Способ абразивной обработки сферических оптических поверхностей

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано для финишной обработки прецизионных сферических поверхностей деталей из синтетического корунда (оптического сапфира), применяемого, например, для изготовления защитных стекол и обтекателей приборов космической техники. Осуществляют предварительное формообразование детали и последовательное проведение формообразующих операций. Последние включают шлифование сферической поверхности инструментом с закрепленным абразивом и обработку ее с помощью металлического инструмента с вогнутой или выпуклой рабочей поверхностью и свободного абразива с убывающей величиной зерна в присутствии смачивающей жидкости. Обработку свободным абразивом осуществляют инструментом из твердого материала, обладающего высокой пластичностью. Рабочая поверхность инструмента образована острыми наружными кромками кольцевых канавок, расположенными по сфере, радиус которой равен радиусу обрабатываемой детали. В качестве свободного абразива используют алмазные микропорошки, а в качестве смачивающей жидкости - глицерин. Концентрация абразива в смачивающей жидкости составляет 30-40%. В результате сокращается время обработки деталей из оптического сапфира и повышается точность и качество обрабатываемых поверхностей. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к технологии абразивной обработки сферических оптических поверхностей, а именно к шлифованию или полированию, и может быть использовано для финишной обработки прецизионных сферических поверхностей деталей из синтетического корунда (оптического сапфира), применяемого, например, для изготовления защитных стекол и обтекателей приборов космической техники, работающих в УФ- и ИК-областях спектра, а также других деталей.

Оптический сапфир (корунд) Al₂O₃ - бесцветный очень твердый термостойкий синтетический кристалл. Химически очень устойчив. Плотность около 4 г/см³, минералогическая твердость по Моосу - 9. Температура плавления 2050°С [см. В.А.Смирнов. Обработка оптического стекла. Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1980, с.35].

Обработку оптических деталей, в том числе из оптического сапфира можно разбить на несколько основных этапов (операций), каждый из которых имеет определенное назначение. Более подробно остановимся на операции мелкого шлифования. Как известно, например, из литературы [см. В.А.Смирнов. Обработка оптического стекла. Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1980, с.108-111], эта операция должна подготовить поверхность оптической детали к полированию, то есть снять соответствующий объем стекла (припуск), придать детали требуемые размеры, а ее поверхностям - соответствующую кривизну и шероховатость. В процессе мелкого шлифования, переходя ко все более мелким фракциям абразивов, величина поверхностных выступов и впадин на поверхности уменьшается, и поверхность подготавливается к следующей операции - полированию, назначением которой является создание гладкой, прозрачной и точной поверхности с шероховатостью не более сотых долей микрометра. Искажение формы обработанной поверхности, а также наличие на ней других дефектов недопустимо для деталей из оптического сапфира, применяемых, например, в космической технике, так как увеличивает потери света, приводит к разъюстировке и расфокусировке оптической системы и уменьшению ее разрешающей способности.

О механизме шлифования и полирования таких твердых кристаллов, как оптический сапфир, до сих пор известно крайне мало. Поэтому при разработке технологических процессов шлифования и полирования твердых кристаллов стараются приспособить для этого методы шлифования и полирования оптического стекла или металлов с высокой твердостью. Актуальность проблемы усугубляется также тем, что абразивная обработка оптического сапфира имеет свои особенности, обусловленные его анизотропностью и спайностью кристалла [см. В.Г.Зубаков, М.Н.Семибратов и др. Технология оптических деталей. М.: «Машиностроение», 1985, с.187], что также затрудняет механическую обработку шлифованием и полированием.

В качестве аналогов заявляемого объекта рассмотрим способы, которые применяются при шлифовке сферических поверхностей из оптического стекла, кристаллов и металлов с высокой твердостью, например, закаленных сталей свободным абразивом.

