Патент на изобретение №2223850

(54) Способ абразивной обработки металлооптических зеркал

(57) Реферат:

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для обработки прецизионных сферических поверхностей металлооптических зеркал-магнитов, входящих в состав оптических систем оптико-электронных приборов. Способ включает обработку заготовки, проведение последовательных формообразующих операций, включающих шлифование сферической поверхности инструментом с закрепленным абразивом, шлифование сферической поверхности с помощью шлифовальников и свободного абразива с убывающей величиной зерна и полирование. Для шлифования сферической поверхности инструментом с закрепленным абразивом используют инструмент, изготовленный из алмазного микропорошка на основе органической связки. Шлифование свободным абразивом осуществляют за два перехода на твердых шлифовальниках по схеме обработки свободным притиром, предусматривающей самоустановку притирающихся поверхностей. Свободный абразив на этих переходах представляет собой многокомпонентную шлифовочную смесь с повышенной концентрацией абразива. Полирование выполняют полировальником с твердой смоляной подложкой, используя в качестве полировальных порошков субмикропорошки с высокой твердостью. Использование изобретения ведет к повышению точности, качества и производительности обработки зеркал-магнитов при одновременном снижении себестоимости изготовления. 1 с. и 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для обработки прецизионных сферических поверхностей металлооптических зеркал-магнитов, входящих в состав оптических систем оптико-электронных приборов.

Одним из основных требований, предъявляемых к работе оптических систем оптико-электронных приборов, является их чрезвычайно высокая разрешающая способность, которая обеспечивается прежде всего точной геометрией и качеством полированной поверхности одного из важнейших элементов оптической системы, а именно зеркала-магнита. Искажение формы поверхности зеркала-магнита более допустимой величины, а также наличие на ней других дефектов увеличивает потери света, приводит к разъюстировке и расфокусировке оптической системы и уменьшению ее разрешающей способности.

Однако о механизме шлифования и полирования металлов все еще известно крайне мало. Поэтому при разработке технологических процессов шлифования и полирования металлов стараются приспособить для этого методы шлифования и полирования стекла. Попытки решения этой проблемы встречаются в технической и патентной литературе.

Известен способ [1] изготовления металлооптических элементов различного назначения (зеркал, призм, многогранных отражателей и т. п.), входящих в состав оптических систем. Способ [1] предусматривает изготовление заготовки, механическую и термическую обработку, старение, шлифование, полирование и контроль качества оптической поверхности элемента. Особенностью известного способа является то, что заготовку для металлооптического элемента вырезают так, что термический коэффициент линейного расширения металла в плоскости оптической поверхности изготавливаемого элемента во всех направлениях одинаков. Заготовку с такой поверхностью можно получить путем ее вырезания перпендикулярно направлению проката либо вырезанием заготовки из отливки. Однако в описании известного способа [1] речь идет об изготовлении зеркал из алюминиевого сплава, являющегося мягким металлом, при этом основным моментом новой технологии изготовления является использование в качестве заготовки для зеркал материала, изотропного во всех направлениях (литья), или же заготовки, вырезанной перпендикулярно направлению проката. В связи с этим известный способ [1] не может быть использован для изготовления зеркал-магнитов, твердость материала которых очень высокая.

Известен способ абразивной обработки [2], предназначенный для финишной обработки прецизионных поверхностей деталей из закаленных сталей. В известном способе [2] 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 [2] 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 высокое качество и производительность обработки. Однако известный способ абразивной обработки [2] имеет ряд недостатков, а именно:

– способ позволяет обрабатывать небольшое количество деталей, после чего требуется восстановление и правка инструмента;

– очень сложной и трудоемкой является технология изготовления самого инструмента, в соответствии с которой зерна кубического нитрида бора должны быть расположены на определенном расстоянии друг от друга.

