автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности финишной обработки металлических зеркал

На правах рукописи

Рубан Игорь Викторович

Повышение эффективности финишной обработки металлических зеркал

Специальность 05.02.08 - "Технология машиностроения"

Автореферат ^ д Мдр щ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2015г. 005560790

005560790

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский Государственный Открытый Университет им. B.C. Черномырдина.

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, профессор Ковшов Анатолий Николаевич

доктор технических наук, профессор Батышев Константин Александрович

доктор технических наук, профессор Султан-Заде Назим Музафарович Московский Государственный Индустриальный Университет

кандидат технических наук, доцент Свириденко Данила Сергеевич ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов». Зам. начальника отдела №650

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ)

Защита диссертации состоится "7" апреля 2015г в 12.00 на заседании диссертационного совета Д217.042.02 при ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4. Тел/факс: (495) 675-83-05; E-mail: dnklauch@cniitmash/ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4. и на сайте цниитмаш.рф

Отзывы на автореферат в 2s экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации), просим направлять в диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан "27" февраля 2015г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Д.Н. Клауч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важнейшей задачей при конструировании систем приема и обработки оптической информации, включающих в себя узлы линзовой и зеркальной оптики, является обеспечение стабильности принимаемого сигнала в заданном диапазоне спектра. Решить эту проблему эффективно возможно применяя металлические зеркала, пришедшие на смену зеркалам из специального стекла. Они позволяют существенно снизить весовые характеристики, повысить прочность, а также перейти к производству сложных геометрических форм рабочих поверхностей. При этом уровень требований, предъявляемых к качеству металлических зеркал, должен соответствовать лучшим мировым образцам.

Качество зеркал в значительной степени определяется эксплуатационными свойствами поверхностей, которые проявляются в одновременном обеспечении следующих технологических параметров: высокая отражательная способность (Ив > 99%), минимальная высота шероховатости поверхности (Кг < 0.025 мкм), минимальное отклонение от плоскостности формы (менее 0.25 мкм на диаметре 100мм). Эти параметры зеркал в значительной мере определяются технологическими возможностями их производства.

Однако, параметры современных металлических зеркал не соответствуют требованиям, предъявляемым к их рабочим поверхностям. Одной из причин отставания являются традиционные ограничения при разработке технологических процессов, ориентированные на достижение минимальных параметров шероховатости поверхности без учета физических особенностей взаимодействия электромагнитных волн различной длины с этими поверхностями.

Другой причиной, сдерживающей получение металлических поверхностей с улучшенными оптическими свойствами, является недостаточное научное обоснование приемов формирования этих свойств в процессе обработки путем последовательного создания требуемых характеристик поверхностного слоя на протяжении всего технологического цикла обработки.

В связи с этим экспериментальные исследования, направленные на дальнейшее совершенствование технологии получения рабочих поверхностей металлических зеркал с улучшенными эксплуатационными свойствами, являются актуальными как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Исследования, составляющие содержание диссертации, выполнялись в лабораторных и производственных условиях МГОУ, МВТУ им. Н.Э. Баумана, П.Ф. НАТИ.

Цель работы. Цель работы состоит в повышении эффективности финишной обработки металлических зеркал в условиях серийного производства путём разработки и исследования методов доводки и полирования металлических поверхностей незакреплённым абразивом на основе оптимизации процесса обработки.

Для достижения этой цели необходимо:

1. Разработать методику оценки состояния поверхностного слоя зеркал. Выявить и исследовать влияние параметров поверхностного слоя на отражательную способность зеркала.

2. Установить влияние технологических факторов на состояние поверхностного слоя, а также исследовать причинную связь между отражательной способностью и параметрами технологического процесса обработки;

3. Разработать математическую модель состояния обработанной поверхности, учитывающую свойства поверхностного слоя;

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования базируются на научных основах технологии машиностроении, теории резания металлов, физическом и математическом моделирование процесса финишной обработки. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на действующем технологическом оборудовании.

Для исследования состояния поверхностного слоя доведённых и полированных поверхностей зеркал применялись металлографические, рентгеновские и другие методы. Использовалось математическое планирование экспериментов и вероятностно-статистичечкие методы обработки результатов экспериментов.