В литературе [см. В.Г.Зубаков, М.Н.Семибратов и др. Технология оптических деталей. М.: «Машиностроение», 1985, с.190-191] описаны способы абразивной обработки некоторых видов кристаллов алмазным инструментом или свободным абразивом (карбид кремния, карбид бора). Шлифование осуществляют водной суспензией порошков зернистостью М40-М7 на латунных или стеклянных (ЛК5, К8) шлифовальниках. После шлифования кристаллы полируют. Полирование кристаллов отличается разнообразием применяемых порошков, материалов, образующих рабочую поверхность инструмента, и жидкой фазы суспензии. Рубин, например, полируют на металлических подложках - олове, меди, а также кварцевом стекле, агате, которые являются твердыми, но хрупкими материалами. Полирующим материалом служат алмазные пасты зернистостью 5/3-1/0. Ряд кристаллов (CaF₂, BaF₂ и др.) полируют водными суспензиями алмазных микропорошков, применяя тканевые и пластмассовые полировальники. Однако способы абразивной обработки кристаллов, известные из упомянутой выше литературы характеризуются тем, что из-за невысокого удельного давления инструмента на обрабатываемую деталь для их реализации требуется большое число переходов с убывающей зернистостью порошков. Следствием этого является нестабильное качество обработанной поверхности и низкая производительность самого процесса обработки.

Из литературы [см. заявку Франции 27778356, кл. В24В 13/00, опубл. 2.11.98] известны способ и инструмент для его осуществления, которые предназначены для обработки деталей из оптических материалов. Обработка таких деталей осуществляется на традиционном инструменте - грибе с мягкой подложкой с применением алмазных зерен. Однако известный способ не может быть применен для обработки такого твердого материала, как оптический сапфир, в связи с тем, что в процессе обработки алмазные зерна будут врезаться не в обрабатываемую поверхность, а в мягкую подложку инструмента, утапливаться в ней и эффективность их работы будет минимальной.

Известен также способ абразивной обработки [см. авт. свид. СССР №1509230, кл. В24В 1/00, опубл. 23.09.89], предназначенный для финишной обработки прецизионных поверхностей деталей из закаленных сталей. В известном способе на обрабатываемую поверхность происходит одновременное воздействие инструмента из композиционного материала, содержащего закрепленные в связке режущие зерна, и доводочного компонента со свободным абразивом. В качестве доводочного компонента применяют абразивную пасту, которую наносят на инструмент с режущими зернами из кубического нитрида бора. Зерна закрепляются в связке на расстоянии друг от друга, составляющем 0,8...1,0 размера зерен абразивной пасты. Последние имеют размеры в пределах 0,35...0,7 размера зерен кубического нитрида бора, при этом твердость композиционного материала составляет 0,8...1,0 твердости зерен абразивной пасты. В известном способе поверхностный слой зерен из кубического нитрида бора служит для удержания зерен свободного абразива в составе абразивной пасты при осуществлении съема требуемой толщины металла с обрабатываемой поверхности, а также для получения необходимой точности обработанной поверхности и требуемой величины ее шероховатости. Оптимально подобранные твердость и размеры абразивных зерен, расстояние между ними, а также твердость композиционного материала инструмента обеспечивают наименьшую величину шероховатости при наибольшей производительности обработки. Однако известный способ абразивной обработки имеет существенный недостаток, заключающийся в очень сложной и трудоемкой технологии изготовления инструмента, в соответствии с которой зерна кубического нитрида бора должны быть расположены на определенном расстоянии друг от друга, а зерна абразивной пасты должны составлять 0,35...0,7 размера зерен кубического нитрида бора. Указанный недостаток удорожает технологию и делает описанный выше способ, предназначенный для финишной абразивной обработки деталей из закаленных сталей, неприемлемым для шлифования сферических поверхностей деталей из оптического сапфира.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому способу является способ шлифовки сферических поверхностей оптических деталей [см. И.Гетц. Шлифовка и полировка стекла. Ленинград, «Стройиздат», Ленинградское отделение, перевод с чешского М.А.Смысловой, 1967, с.155-156], который был выбран в качестве прототипа.