Указанные недостатки удорожают технологию и делают известный способ [2], предназначенный для абразивной обработки деталей с высокой твердостью, неприемлемым в условиях серийного и массового производства.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является выбранный в качестве прототипа способ, описанный в литературе [3]. В известном способе, предназначенном для изготовления зеркальной поверхности на твердых металлах, прежде всего производят грубую обточку заготовки, а затем выполняют чистовую обработку с малыми подачами и глубинами резания. До и после чистовой обточки для снятия напряжений производят термообработку, затем производят шлифовку поверхности несвязанным абразивом, используя окись алюминия. Притиры используются из чугуна, керамики или стекла. Скорости и нагрузки при этом должны быть небольшими. После достижения погрешности формы поверхности в пределах двух-трех интерференционных полос тщательно удаляют притирочный состав с обрабатываемой поверхности и переходят к полированию пекоканифольными смолами СП-18, СП-20. Полирование рекомендуется вести одномикронным порошком окиси алюминия, смешанным с водой в отношении 1:10, с добавками для смазки и смачивания небольшого количества чистого мыла. Окончательная доводка производится порошком с размером частиц 0,3 мкм. Суперполирование делается мягкими притирами, например свинцовыми.

Недостатком известного способа [3], выбранного в качестве прототипа, является использование в качестве притирочного инструмента чугуна, керамики или стекла. Эти материалы при обработке на них деталей с использованием свободных абразивов быстро изменяют первоначальную геометрию своей поверхности и, являясь недостаточно твердыми материалами, не способствуют растиранию зерен свободного абразива. Это, в свою очередь, приводит к получению на обрабатываемых поверхностях деталей шероховатости, требующей длительной полировки для получения необходимой чистоты и точности поверхности обрабатываемой детали. Другим недостатком способа [3] является использование в процессе полирования твердых металлов пекоканифольных смол. Пекоканифольные смолы являются мягкими материалами, которые размягчаются при интенсивных режимах обработки, повышении температуры и давления, что приводит к изменению первоначальной формы полировальника и большому снятию материала на краю детали. В связи с этим требуется многократная правка поверхности полировальника, длительность процесса полирования увеличивается, что отрицательно сказывается на производительности и стоимости изготовления деталей.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности, качества и производительности при обработке зеркал-магнитов при одновременном снижении себестоимости изготовления.

Для достижения этого технического результата предлагается способ абразивной обработки металлооптических зеркал, который, как и наиболее близкий к нему, выбранный в качестве прототипа, предусматривает обработку заготовки, проведение последовательных формообразующих операций, включающих шлифование сферической поверхности инструментом с закрепленным абразивом, шлифование сферической поверхности с помощью шлифовальников и свободного абразива с убывающей величиной зерна и полирование. Особенностью предлагаемого способа, отличающей ее от известного способа [3], принятого за прототип, является то, что для шлифования сферической поверхности инструментом с закрепленным абразивом используют инструмент, изготовленный из алмазного микропорошка на основе органической связки. Шлифование свободным абразивом осуществляют за два перехода на твердых шлифовальниках по схеме обработки свободным притиром, предусматривающей самоустановку притирающихся поверхностей. Свободный абразив представляет собой многокомпонентную шлифовочную смесь с повышенной концентрацией абразива, а полирование зеркал-магнитов выполняют полировальником с твердой смоляной подложкой, используя в качестве полировальных порошков субмикропорошки с высокой твердостью. Для изготовления алмазного инструмента может быть использован алмазный микропорошок зернистостью 40/28, а в качестве органической связки может быть использован бутакрил. В процессе шлифования свободным абразивом в качестве материала шлифовальников может быть применен синтетический или природный кварц. В процессе полирования в качестве полировального субмикропорошка может быть использован алмазный порошок с зерном 0,5/0.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как уже указывалось выше, к сферической поверхности зеркал-магнитов предъявляются очень высокие требования – местные ошибки не должны превышать одного кольца Ньютона относительно номинального расчетного радиуса. На точность и качество обработанной поверхности, а также на производительность обработки влияет множество факторов, а именно:

– зернистость и концентрация зерен алмаза в кольцевом алмазном инструменте, а также вид связки;

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

– твердость материала шлифовальных инструментов;

– свойства полирующего абразивного материала и самого полировальника (в частности, твердость смоляной подложки);

– свойства смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ);

– режимы обработки (скорости инструмента, удельное давление прижима, окружные скорости).