Научная новизна заключается в следующем:

1) На основе системного подхода предложен и экспериментально подтвержден механизм управления формированием оптических свойств металлических поверхностей, основанный на создании требуемых физико-химических свойств поверхностного слоя в процессе финишной обработки.

2) Разработана методика расчета количества съёма металла с учетом его физико-химических свойств в зависимости от факторов процесса доводки и полирования поверхности зеркала.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие новые научные положения, предложенные и разработанные лично автором:

1. Технологические основы формирования поверхностного слоя лазерных отражателей при механической обработке с получением заданных физико-механических свойств зеркальных поверхностей.

2. Методика и математические модели для оценки качества обработанной поверхности металлических зеркал.

3. Методика расчета на ЭВМ рациональных условий обработки и рекомендации по назначению режимов резания.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и

разработанные на их основе новые способы и средства технологического

обеспечения стабильного процесса абразивной доводки высокоточных деталей лазеров.

5. Технологический процесс, основанный на использовании новых полирующих суспензий и инструментов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена корректностью физико-математической постановки задачи, применением математических методов, подтверждена результатами многочисленных экспериментов, сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными.

Практическая ценность. Разработаны методики и математическая модель для расчёта главной характеристики отражающей поверхности-отражательной способности (Ия, %), определены рациональные условия обработки. Разработан алгоритм проектирования технологического процесса обработки металлических зеркал с улучшенными эксплуатационными свойствами. Установлены рациональные режимы резания при алмазном точении меди, обеспечивающие получение поверхностей с заданными физико-химическими свойствами поверхностного слоя.

Разработаны новые способы обработки, составы полировальных суспензий и инструменты, реализующие стабильное технологическое обеспечение процесса финишной абразивной обработки и качество высокоточных деталей для лазеров.

Реализация результатов работы. Результаты работы были использованы при разработке новых и совершенствовании существующих технологических процессов, что позволило снизить затраты на обработку, улучшить оптические свойства рабочих поверхностей зеркал.

Разработанный технологический процесс финишной абразивной обработки прецизионных деталей рекомендован для использования на предприятиях станкоинструментальной промышленности, электронной промышленности, авиационной промышленности и в других отраслях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- региональной научно-технической конференции «Повышение качества и производительности обработки деталей машин и приборов», Горький, 1990г.

- региональной научно-технической конференции «Алмазная обработка оптических деталей», Харьков, 1989г.

- областной научно-технической конференции «Обработка прецизионных оптических деталей» Днепропетровск, 1991г.

- третьей международной научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы», Москва,2011г.

Публикации По материалам диссертации опубликована 21 работа, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Основная часть изложена на 176 печатных страницах, содержит 37 рисунков и графиков, 19 таблиц, список использованных литературных источников включает 57 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса по обеспечению основных требований при изготовлении зеркал для лазеров. Сформулированы требования, предъявляемые к металлическим зеркалам, к качеству отражающей поверхности, которая характеризуется высокой отражательной способностью зеркальной поверхности при заданных параметрах шероховатости Rz.

Большой вклад в исследование проблем, возникающих при финишной абразивной обработке, внесли М.Н. Семибратов, П.Н. Орлов, JI.C. Цеснек, X. Лихтенберг, Е. Фишер, Рубан В.М. и др. Свойства формируемой при полировании поверхности изучались с целью создания технологических условий для получения требуемых показателей качества поверхностей зеркал.

Приведены результаты анализа особенностей процесса абразивной доводки, изложенные в работах A.B. Шубникова, Бельби, 3. Рабиновича, П.А. Ребиндера, П.П. Панасова, Н. И. Богомолова и др. Установлена общность природы процессов абразивной доводки и полирования при формообразовании как макрогеометрии поверхности, так и свойств поверхностного слоя. Это позволило выработать общий подход к проектированию операций технологического процесса доводки или полирования, а именно: автором рекомендуется проводить механическую обработку зеркал за две операции: предварительное алмазное точение и дальнейшее полирование незакрепленными абразивными зернами. Определено количество технологических переходов обработки, рассчитаны и назначены режимы и условия обработки, использованы необходимые суспензии и полировальники, разработанные автором.

Вторая глава содержит описание методики проведения экспериментальных исследований, используемых приборов и оборудования.