Известный способ предназначен для шлифовки сферических поверхностей оптических деталей свободным абразивом. Шлифовку оптических поверхностей осуществляют на чугунном грибе или чашке, представляющих собой отливку из серого чугуна, радиус которой для сферической детали обработан до требуемого значения. Зернистость свободного абразива, в качестве которого используется, как правило, корунд, выбирается в зависимости от требуемой точности и величины обрабатываемой оптической детали. Начинают шлифовку корундом крупной зернистости №200 и затем применяют все более мелкие фракции. Периодически на обрабатываемое изделие наносится шлифовальная суспензия, которая состоит из смачивающей жидкости и упомянутого выше свободного абразива. Основные функции смачивающей жидкости - вымывание продуктов шлифовки и отведение тепла. При этом в зависимости от типа стекла применяются различные смачивающие жидкости (вода, амилацетат, скипидар, керосин).

Недостатками известного способа, выбранного в качестве прототипа, являются:

- использование в качестве инструмента для обработки свободным абразивом твердых хрупких материалов (например, чугуна);

- использование сплошного инструмента большой площади (площадь инструмента, входящего в контакт с поверхностью, примерно равна площади сферического сегмента).

Свойства материала шлифовального инструмента и, прежде всего, его твердость оказывают большое влияние на процесс абразивной обработки в целом и его окончательный результат. Изготовленный из чугуна инструмент при обработке на нем деталей с высокой твердостью, о которых идет речь в заявляемом изобретении, опирается только на самые крупные зерна свободного абразива. Действующая на них удельная нагрузка превышает их прочность на сжатие, поэтому наиболее крупные зерна быстро разрушаются и затупляются. Поверхность самого инструмента, изготовленного из чугуна, являющегося весьма хрупким металлом, легко выкалывается под воздействием давления и изменяет первоначальную микрогеометрию. Все эти обстоятельства не способствуют быстрому снятию припуска и приводят к получению на обрабатываемых поверхностях деталей шероховатости, требующей последующей длительной полировки для получения необходимой чистоты и точности поверхности обрабатываемой детали. Второй недостаток приводит, во-первых, к невозможности создания высокого контактного давления на обрабатываемую поверхность со стороны инструмента, а, во-вторых, - к невозможности эффективного удержания абразивных зерен в зоне обработки. Указанные недостатки отрицательно сказываются на качестве и производительности обработки.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка такого способа абразивной обработки сферических оптических поверхностей, который позволил бы существенно сократить время обработки сферических поверхностей деталей из оптического сапфира при одновременном повышении качества и точности обрабатываемых поверхностей и снижении затрат.

Для достижения этого технического результата предлагается способ абразивной обработки сферических оптических поверхностей, который заключается в том, что сначала осуществляют предварительное формообразование заготовки, затем проводят последовательные формообразующие операции, включающие шлифование сферической поверхности инструментом с закрепленным абразивом, а затем осуществляют обработку сферической поверхности с помощью металлического инструмента с вогнутой или выпуклой рабочей поверхностью и свободного абразива с убывающей величиной зерна в присутствии смачивающей жидкости. Особенностью предлагаемого способа, отличающей ее от известного способа, принятого за прототип, является то, что обработку свободным абразивом осуществляют на инструменте из твердого материала, обладающего при этом высокой пластичностью. Рабочая поверхность инструмента образована острыми наружными кромками кольцевых канавок, расположенными по сфере, радиус которой равен радиусу обрабатываемой детали. В качестве свободного абразива используют алмазные микропорошки, а в качестве смачивающей жидкости - глицерин. Концентрация абразива в смачивающей жидкости составляет (30-40) %. В качестве материала для изготовления инструмента могут быть использованы алюминиевые или медные сплавы. Кольцевые канавки инструмента могут иметь треугольный профиль.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Основными задачами предлагаемого изобретения является сокращение времени обработки сферических поверхностей деталей из оптического сапфира при одновременном повышении качества и точности обрабатываемых поверхностей и снижении затрат на технические средства.

