СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

2. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

 

Шлифование свободным абразивом

Стекла и другие хрупкие оптические материалы шлифуют сво­бодным абразивом, используя жесткий металлический инструмент 1 (рис. 2.1), который давит на заготовку 4 с силой Р и перемещается с относительной скоростью v. Между заготовкой и инструментом располагаются зерна 2 абразивного порошка, смешанные с жидкостью 3. При перемещении инструмента по заготовке они взаимно изнашиваются под действием абразивных зерен и притираются друг к другу.

Природа обработки стекла водными суспензиями зерен абразивных порошков имеет двоякий характер. С физической стороны—это процесс механического разрушения стекла абразивными зернами.

Рис. 2.1.Шлифование свободным абразивом

С химической стороны — это взаимодействие воды с растворимыми компонен­тами стекла.

Основой механического разрушения стекла является возникновение внутри поверхностного слоя хрупкого тела трещин, пересекающихся между собой и создающих ослабление связей между соседними частицами материала. Абразивные зерна вместе с водой находятся между рабочей поверхностью металлического инструмента и обрабатываемой поверхностью стекла. Эти поверхности имеют неровности, размеры которых соизмеримы с размерами абразивных зерен. При относительном движении стекла но инструменту абразивные зерна перекатываются или проскальзывают с некоторой скоростью.

Наиболее крупные из зерен взаимодействуют со стеклом и инструментом. Более мелкие зерна переносятся водой до тех пор, пока крупные не раздробятся, после чего и мелкие зерна вовлекаются во взаимодействие со стеклом и инструментом.

Под действием ударов зерна раскалываются на более мелкие зерна взаимодействуют не только со стеклом и инструментом, но и между собой, перетираясь и еще более измельчаясь. Измельченные зерна, смешанные с осколками стекла, уносятся из-под шлифовальника вместе с водой.

На обрабатываемой поверхности создается разрушенный слой, верхняя часть которого (рельефный слой) состоит из впадин и конических выступов и трещиноватого слоя. Разрушение происхо­дит после многократного воздействия абразивных зерен на одно и то же место стекла. Образующиеся трещины пересекаются и между ними образуется объем, отошедший от остальной соседней массы стекла. Этот объем под действием абразивных зерен и воды удаля­ется с поверхности стекла. Высота поверхностных неровностей со­ставляет примерно ¹/₄—¹/₃ размера зерен. Под рельефным слоем образуется трещиноватый слой глубиной в 2—4 раза больше пер­вого. По мере уменьшения абразивных зерен величина поверхност­ных неровностей уменьшается.

Равномерность структуры шлифованной поверхности нарушается дефектами — царапинами, точками и выколками. Они образуются в том случае, когда зерно надолго закрепляется в шлифовальнике или имеются зерна размером в несколько раз больше, чем зерна основной фракции. В последнем случае крупные зерна не раскалываются и оставляют на стекле крупные царапины и выколки.

Химическое взаимодействие воды с растворимыми компонентами стекла проявляется в том, что вода активно вступает в реакцию с поверхностным слоем стекла, образуя внутри трещин коллоидную пленку кремневой кислоты, которая занимает объем больший, чем стекло. Таким образом, вода расширяет и углубляет трещины, ускоряя и облегчая удаление осколков стекла при абразивной обработке.

Шлифование закрепленным абразивом

На заготовительных операциях, а в последнее время и па операциях среднего и мелкого шлифования, используют инструменты с закрепленным абразивом. Особенно широко этот способ обработки, стал применяться в оптической промышленности после появления синтетических алмазных порошков. Это позволило наладить выпуск алмазных инструментов, в которых алмазные зерна 2 (рис. 2.2.) определенной крупности жестко закреплены в теле инструмента металлической связкой из сплавов меди и железа.

Шлифование таким инструментом 1 (рис. 2.2) производится на станке при перемещении его по заготовке 5 со скоростью v и давлением Р. Между инструментом и заготовкой находятся вырванные из связки абразивные или алмазные зерна 3 и слой смазочно-охлаждающей жидкости 4. Кроме силового воздействия инструмента на заготовку он подается на глубину снимаемого припуска с помощью механизма поперечной подачи станка.

