автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Динамика формирования поверхностной шероховатости при обработке свободным абразивом

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЙ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-НЕ'ГЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

АЙМАН ОБЕИД

Динамика формирования поверхностной шероховатости при обработке свободным абразивом

Специальность 05.11 07 - оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.

Санкт -Петербург 2005

Работа выполнена в научно-исследовательском центре г. Дамаск и на кафедре оптических технологий Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор Эдуард Степанович Путилин

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук,

Профессор

Зверев В.А

Кандидат технических наук Начальник лаборатории Михайлов A.B.

Ведущая предприятие: ОАО ЛОМО им. Ленина

Защита состоится _/О &_2005г в /

па заседании диссертационного совета Д 212 227.01 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы при САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ , МЕХАНИКИ И ОПТИКИ по адресу 197101, Санкт-Пе1ербург, Кронверкский пр 49

Автореферат разослан Гэ^Т _2005г

Ваши оиывы и замечания по автореферату ( в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227 01

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Саша -Петербургского Государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212 227.01 кандидат технических наук, доцент

Валерий Михайлович Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Исследование процессов полирования и шлифования поверхности являются необходимыми для усовершенствования технологических процессов обработки оптических элементов Исследование динамики образования шероховатой поверхности при шлифовании и полировании свободным абразивом позволит разработать возможные пути изготовления сверхгладких поверхностей Аналитические сведения об изменении параметров шероховатости позволят автоматизировать процесс обработки оптических поверхностей

Развитие оптической связи требует создания световых потоков, обладающих пространственной и временной когерентностью. Для создания таких потоков используются лазерные источники, которые требуют создания оптических элементов (линз, призм, зеркал и фильтров), которые должны иметь очень гладкие поверхности и обладать высокой световой (лазерной) прочностью

Исходя из того, что было сказано, необходимо провести исследование динамики шероховатости оптических поверхностей на разных стадиях изготовления, поскольку шероховатость поверхности даёт количественные статистические данные о её структуре Эти данные позволят разработать и исследовать технологию получения поверхности с минимально возможной шероховатостью

В диссертации приведён анализ влияния технологических процессов обработки (процессов шлифования и полирования) различных марок стекол (крон и флинт) на их шероховатость и лучевую прочность

Цель и задачи работы Цель работы является разработка исследование динамики шероховатости при механической обработке оптических поверхностей.

Задачи исследования

1 Экспериментальное определение связи между шероховатостью обрабатываемой поверхности и зернистостью обрабатывающего абразива.

2 Установление связи между шероховатостью обрабатываемой поверхности и относительной скоростью вращения инструмента и деталей на стадии шлифования при фиксированной величине давления на блок деталей

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ 1 БИБЛИОТЕКА. } СПетерЛхрг/д^М ОЭ ЛХР мт//5 71

■ !■ II | .....тяг» ф

3 Определение зависимости между шероховатостью обрабатываемой поверхности и давлением блока деталей на обрабатывающий инструмент в процессе шлифования при фиксированной относительной скорости вращения инструмента и деталей

4 Экспериментальное исследование распределения величины шероховатости по поверхности оптической детали на стадии шлифования свободным абразивом

5. Определение влияния длительности процесса полирования на величину шероховатости

6 Анализ влияния величины шероховатости оптической поверхности на лучевую прочность деталей

7 Установление корреляционной зависимости между величиной шероховатости оптической поверхности и лучевой прочностью для разных марок стекол

Методы исследования

1 Аналитические методы анализа экспериментальных данных

2 Методы анализа случайных функций при исследовании шероховатости реальной поверхности

3 Экспериментальные методы исследования физических параметров оптических поверхностей деталей, изготовленных из разных марок стёкол

Научная новизна диссертации

1 Установлена связь между условиями технологического процесса обработки оптической поверхности при поверхностном притире свободным абразивом и её шероховатостью Найдены оптимальные режимы обработки для получения минимального значения шероховатости на разных стадиях обработки оптических поверхностей

2 Разработан метод использования классического оборудования для получения сверхгладких поверхностей

3 Установлена функциональная связь между среднеарифметическими значениями шероховатости оптической поверхности и временем полирования

4 Проведён анализ статических параметров шероховатости и установлена связь между лучевой прочностью оптических поверхностей и параметрами шероховатости для разных марок оптических стекол

Основные результаты, выносимые на защиту 1 Зависимость среднеарифметической величины шероховатости поверхности, полученной при обработке свободным абразивом, от зернистости абразива для стёкол марок К-108 и SF-13.

2 Зависимость среднеарифметической величины шероховатости поверхности, полученной при обработке свободным абразивом, от скорости вращения инструмента для стекла марок К-108 и SF-13

3 Зависимость среднеарифметической величины шероховатости поверхности, полученной при обработке свободным абразивом, от давления блока деталей на инструмент (шлифовальник) для стекол марок К-108 и SF-13

4 Распределение величины шероховатости по поверхности оптических деталей.