Определены основные критерии оценки оптических свойств поверхностного слоя: отражательная способность Rs, %; контактная разность потенциалов КРП, мВ; параметр шероховатости поверхности Rz, мкм.

Предварительную обработку поверхности проводили на фрезерном станке мод. АРБЭ24.

Окончательную обработку осуществляли на полировально-доводочных станках мод. ПД-200, ПД-320.

В качестве абразива применяли алмазные микропорошки зернистостью АСМ 5/3, АСМ 1/0 по ГОСТ 9206 - 80, модифицированные по методике, разработанной автором, (ультразвуковая овализация алмазных зерен при химическом обогащении с последующей классификацией методом центрифугирования), а в качестве СОЖ применяли денатурированный спирт.

Режущую способность абразивной суспензии определяли по количеству материала Q,г/мин. снятого с единицы площади поверхности образца см3/см2 за определенный промежуток времени.

Отражательную способность зеркал контролировали на специальном стенде методом многократного отражения на длине волны Х.=10.6 мкм.

Параметры шероховатости поверхности опытных образцов оценивали с помощью профилографов-профилометров мод.201,252. Критерием оценки шероховатости поверхности являлся параметр Rz. Погрешность определения параметра шероховатости Rz не превышала ±10%.

Отклонение от плоскостности поверхности в процессе обработки периодически контролировали плоскопараллельными стеклянными пластинами диаметром 80-120 мм (ГОСТ4.449 - 86), а так же на интерферометре мод. ИТ100 по количеству интерференционных колец и их искривлению.

Состояние поверхностного слоя после различных видов обработки определяли методами рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов.

Микротвёрдость определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке на алмазную пирамиду Р = 0.5 Н.

В третьей главе приводятся результаты разработки технологических основ формирования оптических свойств металлических поверхностей при различных видах финишной обработки резанием. Установлены критерии оценки состояния и физико-химических свойств поверхностного слоя детали после механической обработки. В процессе формообразования образуется качественно новая поверхность с определенным слоем. Этот слой, называемый нарушенным, обладает свойствами, отличными от свойств основного материала и имеет иные плотность, структуру, остаточные напряжения. Поэтому, любое изменение условий обработки поверхности зеркала приводит к изменению отражательной способности в диапазоне волн лазерного излучения.

Эффективно управлять течением этих процессов во времени можно только руководствуясь знанием физико-химических превращений, происходящих в металле. Установлены связи между технологией изготовления металлических зеркал и свойствами поверхностей. В результате изучения основных закономерностей процесса физико-химического воздействия при абразивной доводке (полировании) зеркальной поверхности показано, что состояние поверхностного слоя зависит от режимов обработки и комплекса технологических факторов процесса.

Свойства поверхностного слоя доведенной поверхности зависят прежде всего от величины изменения давления абразивных зёрен на поверхность Р, мПа и скорости вращения инструмента V, м/с. В качестве комплексной характеристики состояния поверхностного слоя материала зеркала после абразивной доводки можно принять полуширину дифракционной линии В, рад. Физической

характеристикой состояния поверхностного слоя твердого тела может служить работа выхода электронов <р,эВ.

Параметры качества поверхности на каждом этапе технологического процесса обработки можно определять посредством физической модели, являющейся основой для разработки математической модели процесса. Рассмотрена физическая модель состояния поверхностного слоя металлических деталей, позволяющая качественно оценить структуру поверхностного слоя при формировании оптических свойств зеркала в процессе технологического цикла обработки, а так же выделить наиболее существенные факторы, влияющие на работу выхода электронов.

Физическая модель состояния поверхностного слоя материала должна выражать зависимость между работой выхода электронов ф, эВ и полушириной дифракционной линией В, рад.

Представим зависимость между <р, эВ и В, рад. в следующем виде:

Ф = СВ,

где, С - коэффициент пропорциональности, определяемый

начальными и конечными условиями обработки.

Переход от физической модели процесса к математической осуществляется по закону изменения В, рад. по глубине поверхностного слоя Ь, мкм. Для аппроксимации экспериментальных данных выбрано выражение, описывающее монотонный асимптотический переход от значения В1(Ъ=0) к значению Во(Ь=оо)

В(Ь)= Во + (В1 - Во)^**, (1)

где, К - коэффициент пропорциональности

Ь - глубина снятого слоя, мкм;

В(Ь) - полуширина дифракционной линии исследуемого зеркала, рад.

