автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Научные основы технологии формирования прецизионных оптических поверхностей из стекла и металла

Открытое акционерное общество Центральный научно-исследовательский технологический институт

Для служебного лользования

экз№ . 3 О С I < ''1 1

--.. . . На правах рукописи

' ' УДК 621.7—••

Ашкеров Юрий Васильевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗ СТЕКЛА

И МЕТАЛЛА

Специальность: 05.02.08 - "Технология машиностроения" 05.03.01 - "Процессы механической

и физико-технической обработки, станки и инструмент"

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Государственном научно-производственном объединении "Оптика" и завершена в Научно-исследовательском институте высшего образования Минобразования России.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Гречишников В.А. доктор технических наук, профессор Кузнецов A.M. доктор технических наук, профессор Скрябин В.А.

Ведущее предприятие: АО "Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков"

Защита состоится "_"_2000 г., в_часов, на заседании диссертационного совета Д 105.04.01 при открытом акционерном обществе "Центральный научно-исследовательский технологический институт" по адресу: 127238, Москва, Дмитровское шоссе, д.71.

С диссертацией в виде научного доклада можно познакомиться п библиотеке ОАО "ЦНИТИ".

Автореферат разослан "_"_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

В.А.Пастунов

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

этот

ВВЕДЕНИЕ

В число приоритетных научных направлений, выработанных на основе прогноза развития науки и техники в XXI веке и в соответствие с задачами, стоящими перед Россией по обеспечению ее национальной безопасности, входят технологии федерального уровня, в том числе лазерные технологии различного назначения.

В настоящее время научно-технический прогресс в таких отраслях как электронная, оптическая, атомная, аэрокосмическая характеризуется ростом требований к качеству оптических поверхностей деталей различного назначения из стекла и металла, к точности их формы, шероховатости и чистоте, формирующихся при взаимодействии инструмента и детали.

Крупными направлениями работ, имеющими важное народнохозяйственное значение, являются создание .технологических процессов и оборудования для изготовления металлических зеркал для лазерных технологических установок, предназначенных для резки, сварки, закалки и других процессов, а также совершенствование технологии массового изготовления оптических деталей из стекла для приборов различного назначения.

Для решения проблемы изготовления металлических поверхностей с точностью формы N = 2 на 0 100 мм, местной ошибкой Л N = 0,3 и среднеквадратической шероховатостью отражающей поверхности с <

о

120 А, а также в целях совершенствования технологии массового производства деталей из стекла с точностью формы N = 2-3; А N = 0,5 необхо-

димо применение таких методов обработки, как шлифование, полирование, алмазное точение, ионно-лучевая обработка и разработка высокоэффективных технологических процессов и систем, инструментов, измерительных приборов и материалов.

Решение этих вопросов позволит на основе теоретических и экспериментальных исследований управлять качеством выпускаемой продукции и прогнозировать повышение производительности труда, что особенно актуально для финишных операций нанотехнологий.

Концепция по разработке новых высокоэффективных технологических процессов и систем, инструментов, материалов и измерительных приборов для обработки высокоточных оптических поверхностей из стекла и металла включает следующие основные положения:

- в зоне обработки взаимодействие между атомами и молекулами твердых, квази-твердых и жидких фаз осуществляется как при непосредственном "контакте", так и без него, за счет взаимодействия электромагнитных полей и энергетических связей, в результате которого приповерхностный слой и смазка на нем имеют свойства отличные от- объемных;

- теоретический предел точности формы плоских обрабатываемых поверхностей и их шероховатости определяется атомными (молекулярными) плоскостями и расстояниями между ними;

- уровень точности и качества обработанной поверхности и ее метрологический контроль определяется методом обработки и функционально зависит от точности положения и скорости перемещения элементов технологической системы, параметров инструментов, абразивных материалов и точности контрольно-измерительного оборудования и кон-

троля положения инструмента, а также от методологии мышления исследователя;

- качество поверхности достигается в результате применения элементов инструментов (ионы, супермикропорошки и т.п.) с размерами, соизмеримыми с шероховатостью, получаемой поверхности;

- качество и точность поверхности достигается управлением кинематическими и динамическими характеристиками станков, составом связок и зернистостью алмазных порошков инструментов, составом смазоч-но-охлаждающих жидкостей;

- уровень точности и качества обрабатанной поверхности определяется уровнем точности и качества исходной поверхности, достигнутым при переходе от одного метода обработки к другому.

Значительный вклад в теорию точности и проблему контактного взаимодействия твердых тел внесли отечественные и зарубежные ученые: А.С.Ахматов, Б.С.Балакшин, В.А.Белый, Ф.Боуден, В.АГречишников, Ю.Н.Дроздов, В.М.Журавель, А.Ю.Ишлинский, А.Камерон, И.В.Крагельский, А.М.Кузнецов, В.Г.Митрофанов, А.В.Мухин, Л.Г.Одинцов, А.И.Свиреденок, А.Г.Суслов, В.А.Тимирязев, П.И.Ящерицын и других.

Значительные успехи в развитии технологии изготовления оптических поверхностей достигнуты благодаря трудам А.Л.Ардамацкого, Н.Н.Качалова, С.И.Кузнецова, М.Н.Орлова, В.В.Рогова, М.Н. Семибра-това, Г.С.Ходакова, Л.С.Цеснека, Й.Гетца, С.Минаржа и других.

Теоретические и прикладные разработки диссертации были осуществлены по тематике, определенной решением ВПК при президиуме СМ СССР от 11.03.80 № 87 и др. документами во время работы автора в

ГНПО "Оптика" и были завершены в НИИ высшего образования Минобразования России.

Цель работы. Разработка научно-методологических основ проектирования высокоэффективных технологических процессов и оборудования для изготовления прецизионных поверхностей из стекла и металла, включающих шлифование, полирование, алмазное точение, очистку и нанесение отражающих и защитных покрытий, ионно-лучевым методом; разработка реологических моделей инструментов для тонкого алмазного шлифования и полирования; разработка новых методов оценки качества оптической поверхности, основанных на анализе изменения состояния поляризованного света при отражении от ее микрогеометрического профиля.

Автор защищает:

1. Концепцию создания научно-методологических основ проектирования высокоэффективных технологических процессов и их структуру для достижения высокой точности формы и качества поверхности, выявления сущности связей между качеством обработанной поверхности и комплексом технологического и метрологического оборудования, инструментами, материалами, внешней средой как в рамках определенного метода обработки, так и между различными методами.

2. Высокоэффективные технологические процессы изготовления прецизионных оптических поверхностей, оборудование и материалы, обеспечивающие высокую производительность труда и качество обработанной поверхности, разработанные на основе моделирования, экспериментальных и натурных исследований.

б

3. Реологические модели инструментов для тонкого алмазного шлифования и полирования, основанные на исследовании физико-механических и химических свойств материалов, образующие колебательные системы с обрабатываемой поверхностью.

4. Поляризационный метод контроля качества поверхности.

5. Кинематические схемы приборов для исследования физико-механических свойств материалов, испытательных стендов и составы СОЖ.

Общая методика исследования. Для решения поставленных задач использовались фундаментальные положения технологии машиностроения, системного анализа, физики твердого тела, оптики, теории колебаний, реологии, гидродинамики.

Формообразование оптических поверхностей из стекол и металлов осуществлялось на основе технологических процессов тонкого алмазного шлифования, полирования, алмазного точения, очистки и нанесения отражающих и защитных покрытий ионно -лучевым методом.

В экспериментах использовались современные приборы и методы измерений:

- для измерения сил и величин перемещений - тензометрическая система "Топаз-2", измерительная система с индуктивным датчиком модели 223 и с механотронным преобразователем модели БВ-3040У;

- для изучения структуры поверхности, и следов резания - растровый электронный микроскоп "Стереоскан 84-10";

- для оценки шероховатости - профилограф-профилометр модели 201; интерферометр модели МИИ-4, рефлектометр, установка интегрального светорассеяния;

- для оценки показателя преломления и поглощения - эллипсометр модели ЛЭФ-ЗМ;

- для выявления наличия химических элементов - Оже-электронный микроанализатор ЬАБ-ЗООО;

- для определения энергии поглощения - калориметр с системой термопар и регистрирующим прибором КСП-4;

- для исследования влияния ультразвуковых колебаний на граничное трение скольжения и качения - маятники с регистрирующим микроскопом модели УИМ-23.

Научная новизна. 1. Выявлены связи, в технологических процессах изготовления прецизионных оптических поверхностей, позволившие получить научно-методологическое обоснование принимаемых технологических решений, обеспечивающих достижение высоких требований к точности геометрической формы и шероховатости оптических поверхностей при использовании комплекса технологических процессов шлифования, полирования, алмазного точения и ионно-лучевой обработки.

2. Выявлены связи механизма абразивного разрушения шлифуемых оптических поверхностей со смазочно-охлаждающей жидкостью на основе высокомолекулярных полимеров.

3. Установлен эффект гидродинамического всплытия полировальника относительно обрабатываемой детали и изучены закономерности деформирования полировальных смол, динамика внедрения в них алмазных зерен, что позволило обеспечить однородность полировальных плиток по заданной величине ползучести и высокое качество полируемой поверхности.

4. Экспериментально доказано, что адгезионная теория трения применима не только к статическому трению, но и к кинетическому.