5 Зависимость среднеарифметической шероховатости оптических поверхностей от времени полирования

6 Функциональная связь между параметрами шероховатости и величиной лазерной прочности оптических поверхностей для деталей, изготовленных из стекол ВК-7 и SF-13

Практическая ценность

1 Получена функциональная связь между среднеарифметической величиной шероховатости поверхности и величиной зернистости абразива, которую можно использовать в режимах автоматической обработке деталей

2 Выполнен анализ среднеарифметической величины шероховатости оптических поверхностей от относительной скорости вращения инструмента и деталей, давления детали (блока деталей) на инструмент, результаты которого можно использовать для получения минимального значения среднеарифметической величины шероховатости обрабатываемой поверхности и минимальных неоднородностей значений шероховатости по поверхности детали до процесса полирования

3 Установленная математическая зависимость между значением величины шероховатости оптической поверхности и временем её обработки, может быть использована при создании автоматических режимов полирования поверхностей с заданной величиной среднеарифметической шероховатости

Апробация работы Основные результаты работы представлялись на VI Международной конференции «Прикладная оптика -2004» (18-22 октября 2004 года, Санкт-Петербург), научно- технических семинарах кафедры оптических технологий

Публикации По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы

Сгруктура и объем работы диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из наименований 60

наименований, изложена на / страницах текста, содержит

г / рисунков и / У? таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении определена актуальность работы, ее практическая ценность, научная ценность, основные результаты, выносимые на защиту, цель работы, которая заключается в разработке и исследовании динамики шероховатости при механической обработке оптических поверхностей и основные задачи работы

1. Экспериментальное определение связи между шероховатостью обрабатываемой поверхности и зернистостью обрабатывающего абразива

2 Установление связи между шероховатостью обрабатываемой поверхности и относительной скоростью вращения инструмента и деталей на стадии шлифования при фиксированной величине давления на блок деталей.

3 Определение зависимости между шероховатостью обрабатываемой поверхности и давлением блока деталей на обрабатывающий инструмент в процессе шлифования при фиксированной относительной скорости вращения инструмента и деталей

4 Экспериментальное исследование распределения величины шероховатости по поверхности оптической детали на стадии шлифования свободным абразивом

5 Определение влияния длительности процесса полирования на величину шероховатости

6 Анализ влияния величины шероховатости оптической поверхности на лучевую прочность деталей

7 Установление корреляционной зависимости между величиной шероховатости оптической поверхности и лучевой прочностью для разных марок стекол

В данной работе представлены результаты создания режимов изготовления сверхгладких оптических поверхностей по следующим этапам:

анализ факторов, влияющих на шероховатости оптических поверхностей и анализ статических параметров, которые характеризуют топологическую структуру оптических поверхностей

исследование влияния технологических факторов на параметры шероховатости оптической поверхности в процессе шлифования

исследование влияния технологических факторов на параметры шероховатости оптической поверхности в процессе полирования

исследование величины шероховатости оптической поверхности на лучевую стойкость оптической детали

В первой главе приведён анализ факторов, влияющих на шероховатость оптической поверхности Рассмотрены статические характеристики шероховатости поверхности среднеквадратическое и среднеарифметическое значение микронеровностей поверхности, среднеквадратический наклон микронеровностей поверхности, функция распределения микронеровностей по высотам и по углу наклона, среднеквадратическое распределение или ассиметрия микронеровностей, анализ влияния экстремальных дефектов поверхности на оценку шероховатости, автокорреляционная функции высот шероховатости, функция спектральной плотности мощности, статические характеристики некоторых изображений поверхности Для объяснения процесса обработки оптических деталей в главе приводится информация о механизме шлифования и физико- химических факторах, которые влияют на шероховатость оптической поверхности. Показано так же влияние свойств зёрен абразива на процесс шлифования, а так же относительной скорости блока, на котором расположены обрабатываемые детали, и обрабатывающего инструмента, давления деталей на обрабатывающий инструмент

Рассмотрен механизм процесса полирования, который влияет на уменьшение микронеровностей

микроскопический излом, размер которого соизмерим с размером молекулы Причиной этого излома является механическое воздействие (трение абразива об обрабатываемую поверхность) абразива, который находится в суспензии, расположенной между деталью и инструментом;

химические реакции, протекающие между стеклом и водой, содержащейся в суспензии, приводящие к образованию силикатного геля на поверхности оптического стекла,

расплавление выступающих частей стекла за счет нагрева их в процессе обработки из-за трения между обрабатываемой поверхностью и поверхностью инструмента (полировальника)

В последнем разделе первой главы рассмотрены механизмы лазерного разрушения оптической поверхности и приповерхностного объема оптической детали, а также методы измерения лучевой прочности оптической поверхности

Вторая глава посвящена исследованию влияния технологических факторов на параметры шероховатости оптической поверхности в процессе шлифования Для исследования факторов, которые влияют на значения шероховатости оптической поверхности, был использован прибор Alfa-Step -20 Для обработки оптических деталей поверхностным

притиром с использованием свободного абразива был использован станок ШП-500

В первой части этой главы приводится анализ влияния зернистости (размера) абразива на значение шероховатости оптической поверхности для стёкол марок К-8 и ТФ-1 Экспериментальные результаты, связывающие значения среднеарифметической величины шероховатости шлифованной поверхности и зернистость использованного для получения этой поверхности абразива приведены в таблице 1 и на рис 1

Таблица 1

Зернистость (диаметр) абразива (Оа),мкм 1& Оа К-8 ТФ-1

(11а±Л Яа), нм 1вЯа (Иа±Д Яа),нм №

5 0 7 189±22 2,28 243±23 2,4

9 0 95 290±25 2,46 385±30 2,59

10 1 318±25 2,50 478±35 2,68

12 1 08 398±30 2,54 567±43 2,75

15 1 18 386±30 2,59 625±45 2,80

18 1 26 450±35 2,65 740±50 2,87

20 1 30 628±40 2,86 1035±80 3,01

25 1 40 748±50 2,87 1100±100 3,04

28 1 45 800±75 2,90 1170-Ы30 3,07

40 1 60 895±80 2,95 14001130 3,15

120 2 08 3214±160 3,50 526Ш70 3,72

Рис 1 Зависимость распределения шероховатости от диаметра обрабатывающего абразива