В0 - полуширина дифракционной линии эталонного зеркала, рад.

В1 - полуширина дифракционной линии обрабатываемого зеркала, зависящая от режимов обработки, рад.

Состояние поверхностного слоя (микротвёрдость Нц, МПа и полуширина дифракционной линии В, рад.) в зависимости от конкретных режимов обработки (давления Р, кПа и скорости V, м/с движения образца по притиру) фиксировали при различной глубине 11, мкм. съема материала.

Результаты проведённых опытов, отвечающие постоянной частоте вращения образца по неподвижному притиру (У=Усоп81), представлены на рис.1 сплошными кривыми, а экспериментальная математическая модель изображена пунктирной линией (Уср = 0.3м/с) и отвечает зависимости:

В = 33.4 + 4.43е"06и, (2)

Аналогичная серия экспериментальных кривых для переменной скорости (У=Ууаг) движения образца по неподвижному притиру, при Уср = 0.3м/с, показана на рис. 2. Они могут быть обобщены экспериментальной математической моделью:

В = 33,4 + 6,43е-абз\ (3)

Обработка образцов на этом этапе проводилась при давлении Р= 4-10 кПа.

Из формул (2) и (3) видно, что скорость вращения заметно влияет на начальную полуширину дифракционной линии В и практически не влияет на значение к.

В*10~3 Р/Л

38

Расстояние от под. МКН Рис.1 Изменение полуширины дифракционной линии В по глубине Ь при

У=Усоп^ и давлении Р=4102 -12-Ю2 кПа На рис. 1 приведены экспериментальные кривые, полученные при постоянном (У=Усоп$0 движении образца по неподвижному притиру, каждая кривая построена соответственно для скорости 0,1; 0,3; 0,5 м/с, при Р=4*102 кПа.

1- У=0,1 м/с.

2- У=0,3 м/с.

3- У=0,5 м/с.

4- экспериментальная модель

На следующем этапе обработка проводилась на тех же кинематических режимах, но при давлении на образец Р=12-102 кПа , зависимость В = А[Ь) при обработке образцов с постоянной скоростью У=Усопз1 (рис.3) имеет вид:

В = 33,4 + 30,27е "°"5511 (4)

а при обработке образцов с переменной скоростью У=Ууаг (рис.4).

В = 33.4+31.43е-0-56Ь (5)

Из уравнений (4) и (5) видно, что с увеличением давления Р на обрабатываемый образец зависимость В = ("(И) в малой степени зависит от изменения скорости движения образца по притиру и оба семейства экспериментальных кривых, приведенных на рис. 1 и рис.2, могут быть описаны одним уравнением

В = 33.4 + 30.85е"°'5511 (6)

В'10-3РАЯ

37

35

33, 4

3 6 9

Расстояние от пой. МКМ Рис. 2 Изменение полуширины дифракционной линии В по глубине Ь при У=Ууаг

Из результатов эксперимента следует, что при увеличении давления Р, кПа полуширина дифракционной линии В, рад. вблизи поверхности резко возрастает, поскольку здесь происходят основные изменения структуры и требуется снятие дополнительного припуска материала образца, чтобы получить исходную структуру материала.

Каждую кривую условно можно разбить на три участка. Первый участок с наибольшей кривизной это слой максимально деформированного материала с глубиной Ь ~ Змкм. Второй ее участок от Змкм до Ь ~ 9мкм характеризуется незначительным изменением В, рад. при У=Усош1 и плавным изменением В,

рад. при М=А>\яг. После съема металла до глубины Ь=9мкм следует линейный участок перехода к недеформированному металлу.

у 3 2 \ В=33, 4+6. 43е

\ \ ч \ \ \ \ \ \ \ \ \ ч Ч. >

ч \ \ ч \ ч N. "ч 1 —__

в=зз, ш

\

\ \ 1 Л >, 4 / \ \ — ч^ ——

3 6 9 12

Расстояние от nob НКН

Рис. 3 Изменение полуширины дифракционной линии В по глубине h при V=Vconst и давлении Р=12-102 кПа

В=33, 4+3 , 43е ~°'56i

\

4 /\ х —— v —.

