Повышение качества оптических поверхностей элементов приборов алмазным шлифованием на сверхточных станках, страница 6

Данные фирмы производят станки для предварительногои тонкого алмазного шлифования, и полирования. Жесткость поворотных узловстанков составляет от 100 до 150 Н/мкм, величина биения исполнительныхповерхностей - до 500 нм, разрешающая способность систем перемещения иточность позиционирования - 1 нм. На данном оборудовании обрабатываютсясферические и плоские поверхности оптических материалов с шероховатостьюRa 2…6 нм после полирования.Анализ рынка современного отечественного сверхточного оборудованияпоказал, что разработками в этой области занимается ограниченное числопредприятий, среди которых лидирующее положение занимают такие, какООО «Ресурс точности» и АО «ВНИИИНСТРУМЕНТ». В частности, этипредприятия разрабатывают и изготавливают сверхточные станки и стенды поиндивидуальным заказам с использованием отечественных комплектующих исистем управления.Проведенный анализ условий шлифования и технических характеристиксверхточных станков показал, что для обеспечения исследований в этой областинеобходиморазработатьсверхточныйстенддляотработкирежимовшлифования с механизмом преимущественного пластичного деформирования, атакже создать сверхточный станок, реализующий возможность внедренияразрабатываемой технологии.

Технические характеристики этого оборудованиядолжны обеспечить:-разрешающуюспособностьсистемперемещенияиточностьпозиционирования - от 1 до 10 нм;- осевое и радиальное биение шпинделей инструмента и изделия - неболее 100 нм;37- кинематика сверхточного станка должна обеспечивать заданнуюпогрешность движений формообразования - не более 1 нм;- исполнительные узлы должны быть выполнены на аэростатическихопорах с жесткостью от 100 до 400 Н/мкм.1.5. Алмазный инструмент для обработки изотропных оптическихматериаловПри выборе абразивного инструмента для алмазной обработкиоптических материалов следует учитывать целый ряд факторов: форму круга, егоразмеры, толщину алмазоносного слоя, зернистость абразива, концентрациюалмазных зерен в связке, а также марку связки. Шлифовальные круги для оптикомеханическойпромышленностирегламентированыГОСТ 17006-71иГОСТ 17007-71.

Наиболее распространены кольцевые (АК) и плоские (АП,АПВ) алмазные круги. Также могут быть использованы тарельчатые круги сразличным углом образующей [50].Основные характеристики алмазного инструмента для шлифованиянеметаллических материалов включают в себя: форму и размер инструмента,зернистость алмазного порошка, связку и ее механические свойства [51].Зернистость алмазного порошка определяет производительность процесса ишероховатость обработанной поверхности [51,52]. Для предварительного итонкого шлифования используется алмазный порошок до 20 мкм. Дляшлифования неметаллических материалов используют круги на органической,керамической и органической связке.

Не существует точных рекомендаций повыбору связок, для обработки каждого материала, свойства связок подбираютсяэкспериментально. Широко распространено также применение алмазногоинструмента,изготовленногосприменениемгальваностегииилигальванопластики.Для обеспечения условий шлифования с преимущественным механизмомпластичного деформирования обрабатываемого материала режущая вершинаалмазного зерна должна иметь радиус величиной не более 0,5 мкм [8, 27]. Крометого, свойства связки шлифовального круга могут влиять на трение в зоне38резания и температуру.

Вследствие этого можно сделать вывод, что дляшлифования оптических поверхностей элементов приборов необходимоиспользовать алмазные круги с зернистостью алмазного порошка менее 5 мкм.Кроме того, необходимо проанализировать влияние свойств связки на толщинусрезаемого слоя на единичное зерно при шлифовании и трение в зоне резания, атакже провести экспериментальные исследования по алмазному шлифованиюкругами на различных связках.Анализ современного отечественного рынка абразивного инструментавыявил, что производством абразивного инструмента занимаются Научнопроизводственноеобъединение“Оптика”,ОАО«АлмазИнструмент»,НПК «Абразивы и шлифование», ООО НПК «Электрокристалл» и др. Однако,отсутствует серийное производство алмазного инструмента с зернистостьюабразива менее 8 мкм.Таким образом, для обработки оптических поверхностей элементовприборовсобеспечениемвозможностишлифованияпомеханизмупластического деформирования и достижения шероховатости Ra 10 нм иглубины трещиноватого слоя менее 50 нм необходимо разработать специальныеалмазные круги зернистостью менее 5 мкм на различных связках, которыеобеспечат необходимую кинематику резания и требуемое качество обработки.1.6.

Состояние вопроса по моделированию процесса алмазногошлифованияДля снижения трудоемкости экспериментальных исследований ивыявления общих закономерностей проводят моделирование процесса резания.Основная особенность моделирования процесса алмазного шлифования состоитв том, что режущая кромка не определена, процесс резания производитсяодновременно большим количеством режущих зерен, каждое из которых имеетсвою геометрию. В разное время такими учеными как Островский В.И. [53],Попов С.А., Малевский Н.П. [54], Резников А.Н. [55] были разработаны моделиалмазного шлифования, которые учитывали особенности формы алмазныхзерен, закономерности их расположения на поверхности режущего инструмента,39силовые и температурные факторы.