Оптимальный подбор указанных параметров, а также выбор кинематики приспособления, обеспечивающего получение требуемой точности поверхностей деталей при их одновременной многопозиционной обработке, позволил успешно решить поставленные задачи.

В заявляемом способе в отличие от прототипа предлагается вместо грубой и чистовой обточки, чередующейся с термообработкой, необходимой для снятия напряжений, осуществлять первый переход алмазным инструментом, изготовленным из мелкозернистого алмазного порошка. При этом оптимальные результаты были получены при использовании алмазного инструмента, изготовленного из алмазных зерен 40/28. При попытках применения более крупного зерна получается более грубая шероховатость, а при использовании более мелкого зерна не удается полностью снять шероховатый слой с предыдущей операции грубого шлифования. Кроме того, этот алмазный инструмент предложено изготавливать на основе органической связки, в качестве которой был использован бутакрил. При разработке заявляемого способа выбор для алмазного инструмента именно органической связки был не случайным. Являясь более мягкими связками по сравнению с металлическими, органические связки обеспечивают более мелкую шероховатость. В результате сочетания в алмазном инструменте мелкозернистого порошка 40/28 и бутакриловой органической связки на выходе этой первой шлифовальной операции была получена точность сферической поверхности до пяти колец Ньютона.

Другим существенным признаком, отличающим заявленный способ от прототипа, является то, что поверхность зеркала-магнита на последних двух переходах обрабатывается на твердом шлифовальнике. В качестве материала шлифовальника можно применить синтетический или природный кварц. Благодаря высокой твердости шлифовального инструмента (по шкале Мооса твердость кварца составляет 7) и зеркала-магнита (по Виккерсу HV=600 кг/мм²) создаются условия для растирания (размельчения) зерен свободного абразива до размера в 0,5 мкм, в результате этого обработанные поверхности зеркал-магнитов имеют шероховатость порядка 0,63 мкм. В способе-прототипе в качестве притирочного инструмента используют недостаточно твердые материалы, которые быстро изменяют первоначальную геометрию своей поверхности, в результате чего на обрабатываемых поверхностях возникают шероховатости, требующие длительной полировки.

Существенным признаком, позволяющим получать обрабатываемую поверхность с допустимой точностью относительно номинального расчетного радиуса, является выбор для шлифования на этих двух переходах схемы обработки свободным притиром, предусматривающей самоустановку притирающихся поверхностей. Как известно из литературы [4], обработка свободной притиркой обеспечивает наилучшее совпадение формы реальной обработанной оптической поверхности с геометрически заданной сферической формой. В специальном трехместном приспособлении поверхности обрабатываемых деталей самоустанавливаются на поверхности шлифовальника и получают дополнительное вращение вокруг своей оси вследствие разности окружных скоростей на сферической поверхности зеркал-магнитов. Кронштейн-тройник обеспечивает идентичные условия обработки трем деталям, что позволяет получать обрабатываемые поверхности с требуемой точностью. Существенным является также то, что на этих переходах применяется многокомпонентная шлифовочная смесь, имеющая повышенную концентрацию абразива. В процессе шлифования смесь приобретает мазеобразную консистенцию, что способствует удерживанию абразивного зерна на поверхности шлифовальника, обеспечивая многократное использование абразива, а, следовательно, повышая производительность обработки. В результате шлифования свободным абразивом сферическая поверхность имеет точность порядка 0,5 кольца Ньютона, местную ошибку N=0,24, чистоту Р=V и шероховатость – 0,63 мкм.

Таким образом, после шлифовки обрабатываемая поверхность благодаря описанным выше признакам уже имеет требуемую геометрию, чистоту и шероховатость.

Еще одним существенным признаком заявляемого способа является технология процесса полирования. Полирование – ответственная финишная операция, на которой достигается необходимая точность, шероховатость и чистота обрабатываемой сферической поверхности (в соответствии с ГОСТ 11141-84). Эта операция выполняется одним инструментом, который периодически подправляется (подрезкой) во время полирования. Как известно из литературы, процесс полирования приблизительно в 15-20 раз длительнее, чем процесс шлифования. Процесс прерывается для подрезки полировальника, остановки станка и изменения режимов его работы (давления, размаха, скорости), промывки блока, выдержки перед контролем пробным стеклом.