3 6 9 12

Расстояние от под. МКМ

Рис. 4 Изменение полуширины дифракционной линии В по глубине Ь при У=Ууаг и давлении Р=12-102 кПа

Общая глубина нарушенного слоя после абразивной доводки образцов при давлении Р=4-102т12-102 кПа составляет 5-10 мкм, а основные изменения свойств металла происходят в тонком поверхностном слое глубиной до 3 мкм.

Проведенные экспериментальные исследования влияния состояния поверхностного слоя на отражательную способность поверхности зеркал позволили сделать выводы о том, что на финишном этапе полирования зеркальных поверхностей основное влияние на отражательную способность оказывают физико-химические факторы процесса полирования. Для того чтобы оценить физические параметры поверхности после обработки, исследовали зависимость между отражательной способностью и работой выхода электрона или контактной разностью потенциалов (КРП).

Графическое изображение результатов исследования приведено на рис. 3.

Рис. 3. Экспериментальные а) и расчётные б) зависимости значения отражательной способности от контактной разности потенциалов поверхности зеркал:

1 - после абразивного полирования;

2 - после абразивного полирования с последующей термообработкой в вакууме при 573° К в течение 1 часа;

3-5- после абразивного полирования с последующей термообработкой на воздухе в течение 1ч при 373°К, 473°К, 573°К.

Было проведено пять серий опытов. В каждой серии исследовали 12-15 зеркал. Использовались образцы из меди МОБ диаметром 80мм. и высотой Змм. Графическое изображение результатов исследований приведено на рис. За. График эмпирической линии регрессии можно аппроксимировать гиперболической зависимостью.

Анализ результатов экспериментов для различных условий обработки зеркал показал, что они могут быть аппроксимированы следующими зависимостями:

С

99,3 = у! + 99,2 = у! +

227-В С

205 -В

99,1 =у1 + ——— (7)

д 195-В '

99,0 = у! + С

98,9 = у1 +

170-В С

100-В

Тогда обобщённая экспериментальная математическая модель будет иметь следующий вид:

Кя = VI + (8)

7 и-в '

где и — контактная разность потенциалов, мВ, (КРП); у, С, В — константы, определённые экспериментально.

По предварительно установленным зависимостям (7) можно оценить отражательную способность поверхности детали из конкретного материала на любом этапе технологической обработки. При этом на графике указаны предельные значения для данной серии зеркал и соответствующие им

значения и,мВ (КРП). Точность и надёжность полученных данных по КРП определяются возможностями конкретной установки, состоянием поверхности и чистотой состава исходного материала.

Для получения заданной отражательной способности, минимальных параметров шероховатости поверхности и максимального съема материала, была осуществлена оптимизация процесса механического полирования зеркал.

В четвёртой главе на основании результатов исследований показано, что достижение требуемых оптических свойств металлических поверхностей многовариантно даже в пределах одних и тех же методов обработки. Кроме того, оптические свойства технологически наследуются от операции к операции.

Приведены результаты решения практических задач по разработке технологического процесса доводки (полирования) зеркал в условиях серийного производства. При этом достигается максимально возможная производительность обработки при минимальной глубине нарушенного слоя и отклонении геометрической формы.

Традиционно подбор режимов полирования осуществляется путем последовательных корректировок технологических факторов. Этот путь является трудоёмким и длительным, не гарантирует выбора рациональных режимов.

Избежать отмеченных недостатков позволяет методика, основанная на автоматизированном подборе элементов режимов резания по результатам математического моделирования. Математические модели строили с использованием рототабельного плана 2-го порядка. Оптимизация процесса

полирования осуществляется с использованием статистических моделей, устанавливающих связь между выходными показателями и факторами процесса или динамических моделей, в которых выходные показатели и факторы процесса взаимосвязаны.

Переменными факторами оптимизации выбраны:

X! - время для полирования; х2 - рабочее давление; х3 - скорость относительного движения заготовки.

Функциями отклика служат параметры:

У1 - отражательная способность; у2 - шероховатость поверхности; у3 - скорость сьема материала.