Однако разработанные модели былиориентированы на обработку металлических материалов и инструментальныхтвердых сплавов.При алмазном шлифовании оптических материалов процессы резанияотличаются от процессов при шлифовании металла. Поскольку обрабатываетсяхрупкийматериал,необходимоподробнотрещинообразованияифакторы,которыетрещинообразованияпроанализированврассматриватьегоразделевызывают.теориипроцессПроцессразрушениясопротивления материалов [8, 23-25], но рассмотренные зависимости носятобщий характер и не адаптированы к условиям алмазного шлифования. ВработахКалафатовойЛ.П.[56-59],ЛипатовойЛ.П.[60]приведеныэкспериментальные зависимости сил резания и качества обработаннойповерхности от режимных параметров процесса для алмазного шлифованияоптических материалов кругами с зернистостью от 250 до 60 мкм. Также даныоценкиглубинытрещиноватогослоя,нонеполученызависимости,описывающие взаимосвязь данного параметра с режимами резания и процессамиразрушения материала.Таким образом, не существует полной, с возможностью использованиядля прикладных расчетов, модели алмазного шлифования изотропныхоптических материалов, которая анализирует работу единичного алмазногозерна, работу круга в целом, а также по которой можно рассчитатьшероховатость обработанной поверхности и глубину трещиноватого слоя.

Всеполученныеданныепоэтомувопросубазируютсяначастныхэкспериментальных сведениях, что затрудняет их применение в условияхсовременного производства.1.7. Методы метрологического контроля параметров качества оптическойповерхностиСуществуют различные подходы к оценке глубины трещиноватого слояобразца, обработанного алмазным шлифованием. Для измерения величинынарушенногослояизвестныразличныеметодынеразрушающегои40разрушающего контроля [61]. Некоторые неразрушающие методы исследования,как например ультразвуковое измерение с использованием волн Рэлея, хорошопоказывают себя в исследовании трещин значительных размеров, однаконаиболее точные результаты при контроле трещин микронного и субмикронногоразмеров дают разрушающие методы контроля, основанные на тонкомполировании или травлении поверхности:- метод плоскопараллельных (косых) сечений с подтравливанием состоитв последовательном удалении частей нарушенного слоя, химическом травленииоставшегося материала и визуальном контроле следов трещин;- метод циклического травления основан на различии в скоростяхтравления поверхностного нарушенного слоя и объема материала и заключаетсяв точном определении объема стравленного материала за определенныйпромежуток времени [62];- метод микротвердости основан на разнице величины микротвердостинарушенного слоя и объема материала и заключается в послойном химическомстравливании приповерхностных слоев материала и измерении микротвердостиоставшейся части пластины [62];- метод инфракрасной микроскопии основан на различном поглощенииизлучения ИК-диапазона пластинами с разной глубиной нарушенного слоя [63];- электронографический метод определения глубины нарушенного слояоснован на приготовлении косого шлифа и сканировании электронным лучом пошлифу от поверхности монокристалла до той точки, начиная с которойдифракционная картина не меняется, с последующим замером пройденногорасстояния.Всеперечисленныеметодыявляютсялибокосвенными,либопредназначены для контроля глубины трещиноватого слоя микрометрическогоуровня.

Кроме того, некоторые методы предварительной обработки дляизмерения глубины трещиноватого слоя - травление, полирование – вносят вповерхностный слой дополнительные повреждения и искажают картинуизмерений. Современный уровень измерительного оборудования позволяет41проводить последовательное удаление нарушенного слоя и визуальнуюрегистрацию картины трещин при помощи ионно-лучевого травления иэлектронной микроскопии [64-65]. Выполнение ступенчатых или косых сеченийпосредством ионно-лучевого травления не вносит изменение в нарушенный слойи позволяет определять глубину трещиноватого слоя с разрешением до 2 нм.Однако, до сих пор не разработана методика измерения глубинытрещиноватого слоя для оптических изотропных материалов, обработанныхпосредством шлифования или полирования. Это объясняется тем, что ранеепроцесс измерения глубины трещиноватого слоя носил скорее оценочныйхарактер, поскольку его размер доходил до десятков микрометров.Для измерения глубины трещиноватого слоя оптических поверхностей,обработанных методом алмазного шлифования по механизму пластическогодеформирования, необходимо разработать методику контроля посредствомприменения ионно-лучевого травления, которая позволит измерить глубинутрещиноватого слоя глубиной менее 100 нм с погрешностью ±10 нм.1.8.

Выводы по Главе 11. Основными параметрами, определяющими качество оптическойповерхности, являются шероховатость и глубина трещиноватого слоя, которыеопределяют эффективность и точность работы прибора в целом.2. Традиционная технология механической обработки оптическихповерхностейподложекдиэлектрическихзеркалимеетсущественныенедостатки – высокую трудоемкость (более 12 часов) и характеризуетсяглубиной трещиноватого слоя обработанной поверхности 500 нм и более.3. Установлено, что до достижения критической нагрузки и толщинысрезаемого слоя на зерно, взаимодействие зерна с материалом происходит помеханизмупластическогодеформирования.Этиусловияобеспечиваютминимальную шероховатость и глубину трещиноватого слоя. Превышениекритической нагрузки на зерно приводит к переходу от механизма пластическогок механизму хрупкого разрушения материала со значительным увеличениемглубины трещиноватого слоя.424.

Для определения режимов обработки изотропных оптическихматериалов с минимальной глубиной трещиноватого слоя необходиморазработать модель процесса алмазного шлифования, связывающую выходныепоказатели - силы резания, шероховатость и глубину трещиноватого слоя – срежимами резания, параметрами поверхности алмазоносного слоя круга исвойствами обрабатываемого материала.5.

Экспериментальныеисследованияпоалмазномушлифованиюоптических материалов в диапазоне нанометровых толщин среза на единичноезерно могут быть реализованы на сверхточном экспериментальном стенде. Длявнедрениятехнологииалмазногошлифованияизотропныхоптическихповерхностей с минимальной глубиной трещиноватого слоя необходиморазработать и создать сверхточный станок.43ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАНИЯПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗОТРОПНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ2.1. Моделирование формы алмазного зернаЗерна синтетических алмазов и других сверхтвердых материалов неимеют строгой формы [55].