5. Разработаны реологические модели инструментов для тонкого алмазного шлифования и полирования прецизионных оптических поверхностей.

6. Раскрыто влияние ультразвуковых колебаний на трение скольжения и качения при наличии и отсутствии граничной смазки.

7. Разработаны эллипсометрические методы оценки качества полированной поверхности, формируемой в процессе ее доводки алмазными микропорошками.

Практическая ценность работы. 1. Разработаны новые высокоэффективные технологические процессы изготовления прецизионных поверхностей из стекла и металла, обеспечивающие высокую точность формы и качество поверхности.

2. Разработаны на основе экспериментов реологические модели инструментов для тонкого алмазного шлифования и полирования.

3. Разработаны технологии изготовления металлических оптических деталей методом алмазного точения и необходимое для этого технологическое оборудование, позволившие повысить качество обрабатываемой поверхности и производительность труда в 1,5-2 раза.

4. Разработаны методы оценки качества обработанных прецизионных оптических поверхностей, позволившие регулировать продолжительность процесса полирования.

5. Разработан новый эффективный состав СОЖ для обработки оптических деталей из стекла на основе высокомолекулярных полимеров.

Реализация работы в промышленности. Технологические процессы изготовления металлических зеркал в полном объеме переданы и внедрены в реальное производство в НПЦ "Лазертерм" АО "Всероссийский научно-исследовательский институт электротермического оборудования", кроме этого они внедрены в разном объеме на 3 предприятиях отрасли.

Технологический процесс и оборудование для изготовления плоских пластин размером 2,0 х 2,0 мм для спецприборов методом алмазного точения внедрен в НИИ "Полюс".

Технологический процесс и оборудование для изготовления деталей диаметром 0 800 мм для спецприборов методом алмазного точенид внедрен на Научно-производственном предприятии "Метрологические системы".

Методика оценки ползучести полировальных смол была использована для изготовления полировального инструмента, с помощью которого осуществлялось обработка главного зеркала БТА диаметром 0 6000 мм;

СОЖ "Огггика-1" внедрена в серийное производство на 10 предприятиях отрасли. На ОЭП (г.Ростов) организовано ее производство, что позволяет отрасли экономить 230 тонн глицерина в год.

Апробация работы. Материалы диссертации докладовались и обсуждались на всесоюзных и международных конференциях и симпозиумах: всесоюзной конференции "Трение, износ, смазка"(г.Ташкент, 1975 г.); национальном симпозиуме с международным участием "Трибология и эффективность производства" (г.Варна, Народная Республика Болгария, 1977 г.); всесоюзной конференции "Трение и изнашивание композици-

онных материалов", (г.Гомель, 1982 г.); всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Измерительные устройства на диэлектрических волноводах оптического диапозона" (г. Минск, 1983 г.); всесоюзной конференции "Поверхностно -активные вещества" (г. Волгодонск, 1984 г.); VI всесоюзной конференции "Нерезонансное взаимодействие излучения с веществом" (г. Паланга, 1984 г.); II Международном симпозиуме по трибофа-тике (г.Москва, 1996 г.).

За разработки в области оптических технологий автор дважды удостаивался присуждения серебряных медалей ВДНХ СССР (в 1984 и 1987 гг.), ему присуждена премия Совета Министров СССР за 1984 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 1 монография, 40 статей, получено 5 авторских свидетельств.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное состояние вопроса и основные направления исследований.

Традиционные методы обработки такие, как шлифование, полирование, алмазное точение и методы контроля не обеспечивают современных требований к точности и качеству обрабатываемой поверхности, поэтому необходимы инновации в области технологий, оборудования и материалов.

Для этого были выбраны следующие направления исследований:

1. Исследовать сущность в процессах взаимодействия инструментов для шлифования и полирования с поверхностью обрабатываемой де-

тали из стекла и металла, выявить основные закономерности и технологические параметры.

2. Разработать технологии, станки и вспомогательное оборудование для обработки прецизионных металлических поверхностей методом алмазного точения и исследовать погрешности формообразования и качество поверхности.

3. Разработать технологические процессы и оборудование для очистки и нанесения отражающих и защитных покрытий на металлические зеркала и повысить их эксплуатационные характеристики.

4. Разработать эллипсометрические методы контроля качества прецизионных оптических поверхностей и системно исследовать качество поверхности известными методами.

1. Достижение требуемых параметров точности прецизионных оптических поверхностей из стекла и металла путем поэтапного уточнения на операциях технологического процесса их изготовления.

В соответствии со служебным назначением прецизионных оптических поверхностей в результате их изготовления необходимо обеспечить достижение точности:

- по параметру шероховатости К2(Юд) ^ 0,048 мкм 2 480 X.

- по параметру геометрической точности плоской поверхности N = 2, ЛЫ = 0,3 или Т (заг) = 0,55 мкм на 0 100 мм.

- по глубине нарушенного слоя < 3,0 мкм.

В качестве исходной заготовки, в основном, используют листовой медный прокат высокой точности с шероховатостью Иа 3,2 мкм, для которого кривизна профиля составляет 0,05 мм на 10 мм длины. Таким образом для оптической поверхности 300 мм исходная погрешность геометрической формы составит Т„,. = 1,5 мм.

Таким образом, в результате выполнения технологического процесса необходимо обеспечить уточнение по параметру точности геометрической формы поверхности

Т

11аг

ег =-= 3000,

Тизд

к« (заг)

по параметру шероховатости £к =-= 320.

Ка(изд)

Достижение требуемых параметров точности оптических поверхностей обеспечивается путем поэтапного уточнения на этапах выполнения технологического процесса. Конечная точность по параметру шероховатости может быть обеспечена алмазным точением, полированием или ионно-лучевой доводкой формы.

Реализация этих операций возможна при условии предварительной обработки заготовки алмазным точением на станках с аэростатическими опорами, при котором обеспечивается = 0,05 мкм и погрешность формы N = 2, ДЫ = 0,3.

Ниже приводится технологический процесс изготовления прецизионной металлической поверхности, а так же достигаемые параметры точности и уточнения на каждой из технологических операций (табл. 1).

Таблица 1

Технологическая операция Достигаемая точность Уточнения

по шероховатости по геометрической форме по шероховатости по геометрической форме

Заготовка Л. = 3,2 мкм 1,5 мм ERI = 8 Eri - 300

1 Чистовое точение резцом ВК-8 Я. = 0,4 мкм 5 мкм

ем-2 Erz = 2,5

2 Чистовое точение алмазным резцом Я. = 0,2 мкм 2 мкм

ER3 = 10 Er3=l,42

3 Шлифование свободным абразивом (алмазные порошки фракций 5/3 мкм) Л* =0,1 мкм Я. = 0,2 Л. N = 5; ДМ = 0,3 (1,4 мкм)

£R4 = 2 Er4 = 2,54

4 Полирование (алмазные порошки фракций 3/2 мкм) = 0,04 мкм N = 2; ды=о,з (0,55 мкм)

ERS = 1,0 ЕГ5 =1,0

5 Финишное полирование (алмазные порошки фракций 1/0) Я.=0,048мкм N = 2; ДЫ = 0,3

Ers = 1,0 Ert= 1,0

6 Химическая очистка =0,048мкм N = 2; ДК = 0,3

ER7=1,0 Ег7= 1,0

7 Ионно-лучевая обработка (полирование, очистка, нанесение покрытий отражающих и защитных) Я, =0,048мкм N = 2; ЛЯ = 0,3

Приведенная таблица раскрывает связи, определяющие формирование параметров точности прецизионных оптических поверхностей в процессе их изготовления.

/ = 7

Так, общее уточнение по параметру шероховатости Ея =П е, = 320,

1 = 1

а уточнение по точности геометрической формы составляет

I = 7

ег= П Б, «2700, 1= 1

Таким образом, принятый состав технологических операций обеспечивает достижение заданной точности изделия.

Исследование связей приведенного процесса показывает, что основные уточнения по геометрической форме достигаются на операциях при чистовом точении твердосплавными и алмазными резцами. После выполнения этих операций представляется возможным обеспечить наибольшее уточнение по шероховатости поверхности, применяя полирование с использованием алмазных порошков фракций 5/3,3/2,1/0.

Однако применение указанных порошков приводит к снижению качества оптических свойств поверхностного слоя. Поэтому с целью повышения качества оптических свойств вводится финишная операция -алмазное точение на станках с аэростатическими опорами, которая обеспечивает возможность сокращения трех трудоемких технологических операций: шлифование и полирование свободным абразивом фракций алмазных порошков 5/3, 3/2, 1/0, а также позволяет исключить технологию дополнительной прецизионной классификации алмазных порошков фракций 5/3 - 1/0. В результате повышается производительность процесса алмазного точения при одновременном уменьшении трудоемкости в 1,5 -2 раза.

Уточнение получаемое при введении этой операции составляет er = 40 ; ег= 10 , а суммарное уточнение по всему технологическому процессу составит:

/-4

по шероховатости eR = П Е/ = 8 • 4 1 1 = 320 ;

I" 1

/ - 4

по геометрической форме ег = П е(= 300 • 10 -И = 3000 ;

/ = 1

Обработка сплава меди БрЦр , содержащего 1,5-2 % циркония, включает операции шлифования в два перехода алмазно-таблеточным инструментом со связкой на основе эпоксидной смолы с присадками и алмазными порошками фракций 14/10 и 7/5, а также финишное полирование. При этом механическая обработка на координатно-расточном станке и алмазное точение исключаются.