Как уже указывалось выше, к сферическим поверхностям деталей из оптического сапфира предъявляются очень высокие требования - местные ошибки не должны превышать одного - двух интерференционных колец при чистоте поверхности, соответствующей IV классу (ГОСТ 11141-84). На точность и качество обработанной поверхности, а также на производительность обработки влияет множество факторов, однако, в связи с тем, что предлагаемое изобретение относится к заключительным операциям абразивной обработки, рассмотрим только те факторы, которые имеют отношение к заявляемому способу, а именно:

- твердость материала обрабатывающего инструмента;

- форма рабочей поверхности инструмента;

- свойства свободного абразивного материала (его твердость, прочность и размер);

- свойства шлифовальной суспензии (концентрация, количество);

- режимы обработки (скорость шлифовки, удельное давление инструмента, окружные скорости).

Оптимальный подбор указанных выше параметров, а также особенности геометрии обрабатывающего инструмента, обеспечивающие получение требуемой точности поверхностей деталей при высокой производительности обработки, позволил успешно решить поставленные задачи.

В заявляемом способе, в отличие от прототипа, предлагается вместо инструмента из чугуна, имеющего высокую хрупкость, обработку свободным абразивом осуществлять с помощью инструмента, изготовленного из достаточно твердого, но пластичного материала. Проведенные автором лабораторные и производственные испытания показали, что в качестве материала для инструмента могут быть предложены алюминиевые или медные сплавы, которые создают на таком твердом кристалле, как оптический сапфир, очень тонкий рельефный слой, а сами при этом, в отличие от чугуна, обладают в несколько раз большей сопротивляемостью к хрупкому микроразрушению. Кроме того, твердые и пластичные инструменты препятствуют шаржированию мелких зерен абразива в поверхность инструмента, брикетированию шлама и засаливанию рабочей поверхности инструмента.

Другим существенным признаком, отличающим заявленный способ от прототипа, является выбор в качестве свободного абразива именно алмазных микропорошков, микротвердость которых самая высокая из известных абразивов и составляет 10000 кг/мм² (в прототипе используется абразив корунд, микротвердость которого - 3100 кг/мм²). Из литературы [см. И.Гетц. Шлифовка и полировка стекла. Ленинград, «Стройиздат», Ленинградское отделение, перевод с чешского М.А.Смысловой, 1967, с.36] известно, что более прочное зерно может передавать более высокое давление и его воздействие на обрабатываемую поверхность значительно эффективнее.

Концентрация свободного абразива, входящего в состав шлифовальной суспензии, составляет в предложенном способе (30-40)%. Этот существенный признак обеспечивает минимальную шероховатость при максимальной производительности. При выходе за пределы предлагаемой концентрации абразива происходит следующее: при концентрации абразива, находящейся за нижним пределом, уменьшается производительность (величина съема кристалла), а увеличение содержания абразива в суспензии выше 40% уже не приводит к повышению съема припуска, так как зерна располагаются в несколько рядов и начинают больше перетираться одно о другое и меньше воздействовать на обрабатываемую поверхность [см. В.Г.Зубаков, М.Н.Семибратов и др. Технология оптических деталей. М.: «Машиностроение», 1985, с.181].