Процесс обработки закрепленным абразивом отличаются от способа обработки свободным абразивом. Быстро движущиеся и жестко закрепленные в инструменте абразивные зерна при врезании в обрабатываемую поверхность образуют трещины, опережающие перемещение зерен. В результате па поверхности возникают выколки, которые обусловливают съем материала заготовки.

Закрепленные зерна с тече­нием времени затупляются, усилие резания увеличивается, и они выкрашиваются из связки, но не раскалываются. Вместо них вступают в работу новые зерна того же размера, и процесс шлифования идет с равномерной интенсивностью.

Рис. 2.2. Шлифование закрепленным абразивом

Обработка таким способом сопровождается значительным нагревом контактирующих поверхностей и образованием большого количества отходов. Для уменьшения температуры и трения между инструментом и заготовкой, а также для удаления отходов в процессе шлифования применяют обильную подачу смазочно-охлаждающей жидкости.

Удельный объем удаляемого припуска пропорционален крупности, твердости, прочности абразивных зерен и связки. Стекло обрабатывается закрепленными абразивными зернами приблизительно в 20 раз быстрее, чем свободными. Большая скорость шлифования стекла закрепленным абразивом по сравнению с обработкой свободным абразивом объясняется различными причинами.

Закрепленный абразив вызывает не разрозненные точечные выколки, а сплошные царапины. Закрепленные абразивные зерна работают как резцы. Закрепленные зерна разрушаются только при воздействии на стекло, а свободные измельчаются и от взаимного перетирания. Неоднородность размеров зерен при данном способе не проявляется, поскольку они работают только выступающими из связки острыми гранями. Рабочее давление инструмента сосредотачивается на небольшом участке поверхности зерен, выступающих из связки, и достигает значительных величин. Скорость резания закрепленным абразивом составляет от 10 до 50 м/с, а свободным абразивом 3—7 м/с.

Полирование

Процесс полирования оптических деталей связан с достижением величины микронеровностей значительно меньшей длины волны света, т.е. менее 0,05 мкм. В этом случае поверхность становится прозрачной для оптического излучения. Кроме того, погрешности формы и размеров этой поверхности также составляют доли микрометра.

В процессе полирования (рис. 2.3) упругопластичный слой 2 (обычно смола, сукно или фетр) полировальника 1, пластически деформируясь, выглаживается по шлифованной поверхности заго­товки 5. Зерна 3 полирующего порошка находятся между полиро-вальником и заготовкой, поверхностные неровности которых зна­чительно больше зерен полирующего порошка. Размеры зерен по­рошка обычно лежат в пределах от 0,5 до 2 мкм.

Вода 4, в которой взвешены зерна, в первые моменты подачи оказывает противодавление нажиму, но затем растекается и зерна закрепляются в наружном слое смолы. Часть зерен, еще не закре­пившихся в смоле, перекатывается или, закрепившись на мгновение, продолжает движение.

Зерна срезают вершины рельефного шлифованного слоя, которые становятся гладкими, полированными. В дальнейшем размеры полированных площадок увеличиваются, высота неровностей уменьшается до сотых долей микрометра.

Рис. 2.3. Полирование

В начале процесса полирования работа закрепленных зерен эффективнее, так как площадь впадин еще велика и перекатывающимся зернам негде закрепляться. Толщина сдираемых пленок уменьшается при расширении площади полированных участков и к концу процесса обработки приблизительно равна высоте остающихся поверхностных неровностей. Под действием воды коллоидная пленка образуется и сдирается вновь все более тонкими слоями.

Пластические свойства смолы, удерживающей зерна, к коллоидной пленки способствуют тому, что работа зерен полирующего порошка не сопровождается появлением царапин. Благодаря пластическим свойствам коллоидной пленки борозды, образующиеся от снятия материала, затягиваются и заполняются продуктами разрушения стекла.

Припуски операционные

Понятие о припуске. Технологический процесс механической обработки оптических деталей состоит из нескольких операций, которые выполняют на одном определенном рабочем месте. Таких операций обычно не менее трех: заготовительные, шлифование и полирование.

Готовые детали получают из заготовок, последовательно уда­ляя с их поверхностей материал. Причем на каждом переходе с заготовки удаляют определенный слой материала, вследствие чего ее размеры и масса уменьшаются, а обрабатываемые поверхности постепенно приобретают форму и размеры готовой детали. Для суждения о разности размеров заготовки и детали введено поня­тие о припусках.