С целью повышения адгезионных свойств отражающих покрытий выполняется химическая очистка поверхности. Она выполняется перед операцией ионно-лучевой обработки, обеспечивающей полирование, снятие нарушенного слоя и нанесение отражающих и защитных покрытий.

При изготовлении оптических поверхностей из стекла технологический процесс включает выполнение следующих операций: тонкое алмазное шлифование таблетками с алмазными порошками фракции 28/20 (I операция) ; с алмазными порошками фракции 10/7 (II операция); полированием с использованием полиритной суспензии (III операция).

В результате уточнений получаемых на этих операциях достигается необходимая точность оптической поверхности: по геометрической форме N = 2; AN = 0,3 и шероховатости Rz = 0,05 мкм

2. Исследование и управление процессом тонкого алмазного шлифования путем его структурной и параметрической оптимизации

Как известно, процесс шлифования можно рассматривать как сумму элементарных актов царапания поверхности абразивными частицами. Сеть наложенных единичных треков-царапин формирует микрорельефный и трещиноватый слой шлифованной поверхности- и обуславливает удаление материала в процессе обработки. С целью моделирования элементарного акта взаимодействия единичного алмазного зерна с поверхностью стекла К8 в процессе шлифования была сконструирована

склерометрическая установка, которая позволяет измерять тангенциальную сипу трения (резания) при царапании. Конструкция установки предусматривает возможность нанесения царапин, пересекающихся под заранее заданными углами, а также царапин при поступательно-вращательном движении образца относительно индентора или элемента алмазного инструмента.

Измерение тангенциального усилия резания производилось с помощью измерительной системы, включающей индуктивный датчик модели 223 и показывающего прибора модели 214 завода "Калибр".

Количественными характеристиками разрушения материала под действием единичного алмазного зерна являются склерометрическая твердость Нц = к И/ Ь2 (М - нагрузка на индентор; Ь - ширина царапины, к - коэффициент, зависящий от формы индентора), тангенциальная сила трения-резания Р и предел прочности при царапании оц = И / Б (Б - площадь поперечного сечения царапины). Анализ зависимостей изменения склерометрических характеристик Нц | <тц и Р от нагрузки на индентор показывает, что можно выделить три области (рис.1).

В первой области - в диапазоне нагрузок 0...0.6 Н - сила трения (резания) пропорциональна нагрузке, коэффициент трения равен 0,23. При этом величина <тц = 16 X 10"4 н/м ; значения Нц возрастают от 5,0 до 9,0x107 Па.

Во второй области, соответствующей диапазону нагрузок 0,6...0,8Н, происходит резкое падение прочностных характеристик Нц , Оц, и Р , которые в третьей области ( N > 0,8Н ) не меняются с изменением нагрузки в исследованном диапазоне. В этой области коэффициент

0,5 0,4 0,5

НцЮ7Па

IV

Рко. I Зависимооть тангенциальной силы резаний - цара-

пания Р (I), предела прочности при царапании 6ц (2) и склерометрической твордости Нц (3) от нагрузки на алмазный инде.чтор // .

18 '

трения постоянен и равен 0,68. Сопоставление зависимостей Н„, ст„, и Р от нагрузки с результатами электронно -микроскопических исследований следов резания на стекле, позволяет заключить, что с увеличением нагрузки происходит переход от пластичного механизма разрушения к хрупкому, характеризуемых значениями коэффициента трения (резания) соответственно 0,23 и 0,68. Зависимость силы шлифования от нагрузки при обработке стекла К8 алмазным инструментом с зернистостью 28 /20 аналогична зависимости полученной при склерометрических измерениях. Наблюдаются две характерные области с коэффициентами трения соответственно: 0,21 и 1,3.

С целью изучения взаимодействия единичных следов резания на полированную поверхность образцов из стекла К8 наносились алмазной , пирамидой Виккерса и алмазным элементом царапины параллельные друг другу и пересекающиеся под углом 20° как в воде, так и на воздухе.

Результаты исследований показывают, что в зависимости от нагрузки и смазочной среды хрупко-разрушенных царапин больше, чем пластических. Основным способом удаления материала единичным зерном при малых нагрузках на воздухе является срез стекла с образованием гладких царапин. Сколы вдоль царапины, размер которых в несколько раз превышает ширину самого следа, появляются при нагрузке 1,0 Н. Присутствие воды резко меняет картину разрушения. Начиная с нагрузки 0,2 Н, разрушение в воде приобретает характер скалывания, что особенно хорошо наблюдается в области пересечения царапин. Результаты, полученные при склерометрии единичным зерном и алмазным элементом, коррелируют. Таким образом, механизм скалывания стекол в облас-

ти пересечения царапин вносит существенный вклад в процесс удаления материала в процессе шлифования.

Сконструированная приставка, смонтированная непосредственно в камере растрового электронного микроскопа "Стереоскан S4-10", позволяет непосредственно наблюдать и изучать взаимодействие единичного алмазного зерна с поверхностью и измерять усилия, возникающие в процессе царапания.

Проведен широкий спектр исследований склерометрических характеристик и видов следов резания в зависимости от величины нагрузки, состава смазочно-охлаждающей среды (вода, вода+30% глицерин, вода+1% триэтаноламина, эмульсия фирмы "Dama" и другие) и марок стекол (ЛК5, К8, ТФ2, БФ16 и другие), позволивший наблюдать последствия влияния смазочно-охлаждающей жидкости и других факторов на процесс резания. Установлен избирательный характер влияния СОЖ по отношению к стеклу различных марок. Профиль следов резания изучался с помощью микроинтерфероментра МИИ-4, профилографа-профилометра ВЭИ "Калибр" и растрового электронного микроскопа "Стереоскан S-4".

Получены результаты для сопоставления склерометрических измерений с показателями работоспособности алмазного инструмента для тонкого шлифования оптических стекол при использовании различных составов СОЖ, которые показали, что повышение производительности шлифования и шероховатости поверхности при изменении состава СОЖ сопровождается снижением либо склерометрической твердости Н„ , либо временного сопротивления разрушению сгц , либо обеих характеристик. Растровый электронно-микроскопический анализ показал, что в

процессе шлифования имеет место адгезия частиц износа стекла к поверхности алмазных зерен, которая существенно зависит от состава граничной пленки СОЖ. Таким образом, воздействие СОЖ на процесс тонкого алмазного шлифования связано как с изменением характера разрушения поверхностного слоя стекла, так созданием условий обновления режущей поверхности инструмента, изменяющих скорость износа алмазных зерен и связки инструмента.

Обнаружена зависимость интенсивности съема стекла Q, шероховатости шлифованной поверхности R, , относительного износа инструмента hyt (отношения линейного износа инструмента к линейному съему стекла) от молекулярной массы высокомолекулярного полиэтиленпо-лиамина (ВПЭПА). Концентрация полимера для всех растворов одинакова и составляла 0,1 вео %. Зависимость интенсивности съема стекла . проходит через максимум, отвечающий значению молекулярной массы ВПЭПА, равной 10 тыс. При этом достигается минимальное значение удельного износа инструмента (рис.2).'

Полученные зависимости характеристик шлифования от концентрации в водном растворе ВПЭПА с молекулярной массой 10 тыс. показали, что оптимальное значение концентрации может изменяться в пределах 0,005...1,0 вес. % в зависимости от конкретных условий обработки (рис.3).

СОЖ на основе ВПЭПА с молекулярной массой 8... 11 тыс., полученного "подшивкой" ПЭПА эпихлоргидрином, названная "Оггтикой-Г имеет следующие эксплуатационные характеристики: 0=110 мкм/мин; R, = 0,30 мкм; hyt = 0,005; при шлифовании стекла К8 инструментом на связке М21 зернистостью 28/20.

к

1а*™ 9.к*"/«,« «переход Ь^,**"

Рис. 2 . Зависимость интенсивности съема стекла О , шероховатости шлифованной поверхности Я а и относительного износа инструмента от молекулярной массы' ВПЭПА: а - зернистость инструмента 28/20, б - зернистость инструмента 10/7 .

якм/т

7 переход

Иа.М'Н

Ы.0)

у

~Ш) (4М) (С^йеУ.)

Рис. . 3 Зависимость интенсивности оъема стекла О , шероховатооти шлифованной поверхности Ко. и относительного износа инструмента от концентрации БПЭПА в растворе (молекулярная масоа БПЭПА 10 тыс.): а - зернистость инструмента 28/20, б - зернистость инструмента 10/7 .

На основе проведенных исследований разработан состав СОЖ для тонкого алмазного шлифования оптических стекол марок ТФ, БФ, Ф, ТК, КФ и других с относительной твердостью по сошлнфованию ниже 0,7 (ГОСТ 13659-68) на основе высокомолекулярного полиэтиленполиа-мина с акриловой кислотой, что позволило обеспечить наилучшие показатели обработки: интенсивность съема стекла () = 200-240 мкм/мии, шероховатость поверхности Ла = 0,22 мкм при соотношении исходных компонентов реакции синтеза в пределах 1 - 10:1,а концентрация полимерной добавки в воде 0,1 -1,0 мас.,%.