Глицерин, предложенный в заявляемом способе в качестве смачивающей жидкости, на основе которой приготавливается шлифовальная суспензия, имеет высокую вязкость. Это обеспечивает равномерное распределение абразива в суспензии и способствует удержанию абразивных зерен в зоне обработки. Процесс абразивной обработки можно оценивать по двум основным технологическим показателям: величине сошлифовывания и качеству обработанной поверхности. Интенсификация обработки, то есть увеличение съема припуска, а следовательно, производительности процесса осуществляется путем повышения удельного давления, которое выбирается в пределах (0,4-2)·10⁴ Па [см. В.Г.Зубаков, М.Н.Семибратов и др. Технология оптических деталей. М.: «Машиностроение», 1985, с.183]. С увеличением давления требуется увеличенный подвод суспензии и отвод тепла от притирающихся поверхностей. Интенсификация режимов сокращает машинное время обработки, однако приводит к ускорению изнашивания инструмента, а также к перегреву и термическим деформациям обрабатываемой поверхности. Однако описанные нежелательные явления происходят при классическом процессе шлифования, выбранном в качестве прототипа, при котором в процессе обработки инструмент и обрабатываемая поверхность контактируют по всей поверхности зоны обработки. В отличие от прототипа в предложенном способе инструмент контактирует с деталью в области острых кромок канавок. Только в этой зоне повышается температура и увеличивается контактное давление до величины 20-30 кг/см². При этом не требуется увеличение подвода суспензии, так как в клиновидных канавках инструмента постоянно находится необходимое количество движущихся алмазных зерен, которые в отличие от прототипа не разрушаются, не притупляются и перестают работать, а эффективно работают на протяжении всего цикла обработки. Как было указано выше, вязкая смачивающая жидкость - глицерин также способствует удержанию алмазных зерен в составе шлифовальной суспензии, находящейся в канавках инструмента. Таким образом, существенные признаки, относящиеся к геометрии рабочей поверхности инструмента, а именно - образованию его сферической поверхности (вогнутой или выпуклой) острыми наружными кромками кольцевых канавок, имеющих, например, треугольный профиль, также обеспечивают решение поставленных задач.

Таким образом, за счет выбора материала обрабатывающего инструмента с оптимально подобранными механическими свойствами (твердостью и пластичностью), а также его оригинальной геометрии удалось существенно сократить время обработки деталей из оптического сапфира. Кроме того, обработанная поверхность после трех переходов обработки, благодаря описанным выше признакам, имеет геометрию, чистоту и шероховатость, характерную для полированной поверхности.

Предлагаемый способ абразивной обработки оптических сферических поверхностей иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлена схема обработки вогнутой сферической поверхности (осевой разрез);

на фиг.2 - схема обработки выпуклой сферической поверхности (осевой разрез);

На фиг.3 (а, б, в, г) представлены интерферограммы и топография различных зон поверхности детали, имеющей форму колпака, после ее окончательной обработки:

фиг.3 а) - центральная зона выпуклой поверхности;

фиг.3 б) - краевая зона выпуклой поверхности;

фиг.3 в) - центральная зона вогнутой поверхности;

фиг.3 г) - краевая зона вогнутой поверхности.

Инструмент (гриб) для абразивной обработки вогнутой сферической поверхности радиусом R1 (см. фиг.1) состоит из корпуса 1 и резьбового хвостовика 2 с отверстием 3 для установки на шпиндель шлифовально-полировального станка (не показан). На рабочей поверхности корпуса 1, предназначенной для абразивной обработки вогнутой сферической поверхности линзы 6 из оптического сапфира, выполнены пять кольцевых канавок 4 треугольного профиля. Шесть острых наружных кромок 5 кольцевых канавок 4 образуют выпуклую сферическую рабочую поверхность инструмента.

Чашка для абразивной обработки выпуклой сферической поверхности линзы 6, изображенная на фиг.2, имеет аналогичную конструкцию и состоит из следующих элементов:

7 - корпус;

8 - резьбовой хвостовик для установки на шпиндель шлифовально-полировального станка;

9 - отверстие под палец шлифовально-полировального станка;

10 - пять кольцевых канавок;

11 - шесть острых наружных кромок, образующих вогнутую сферическую рабочую поверхность с радиусом R2.

Ниже описан один из вариантов реализации предлагаемого изобретения. Способ был реализован на практике при обработке линз из оптического сапфира, сферические поверхности которых должны иметь шероховатость R_z 0,05 и чистоту поверхности Р-IV (ГОСТ 11141-84).