Зависимость между десятичным логарифмом

среднеарифметической величины шероховатости обработанной поверхности и десятичным логарифмом диаметра абразива может быть выражена следующей формулой' lgRa=algDa + Р,

где а- тангенс угла наклона прямой

Р" отрезок пересечения прямой с осью IgDa или

Ra = 10|i(Da)a Из этой формы записи ясен физический смысл

коэффициентов а и Р

По результатам выполненных исследований, были получены следующие значения приведенных выше величин для стекла марки К-8 а=0 9, Р=1 6, для стекла марки ТФ-1 а=0 9, р=1 78

Далее были исследовано влияние относительной скорости вращения инструмента и детали на величину среднеарифметической шероховатости оптической поверхности для стёкол марок К-108 и SF-13 Полученные данные представлены в диссертации Как видно из представленных графиков существует взаимосвязь между скоростью и шероховатостью, которая может быть представлена в следующем виде' Ra~(lnco)2 Скорость вращения инструмента, обеспечивающая минимальную шероховатость для стекла К-108 30 об/мин Для SF-13 ~ (20-30)об/мин

В работе так же были исследованы влияния давления блока деталей на шлифовальник для тех же марок стёкол Экспериментальные результаты представлены в диссертации, где представлено распределение среднего значения шероховатости от логарифма давления для всех использованных скоростей вращения инструмента. Показано, что существует взаимосвязь между величиной среднеарифметической шероховатости и давлением в виде Яа - (ЬпР)2, а так же, оптимальное давление, при котором величина среднеарифметической шероховатости минимальна

В последней части второй главы исследовано распределение шероховатости по поверхности оптической детали Шероховатость была определена в четырёх точках в центре, на расстоянии 33мм от центра, на расстоянии 66 мм и на расстоянии 100мм для стёкол К-108 и ЭГ-13 для поверхностей обработанных абразивом диаметром Юмкм при четырёх различных скоростях вращения инструмента относительно детали и четырёх значениях давления детали на инструмент Эти результаты представлены в диссертации

В третьей главе исследовано влияние технологических факторов на параметры шероховатости оптической поверхности в процессе полирования Поскольку задачей нашей работы является поиск режимов обработки оптической поверхности, которые обеспечат полное использование всех механизмов полирования для обеспечения требуемой шероховатости, необходимо провести анализ влияния каждого механизма полирования на уменьшение величины среднеарифметической шероховатости поверхности С этой целью были проведены несколько экспериментов на стёклах марок ТФ-1 и ВК-7 Было проанализировано изменение шероховатости в зависимости от времени полирования Экспериментальные результаты представлены в диссертации Относительное изменение шероховатости 11а в течение времени

большое значение на первом этапе обработки, загем эта величина уменьшатся, и становится минимальной на завершающей стадии обработки

Было исследовано влияние начального значения шероховатости на характер изменения величины микронеровностей в процессе полирования, исследования были проведены для нескольких начальных значений величины шероховатости Были исследованы оптические поверхности, при получении которых на последней стадии шлифования использовались абразивы диаметром 20, 18,15, 12, 10, 9, 5мкм, такие

х— не постоянно Это отношение имеет М

абразивы обеспечивали различное значение величины шероховатости на начальной стадии процесса полирования

Результаты исследований представлены в таблице 2 и на рис 2, 3

Таблица 2

ВК-7 Оа= 5мкм Оа= Ба= 9мкм Юмкм Ба= 12мкм Оа= 15мкм Оа= 18мкм Ба= 20мкм

Время, час 11а,нм при полировании деталей, после шлифования указанным выше абразивом

0 [155 290 318 348 386 450 625

1 30 45 50 65 70 80 120

2 10 13 15 20 25 30 35

3 5,5 7 7,5 9,5 12 12 20

4 4,0 4,5 5,0 6,5 8,0 8,5 10

5 3,0 3,5 3,5 4,5 5,0 5,5 7

6 2,5 3,0 3,0 3,5 3,5 4,0 4,5

8 1,5 2,0 2,0 2,5 2,0 3,0 3,0

10 1,5 1,5 1,5 2,0 2,0 1,5 2,0

ТФ-1 Оа= 5мкм Ба= 9мкм Ба= Юмкм Ба= 12мкм Иа-15мкм Ба= 18мкм Оа= 20мкм

Время, час 11а,нм при полировании деталей, после шлифования указанным выше абразивом

0 235 1285 418 567 625 740 1035

1 45 65 70 80 85 95 125

2 15 20 22 23 25 27 45

3 8 10 10 12 15 18 20

4 5,5 7,0 7,5 7,5 8,0 9 15

5 3,5 4,5 5,0 4,5 4,5 5 7

6 3,0 3,0 3,5 3,0 3,0 3,5 4,5

8 2,0 2,0 3,0 2,5 2,5 3,0 3,5

10 2,0 2,0 2,5 2,0 2,0 2,0 2,5

InRa

♦ D»="mkm □ 1>а=9мкм

♦ Са=10мкм x 1)а=12мкм 1 Da=l.:MKM

♦ Ь>а=18мкм о Da=IOMKM

t.4ac

Рис 2 Зависимость логарифма шероховатости от времени полирования оптической детали, изготовленной из стекла марки ВК-7