С целью выявления в алмазных порошках наличия других химических элементов на установке ЬА5-3000 был проведен Оже-электронный микроанализ, который показал, что алмазные порошки, изготовленные различными заводами, существенных различий не имеют.

3. Повышение эффективности процессов тонкого алмазного шлифования н полирования на базе исследования свойств материалов н реологических моделей инструментов '

Измерение величины всплытия полировальника относительно стеклянной детали при наличии воды и полировальной суспензии, деформационные свойства полировальных смол, величины внедрения алмазных зерен в полировальник и т.п. измерялись на специально сконструированном для этой цели приборе.

Базой отсчета величины вертикального перемещения полировальника вследствие его всплытия или деформации смолы служит эталонная деталь, закрепленная на одном шпинделе с испытываемой деталью. ¡Это

позволяет устранить влияние биения шпинделя на результаты измерения.

Величины перемещения ползуна измеряется двухконтактной измерительной головкой оригинальной конструкции. В качестве датчика использован механотронный преобразователь с электронной измерительной системой типа БВ-3040У завода "Калибр", подключенной к самописцу типа Н327-1.

Установлено существование предельного слоя смолы, который практически не деформируется во времени. Для смолы № 9 с числом твердости 32-27 и логарифмом вязкости r| = lg 9 при t = 25° С предельный слой Lmin = 0,4 мм; для смолы № 11 с числом твердости 34-36 и П = lg 9,5 при t = 25° С ^ = 0,5 мм.

Выдержка полировальника в течение 40 часов при нагрузке 1,0 Н дала смещение 130 мкм. При нагрузке 0,5 х 9,8 Н при увеличении частоты вращения от 3 об/мин до 14 об/мин величины всплытия изменяется от 0,5 до 3,5 мкм, а при нагрузке 4,0 х 9,8 Н - от 0,2 до 1,0 мкм.

Установлено существование двух процессов, действующих в противоположных направлениях: гидродинамического всплытия полировальника, зависящего от скорости вращения стеклянной детали и давления, и опускания полировальника, обусловленного объемным деформированием смолы во времени.

Предложенная методика оценки ползучести слоя смолы была использована при изготовлении инструмента для полирования главного зеркала БТА диаметром 0 6000 мм.

На полировальный инструмент наклеивались изготовленные по специальной технологии 3000 плиток от края полировальника по спирали к центру с отклонением по ползучести 10 мкм/час.

В результате обеспечения однородности полировальных плиток инструмента по заданной величине ползучести было достигнуто в технологическом процессе полирования высокое качество поверхности зеркала, соответствующее техническим требованиям.

Изучен процесс внедрения частиц алмазных порошков размером 40; 28-20; 14-10; 2 мкм в предельный слой смолы во времени. Анализ зависимостей величины внедрения Н, скорости внедрения АН/Д1 и АН

1п-от времени показал внедрение в смолу сначала более крупных

частиц, а затем более мелких.

Для одновременного измерения сил прилипания и трения между полировальником и обрабатываемой деталью был разработан кинетический трибоадгезиометр, который дает возможность производить измерение нормальной силы, необходимой для отрыва полировальника от поверхности детали, и одновременно силы трения между полировальником и деталью в широком диапазоне давлений и скоростей скольжения.

Полученные результаты по проверке двучленной формулы закона трения показали, что адгезионная теория трения применима не только к статическому граничному трению, но и к кинетическому. При наличии граничной пленки между полировальником и стеклянной деталью существуют значительные силы адгезионного взаимодействия, зависящие от скоростей нормального перемещения полировальника и скольжения детали.

С помощью описанной выше методики были измерены составляющие сил трения при полировании на станке ЗШП-350. Результирующий вектор сил трения описывает эллипсы. Анизотропия сил трения обусловлена изменением давления детали на полировальник при выходе ее за край в нормальном и тангенциальном направлениях и падающей зависимостью силы трения от скорости.

Разработаны реологические модели алмазного инструмента для тонкого шлифования и полирования оптических деталей. Инструменты предназначены для работы в станках, работающих по методу притира (рис.4).

Алмазный элемент для тонкого алмазного шлифования, как известно, представляет собой жесткое спрессованное тело, состоящее из алмазного порошка различных фракций и медно-иикелевой связки.

В основу реологической модели инструмента для тонкого алмазного шлифования положена модель Фойгта-Кельвина, состоящая из соединенных параллельно пружины и демпфера. Она выглядит как модель твердого тела, не имеющего остаточной деформации и восстанавливающего свою форму после снятия нагрузки.

Основой инструмента для полирования оптических поверхностей является слой смолы с внедренными в нее абразивными частицами определенной дисперсности.

В основу реологическрй модели инструмента для полирования положена модель Максвелла, которая представляет собой соединенные последовательно демпфер и пружину. В инструменте созданные напряжения релаксируюг во времени.

// // 0 & // # /у

—О 4

Рис. 4 Реологические модели инструментов для тонкого алмазного шлифования (а) и полирования (б)

оптических поверхностей. I - обрабатываемая деталь; £ - шлифовальный инструмент; 3 - полировальный инструмент; 4 -ное зерно; 5 - колебания зёрен в тангенциальных направлениях; б - колебания зёрен в нормальных направлениях; 7 - нормальные колебания алмазного инструмента;« - нормальные колебания полировального инструмента; 9 - вращение шпинделя с закрепленной обрабатываемой деталью; 10 - вращение

и колебания верхнего звена с инструментом; II - металлическая связка, удерживающая зёрна,

моделируется параллельно соединенными пружиной и демпфером ; 12 - полировальная смола, удерживающая зёрна, моделируется последовательно соединеными пружиной и демпфером .

Из хаотически расположенных абразивных зерен в связке инструмента мысленно выделены в тангенциальном и нормальном направлениях к поверхности обрабатываемой детали цепочки из абразивных зерен с чередующимися массами М| и М2 , находящимися примерно на одном и том же расстоянии друг друга и связанными между собой элементами с постоянными G , tj и £, £ , где G - модуль сдвига, г| - коэффициент вязкости, Е - модуль Юнга, С, - коэффициент объемной вязкости.

Даны уравнения движения масс цепочек в тангенциальном направлении. Для определения частот решено детерминантное уравнение. Установлено существование "акустических" и "оптических" ветвей соответственно для модуля сдвига G и коэффициента вязкости т| , которые при равенстве масс непрерывно переходят однн в другие.

Алмазный инструмент имеет максимальную и минимальную длину волн. Диапазон акустических частот, которые воздействуют на систему, могут возбуждать акустические колебания в условиях колебаний, близкими к резонансу.

Закон дисперсии для гармоничных колебаний цепочки частиц

кал л

sin- ;--£ к й -

2 а а

т* - эффективная масса; f* - константа эффективной жесткости. Откуда видно, что существует минимальная длина волны, где X« 2а; а = 2 мкм.

В этом случае максимально возможная частота равна «шах = Р / тф » 109 герц

Наличие максимального размера системы - диаметра алмазной таблетки D - определяет максимальную длину акустической предельной

волны, которую можно возбудить в алмазной таблетке Хщи -N=0 (О = б •Ю'мкм - число частиц).

При скоростях перемещения зерна 20 см/с инструмента характерная частота 20 см/с / 1 мкм = 105 герц, что говорит о необходимости конструирования алмазной таблетки с учетом шероховатых свойств обрабатываемой поверхности.

Взаимодействие алмазных зерен с поверхностью в процессе шлифования приводит к передаче энергии упругих колебаний через "жесткую" связку от одних алмазных зерен к другим возникновению между ними сложных колебаний.

При "жесткой" связке возникает вертикальная составляющая сил резания, так как вследствие достаточно высокой ее жесткости внедрение алмазных зерен в связку практически отсутствует, что сопровождается возникновением нормальных перемещений шлифовального инструмента. Наличие нормальных колебаний шлифовального инструмента приводит к потере как точности обработки детали, так и к увеличению ее шероховатости. Наличие вертикальных колебаний у шлифовального инструмента обуславливает возникновение падающей характеристики сил трения от скорости и возникновению автоколебаний.

Под воздействием сил трения вершины единичных абразивных зерен, колеблющиеся в тангенциальном и нормальном направлениях, описывают волнистые, микроскопические, ультрамикроскопические вибрационные поверхности. Взаимодействие в процессе резания вибрационной поверхности инструмента, образующейся в результате колебаний множества алмазных зерен, с вибрационной поверхностью обрабатываемой детали сопровождается взаимным износом инструмента и обрабатываемой детали, образованием поверхности определенной точности

формы и микрогеометрического профиля, который, как известно, можно подвергнуть гармоническому анализу, на основе общей теоремы Фурье.

В процессе полирования при наличии "мягкой" связки происходит внедрение алмазных зерен в полировальную смолу.

Колебания алмазных зерен в полировальнике, возникающие под влиянием ударных воздействий со стороны обрабатываемой поверхности, демпфируются полировальной смолой, что приводит к уменьшению амплитуды нормальных колебаний всего полировального инструмента. В результате точность формы и качество обрабатываемой поверхности повышаются.