Конечной целью исследования с применением статистических методов планирования экспериментов является получение математического описания в оптимальной области полинома 2-го порядка:

у = Ь0 + Ь,х, + Ь2х2 + Ь3х3 + Ьгдх^ + Ь1г5х1>3 + Ь2^х2г, +Ь1,,х12+Ь2ах22 +Ь3^х,2 (9)

Простота вычислений и наличие эффективных оценок точности аппроксимации обусловили широкое использование этой модели при обобщении данных технологического эксперимента.

Адекватность полученной математической модели исходному технологическому процессу проверяли по критерию Фишера при доверительной вероятности Р = 95%.

С помощью математической модели установлены рациональные режимы обработки зеркал: XI = 0,5-0,7; х2 = 1; х3 = 0-0,6, которые соответствуют времени полирования ^ = 60-360 мин, рабочему давлению Р = 2.9-102 кПа - 18.3 • 102 кПа и скорости V = 0.1 - 0.5 м/с.

При полирования выходные параметры обработанных поверхностей зеркал имеют следующие значения: отражательная способность Ыв = 98.8 - 993%, параметр шероховатости И/ = 0.028 - 0.025 мкм, скорость съема материала (2 = 0.42 - 0.5 г/мин.

Исследовано влияние состава суспензии и материала полировальника на интенсивность процессов полирования зеркал. Показано, что для создания суспензии с повышенной режущей способностью в ее состав следует вводить поливиниловый спирт, а для уменьшения расхода дорогостоящих алмазных микропорошков и снижения глубины нарушенного слоя - аэросил А-380. Это обеспечивает обработку с минимальными дефектами поверхностного слоя и увеличивает отражательную способность Ив с 98.8 до 99.3%.

Разработан материал полировальника на основе пекоканифольной смолы и фторопласта-4. Это позволило повысить скорость съема материала и улучшить качество поверхности зеркал, что способствует увеличению отражательной способности.

Проведенные исследования структуры поверхностного слоя после различных методов обработки по разным технологическим маршрутам позволили установить, что при увеличении степени искажения структуры поверхностного слоя отражательная способность уменьшается, а поглощение увеличивается. Это отрицательно влияет на ресурс работы и мощность технологических лазерных установок.

Шаржирование алмазных зерен в материал полировальника способствует повышению неоднородности распределения структурных искажений, а, следовательно, уменьшает отражательную способность зеркала.

Установлено, что для уменьшения степени искажения структуры и шаржирования поверхности заготовки необходимо отжигать при 553°К в течение 1ч и применять для полирования модифицированные микропорошки АСМ зернистостью 3/2,1/0 мкм.

Разработаны рекомендации по выбору режимов обработки, обеспечивающие требуемые показатели качества зеркал и максимально возможную производительность обработки. Приведены результаты промышленного внедрения методики оценки качества поверхности зеркал после механической обработки.

Современный технологический процесс обработки зеркал относится к процессам, которые обычно представляют в виде системы, имеющей входные параметры, определяющие режим работы (их можно измерять и целенаправленно изменять) и выходные параметры-характеристики, определяющие качество обработки детали (их можно контролировать).

Основой новой технологии явилось последовательное формирование требуемых свойств поверхностного слоя с целенаправленным подавлением свойств, отрицательно влияющих на оптические характеристики поверхности.

Окончательную обработку зеркал необходимо осуществлять алмазными суспензиями на основе АСМ 3/2, 1/0 при давлении не более Р=4 • 102 кПа с постоянной скоростью относительного движения детали по полировальнику

(V const = 0.2 м/с).

Разработанный технологический процесс доводки (полирования) зеркал незакрепленным абразивом обеспечивает:

- погрешность геометрической формы (отклонение от плоскостности 0.5 - 0.25 мкм на диаметре 100 мм)

- параметры шероховатости обработанной поверхности Rz < 0.025 мкм.

- отражательную способность Rs > 99%

- повышение производительности доводки (полирования) в 2 раза по сравнению с существующим технологическим процессом.

Состав новой суспензии, разработанный на основе алмазного микропорошка (модифицированного), аэросила А-380 с полимерными добавками поливинилового спирта, стабильно обеспечивает в условиях серийного производства зеркал требуемые параметры качества поверхностного слоя и производительность обработки.

Сравнительные показатели разработанного и существующего технологических процессов доводки (полирования) зеркал приведены в Приложении 1.

