Повышение качества оптических поверхностей элементов приборов алмазным шлифованием на сверхточных станках, страница 4

Обработка поверхности происходитс последовательным снижением зернистости используемого абразива методомглубокого шлифования и полирования, который заключается в удалении накаждом переходе нарушенного слоя, оставленного предыдущим переходом.Таким образом, на поверхности обработанной детали остается тольконарушенный слой, полученный в процессе последней механической операции.Шероховатость поверхности при использовании этой технологии находится впределах Ra 2…4 нм. Глубина трещиноватого слоя после полированиясоставляет 500 нм [10]. При этом на операции полирования суммарнозатрачивается более 80% от общего основного времени механическойобработки [10].Для повышения качества обработанной поверхности после операцийшлифованияиполированияприменяютметодыионно-лучевойобработки [11 - 14].

Можно выделить два наиболее часто используемых методаионно-лучевой обработки – метод распыления, когда под действием пучка ионоврабочего газа происходит распыление обрабатываемого материала [11], и методионно-лучевого полирования [13].Ионно-лучевая обработка методом распыления ситалла марки СО115Мхарактеризуется скоростью съема от 0,0065 до 0,014 мкм/мин [11]. Для23кварцевого стекла этот параметр несколько больше – от 0,024 до0,036 мкм/мин [12].Такимобразом,удалениетрещиноватогослоя,образовавшегося после операции химико-механического полирования споверхности ситалла или кварцевого стекла может занять от 14 до 80 минут(значениеH trпо Таблице 3).

При этом шероховатость поверхностиобработанного материала может увеличиваться на 10-20% [12]. С увеличениеммощности ионного пучка повышается производительность обработки иуменьшается шероховатость обработанной поверхности. Однако, как показано вработе [14], при увеличении мощности ионного пучка на обрабатываемойповерхности появляются дефекты в виде сколов со средними размерами до7 мкм.Метод ионно-лучевого полирования включает в себя определенное числоцикловпоследовательногоосаждениянаобрабатываемуюповерхностьматериала аналогичного состава, а затем распыления обрабатываемогоматериала.

Основной целью метода служит уменьшение шероховатостиобработанной поверхности за счет осуществления следующего алгоритмаобработки:- осаждение во впадины исходного рельефа поверхности слоя толщиной,примерно равной половине высоты характерных выступов рельефа, приприменении распыления ионами кислорода мишени из того же материала, что иобразец;- распыление нормально падающим пучком медленных ионов кислородаполученной поверхностной структуры на глубину, примерно равную удвоеннойтолщине осажденного слоя;-повторениециклов«осаждение-распыление»спостепеннымуменьшением толщины осаждаемого слоя до тех пор, пока не достигаетсяпримерное равенство значений перепада высот рельефов поверхностей до ипосле проведения очередного цикла «осаждение-распыление».Для уменьшения шероховатости обработанной поверхности кварца с 4 нмдо 0,8 нм суммарное время экспозиции образца составляет 16,5 минут [13].24Однако,посколькуприионно-лучевомполированииионныйпучоквзаимодействует только с микровыступами рельефа поверхности, глубинатрещиноватого слоя образца не изменяется.Таким образом, используемые в современном производстве методыионно-лучевой обработки имеют значительную трудоемкость и позволяют либоуменьшить глубину трещиноватого слоя, но при этом повышают шероховатостьповерхности за счет образования дефектов, либо уменьшить шероховатостьобрабатываемой поверхности, но при этом глубина трещиноватого слоя остаетсянеизменной.Минимизацияглубинытрещиноватогослояодновременносуменьшением шероховатости поверхности является одной из основных задачмеханической обработки подложки диэлектрического зеркала лазерногогироскопа.

Для уменьшения роста и числа трещин необходимо разрабатыватьновые подходы, которые должны следовать из анализа механизмов образованиятрещин в оптических материалах.1.3. Механизм разрушения изотропных оптических материаловОптические материалы характеризуются прочностью, твердостью итрещиностойкостью. Прочность стекла характеризуется: модулем упругости,коэффициентом Пуассона и прочностью на растяжение, изгиб и сжатие.Специфической особенностью оптических материалов является сравнительновысокая прочность при сжатии, при этом прочность при растяжении ниже в 1015 раз [15-19].