Как видно из представленных графиков на всех переходах зависимость натурального логарифма величины шероховатости or времени полирования имеет линейный характер Каждый участок имеет свой наклон и определяет разные стадии полирования, которые отличаются диапазоном шероховатости Каждая стадия может бьпь описана следующим уравнением' Ra(t) = Ra(0)e~m', где Ra(t) -шероховатость поверхности во время t, Ra(0) - начальное значение шероховатости на каждой стадии обработки, ш - наклон прямой, характеризующий данную стадию полирования Постоянная m зависит от механических, химических и термодинамических свойств обрабатываемого стекла, эта постоянная определяется такими условиями обработки как относительная скорость вращения инструмента и детали, давления блока деталей на инструмент, концентрацией абразива в суспензии, скоростью подачи суспензии на обрабатываемую поверхность

111 Ка

Л

„ \ \ мкм

N ч \ а иа-'.'МКМ * Ьа=1<.)мкм * Юа=12мкм • Юа=Нмкм ♦ Бя=18мкы

V V \

N

_ ___ * --г ...

4.431

10

Рис 3 Зависимость логарифма шероховатости от времени полирования оптической детали, изготовленной из стекла маркиТФ-1

Проанализировав экспериментальные результаты можно сказать, что на начальной стадии полирования доминирует механическое удаление микронеровностей, потому что величина шероховатости уменьшается с большой скоростью, большей чем на двух следующих стадиях Следующая стадия полирования характеризуется химическими процессами, протекающими на поверхности оптической детали в результате её контакта с суспензией Чем быстрее образуется гель, содержащий продукты химической реакции между суспензией и стеклом, тем быстрее уменьшается величина шероховатости Для получения минимальных микронеровностей необходимо использовать термодинамический механизм Этот механизм реализуется при увеличении давления деталей на инструмент, уменьшении относительной скорости вращения инструмента (полировальника) и детали, уменьшении концентрации абразива в суспензии и уменьшении подачи абразива в зону обработки оптической поверхности

кя О ■)

-О 4 !

и»

?ооо г 1 400 1 3 ■ЕПВг;

яян г- 8 4

впг —> о •тик, >гз«5

0 80ил 1_Е'С1.

20

4»

во

Рис 4 Профиль полированной поверхности после завершения полирования стекла марки ВК-7

На рис. 4 показан рельеф полученной поверхности, у которой величина шероховатости Н.а не превышает 10 А

В диссертации представлены так же рельефы других поверхностей, у которых величина микронеровностей лежит около 10 А Это реальные результаты, которые были получены при выполнении данных исследований В результате выполненных исследований была получена шероховатость порядка А/1000

В главе 4 представлены результаты исследования лучевой прочности оптических поверхностей. Шероховатость оптической поверхности влияет на механизм лазерного разрушения поверхности стекла Для анализа этого механизма необходимо определить несколько статических параметров, характеризующих поверхность

- среднеарифметическое значение высоты шероховатости Ка ,

- среднеарифметический наклон микронеровностей,

- среднеквадратическое значение шероховатости

На рис 5 представлен рельеф реальной оптической поверхности, полученной в результате выполненных исследований, на рис 6 представлены функция распределения микронеровностей по высотам и по наклонам для части эгого рельефа

В диссертации представлен анализ влияния функции распределения микронеровностей на лучевую прочность оптической поверхности, в работе также представлен фрагмент реального профиля поверхности оптической детали, изготовленный из стекла марки 8Р-13 Шлифование поверхности производилось абразивом диаметром Юмкм Экспериментальные результаты величины лучевой прочности в зависимости от шероховатости поверхности представлены на рис 7

10'СП 3? 23 и», D# I.

0 n» R О по,

Ivg 26er. nt« IR 2 640um 1

a 335 ntii

L П OOuhi

r гиио им о ШИВЕШВШ

flC|~ iifl

ыяшаыми

UfH i^'jlw -1

0000 1

41 ij 1

Cfi t - Ifi ; ЬР —

T'. И 15rt>9

" '■'':<jOJ/O LEUEL

С . л

ill P 1

SM

10<W

I , 141.1) 'Ii

1500

Рис 5 Реальный профиль поверхности оптической детали, изготовленный из стекла марки БР-13 Шлифование поверхности производилось абразивом диаметром Юмкм

U-b

lll II

U 15

а б

Рис 6 Функция распределения микронеровностей по их размерам (а) и наклону неровностей (б) для профиля, приведённого на рис 5

Методика измерения лучевой прочности представлена в диссертации в главе 4 В диссертации показана логарифмическая зависимость лучевой прочности от шероховатости поверхности, определяемая зависимостью lg(P)=Alg(Ra)+B,

где А и В - постоянные величины, определяемые химико-физическими параметрами материала Для ВК-7 величина А вк 7= -0,23 и В Вк-7= 3,4, для SF-13 данные величины соответственно равны Asf и = -0 35 и BSF ¡3 = 3,2

Л> чевая ,

прс-чнодь (Мвт-'см") 2*><)<)

—ВК

(I

200 .<00 400 *00 Шероховат осп,. Ий. км

Рис 7 Зависимость лучевой прочности от шероховатости поверхности оптической детали

Приведённое выше выражение можно переписать в виде-

Р=Р0(Ка)А, где Р0 - лучевая прочность при 1^а=0 т е при Ка- 1 нм

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем

1 Установлена связь между диаметром обрабатывающих абразивов и шероховатостью полученной поверхности Яа = 10" (Оа)а, где Ка -среднеарифметическая шероховатость поверхности, |3- постоянная, зависящая от свойств стекла, а - постоянная, характеризующая технологические режимы обработки оптической поверхности

2. Показана возможность выбора оптимальной скорости вращения обрабатывающего инструмента относительно детали при постоянном давлении для получения минимальной шероховатости для каждого абразива на стадии шлифования.