Заключение и общие выводы.

В диссертации решена научно-техническая задача технологического обеспечения качества рабочих поверхностей металлических зеркал с улучшенными эксплуатационными свойствами на основе результатов исследований закономерностей формирования их оптических свойств в процессе обработки с учетом явлений технологической наследственности. Проектирование технологического процесса обработки поверхностей зеркал для лазеров в условиях серийного производства основывается на усовершенствовании процесса по отдельным операциям (переходам) исходя из заданных параметров качества, производительности и себестоимости изготовления.

1. Установлены закономерности формирования поверхностного слоя рабочих поверхностей зеркал с высокой отражательной способностью. Получены экспериментальные зависимости между контактной разностью потенциалов U,mB (КРП) и отражательной способностью Rs,% что подтвердило возможность использования КРП для оценки качества состояния рабочих поверхностей зеркал в процессе обработки.

2. Разработана методика и математическая модель определения степени структурных искажений и глубины искаженного слоя по ширине дифракционной линии В, рад.

3.Экспериментально установлено, что наиболее высокие эксплуатационные характеристики имеют зеркала из меди марки МОБ.

4.Предложена экспериментальная математическая модель технологического процесса для определения рациональных параметров полирования рабочих поверхностей зеркал из меди марки МОБ.

Рассчитаны основные параметры процесса полирования медной поверхности составами с алмазными микропорошками АСМ зернистостью 5/3,3/2,1/0.

5.Установлено, что финишное полирование поверхностей из меди МОБ с высокой отражательной способностью необходимо проводить при давлении не более Р=4 • 102 кПа и постоянной скорости относительного движения детали по полировальнику V const < 0.2 м/с. Эти режимы обеспечивают наименьшую степень искажения поверхностного слоя.

6.Установлено, что суспензии с химически активными добавками (поливиниловый спирт) обладают более высокой режущей способностью, чем без таких добавок, а аэросил А-380 уменьшает глубину дефектного поверхностного слоя, расход алмазных микропорошков, обеспечивает отражательную способность зеркал Rs до 99.3%.

7. На основе результатов комплексного исследования процесса доводки (полирования) металлических поверхностей зеркал разработан более производительный технологический процесс финишной обработки в условиях серийного производства зеркал, который внедрен в производство.

Приложение 1

Сравнительный анализ существующего и предлагаемого технологических процессов.

№ операции Операции и характеристики абразива Режимы обработки Параметры качества

Vconst м/с и мм мм/об Р102 кПа Rz, мкм AN, мкм и, мВ П-10"3 рад Rs. %

i 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Существующий технологический процесс обработки зеркал

1 Шлифование АСМ 14\10 1.8 - - 2.0 0.050 2.52.8 - - -

2 Шлифование ACM 10Y7 1.8 - - 1.8 0.050 1.5 70± 160 - 94,0

3 Шлифование АСМ 7\5 1.5 - - 1.2 0.040 1.2 - 140 94,7

4 Доводка АСМ 5/3 1.2 - - 1.0 0.032 .12. 100 ±4 50.0 97.6

5 Доводка АСМ 3/2 1.0 - - 0.8 0.025 0.9 195 ±3 39.0 98.8

6 Доводка АСМ 1/0 0.8 - - 0.4 0.025 0.3 210 ±1 36.0 98.9

7

Предлагаемый технологический процесс обработки зеркал

Алмазное точение 660 0.020.08 0.040 1.51.8 337±7 35.1 98.6

Доводка АСМ 5/3 0.5 - -1.0 0.0400.032 1.2 105±0 37.0 98.8

Доводка АСМ 3/2 (модернизированный) 0.3 - -0.8 0.0150.01 0.6 176±2 36.6 99.0

Доводка АСМ 1/0 (модернизированный) 0.2 - 0.1 0.010.005 0.25 227±1 34.8 993

Основные публикации по теме диссертации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1. Выбор абразивных материалов для формообразования поверхностей прецизионных деталей из молибдена/ В.М. Рубан, П.Д. Дудко, И.В. Рубан -Оптико-механическая промышленность, 1988 г., №5 50-51.

2. Влияние режимов обработки на степень структурных изменений материала поверхностного слоя зеркал./ В.М. Рубан, П.Д. Дудко, И.В. Рубан - Оптико-механическая промышленность, 1991 г., №7 С. 71-73.