Оптические материалы практически не имеют пластическихсвойств, плохо сопротивляются действию изгибающих и ударных нагрузок.Прочность оптических материалов также во многом зависит от состояния егоповерхности - наличие царапин и трещиноватого слоя [15].Основныефизическиесвойстваматериалов,наиболеечастоиспользуемых для изготовления элементов приборов, приведены в Таблице 4.В диссертационной работе рассматривается обработка поверхностей издвух изотропных оптических материалов - ситалла и кварцевого стекла(разрабатываемая модель может быть также распространена на оптическое25стекло и другие изотропные материалы).

По статистике 90% подложек зеркализготавливаются из ситалла марки СО115М по ОСТ 3-104-77, остальная часть отобщего объема - из кварцевого стекла марки КУ1 ГОСТ 15130-86. Корпусамоноблочного резонатора лазерного гироскопа также чаще всего изготавливаютиз ситалла, а полусферический резонатор – из кварцевого стекла марки КУ1.Таблица 4.Основные физические свойства оптических материалов по даннымисточников [15 – 19]МатериалЛейкосапфир(Al2O3)СиталлСО115МОСТПредел прочностипри растяжении σв,МПа40070-13048,380Предел прочностипри сжатии σ-в,МПа200020007000110021409373,682,3HHμ=8800**HHМодуль упругостиТвердость, МПаCC1C31=43=4H=k=0,25-0,3μКварцевоестекло КУ1ГОСТОптическоестекло К8ГОСТ==0,2360,17-0,195416Эффективная01поверхностная0,50,200энергия , Н/м8Коэффициент8трещиностойкости1/20 , МПа*м0* - твердость по Кнупу; ** - микротвердость.КоэффициентПуассонаkk=0,209-26Процессы, протекающие при полировании и шлифовании, упрощенноможно представить в виде взаимодействия алмазного зерна - индентора иповерхности обрабатываемого материала.Посредствомматематическогомоделированияисследователямивыявлены закономерности распространения трещин в изотропном оптическомматериалепривзаимодействиисразличнымивидамиинденторов:пирамидального типа, сферического, конического, индентора Берковича [8].Этапыобразованиятрещинпривзаимодействииизотропногооптического материала и сферического индентора показаны на Рис.

1.4.Рис. 1.4. Этапы образования трещин при взаимодействии сферическогоиндентора и изотропного оптического материалаДля сферического индентора последовательность распространениятрещин будет следующая:1) При приложении нагрузки, имеющиеся на поверхности материаламикротрещины, начинают распространяться под углом 20…50° [8] иперерастают в поверхностную трещину, т.

е. при взаимодействии индентора иматериала имеется некоторый критический уровень нагрузки, соответствующий27появлению первых кольцевых трещин. Увеличение нагрузки ведет к увеличениюсреднего давления и максимальных главных напряжений;2) При дальнейшем увеличении нагрузки кольцевая трещина устойчивораспространяется вглубь тела перпендикулярно поверхности. Таким образом,кольцевая трещина переходит в медианную. При достижении критическойглубины распространения медианная трещина входит в стадию неустойчивогороста, приводящего к появлению пространственной конической трещины [7, 8].3) При разгрузке индентора происходит «выламывание» материала пообразованным боковым трещинам [8].Если радиус сферического индентора мал, то при определенных егозначениях материал в зоне контакта будет проявлять пластические свойства [8].Пластическое внедрение происходит тогда, когда максимальное касательноенапряжение достигает критического значения, определяемого свойствамиматериала и наличием поверхностных дефектов [7,8].Взаимодействие режущей вершины абразивного зерна и оптическогоизотропного материала можно упрощенно воспринимать как взаимодействиеконического индентора со сферической частью с обрабатываемой поверхностью.По результатам проведенных предварительных исследований по темедиссертации на Рис.

1.5 на фотографии под электронным микроскопом показанообразование конических и медианной трещин в поверхностном слоешлифованного ситалла.Разрушение твердого тела с трещиной характеризуется устойчивым инеустойчивымраспространениемтрещины.Распространениетрещиныназывают устойчивым, если при медленном увеличении нагрузки, трещинамедленно распространяется. Для устойчивой трещины соблюдается условиеdP 0 , где P - нагрузка на трещину; l - длина трещины, т.е. в предельномdlсостоянии равновесия нагрузка является возрастающей функцией длинытрещины.