Построена диаграмма изменения коэффициента трения при различных режимах работы инструмента. Первому режиму - полированию адсорбционио-абразивными материалами на воздухе и в вакууме - соответствует коэффициент трения ц = 1,25...4,7.Второму режиму - полированию - соответствует коэффициент трения ц = 1,0 . 2,0. При третьем режиме - шлифовании - коэффициент трения ц = 0,2...1,3; четвертому режиму - полированию при граничном трении с учетом сил прилипания - соответствует коэффициент трения равный 0,1...0,4. В пятом - гранично-гидродинамическом режиме трения - коэффициент трения ц = 0,4...0,6.

Изменение коэффициент трения в зависимости от режима характеризуется кривой, состоящей из левой - падающей - ветви для граничного трения и правой - возрастающей - ветви для жидкостной смазки. Между падающей и возрастающей ветвями располагается зона смешанного трения.

В режиме молекулярного граничного трения в процессе резания абразивными зернами поверхности обрабатываемой детали при наличии на ней адсорбированных вертикально ориентированных молекул сма-зочно-охлаждающей жидкости, соответствующему

падающей зависимости коэффициент трения от скорости и -< О,

колебания в системе происходят с увеличением амплитуд.

При резании в переходном гранично-гидродинамическом и при отсутствии резания в гидродинамическом режимах после перехода через критическую скорость ут/„, соответствующему минимальному коэффициенту трения, в область возрастания зависимости

. СЕСИЛЫ трения от скорости, где-> 0,колебания системы становятся

Лч

затухающими. При этом оптическая деталь при своем движении в процессе обработки встречает вязкостное сопротивление, пропорциональное относительной скорости инструмента и обрабатываемой детали.

Формирование шлифованной и полированной поверхностей и превращение первой во вторую при смешанном режиме трения сопровождается развитием процессов, характеризуемых антибатными функциональными зависимостями.

Осциллограммы составляющих сил полирования в нормальном и тангенциальном направлениях, полученные,с помощью тензометриче-ской методики, показывают изменение их характера от релаксоционных колебаний до синусоидальных. Так, нарастание силы трения в первую половину периода колебаний поводка и уменьшение силы трения во второй половине при соответственном уменьшении и увеличении относи-

тельной скорости вращения детали и инструмента с сохранением их движения в одном направлении можно объяснить изменением крутизны падающей зависимости коэффициента трения от скорости.

Из осциллограммы нормальной составляющей сил резания при шлифовании оптических деталей видно, что огибающая амплитуд колебаний сил резания стремится во времени к постоянному значению, что соответствует режиму автоколебаний с постоянной амплитудой. Уменьшение скорости движения инструмента приводит к тому, что амплитуда колебаний увеличивается, а приближение скорости к критической сопровождается уменьшением амплитуд и приводит к тому, что автоколебания становятся невозможными.

Амплитуды нормальных колебаний, возникающих при работе инструмента в процессах шлифования и полирования в результате ударных взаимодействий абразивных зерен инструмента с микрогеометрическим профилем обрабатываемой детали, существенным образом влияют на устойчивость движения инструмента и определяют крутизну падающей зависимости сил трения от скорости.

Анализ работы колебаний системы при различных режимах трения можно провести наиболее полно лишь с помощью моделирования и вычислительного эксперимента.

4. Разработка и исследование технологии и оборудования для алмазного точения прецизионных оптически! поверхностей

Точность формы оптической металлической детали должна обеспечить получение волнового фронта с отклонение от формы н-, более

Л /10 - X / 20, где X - длина волны СО^-лазера равна 10,6 мкм, что составляет 0,5-1,0 мкм.

Погрешность формы обрабатываемой детали определяется большим количеством факторов, из которых важнейшими являются точности вращения изделия, перемещения инструмента по заданной траектории и взаимного расположения узлов станка. Если учитывать эти факторы, а также погрешности от вибраций со стороны внешней среды, тепловые деформации, неравномерность снимаемого припуска, влияние дисбаланса заготовки и другие, то для обеспечения формы изделия с отклонением 0,5-1,0 мкм каждый из этих факторов должен вызывать на изделии погрешность не более 0,07-0,14 мкм. Это означает, что погрешность вращения шпинделя или стола станка, а также погрешность его направляющих должны быть в этих пределах. Если сравнить эти требования с требованиями к узлам прецизионных металлорежущих станков, применяемых в машиностроении, то требования к оборудованию для обработки зеркал на порядок выше требований к прецизионным металлорежущим станкам (координатно-расточным, шлифовальным и др.), где точности траектории инструмента и изделия составляют приблизительно 2 -3 мкм.

Это означает, что создание оборудования для алмазной обработки оптических элементов требует разработки новых конструкций узлов станков, прежде всего опор и направляющих, а также механизмов привода изделия и подачи инструмента.

Аналитический обзор по технологии алмазного точения за рубежом и в нашей стране дан в монографии автора [1].

На станке модель МА-78 с использованием аэростатических опор и направляющих для изготовления плоских и сферических поверхностей металлических оптических деталей 0 800 мм были проведены исследования и разработана технология обработки деталей из сплава АЛ-24П, обеспечивающая изготовление деталей с точностью 0,5 мкм на диаметре 100 мм и шероховатостью о = 250-400 Л.

Проведены эксперименты и выявлен ряд причин возникновения погрешностей формообразования оптических деталей. Измерены составляющие сил резания при алмазном точении.

Разработан экспериментальный стенд для алмазного точения асферических оптических металлических поверхностей диаметром до 300 мм с использованием аэростатических опор и направляющих и лазерной интерферометричсской системой позиционирования инструмента по двум координатам с управлением от ЭВМ "Электроника-60" (наибольшее перемещение инструмента 0,6 м со скоростью до 0,3 м/с н дис-кретой 0,08 мкм), разработанной Институтом автоматики и электрометрии СО АН СССР. Оснащение системы управляющей микро ЭВМ с набором программ позволяет осуществить перемещение инструмента по заданной траектории, что в сочетании с вращением изделия позволяет обработать на стенде плоские, сферические и асферические поверхности.

Подобраны режимы обработки зеркал из алюминиевого сплава АЛ24П, позволившие обрабатывать поверхности со среднеквадрэтическим отклонением профиля поверхности равным 0,25 мкм и шероховатостью поверхности = 0,1 мкм.

Станок для алмазного точения должен обеспечить перемещение инструмента относительно обрабатываемой детали по заданной траектории с высокой точностью.

Требования к инструменту следующие:

1. Инструмент должен иметь высокую размерную стойкость, обеспечиваемую минимальным износом режущей кромки.

2. Инструмент должен в процессе обработки сохранять режущие свойства, которые определяют силы резания, неизменными.

3. Острота режущей кромки должна позволять работать с глубиной резания от нескольких микрон до долей микрона.

4. Образование нароста на рабочий поверхности инструмента недопустимо.

Обработка плоских поверхностей производится алмазным резцом мод. ИР-227, криволинейных - резцом мод. ИР-292 соответственно, имеющих стойкость 100 и 300 км.

На режущей кромке не должно быть сколов и т.п. при 500-кратном увеличении.

При обработке зеркала диаметром 800 мм из АЛ24П с подачей Б = 0,02 мм/об длина спирали проходимой инструментом Ь составляет 25 км: Ь = я г2 / Б , где г - радиус обрабатываемой детали.

Зависимость шероховатости (высоты гребешков) Ло от величины

подачи Б = 0,02 мм/об и радиуса резца Я определяется по формуле:

2

и составляет 0,01 мкм, что на Практике фактически не удается достигнуть, по нашему мнению, в результате следующих причин:

1. Возникновения фрикционных автоколебаний, обусловленных зависимостью силы трения от скорости.

2. Образования нароста на режущей кромке алмазного резца и наличия частиц обрабатываемого материала на задней поверхности резца, обусловленных силами адгезиозного взаимодействия между наволакиваемым на поверхность резца обрабатываемым материалом и частицами его износа.

3. Наличия на режущей кромке алмазного резца царапин и сколов.

4. Снятия резанием особо тонких слоев материала (меньше 1 мкм), имеющих сдвиговые напряжения близкие к теоретическим, в результате возникновения в них минимального количества дислокаций, вызывающих пластическую деформацию, что сопровождается увеличением силы, воздействующей на алмазную кромку резца.

В целях изготавления прецизионных алмазных резцов с режущими кромкями, на которых отсутствуют микросколы при их контроле с 500-кратным увеличениеми более и получения поверхности обрабатываемой детали с шероховатостью R, = 0,02-0,05 мкм, разработана технология и станок для изготавления и восстановления резцов из монокристапов природного алмаза, в котором повышение точности достигается за счет применения аэростатических опор для шпинделя доводочного днсщ и аэростатических направляющих каретки о граночного приспособления.

Доводочный диск, поверхность которого шаржируется алмазными микропорошками различных фракций от 7/5 и менее, приводится во вращение встроенным в шпиндель асинхронным электродвигателем, частота которого регулируется в пределах 0-1500 об/мин при помощи транзисторного преобразователя частоты. Такой тип двигателя в сочетании с аэростатической опорой обеспечивает вращение шпинделя с осевым и радиальным биением менее 0,1 мкм.

Проведены металлографические исследования поверхностного слоя обработанных зеркал из медного сплава для оценки глубины искажения резцом приповерхностного слоя на координатно-расточном станке мод. 2Д-450. и на станке алмазного точения при последующем полировании поверхностей на станке мод. 4ПД-200.