В предложенном способе процесс полирования в отличие от прототипа существенно сокращен, его общая продолжительность составляет не более 10 мин, при этом общее временя, затраченное на шлифовку и полировку, – 17 мин. Это стало возможным благодаря следующему:

– деталь после шлифовки поступает на полировку с шероховатостью 0,63 мкм и точностью сферы до одного кольца Ньютона, в связи с этим полировка сводится к сохранению точности сферы и доведению шероховатости сферы до R_z=0,05;

– для приготовления полировальника используются твердые смоляные подложки сложного состава в отличие от обычных пекоканифольных смол, применяемых в прототипе. Сочетание твердой смоляной подложки, в состав которой входит, например, наполнитель-субмикропорошок двуокиси циркония, и алмазного субмикронного порошка зернистостью 0,5/0 обеспечивает минимальные затраты времени на операцию полирования. В зависимости от климатических условий, при которых ведется обработка, в составе смолы меняется процентное содержание канифоли, воска, пека, двуокиси циркония и других компонентов, придающих смоле требуемую твердость.

Следует также отметить, что за столь незначительное время полирования (на практике оно составляет 7-10 мин) точность сферы не ухудшается.

Таким образом, перечисленные особенности способа абразивной обработки, заключающиеся в оптимальном выборе каждого из указанных выше параметров, обеспечили выполнение всех поставленных. задач а именно получение высокой точности и качества сферических поверхностей зеркал-магнитов при минимальном времени, затраченном на обработку.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлены интерферограммы и топография поверхности зеркала-магнита: а) – после тонкой алмазной шлифовки (ТАШ); б) – после шлифования свободным абразивом; в) – после полирования;

на фиг.2 схематично представлен осевой разрез приспособления, предназначенного для осуществления операции шлифования свободным абразивом в соответствии с предлагаемым способом;

на фиг.3 – вид А на фиг.2.

Ниже описан предпочтительный вариант реализации предлагаемого изобретения. Способ был реализован на практике при изготовлении зеркал-магнитов, являющихся одним из важных элементов оптико-электронных координаторов. В соответствии с чертежом к сферической поверхности зеркала-магнита предъявляются следующие требования: шероховатость не хуже R_z 0,05, чистота поверхности P=V (ГОСТ 11141-84). Предназначенные для обработки заготовки зеркал-магнитов, твердость материала которых составляет 600 кг/мм² (по Виккерсу), проходят финишную обработку за три перехода. Первый переход – это тонкая шлифовка сферической поверхности 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. На фиг.1а представлена интерферограмма и топография поверхности зеркала-магнита после ТАШ, на которой точность поверхности имеет отступление в 1,409 кольца Ньютона.

Второй и третий переходы операции шлифования являются чистовыми. Они осуществляются с помощью приспособления, специально разработанного для реализации заявляемого способа (см. фиг.2 и 3).

Приспособление предназначено для выполнения групповой обработки зеркал-магнитов и содержит держатель 1 для трех обрабатываемых деталей 2. Детали 2 устанавливаются и закрепляются в оправках 3, каждая из которых при помощи сферического шарнира 4 соединена с держателем 1. В своей верхней части держатель 1 шарнирно соединен с кареткой (на фиг. не показана), обеспечивающей качательные перемещения держателя. На шпинделе полировально-доводочного станка типа 4ПД-200 крепится шлифовальник 5, выполненный из синтетического или природного кристаллического кварца, твердость которого по минералогической шкале Мооса составляет 7. В данной конструкции реализована кинематическая схема свободного притира для одновременной групповой обработки трех деталей. В соответствии с этой схемой каждая деталь 2 благодаря шарнирному соединению оправки 3 с держателем-тройником 1 имеет три степени свободы и может осуществлять любой поворот около точки своего подвеса. Таким образом, обрабатываемая поверхность каждой из трех деталей 2 самоустанавливается на поверхности шлифовальника 5. При этом создаются идентичные для всех трех обрабатываемых деталей условия обработки, а следовательно, будут получены и одинаковые результаты обработки: один и тот же радиус сферы, одна и та же шероховатость и количество интерференционных полос. Второй переход выполняется шлифовальником, радиус которого расшлифован под наждак М2Н (микроэлектрокорунд с размером зерна 2 мкм). Третий переход осуществляется еще более точным инструментом, шлифовальник расшлифовывается под наждак М1Н (микроэлектрокорунд с размером зерна 1 мкм). Классификация микроэлектрокорунда и приготовление шлифовочной смеси, в состав которой кроме микроэлектрокорунда входят керосин, стеарин и олеиновая кислота, проводится в соответствии с заводскими инструкциями. После третьего перехода сферическая поверхность зеркала-магнита практически уже имеет требуемую геометрию, шероховатость и чистоту (Р). На фиг.1б представлена интерферограмма и топография поверхности зеркала-магнита после шлифования свободным абразивом, на которой видно, что точность обработанной поверхности составляет 0,504 кольца Ньютона.