3 Показана возможность выбора оптимального давления детали на инструмент для получения минимальной шероховатости для каждого абразива на стадии процесса шлифования при постоянной относительной скорости вращения детали (блока деталей) относительно инструмента

4. Показано, что существует распределение среднеарифметической шероховатости по поверхности обрабатываемой детали, которое зависит от технологических режимов

5. Показано, что существует связь между шероховатостью поверхности и временем полирования оптической поверхности. Эта связь может быть описана следующим выражением: Ra(t) = Ra(0)e ™, где Ra -шероховатость поверхности, Ra (0) - шероховатость поверхности в начальный момент времени, m - постоянная, характеризующая свойства материала и диапазон изменения шероховатости, t- время обработки материала.

6. Показано, что для получения сверхгладких поверхностей необходимо использовать термодинамический механизм полирования оптической поверхности. В результате исследования была получена шероховатость А/1000.

7 Экспериментально установлено, что W = A(Ra)"m, где W- лучевая прочность, Ra - шероховатость оптической поверхности, А - постоянная, характеризующая механические и термодинамические свойства стекла. Для исследуемых материалов максимальная лучевая стойкость для стекла ВК-7 -составила 2500 Вт/см2, для стекла ТФ-1 1400 Вт/см2

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1 Айман Обеид, Юнис Фатум. Исследование динамики шероховатости поверхности при поверхностном притире. Оптический журнал (в печати).

2. Айман Обеид «Исследование лучевой прочности шлифованных и полированных поверхностей оптических стёкол» VI Международная конференция «Прикладная оптика» Санкт- Петербург, Сб. трудов оптического общества им. Д.С.Рождественского т.2, октябрь 2004 стр. 185-188

3 Айман Обеид «Исследование шероховатости поверхности оптических материалов при шлифовании свободным абразивом» VI Международная конференция «Прикладная оптика» Санкт- Петербург, Сб трудов оптического общества им. Д.С.Рождественского т.2, октябрь 2004 стр 189.

Тиражирование и брошюровка выполнены в Центре «Университетские телекоммуникации». Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14. Тел. (812)233-46-69 Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

»12 09 í

РНБ Русский фонд

2006-4 5613

Введение.

Глава 1. Анализ факторов влияющих на шероховатость оптической поверхности.

1.1. Статистические характеристики шероховатости поверхности.

1.1.1. Среднеквадратическая и среднеарифметическая величина неровностей поверхности.

1.1.2. Среднеквадратический наклон неровностей.

1.1.3. Функция распределения микронеровностей по высотам и по углу наклона.

1.1.4. Среднекубическое распределение или асимметрия микронеровностей.

1.1.5. Анализ влияния экстремальных дефектов поверхности на оценку шероховатости.

1.1.6. Автоковариационная функция длина корреляциопростран-ственной длине волны поверхности.

1.1.7. Функция спектральной плотности мощности.

1.2. Статистические характеристики некоторых изображений поверхности.

1.3. Механизм образования микронеровностей.

1.3.1. Микроскопический излом.

1.3.2. Оплавление поверхности стекла в процессе обработки (термопластический механизм).

1.3.3. Химические реакции в поверхностном слое.

1.4. Механизм шлифования.

1.4.1 Обрабатывающие материалы.

1.5. Методы наблюдения и аттестации шероховатости.

1.5.1. Наблюдение рассеянного поверхностью света.

1.5.2. Применение интерференционного дифференциально-контрастного микроскопа (микроскоп Номарского).

1.5.3. Применение электронных микроскопов.

1.5.4. Механические методы измерения шероховатости.

1.5.5. Оптические методы контроля шероховатости.

1.6. Лучевая прочность шероховатых поверхностей.

1.7. Методы определения лучевой прочности.

1.8. Выводы

Глава 2. Исследование влияния технологических факторов на параметры шероховатости оптической поверхности в процессе шлифования. ^

2.1. Влияние размера абразива на параметры шероховатости разных марок оптических материалов.

2.2. Влияние давления и скорости вращения инструмента на параметры шероховатости разных марок оптических материалов.

2.3 Исследование распределения шероховатости по поверхности оптической детали.

2.4. Выводы.

Глава 3. Исследование влияния технологических факторов на параметры шероховатости оптической поверхности в процессе полирования.

3.1. Уменьшение микронеровностей механическим методом на стадии полирования.

3.2. Физико-химическая стадия обработки оптической поверхности.

3.3.Термодинамическая обработка (размягчение, увеличение вязкости поверхности поверхностного слоя) для корректировки поверхности.

3.4. Выводы.

Глава 4. Исследование лучевой стойкости оптической поверхности.

4.1. Влияние параметров шероховатости на лучевую стойкость 113 оптической поверхности.

4.2. Исследования влияния условий обработки оптической поверхности на лучевую стойкость оптической поверхности.

4.3. Корреляционные связи между величиной лучевой прочности и шероховатостью поверхности оптических материалов.

4.4. Выводы.

