретических и экспериментально полученныхзначений сил резания, шероховатости поверхности и глубины трещиноватогослоя.Пятая глава включает в себя технологические рекомендации поалмазному шлифованию оптических поверхностей элементов приборов,12технические требования на разработанный сверхточный пятикоординатныйстанок для обработки подложек диэлектрических зеркал лазерных гироскопов ианализ полученных результатов.Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверностьполученных научных результатов основывается на рационально выбранных ипримененныхметодахнаучногоисследования,подтверждаетсяэкспериментальной проверкой результатов теоретического моделирования ииспользованием аттестованных приборов и аппаратуры.Основные результаты работы докладывались на: Седьмой всероссийскойконференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроенияРоссии» (Москва, 2014); Всероссийской межвузовской научно-техническойконференции «Современные тенденции в технологиях металлообработки иконструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий»(Уфа,2015);Специализированнойнаучно-практическойконференции«Инновационные оптические технологии для изготовления оптико-электронныхприборов и комплексов» в рамках XI международного форума «Оптическиесистемы и технологии – OPTICS-EXPO 2015» (Москва, 2015); Научнопрактической конференции V Конгресса ТП «Фотоника» в рамках выставки«Фотоника. Мир лазеров и оптики 2016» (Москва, 2016); на научных семинарахкафедры «Инструментальная техника и технологии» МГТУ им.

Н.Э. Баумана в2013-2017 г. г.Результаты работы внедрены при выполнении:1) Соглашения о предоставления субсидии №14.579.21.0042 «Разработкатехнологиииоборудованиянаноразмернойобработкиалмазныммонокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов врежиме квазипластичного резания» между ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» иМинистерством науки и образования РФ, заключенного в рамках ФедеральнойЦелевойПрограммы"Исследованияиразработкипоприоритетнымнаправлениям развития научно-технологического комплекса России на 20142020 годы";132) Контракта №555/145 от 05.08.2014 по теме «Создание стенда дляультрапрецизионной финишной обработки элементов мишеней» междуОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» и ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г.

Саров);3) Договора № КС-32/8108/2016 от 17.06.2016 по теме «Разработка иизготовление образцов подложек шкал и дифракционных решеток дляэкспериментального образца ультрапрецизионного голографического датчикалинейных перемещений» между ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» и МГТУ им.Н.Э. Баумана.Основное содержание работы отражено в 11 печатных работах, изкоторых 7 – в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.Получено свидетельство на программу ЭВМ для расчета параметров процессаалмазного шлифования хрупких материалов.14ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИБОРОВ ИЗ ИЗОТРОПНЫХОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ1.1.Требования к качеству оптических поверхностей элементовприборов из изотропных оптических материаловПовышение качества оптических поверхностей элементов приборов изизотропных оптических материалов – уменьшение шероховатости поверхностии глубины трещиноватого слоя является актуальной задачей для оптическихэлементов различных типоразмеров и назначения.Рассмотрим несколько наиболее актуальных примеров элементовприборов: подложка для измерительной шкалы голографического датчикалинейных перемещений для точных и сверхточных станков, полусферическийрезонатортвердотельноговолновогогироскопа,корпусмоноблочногорезонатора и подложка диэлектрического зеркала лазерного кольцевогогироскопа.Эскиз подложки измерительной шкалы для голографического датчикалинейных перемещений приведен на Рис.