Далее детали промываются, высушиваются и направляются на полировку, в ходе которой осуществляется получение заданной шероховатости, чистоты и требуемой точности сферической поверхности. Полирование осуществляется на шлифовально-полировальном станке типа ШПН. В качестве полировальника используется стальной корпус, на поверхность которого нанесен слой полировочной смолы специального состава, приготовленной по заводской инструкции. В соответствии с конкретными условиями, например в зависимости от температуры окружающей среды, варьируется процентное содержание канифоли, пека, воска, двуокиси циркония и других компонентов, входящих в состав смолы, влияющих на ее твердость, а, следовательно, на стабильность формы полировальника и его полирующую способность. В качестве полирующего материала используется порошок из АСМ (алмазный синтетический материал) с размером зерен 0,5/0. Продолжительность полирования составляет от 7 до 10 мин. Перед нанесением покрытия детали контролируются: проверяется качество (N и N) и чистота (Р) сферической поверхности. Качество поверхности контролируется на интерферометре. На фиг.1в представлена интерферограмма и топография поверхности зеркала-магнита после полирования, на которой видно, что точность поверхности составляет 0,468 кольца Ньютона. Чистота поверхности проверяется на микроскопе МБС при увеличении х8. Контролю подвергается каждая деталь.

Таким образом, использование предложенного способа позволяет получать высококачественные поверхности зеркал-магнитов. Кроме того, предложенный способ дает возможность внедрить обработку зеркал-магнитов в серийное производство.

Источники информации

1. Патент РФ 2018430, кл. В 24 В 13/00, опубл. 30.08.94.

1. Авт.свид. 1509230, кл. В 24 В 1/00, опубл. 23.09.89.

2. Л.С.Цеснек и др. Металлические зеркала. – М.: Машиностроение, 1983, с.71- 77 – прототип.

3. В.Г.Зубаков, М.Н.Семибратов и др. Технология оптических деталей. – М.: Машиностроение, 1985, с.107.

4. В.А.Смирнов. Обработка оптического стекла. – Л.: Машиностроение, 1980, с.128-129.

Формула изобретения

1. Способ абразивной обработки металлооптических зеркал, при котором осуществляют обработку заготовки, затем проводят последовательные формообразующие операции, включающие шлифование сферической поверхности инструментом с закрепленным абразивом, шлифование сферической поверхности с помощью шлифовальников и свободного абразива с убывающей величиной зерна и полирование, отличающийся тем, что для шлифования сферической поверхности инструментом с закрепленным абразивом используют инструмент, изготовленный из алмазного микропорошка на основе органической связки, шлифование свободным абразивом осуществляют за два перехода на твердых шлифовальниках по схеме обработки свободным притиром, предусматривающей самоустановку притирающихся поверхностей, при этом свободный абразив представляет собой многокомпонентную шлифовочную смесь с повышенной концентрацией абразива, а полирование выполняют полировальником с твердой смоляной подложкой, используя в качестве полировальных порошков субмикропорошки с высокой твердостью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для изготовления инструмента используют алмазный микропорошок зернистостью 40/28.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве органической связки применяют бутакрил.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве материала шлифовальников применяют синтетический или природный кварц.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве полировального субмикропорошка используют алмазный порошок с зерном 0,5/0.

РИСУНКИ