Для выявления особенностей и оценки глубины нарушенного слоя образцы обрабатывались таким образом, что угол между оптической поверхностью и плоскостью детали образованной механической обработкой составлял 1,5° . Максимальная глубина сполированного слоя - 500 мкм. Далее полированная поверхность образца травилась в вакуумной установке ВУ-3-1 с ионной пушкой на глубину 0,1 мкм. Предложенная методика позволила проследить изменение структуры материала вызванной механической обработкой на глубинах до 500 мкм. Установлено, что следы резца наблюдаются после расточки на координатно-расточном станке на глубине 120 мкм, а зерна металла разрушены и искажены, причем степень их разрушения и ориентации определяется, насколько близко они находятся к режущей кромке резца. Следы резца после алмазного точения наблюдаются до глубины 80 мкм, а зерна металла искажены значительно меньше.

Исследования и отработка технологий алмазного точения проводились в термостатированных помещениях с системами вибро- и звукоизоляции.

5. Разработка технологий и оборудования для очистки и нанесения отражающих и защитных покрытий на оптические металлические поверхности нонно-лучевым методом.

Для повышения ресурса работы металлических зеркал, находящихся в реальных лазерных технологических установках необходимо улучшение эксплуатационных характеристик оптических покрытий таких, как адгезия покрытия покрытия к подложке, механическая прочность, лучевая стойкость и прочность:

Для удаления дефектного слоя глубиной 1,0 мкм с металлической поверхности зеркала, образовавшегося от предыдущих технологических операций, который характеризуется целым спектром загрязнений, являющихся очагами концентрации лазерного излучения, производилось ионно-лучевое полирование поверхности.

Оптические покрытия наносились на установке ВУ-3-2, базирующейся на установке ВУ-1, снабженной ионной пушкой. Ионная пушка работает цри давлении рабочего газа в вакуумной камере 1,0 -10"4 - 5,0 • 10'5 мм рт.ст. Диаметр ионного пучка 100 мм, ток ионного пучка до 100 мА и энергия ионв до 10 кэв.

Обработка вращающихся деталей производилась широким, скользящим вдоль поверхности под углом 10-15" и сканирующим в пределах ±25°, ионным лучом. Диаметр обрабатываемой детали до 500 мм.

Нанесение покрытий производилось резистивным или электроннолучевым методом.

Наносились следующие покрытия: Сг - Си - БЮ, Си - БЮ, БЮ. Хром, медь и моноокись кремния применялись соответственно для по-

вышения адгезии покрытия к подложке, увеличения коэффициента отражения зеркала и защиты от механических повреждений и коррозии.

На основе проведенных исследований по химической очистке медных поверхностей от органических и неорганических соединений и котролю их качества методом эллипсометрии удалось подобрать оптимальные моющие растворы такие, как трихлорэтиленбензол и изопропи-ловый спирт.

Измерения проводились эллипсометром ЛЭФ-ЗМ, который позволяет определять поляризационные углы с точностью ± 2' для 4' и ±3' для А.

Исследовали образцы, поверхность которых была очищена химическим способом с применением поверхностно-активных веществ и азеогропных смесей на основе фреона-113. Конечным этапом очистки являлась промывка при температуре 20° С этанолом марки ос.ч., который, адсорбируясь на поверхности, предохраняет ее от окисления.

Для обработанной по такой методике поверхности образца по значениям поляризационных углов и были рассчитаны эффективный показатель преломления п и коэффициент поглощения к (п = п + / к, где п - комплексный показатель преломления). При температуре образца 20° С было получено: и = 0,222 ± 0,003 ; к = 2,430 ± 0,003.

Расчет проводили на ЭВМ М-4030, за основу была взята программа ОРТ1М.

Даны результаты численных расчетов зависимости эффективного показателя преломления и коэффициента поглощения от температуры образца.

При повышении температуры от 55° С до 100° С на поверхности образца конкурируют два процесса: термодесорбцня этанола с поверхности образца, сопровождающаяся уменьшением толщины его пленки, и абсорбцией атмосферного воздуха, в том числе кислорода, в приповерхностный слой, сопровождающейся ростом окисной пленки.

6. Исследование возможностей повышения эффективности

оборудования и технологических процессов для получения оптических поверхностей путем наложения ультразвуковых колебаний

Исследование возможностей повышения эффективности оборудования и технологических процессов для получети оптических поверхностей путем наложения ультразвуковых колебаний представляет собой научный и практический интерес благодаря существенному влиянию колебаний на силу трения, что позволяет повысить точность останова Ползуна и плавность его перемещения.

С этой целью была разработана экспериментальная установка для исследования затухающих колебаний маятника на опоре с ультразвуковым вращающимся полем применительно к подшипникам скольжения. На поверхности стержня возбуждаются упругие поверхностные волны Рэлея с. частотой {=66 кГц. Период колебаний маятника Т = 0,3 с. В результате экспериментов установлено существенное уменьшение логарифмического декремента затухания маятника на опоре с ультразвуковым вращающимися полем при граничном трении и трении без смазоч-

кого материала и периодическое изменение амплитуд колебаний маятника. Эксперимекш проведены для целого ряда смазок.

Для исследования влияния ультразвуковых колебаний на трение качения шара по наклонной плоскости модернизирован маятник А.С Ахматова. Наклонная плоскость представляет собой пьезокварц с пленочными электродами встречно-штыревого типа, жестко связанными с его поверхностью, на которой возбуждаются акустические поверхностные волны Рэлея с частотой й = 16 МГц, длиной волны X. = 200 мкм и амплитудой гофра 50 А.

Возбуждение ультразвуковых колебаний на поверхности пьезокварца, по которой катится шар, приводит к увеличению логарифмического декремента затухания как при отсутствии, так и при наличии граничной смазки на поверхности подложки.

Наличие граничной пленки олеиновой кислоты на поверхности пьезокварца приводит к экранированию ультразвуковых колебаний за счет вязкости тонкой смазочной пленки и к увеличению диссипации энергии в процессе качения по сравнению со случаем качения при отсутствии граничной смазочной пленки.

7. Исследования н разработка методов контроля качества '

полированных поверхностей, получаемых при различных технологических процессах

Большой практический и научный интерес представляет измерение шероховатости полированных металлических поверхностей, поскольку в совокупности со структурными свойствами поверхностных слоев, она определяет процесс изнашивания и силу трения при относи-

тельном движении твердых тел. В то же время шероховатость поверхности определяет характер взаимодействия света с веществом. Особый интерес представляют поверхности с ЪЬОу

шероховатостью по ГОСТ 2789-73 и выше.

Стандартные приборы, предназначенные для измерения указанной шероховатости, профилограф-профилометр завода "Калибр" и интерферометр Линника - не обеспечивают выполнение поставленной задачи. Измерение шероховатости поверхности одних и тех же полированных образцов (см. таблицу 2) проводились на рефлектометре, основанном на измерении коэффициента зеркального отражения света статистически неровной поверхностью, на установке интегрального светорассеяния, построенной по принципу измерения мощности рассеянного света, и с помощью интерферометра Линника с лазерным источником излучения и был дан анализ ошибок измерения шероховатости.

Таблица 2

Шероховатости образцов, измеренная разными приборами

Номер образца Установка интегрального све-го рассеяния Рефлектометр Рефлектометр *) МИИ-4 лазером,

(Rz.A) Rb,A (RZ,A) ЯгД

1 150±10 1б0±10 (800±50) 170±20

2 270±15 19S±5 (970*25) 210±20

3 170±10 140±10 (700±50) 200±20

4 , 210±10 80115 (400±75) 125110 (620150) 230±20

5 220±10 80±15 (400±75) 100±15 (500175) 260±25

б 170±10 80±15 (400±75) 90±15 (450±75) 250125

7 500±25 20150 (1001250) 2СН-50 (1001250) 300±25

8 280±15 190±5 (950±25) 350±25

9 240±5 (120012S) 27015 (350125) 275125

32 250±15 80115 (400±75) 280±25

*) Измерения были проведены спустя месяц

При измерении шероховатости поверхности рефлектометром установлена ограниченность его применения к измерению сверхгладких поверхностей.

Показано, «гго ошибка измерения шероховатости поверхности зависит обратно пропорционально размерам самой шероховатости, т.е. чем глаже поверхность, тем больше ошибка в точности измерения шероховатости. Рекомендуется предварительное проведение измерения коэффициента отражения материала с необходимой точностью, что обусловлено влиянием технологии изготовления поверхности на ее оптические свойства.

Измерение шероховатости методом интегрального светорассеяния показали, что данный метод наиболее перспективен для измерения гладких и. сверхгладких поверхностей, так как ошибка измерения шероховатости прямо пропорциональна самой шероховатости.

В результате экспериментов проведенных с помощью эллипсомет-ра ЛЭФ-ЗМ с рабочей длиной волны 0,63 мкм и углом падения света 9 =• 65° определены эллипсометрические углы у и А, полученные в процессе разработки технологии полирования медной поверхности по мере уменьшения размеров фракций алмазных микропорошков от 5/3 до 1/0 мкм и продолжительности полирования, а также зависимость ц/ от угла падения света (р. Было установлено, что на начальных стадиях полирования поверхность образца весьма неоднородна и результаты измерения углов 1|( и А в различных точках на поверхности образца существенно различные и разброс по у составляет 1° , а по А - 3° для начальных стадий обработки. На последней стадии обработки с улучшением ее качест-

ва увеличивается ее однородность и разброс по = 3' и по Д = 8' при точности измерения углов Г.