Расширение спектрального диапазона, в котором работают современные оптические приборы, в коротковолновую область (ультрафиолетовая и вакуумная ультрафиолетовая) требует уменьшения неровностей на преломляющих и отражающих поверхностях для уменьшения рассеивания. Развитие лазерной техники и использование сверхгладких поверхностей, приводит к необходимости создания поверхностей, шероховатость которых не превышает Ш000. Исследование процессов полирования и шлифования поверхности являются необходимыми для усовершенствования технологических процессов обработки оптических элементов. Исследование динамики образования шероховатой поверхности при шлифовании и полировании свободным абразивом, помимо чисто научного интереса, позволит разработать возможные пути изготовления сверхгладких поверхностей. Аналитические сведения об изменении параметров шероховатости позволят автоматизировать процесс обработки оптических поверхностей.

Поскольку шероховатость поверхности даёт количественные статистические данные о её структуре необходимо провести исследование динамики шероховатости оптических поверхностей на разных стадиях изготовления. Эти данные позволят разработать и исследовать технологию получения поверхности с минимально возможной шероховатостью.

В диссертации приведён анализ влияния технологических процессов обработки (процессов шлифования и полирования) различных марок стёкол (крон и флинт) на их шероховатость.

Цель работы является разработка исследование динамики шероховатости при механической обработке оптических поверхностей.

1. Экспериментальное определение связи между шероховатостью обрабатываемой поверхности и зернистостью обрабатывающего абразива.

2. Установление связи между шероховатостью обрабатываемой поверхности и относительной скоростью вращения инструмента и деталей на стадии шлифования при фиксированной величине давления на блок деталей.

3. Определение зависимости между шероховатостью обрабатываемой поверхности и давлением блока деталей на обрабатывающий инструмент в процессе шлифования при фиксированной относительной скорости вращения инструмента и деталей.

4. Экспериментальное исследование распределения величины шероховатости по поверхности оптической детали на стадии шлифования свободным абразивом.

5. Определение влияния длительности процесса полирования на величину шероховатости.

6. Анализ влияния величины шероховатости оптической поверхности на лучевую прочность деталей.

7. Установление корреляционной зависимости между величиной шероховатости оптической поверхности и лучевой прочностью для разных марок стекол.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Зависимость среднеарифметической величины шероховатости поверхности, полученной при обработке свободным абразивом, от зернистости абразива для стёкол марок К-108 и SF-13.

2. Зависимость среднеарифметической величины шероховатости поверхности, полученной при обработке свободным абразивом, от скорости вращения инструмента для стекла марок К-108 и SF-13

3. Зависимость среднеарифметической величины шероховатости поверхности, полученной при обработке свободным абразивом, от давления блока деталей на инструмент (шлифовальник) для стекол марок К-108 и SF-3.

4. Распределение величины шероховатости по поверхности оптических деталей.

5. Зависимость среднеарифметической шероховатости оптических поверхностей от времени полирования.

6. Функциональная связь между параметрами шероховатости и величиной лазерной прочности оптических поверхностей для деталей, изготовленных из стекол ВК-7 и SF-13.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. В первой главе приведён анализ факторов, влияющих на шероховатость оптической поверхности. Рассмотрены статические характеристики шероховатости поверхности: среднеквадратическое и среднеарифметическое значение микронеровностей поверхности, среднеквадратический наклон микронеровностей поверхности, функция распределения микронеровностей по высотам и по углу наклона, среднеквадратическое распределение или ассиметрия микронеровностей, анализ влияния экстремальных дефектов поверхности на оценку шероховатости, автокорреляционная функции высот шероховатости, функция спектральной плотности мощности, статические характеристики некоторых изображений поверхности. Для объяснения процесса обработки оптических деталей в главе приводится информация о механизме шлифования и физико- химических факторах, которые влияют на шероховатость оптической поверхности. Показано так же влияние свойств зёрен абразива на процесс шлифования, а так же относительной скорости блока, на котором расположены обрабатываемые детали, и обрабатывающего инструмента, давления деталей на обрабатывающий инструмент.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Установлена связь между диаметром обрабатывающих абразивов и шероховатостью полученной поверхности: Ra = aDm, где Ra — шероховатость поверхности, а - постоянная, зависящая от свойств стекла, т- постоянная, характеризующая технологические режимы обработки оптической поверхности.

2. Показана возможность выбора оптимальной скорости вращения обрабатывающего инструмента для получения минимальной шероховатости для каждого абразива на стадии процесса шлифования.

3. Показана возможность выбора оптимального давления детали на инструмент для получения минимальной шероховатости для каждого абразива на стадии процесса шлифования.

4. Показано, что существует распределение шероховатости по поверхности обрабатываемой детали, это распределение зависит от технологических режимов.

5. Показано, что существует связь между шероховатостью поверхности и временем полирования оптической поверхности. Эта связь может быть описана аналитически следующим образом: Ra(t) = Ra(0)e~mt, где Ra — шероховатость поверхности, Ra (0) — шероховатость поверхности в начальный момент времени, m — постоянная, характеризующая свойства материала и диапазон изменения шероховатости, t- время обработки материала.

6. Показано, что для получения сверхгладких поверхностей необходимо использовать термодинамический механизм полирования оптической поверхности. В результате исследования была получена шероховатость А/1000.

7. Показано, что существует связь между шероховатостью и лучевой прочностью оптической поверхности, что совпадает с ранее полученными результатами.