3. Композиционный полировальник для алмазно-абразивной обработки зеркальных поверхностей. Назаров Ю.Ф., Рубан И.В.-Машиностроение, Алмазы и сверхтвёрдые материалы, 1983г., №11, с 10.

4. Исследование влияния тепловых процессов взаимодействия лазерного излучения с металлом на его физико-механические свойства с целью повышения эксплуатационных свойств обработанных деталей. Сборник тезисов докладов «Прогрессивные технологические процессы в машиностроении и стимулирование их внедрения в производство», И.В. Рубан,1991г.г. Харьков.

5. Оценка процесса шаржирования при абразивной обработке металлических зеркал. Рубан В.М, Назаров Ю.Ф., Рубан И.В. - ЦНИИТИ Поиск, 1990г., № 8.

6. Практика обработки поверхностей металлических деталей. Рубан В.М, Мельников О.Н, Рубан И.В.- ЦНИИТИ Поиск, 1990г., № 6, с73-76.

7. Овализация алмазных микропорошков. Оптико-механическая промышленность. 1988, №9, с 37. В.М Рубан, П.Д Дудко, И.В. Рубан.

8. Особенности процесса алмазного микрорезания цветных металлов— ЦНИТИ, Поиск, № 9, 1990. Назаров Ю.Ф, Рубан В.М, Рубан И.В.

9. A.C. 905256 (СССР) Доводочный алмазно-абразивный состав/ П.Д. Дудко,

В.М Рубан, И.В. Рубан/ БИ. 1982 МКИ С096. УДК 667. 634.

10. Качество и производительность обработки поверхностей прецизионных деталей методами чистовой доводки для использования в космических аппаратах. М.: Машиностроение,//Тезисы конференции в ГТИ (г. Горький), 1987г., Рубан В.М, Рубан И.В..

11. Полировальная суспензия. Авторское свидетельство № 910714. Рубан В.М. Дудко П.Д., Рубан В.М., Рубан И.В.

12. Доводочный алмазно-абразивный состав. Авторское свидетельство № 2861281. Рубан В.М., Дудко П.Д., Рубан И.В.

13. Расчет параметров контура рабочей поверхности зеркала. Рубан И.В., Клауч Д.Н., Рубан А.И. - Вестник машиностроения, №5, 2012г.

14. Полирование сверхгладких металлических зеркал. Рубан И.В., Клауч Д.Н., Рубан А.И. - Вестник машиностроения, №7, 2012г.

15. Выбор оптимального процесса обработки зубчатых колёс. И.В. Рубан, В.М.

Рубан, З.А. Годжаев. - Вестник машиностроения , 2008г., № 7.

16. Нанотехнологические процессы обработки изделий конструкционного назначения в машиностроении. В.М. Рубан, З.А. Годжаев, С.Д. Зайцев, И.В. Рубан. - Вестник машиностроения, №4, 2009г.

17. Обработка деталей с заданной отражательной способностью. И.В. Рубан, В.М. Рубан, З.А. Годжаев. Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2008г., №5.

18. Твердые наноструктурные алмазно-кластерные покрытия. И.В. Рубан, З.А. Годжаев, В.М. Рубан, С.Д. Зайцев - Тракторы и сельскохозяйственные

машины, 2008 г., № 7.

19. Применение нанотехнологий и оценка эффективности их внедрения в машиностроении. З.А. Годжаев, В.М. Рубан, СП. Козырев, С.Д. Зайцев, И.В. Рубан - Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2008 г., № 4.

20. Применение нанотехнологий в машиностроении. З.А. Годжаев, В.М. Рубан, И.В. Рубан, А.И. Рубан -Тракторы и сельскохозяйственные машины,2008г, №9.

21. Специфические особенности свойств металлов, как материалов для оптики.

Рубан И.В., Д.Н. Клауч - Новые технологии. 2012, №6.

ЛР № 020448 от 07.04.97г. Подписано в печать 11.01.2015 Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л.1,63. Уч.-изд.л.1,54. Тираж 100 экз. Заказ № 1452 Издательство Московского Государственного Открытого Университета. 107996,Москва, ул. Павла Корчагина, д.22 Типография МГОУ