Предназначенные для обработки заготовки линз сначала проходят предварительную шлифовку, например, кольцевым алмазным инструментом, изготовленным из синтетического алмазного порошка зернистостью 40/28 со средним содержанием алмаза в связке до 25% объема, при этом используется органическая связка из бутакрила. Смазочно-охлаждающая жидкость на этом переходе представляет собой глицерин, разведенный водой в соотношении 1:1. Детали обрабатываются на станке для тонкой алмазной шлифовки типа А2581 поштучно. Обработка каждой поверхности свободным абразивом осуществляется в три перехода на инструменте - грибе или чашке (см. фиг.1 и 2), изготовленном, например, из алюминиевого сплава АМгб (ГОСТ 4784-74). Радиус рабочей поверхности инструмента рассчитывается для каждого перехода с учетом припуска на обработку и зернистости абразива. Для каждого перехода может быть использован как один и тот же инструмент (единичное производство), так и разные инструменты. Все переходы осуществляются одинаково. Разница заключается только в зернистости абразива в применяемой суспензии. Суспензия готовится на основе глицерина и алмазных синтетических микропорошков с убывающей зернистостью:

- для первого перехода - АСМ - 5/3;

- для второго перехода - АСМ - 3/2;

- для третьего перехода - АСМ - 1/0.

В емкость объемом примерно 100 мл насыпается сухой алмазный микропорошок, затем наливается глицерин приблизительно в три раза больше по объему, чем объем микропорошка. Смесь перемешивается. В канавки инструмента кистью наносится приготовленная суспензия. После этого инструмент вводится в контакт с обрабатываемой поверхностью детали, установленной на шпинделе шлифовально-полировального станка. Станок запускается. За счет наличия канавок и высокой вязкости суспензии, сбрасывание ее с обрабатываемой поверхности незначительное, поэтому нанесенной суспензии достаточно для всего цикла обработки - около 1 часа. Режимы обработки: скорость качания - 50-100 об/мин, скорость вращения шпинделя - 50-100 об/мин, давление - 20-30 кг/см². Уже после первого перехода поверхность имеет вид полированной и точность ее контролируется пробным стеклом. Получаемая точность поверхности - 3-5 интерференционных колец. Чистота поверхности контролируется визуально с помощью лупы, имеющей увеличение 6^X, в концентрированном пучке света. После первого перехода видны ярко выраженные следы алмазной обработки - сеть микроцарапин. Второй и третий переход приводят к последовательному повышению точности и уменьшению следов алмазной обработки до практически полного их исчезновения после третьего перехода. На заключительном этапе проводится окончательная аттестация каждой детали, при этом форма поверхности контролируется на интерферометре (см. интерферограммы и топографию обработанных поверхностей, представленные на фиг.3 (а, б, в, г).

Таким образом, использование предложенного способа позволяет осуществлять абразивную обработку сферических поверхностей линз из оптического сапфира как выпуклых, так и вогнутых с высокой степенью точности, требуемой шероховатостью и чистотой, не уступающей полированной поверхности, при этом суммарное время обработки составляет не более одного часа.

1. Способ абразивной обработки сферических оптических поверхностей, включающий предварительное формообразование детали и последовательное проведение формообразующих операций, заключающихся в шлифовании сферической поверхности инструментом с закрепленным абразивом и обработке ее посредством металлического инструмента с вогнутой или выпуклой рабочей поверхностью и свободного абразива в присутствии смачивающей жидкости с убыванием величины зерна абразива в процессе обработки, отличающийся тем, что при обработке свободным абразивом используют металлический инструмент из твердого материала, обладающего высокой пластичностью, рабочая поверхность которого образована острыми наружными кромками кольцевых канавок, расположенными по сфере, радиус которой равен радиусу обрабатываемой детали, при этом в качестве свободного абразива используют алмазные микропорошки, а в качестве смачивающей жидкости - глицерин, причем концентрация абразива в смачивающей жидкости составляет 30-40%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала металлического инструмента используют алюминиевые или медные сплавы.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что кольцевые канавки металлического инструмента имеют треугольный профиль.