8. Экспериментально установлено, что W = A(Ra)~m, где W- лучевая прочность, Ra — шероховатость оптической поверхности, А — постоянная, характеризующая механические и термодинамические свойства стекла. Для исследуемых материалов максимальная лучевая стойкость для стекла ВК-7 -составила 2500 Вт/см , для стекла ТФ-1 1400 Вт/см2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Standard: surface Texture (Surfase Roughness, Waviness, and Lay), ANS1.ASME B46.1-1985,The American Society of Mechanical Engineers, 345 East 47th St.m New-'York,N.Y. 10017.

2. P.Beckman Probability in Communication Engineering (Harcourt, Brace and World, New York, 1967.

3. K.Lindsey, S. T. Smith and С J. Robbie Subnanometre surface texture and profile measurement with NANJSURF 111 CIRP Ann.37, 519-522(1988)

4. J. M.Bennett and J.H.Dancy Stylus profiling instrument for measuring statistical properties of smooth optical surfaces // Appl.Opt. 20, pp. 1785-1802, 1981

5. Г.С.Ходаков, Н.Л.Кудрявцева Физико-химичексие процессы полирования оптического стекла. М.: Машиностроение 1985, 220с.

6. Г.С.Ходаков, Физика измельчения. М.: Наука,1972, 307с.

7. Sanders D.M.,Hench L.L. Mechanisms of Glass Corrosion. — Journ. Amer. Ceram. Soc. 1973, v.6, № 7pp 373-377.8/

8. Cornish D.C., Watt J.M. An Investigation of Mechanism of Glass polishing. 5th Int.Congr. for Electron Microscopy. New York: Ed. Acad. Press. 1962, v.l, pp. 1-5

9. G. Nomarski, Microinterferometre differenticl a ondes polarisees J. Phys.Rad. 16,9S-13S (1955); G. Nomarski, and A.R. Weill //Application a la metallographic des methods interferentielles a deux polarisees.-Rev. Metall (Paris) 52,121-134 (1955).

10. K.H. Guenther Nonoptical characterization of optical coatings// Appl.Opt. 20, pp.3487-3502, 1981

11. Alfa-Step 250 High-Sensitivity Profiler and P-l Long-Scan Profiler manufactured by Tencor Instruments? 1400 Charleston Road, Mountain view/ Calif/ 94043

12. K. Creath, Calibration of numerical aperture effects in interferometric microscope objectives// Appl. Opt. 28, pp. 3333-3338,1989

13. Свечников М.Б. Лучевая прочность двухслойных химических покрытий // Оптико-механическая промышленность.-1978-№ 10.-С.65-66

14. Каск Н.Е., Радченко В.В., Федоров Г.М., Чопорняк Д.Б. Зависимость коэффициента поглощения оптических стёкол от температуры при воздействии лазерного излучения // Квантовая электроника. — 1979.-Т.6. -№2.- С.337-341

15. Алёшин И.В., Имас Я.А., Комолов В.Л. оптическая прочность слабопоглощающих материалов. — Л.: ЛДНТП61974. -34с.

16. Анисимов С.И., Макшанцев Б.И. Роль поглощающих неоднородностей в оптическом пробое прозрачных сред // Физика твёрдого тела. 1973. Т. 15. Вып. 4. С. 1090-1092

17. Либенсон М.Н. Плазменно-химическая модель оптического пробоя прозрачных диэлектриков // Письма в журнал теоретической физики.-1977.-Т.З .-№ 10.-С.446-449.

18. Данилейко Ю.К., Маненков А.А., Нечитайло B.C. О механизме лазерного разрушения прозрачных материалов, обусловленном тепловым взрывом поглощающих неоднородностей// Квантовая электроника.- 1978.-Т.5.-№1-. С.194-198.

19. Ферсман И.А., Хазов Л.Д. Фотоэлектрические явления, возникающие на поверхности прозрачного диэлектрика при лазерном облучении // Квантовая электроника.- 1971. -№2.

20. Ферсман И.А., Хазов Л.Д. о механизме разрушения поверхности прозрачного диэлектрика при облучении коротким световым импульсом // Квантовая электроника.- 1972.-№4-. С.25-29.

21. Данилейко Ю.К., Маненков А.А. и др. Роль поглощающих включений в механизме разрушения прозрачных диэлектриков лазерным излучением // Журнал экспериментальной и теоретической физики.-1972.- Т.бЗ.-Вып.З. С.1030-1035.

22. Горшков А.В., Данилейко Ю.К.и др. Эффект многократного воздействия в лазерном разрушении материалов // Квантовая электроника.-1983.- Т.10.№3 С.640-643

23. Морачевский Н.В. Исследование лучевой прочности оптический материалов для мощных лазеров // Труды ФИАН СССР .-1978.- Т. 103.-С. 118129.

24. Еронько С.Б., Суворов А.В., Чмель А. Влияние разрывов селикатной сетки аморфного кварца на его оптическую прочность // Физика и химия обработки материалов.- 1981.-№2.- С. 151-152.

25. Алёшин И.В., Анисимов С.И. , Бонч-Бруевич A.M. Имас Я.А. Комолов В. Л. Оптический пробой прозрачных сред, содержащих микронеоднородности // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1976. -Т. 70. -вып.4. -С. 1214-1223.

26. Бабаджан Е.И., Косачёв В.В., Лохов Ю.Н. пробой воздуха лазерным импульсом перед входной поверхностью твёрдого прозрачного диэлектрика // Физика и химия обработки материалов. 1981.-Т., С.153-156

27. Бурмистров А.В., О механизме понижения порога оптического пробоя воздуха вблизи твёрдых поверхностей // Журнал технической физики.- 1978.-Т.48.- Вып.11.-С.2313- 2318.