Припуском называют избыточный (сверх размера детали по чертежу) слой материала заготовки, удаляемый в пpoцессе обработки. Как правило, припуск назначают па сторону в виде слоя материала по толщине. Припуск может быть с двусторонним и односторонним расположением.

Для экономии материала, удешевления обработки детали, обе­спечения эффективности технологического процесса припуск необходимо назначать, исходя из условий получения требуемого качества при обеспечении наименьшей трудоемкости обработки. Увеличенные припуски на обработку приводят к ненужным затратам вре­мени, материала, энергии и абразивного порошка, что увеличивает себестоимость изделия. Уменьшение припуска удешевляет продукцию, однако при занижении припуска затрудняется технология обработки детали, не гарантируется удаление дефектного и трещи­новатого слоя материала, пс обеспечивается требуемая точность и заданная шероховатость поверхностей.

Величину припуска определяют в зависимости от материала заготовки, вида, размеров, величины дефектного слоя на обрабатываемой поверхности, формы детали, требуемой точности и заданной шероховатости, сложности процесса обработки и других факторов.

Puc. 2.4 Схема расположения Рис. 5 Распределение припуска

 межоперационных припусков на одну сторону заготовки

Распределение припуска. Различают общие, межоперационные и межпереходные припуски. Общий припуск равен разности размеров заготовки и детали. Межоперационным или межпереходным припуском называют слой материала, сни­маемый при выполнении определенных операций или переходов.

Численно межоперационный припуск равен разности размеров заготовки, полученных при двух смежных операциях. Например, при обработке плоской поверхности пластины (рис. 2.4)

z₁= α₁ - α₂; z₂= α₂ - α₃; z₃ = α₃ - α₄ ,

где z₁,z₂,z₃ — межоперационные припуски; α₁, α₂, α₃, α₄ — межоперационные размеры. Общий припуск z_о = а₁ - а₄ определяют как сумму всех межоперационных припусков.

Величину припуска на сторону заготовки определяют из зависимости (рис. 2.5) z_B= (H_а + T_a) + (ρ_a + ξ ), где z_B —минимальный припуск па обработку (на сторону); H_а— высота микронеровно­стей, которая зависит от величины зерен абразива, материала ин­струмента и других факторов предыдущей обработки; T_a — глубина дефектного поверхностного слоя; ρ_a — суммарное значение пространственных отклонений обрабатываемой поверхности; ξ —погрешность на установку заготовки. Последнюю сумму двух слагаемых обычно принимают равной одной пятой от суммы первых двух слагаемых. Если заготовку обрабатывают с двух сторон, то припуск на две стороны удваивают. Значение (H_а + T_a) для прессовок принимают равным 0,3—0,5 мм, после обдирки 0,1—0,3 мм, среднего шлифования 0,02—0,05 мм.

Если при обработке плоских поверхностей припуск снимают и основном равномерными слоями, за исключением удаления по­грешностей угловых размеров, то при обработке сферических поверхностей это выполняют как равномерными, так и неравномерными слоями. Экономически целесообразно снимать припуск, со сферических поверхностей равномерными слоями, но в этом случае для каждого перехода (рис. 2.6) необходимо назначать различные радиусы (R₁ — R₃) шлифовальников, которые рассчитывают по опреде­ленным формулам

Рис. 2.6. Расположение припуска на сферической поверхности.

Если же припуск снимают инструментами одного радиуса, то толщина удаляемого слоя будет неравномерной, причем для выпуклыx поверхностей она в центре будет максимальной, а для вогнутых — минимальной.

В оптическом производстве теория переходов устанавливает связь между крупностью зерна абразива, толщиной слоя абразива, высотой микронеровностей и дефектного слоя со значениями радиусов кривизны шлифовальников и детали для каждого перехода. Обрабатываемые поверхности заготовок или блоков, у которых отношение диаметра к радиусу кривизны менее 0,8 шлифуют одним инструментом, используя разные микропорошки. Это объяс­няется тем, что изменение радиусов шлифовальников невелико и не сказывается при смене переходов.

ЛИТЕРАТУРА

 

1.         Малов А.Н., Законников Обработка деталей оптических приборов. Машиностроение, 2006. - 304 с.

2.         Бардин А.Н. Сборник и юстировка оптических приборов. Высшая школа, 2005. - 325с.

3.         Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. Машиностроение, 2004. - 333 с.