Дан теоретический расчет для двух значений комплексного показателя преломления : N = 0,67 - / 2,47 и N = 0,21 - / 3,31; первое значение получено подбором, а второе является средним из соответствующий области измерения поверхности. Сравнение теоретической и экспериментальных кривых показывает, что реальная поверхность в начале полирования значительно отличается от идеально гладкой, в конце полирования теоретическая кривая достаточно близка к реальной (рис.5).

Получены также оптические константы пик как функции угла падения света для двух образцов на начальной и конечной стадиях полирования, которые являются кажущимися оптическими константами, поскольку они вычислены из экспериментальных значений и по формулам Фурье при условии замены реальной поверхности на идеальную, т.е. без учета неровностей и наличия каких-либо пленок на поверхности.

Для идеальной поверхности п и к не зависят от угла падения <р и описываются двумя прямыми горизонтальными линиями. В процессе полирования действительная часть комплексного показателя преломления уменьшается в 2 раза, а мнимая возрастает на 25 %. При этом зависимость пк к сохраняется от угла падения 9, что свидетельствует о недостижении обрабатываемой поверхности состояния идеальной, хотя и кажущиеся оптические константы вплотную приблизились к области ис-' тинных значений (рис.6). Подобные отклонения кажущихся значений п и к могут быть вызваны при измерении углов *|/ и Л погрешностями, вносимыми дифракцией и переотражением света на микрорельефе шероховатой поверхности после первых стадий полирования.

Рио. 5 ^ Зааиоимооть Ц? ох угла падения овета ^ . , Номера кривых 1-8 соответствуют различным стадиям обработки. Ди 7,8 и 10 увеличен иаоштай по С ; 9 и 10 раосчатаня для //- 0,€7~ ¿'2,47 ; ¿'33/. ооответотвеннэ.

055

0,50

2'

* ■ ■ _I_I_I_I_1

50

60 70 80 90°

3.2

2.*

¿4

2'

I. I_' '

л_I.

50 60 70 ВО 90' Ч

Рио. 6 Кажущиеоя оптически» яоаотааты поверхности двух образцов в начале (1,2) и

в конде полировки (Г,2') как функции угла падения овета .

I

Для практических целей достаточно без вычислений значений констант сравнить значения измеренных поляризационных углов ц/ и Д с соответствующими значениями, характеризующими идеальную поверхность, и на основе результатов сравнения решить вопрос о целесообразности продолжения процесса полирования.

Проведены измерения рефлектометром среднеквадратичной шероховатости поверхности из молибдена по изменению интенсивности отраженного от поверхности излучения. Шероховатости полированных

а

образцов из молибдена были следующие: с = 260, 150, 125, 80 А. Измерения поляризационных углов ц/ и Д отраженногочсвета от поверхностей с указанной шероховатостью в зависимости от угла падения были выполнены с помощью эллипсометра ЛЭФ-ЗМ (рис.7). Влияние шероховатости на величину поляризационного угла Д проявляется в увеличении Д при уменьшении шероховатости: более гладким поверхностям отвечает больший сдвиг фазы отраженного света. Для поляризационного угла ц* зависимость более сложная. Представляет интерес экстраполяция линейной зависимости поляризационных углов от квадрата шероховатости в сторону меньших неровностей, до пересечения с осью ординат, что соответствовало бы шероховатости о = 0, или абсолютно гладкой поверхности (рис,8).

Полученные таким способом значения показателя преломления л т 4,05 и коэффициента поглощения к = 4,1 могут служить хорошим критерием эффективности технологического процесса.

Установлено, что у металлических поверхностей при рефлекто-метрических измерениях оптические свойства зависят и от плотности

Рис. 7 Зависимость поляризационных углов от угла падения излучения для образцов о различной шероховатостью поверхности: I- 6 ~ 260 А; 2 - 150; 3 - 125; 4 - dO;

5-0 (теоретические значения).

ч»,

град

-т

•60

ко-

3020-

Ю

_2_ Т

6 бг,Шк

Рио. 8 Завиоимооть поляризационных углов от квадрата

шероховатости поверхности для трех углов падения : I -50' ; 2 - 6$ З-- 8СГ.

А,%

4

з

200

_1__I_1_' , г О

ш воо т /ооо бг/\

Рис. 9 Зависимость коэффициента поглощения от

шероховатости поверхности медного образца.

51

мелких фракций абразива, внедрившегося в поверхностный слой, что может привести к значительным погрешностям при определении а.

Проведены исследования калориметрическим методом и установлена параболическая зависимость между поглощательной способностью металла и среднеквадратической шероховатостью оптической поверхности на различных этапах ее изготовления. Минимальное значение поглощательной способности соответствует среднеквадратичной шерохо-

о

ватости в 200 А, полученной в результате обработки микропорошками фракции 7/5 мкм. Дальнейшее уменьшение шероховатости поверхности приводит к увеличению коэффициента поглощения и ухудшения качества приповерхностного отражающего слоя (рис,9).

Оже - электронный микроанализ приповерхностного слоя показал на шаржирование его в процессе полирования алмазными порошками фракций 2/1 и 1/0 мкм.

ВЫВОДЫ

1. В представленной диссертации в виде научного доклада решена актуальная научная проблема установления связей в технологических процессах изготовления прецизионных оптических поверхностей из стекла и металла, позволившая разработать структуру и комплекс технологий изготовления металлических зеркал и оптических деталей из стекла для лазерных технологических установок и приборов различного назначения, включающих шлифование, полирование, алмазное точение, ионно-лучевую очистку и нанесение отражающих и защитных покрытий, метрологический контроль, обеспечивающих высокую производитель-

ность и качество поверхности, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

2. Разработана концепция создания научно-методологических основ проектирования технологических процессов и оборудования для достижения особо высокой Точности формы и качества поверхности из металла и стекла.

3. Разработаны реологические модели инструментов для тонкого алмазного шлифования и полирования, образующие колебательные системы с обрабатываемой поверхностью, использование которых обеспечивает в результате физико-химических и механических процессов в зоне обработки высокую точность формы и качество обработанной поверхности.

4. Исследована природа механизма абразивного разрушения поверхности при склерометрическом моделировании тонкого алмазного шлифования и установлены экспериментальные зависимости интенсивности съема стекол, шероховатости шлифованных поверхностей и относительного износа инструмента с различной зернистостью алмазного порошка от молекулярной массы высокомолекулярных полимеров и их концентрации.

5. Экспериментально обнаружен эффект гидродинамического всплытия инструмента в процессе полирования; исследованы закономерности деформирования полировальных смол, установлено существование у них предельного слоя практически недеформируемого во времени, что позволило обеспечить однородность полировальных плиток по заданной величине ползучести и высокое качество обработки крупногабаритных оптических деталей из ситалла.

6. На основе экспериментальных исследований доказано, что адгезионная теория треиия применима не только статическому трению, но и к кинетическому.

7. Установлено уменьшение логарифмического декремента затухания маятника при наличии на опоре ультразвукового вращающегося поля при граничной смазке и без нее в процессе трения скольжения и увеличение - при трении качения.

8. Разработаны эллипсометрические методы, оценки качества полированной поверхности из меди и молибдена, основанные:

- на сравнении кажущихся и истинных значений оптических констант (показатель преломления и коэффициент поглощения) в зависимости от угла падения луча света в начале и в конце полирования;

- - на экстраполяции линейной зависимости поляризационных углов от квадрата среднеквадратической поверхности, что соответствует идеально гладкой поверхности, а поляризационные углы - ее истинным значениям.

9. Установлена предельная фракция алмазного микопорошка применяемая в процессе полирования поверхности металлического зеркала из циркониевой бронзы, после обработки которой использование более мелких фракций нецелесообразно, вследствии ухудшения оптически^ свойств поверхности в результате шаржирования.

10. На основании разработанных технологических процессов, оборудования и материалов организованы производства металлических зеркал, оборудования и смазочно-охлаждающей жидкости.

П. Научное обоснование технологических процессов, обеспечивающих новые технические решения, изложено в монографии

Ю.В.Ашкерова "Технология: прецизионные поверхности,- М.: НИИВО, 1999-280 с.

Основные положения работы изложены в следующих публикациях:

1. Ашкеров Ю.В. Технология: прецизионные поверхности.- М.: НИИВО, 1999,- 280 с.

2. Ашкеров Ю.В., Ахматов A.C. Исследование кинетической адгезии // В сб.: "О природе трения твердых тел".- Минск: Наука и техника, 1971.

3. Ашкеров Ю.В. Исследование следов резания при работе единичным алмазным зерном // Оптико-механическая промышленность.-1976,-N9-С. 68-69.

4. Ашкеров Ю.В. Измерение составляющих сил трения на станке ЗШП-350 // Оптико-механическая промышленность.- 1976 - К 9.- С. 7172.

5. Ашкеров Ю.В., Шевелев В.И. Измерение всплытия полировальника относительно стеклянной детали // Опппсо-механическая промышленность,- 1974,- N 5,- С. 48-51.

6. Ашкеров Ю.В., Шевелев В.И. Измерение размера алмазных частиц// Синтетические алмазы,- 1975,-N 5,-С. 13-15.