28. Bennet Н.Е., Glass A.G., Yuenther А.Н., Newman В. Laser induced damage in optical materials: twelfth ASTM Symposium Applied Optics, 1981, v. 20, №17, pp. 2840-2856.

29. Гусев Г.П., Короленко И.Н., Шатилов A.B. Приближённая оценка световой стойкости оптических материалов// Оптико-механическая промышленность.- 1981.- №3.- С.25-26.

30. Цеснек Л.С. , Крюкова С.В. и др. Диссипативная характеристкиа лучевой прочности оптических материалов // Оптико-механическая промышленность.- 1978.- №2.- С.3-5.

31. Кортов B.C., Слесарей А.И., Шифрин В.П., Поплавский А.А. о корреляции между лучевой прочностью и параметрами экзоэлектронной эмиссии стёкол К8 и ГЛС1 // Оптико-механическая промышленность.- 1981.-№4.- С.49-51.

32. Горбунов А.В., Емелин В.Я., Классен И.В. Способ оценки оптической стойкости твёрдых прозрачных материалов // Авт.свид-во СССР №11505023, G01 №17/00, При-т 22.09.83./ Открытия, изобретения. 1985. - №14.

33. Кытина И.Г., Обухов А.С. Способ определения поогов разрушения оптический материалов // Авт.свид-во СССР №615358, G 01 №21/00, При-т 16.04.76./ Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. 1978. -№26.

34. Ерёменко А.С., Зайцев В.К., Малинин Б.Г., Степанов А.И., Хазов Л.Д., Шапичев Г .Я. Прибор для контроля лучевой прочности оптических элементов // Оптико-механическая промышленность. 1976.- №2.-С.30-34

35. Болыпанин А.Ф., Путилин Э.С., Старовойтов С.Ф. измерения лучевой прочности диэлектрических зеркал резонаторов лазеров // Известия Вузов СССР. Приборостроение. 1986.- T.XXIX. №1.- С.71-79

36. Артемьев В.В., Бонч-Бруевич A.M., Моричёв И.Е., Иванова Н.Л., Виноградский А.Г., Статистика микронеровностей прозрачных сред и их лучевой прочности // Журнал технической физики. — 1977. —Т.47.-вып.1. — С.183-187

37. Старовойтов С.Ф. Разработка и исследование метода прогнозирования лучевой прочности оптических покрытий,- Кандидатская диссертация. — ЛИТМО.-1987

38. Справочник технолога-оптика под ред. М.А.Окатова Спб, из-во Политехника, 2004, С.679

39. Jean M.Bennett, Lars Mattsson Шероховатость поверхности и рассеяние. Optical Society of America , Перевод с английского Н.В.Васильченко, ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова, 1993

40. T.S.Izumitani, Hoya Corporation Totyo, Japan, Optical Glass, New York 1986

41. Roger M Wood Laser Damage in Optical materials, Adam Hilger, Bristol and Boston, IOP Publishing Limited. 1986

42. B.M. Винокуров Исследование процесса полирования стекла М.: Машиностроение 1967

43. Физико-химические основы производства оптического стекла / Под ред. Л.И.Дёмкиной. М.: Химия. 1976 -476с.

44. Зубаков В.Г. Технология оптических деталей . — М.: Машиностроение 1985.-368с.

45. ГОСТ 23136-93 Материалы оптические. Параметры.

46. ГОСТ 3514-94 Стекло оптическое бесцветное. Технические условия.

47. Нечаева Н.А., Медведева И.М. Новые полировальные материалы и опыт их использования для полирования химически нестойких стёкол// Матер, сем. По обработки деталей из химически нестойких стёкол, керамики и кристаллов. -М.: НТЦ «Информатика»: 1990. С.46

48. Антивспениватели для полиритной суспензии / Л.И.Воронина, М.А.Окатов, Н.В.Введенский и др. //ОМП.-1979.-№8 С.32-34

49. Кузнецов С.М., Арзуманов P.M. выбор аналитических методов режимов обработки оптических деталей. Л.: ЦНТИ,1978. 48с.

50. Шехнер Ю.И., Бурман Л.Л., Лепитова Н.П. Новый состав СОЖ дл шлифования стекла // Синтетические алмазы. — 1970.- №5 — С. 4-6.

51. Маляренко А.Д. Технологические основы обработки высокоточных оптических сферических поверхностей. Минск: БГПА, 2000

52. Смирнов B.C. Обработка оптического стекла Л. Машиностроение, 1970

53. Ждавнова Л.А., Придатко Г.Д. Исследование оптических свойств интерференционных поляризаторов в области 0,250-1,2мкм// ОМП.- 1984.-№6 -С.7

54. Ардаматоцкий А.Л. Алмазная обработка оптических деталей. — Л. Машиностроение, 1978.- 232с.

55. Михнёв Р.А., Штандель С.К. Оборудование оптических цехов. -М.: Машиностроение, 1981.-368с.

56. Сулим А.В. производство оптических деталей. М.: Высш. шк., 1975.-316с.

57. Зубаков В.Г., Семибратов М.Н., Штандель С.К. Технология оптических деталей .- М.: Машиностроение, 1985, 368с.59. рогов В.В. Финишная алмазно абразивнаая обработка неметаллических деталей.- Киевб Наук, думка, 1985. - 261с.