7. Ашкеров Ю.В. О силах прилипания и грения между полировальником и стеклянной деталью в движении // Оптико-механическая промышленность.- 1975,-N 1.-С. 35-38.

8. Ашкеров Ю.В. Измерение сил трения, прилипания и толщины зазора между полировальником и стеклянной деталью в движении. /

Труды всесоюзной конференции "Трение, износ, смазка".- Ташкент, 1976. С.80-81.

9. Ашкеров Ю.В. Роль сил трения в процессах шлифования и полирования оптических деталей на станках, работающих по методу притира И Оптический журнал.- 1992,- N4.-0.66-70.

10. Ашкеров Ю.В., Минаев А.И., Владзиевский Ю.А. Станок для предварительного алмазного точения сферических оптических поверхностей II Оптико-механическая промышленность,- 1987,- N 8,- С. 31-33.

11. Ашкеров Ю.В., Минаев А.И. Стенд для алмазного точения асферических оптических поверхностей // Оптико-механическая промышленность." 1988,- N 5,-С. 59-60.

12. Ашкеров Ю.В., Бунин И.Г., Строков А.Н. Очистка и нанесение отражающих и защитных покрытий на металлические зеркала на ионно-лучевой установке ВУ-3-2./ Тезисы семинара "Ионная обработка оптических материалов и создание высокоточных оптических элементов"- М.: ЦНИИТЭИ, 1983.

13. Ржанов А.В., Свиташева С.Н., Ашкеров Ю.В, и др. Эллипсо-метрический метод определения качества обработки поверхности // Доклады АН СССР,-1982,-N 2,-С. 373-377.

14. Ашкеров Ю.В., Заикин Ю.В., Папаев А.Ю. Исследование качества поверхности при абразивной обработке молибдена методом эллип-сометрии // Тренне и износ.- 1984,- N 3, том V,- С. 474-480.

15. Ашкеров Ю.В., Заикин Ю.В., Папаев А.Ю. О некоторых особенностях измерения шероховатости полированных металлических поверхностей // Трение и износ,- 1984,- N 4, том V,- С. 651-657.

16. Ашкеров Ю.В., Заикин Ю.В., Палаев А.Ю., Лохов Ю.Н. О по-глощателыгай способности шероховатой поверхности металлов./ Труды VI всесоюзной конференции по нерезонансяому взаимодействию излучения с веществом",- Паланга, 1984.

17. Ашкеров Ю.В. Исследование затухающих колебаний маятника на ультразвуковой опоре при граничном трении II Трение и износ. -1980,- N 3, том I.- С. 521-524.

18. Ашкеров Ю.В. Исследование влияния ультразвуковых колебаний на трение качения // Трение и износ,- 1982,- N 2, том Ш.- С. 234-240.

19. Ашкеров Ю.В., Альтшуллер В.М., Коровкин В.П., Репкин М.В. Исследование сил трения при склерометрическом моделировании шлифования оптических материалов // Оптико-механическая промышленность,- 1983,-N 12.- С. 24-26.

20. Ашкеров Ю.В., Фетисова Е.М., Коровкин В.П., Альтшуллер В.М. Моделирование абразивного разрушения поверхности оптических стекол при тонком алмазном шлифовании // Оптико-механическая промышленность,- 1985.- N 8,- С. 40-42.

21. Ашкеров Ю.В:, Альтшуллер В.М, Буткова Л.В., Быков М.В., Коровкин В.П. Влияние некоторых факторов на процесс микрорезания оптического стекла // Сверхтвердые материалы,-1980,- N 3.- С. 47-52.

22. Ашкеров Ю.В., Быков М.В., Релхин М.В. Приставка для изучения следов резания в растровом электронном микроскопе // Оптико-механическая промышленность,- 1988-N 1,- С. 48-50.

23. Коровкин В.П., Альтшуллер В.М., Ашкеров Ю.В. Применение нового состава СОЖ, способствующего повышению эффективности тон-

кого алмазного шлифования оптического стекла // Оптико-механическая промышленность.- 1985,- N 12,- С. 20-22.

24. A.c. 1074895 (СССР). Смазочно-охлаждающая жидкость для алмазной обработки оптического стекла / Ашкеров Ю.В., Коровкин В.П., Гимбицкий П.А., Альтшуллер В.М. - Опубл. 1984, Б.И.- N 7.

25. Ашкеров Ю.В., Альтшуллер В.М., Гимбицкий П.А., Коровкин В. П. Применение высокомолекулярных поверхностно-активных полимеров в качестве СОЖ для алмазного шлифования оптического стекла. / Труды всесоюзной конференции по ПАВ.- Волгодонск, 1984. С.354.

26. A.c. 1247417 (СССР). Смазочно-охлаждающая жидкость для алмазной обработки оптического стекла / Ашкеров Ю.В., Коровкин В.П., Жихарев A.A., Гимбицкий П.А., Альтшуллер В.М. - Опубл. 1986, Б.И.- N 28.

27. Альтшуллер В.М., Ашкеров Ю.В., Коровкин В.П. Роль смазоч-но-охлаждающей жидкости в процессе тонкого алмазного шлифования оптического стекла// Оптико-механическая промышленность. - 1983,- N 8,-С. 38-41.

28. Ашкеров Ю.В. Исследование сил трения при полировке в вакууме // Оптико-механическая промышленность.- 1979,- N 3.- С; 57-58.

29. Ашкеров Ю.В., Минаев А.И., Григорчук Ю.А. Погрешности формообразования прецизионных деталей при алмазном точении // Оптико-механическая промышленность.- 1985.- N 2.- С. 40-43.

30: Ашкеров Ю.В., Минаев А.И., Гречишников В.Е., Иоффе М.М. Станок для изготовления и восстановления алмазных резцов // Оптико-механическая промышленность.- 1987,- N 7,- С. 58.

31. A.c. 1502204 (СССР). Стол прецизионного карусельного станка / Ашкеров Ю.В., Владзиевский Ю.А., Минаев А.И. / - Опубл. 23.08.1989. Б.И.-N31.

32. Ашкеров Ю.В. Осадчев J1.A. и другие. Методы очистки металлических диэлектрических и полупроводниковых поверхностей (Аналитический обзор).- М.:ЦНИИИТЭИ, 1980,- 90 с.

33. Ашкеров Ю.В., Тищенко A.A., Ефремов Е.А., Осадчев JI.A. и др. Эллипсометрнческое исследование окисления медной поверхности при десорбции этанола // Поверхность - 1982.- N 11С. 137-139.

34. Ашкеров Ю.В., Ефремов Е.А., Тищенко A.A. и др. Очистка алюминиевых поверхностей,- М.:ЦНИИИТЭИ, 1984,- 40 с.

35. Ашкеров Ю.В., Голубев B.C., Лохов Ю.Н. Влияние неоднородности оптических свойств поверхности металла на показания рефлектометра// Огпико-механическая промышленность,-1983.- N 3.- С. 8-10.

36. Ашкеров Ю.В., Заикин Ю.В., Богданов A.B. Поглощательная способность шероховатой поверхности металла // Оптико-механическая промышленность,- 1988.-N5,-С. 61-62.

37. Заикин Ю.В., Ашкеров Ю.В. Совершенствование технологии изготовления металлических зеркал // Оптико-механическая промышленность,- 1990,- N 2,- С. 28,36.

38. Ашкеров Ю.В. Прибор для одновременного измерения силы кинетического граничного трения и адгезии // Оптико-механическая промышленность.- 1972,-N9.-C.68.

39. Ашкеров Ю.В., Альтшуллер В.М., Коровкин В.П. Влияние среды на процесс поверхностного разрушения и параметры тонкого ал-

мазного шлифования оптического стекла // В сб."Алмазный инструмент для обработки оптического стекла" • М.: ЦНИИТЭИ, 1980,

40. Ашкеров Ю.В., Альтшуллер В.М., Соколов А.Д., Каспарова Е.П., Харьков Н.Е. Механическая обработка заготовок медных зеркал алмазным инструментом Н Производственно-технический бюллетень.-1980.-N11.

41. Ашкеров Ю.В., Альтшуллер В.М., Коровкин В.П. Влияние СОЖ на характер разрушения и параметры алмазного шлифования оптического стекла//Производственно-технический бюллетень,-1981 .-N 4.

42. Ашкеров Ю.В., Жужнева А.П., Маслов В.П., Дворский A.A. Смазка для алмазного точения. Авторское свидетельство N 972845.

43. Ашкеров Ю.В., Глухов Ю.А., Засосов В.А., Гузман В.Е. Масса для изготовления алмазного инструмента. Авторское свидетельство N

44. Ашкеров Ю.В., Заикин Ю.В., Балакин Э.И., Папаев А.Ю. Спецтема // Квантовая электроника,- 1986,- N 26,- С.3-5.

45. Ашкеров Ю.В., Заикин Ю.В., Балакин Э.И., Папаев А.Ю. Спецтема // Квантовая электроника,- 1986,- N 26,- С.5-9.

46. Ашкеров Ю.В., Лохов Ю.Н., Москалев И.В. Аналитическая модель михрошлифования диэлектриков с ионным типом связи инструментом с поверхностно-шаржированным слоем абразива. Тезисы докладов И-го международного симпозиума по трибофатике,- М7,1996.

1227441.

/