Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1. Анализ состояния вопроса изготовления металлических зеркал 7
1.2. Основные научно-технические задачи при создании зеркал 14
1.3. Формообразование поверхностей при алмазном микроточении и полировании 18
1.4. Особенности процесса алмазно-абразивной доводки поверхности 20
1.5 Анализ абразивно-доводочных материалов .26
Выводы .30
ГЛАВА 2. Методики проведения экспериментальных исследований 32
2.1. Подготовка объектов исследования 32
2.2 Определение режущей способности полирующей абразивной суспензии 50
2.3. Приборы, стенды, контрольно-измерительная аппаратура, применяемые для регистрации оптических характеристик зеркала 51
2.4. Измерение интегрального количества поглощенной энергии .66
2.5. Определение параметров скоростного режима обработки .68
Выводы 72
ГЛАВА 3. Исследование закономерностей формирования оверхностного слоя при обработке металлических зеркал 73
3.1 Взаимосвязь состояния и физико-химических свойств поверхностного слоя деталей после механической обработки .73
3.2 Контроль отражательной способности после механической обработки .87
3.3 Оптимизация технологического процесса механического полирования зеркал .93
3.4 Установление необходимого количества операций и оптимальной зернистости абразива при доводке зеркал 101
Выводы 116
ГЛАВА 4. Технологическое обеспечение качества зеркал 118
4.1. Разработка и анализ математической модели технологического процесса полирования, выбор оптимальных режимов полирования .118
4.2. Расчёт съёма материала при автоматизированном формообразовании поверхности оптических деталей .127
4.3. Выбор материала полировальника .131
4.4. Выбор абразивных материалов 133
4.5. Выбор неабразивных составляющих суспензии для полирования металлических зеркал из различных материалов 138
4.6. Изготовление оптических деталей методом алмазного микроточения .141
4.7 Влияние различных способов обработки на кристаллическую структуру поверхностного слоя металлов 145
Выводы .152
4.8 Разработка рекомендаций для производственного применения .154
4.9 Заключение и выводы .159
Список использованных литературных источников
Приложения
- Основные научно-технические задачи при создании зеркал
- Измерение интегрального количества поглощенной энергии
- Оптимизация технологического процесса механического полирования зеркал
- Расчёт съёма материала при автоматизированном формообразовании поверхности оптических деталей
Основные научно-технические задачи при создании зеркал
Успех создания оптического зеркала для современных лазеров в общем случае зависит от решения ряда сложных научно-технических задач, а именно: - разработка физической и математической модели технологического процесса обработки и алгоритмов оптимизации параметров зеркал; - обеспечение возможности получения сверхгладких оптических поверхностей; - разработка средств и методов формообразования поверхностей; - исследование внутренних источников размерной нестабильности структуры поверхности и разработка методов размерной стабилизации.
Все перечисленные проблемы имеют место при создании зеркал из любого металла. Некоторые из них приобретают особую актуальность.
Обработка оптических поверхностей шлифованием и полированием является сложнейшим многофакторным процессом и до настоящего времени не поддающимся достоверному прогнозу о предельно допустимой шероховатости на данном конкретном металле. Эта задача решается эмпирическим путём варьирования различных параметров процесса.
Накопленный опыт обработки стеклообразных материалов не может быть механически перенесён на металлы, имеющие другую физическую природу, механические и химические свойства. Поэтому основные усилия необходимо направить на разработку методов обработки этих металлов.
Следует учитывать также, что такие дефекты, как пористость, наличие инородных включений, соединений, образованных легирующими примесными элементами, способны существенно повлиять на качество оптической поверхности.
Нашими исследованиями установлено, что сверх чистый бериллий даёт возможность создавать поверхности, сравнимые по качеству со стеклянными. В бериллии промышленных сортов содержится окись бериллия, частицы которой слабо связаны с матрицей и могут выкрашиваться при обработке, ухудшая качество поверхности. Сходные проблемы возникают и для карбида кремния.
Механическая обработка даёт возможность получить наиболее тонко отполированную поверхность, микронеровности которой имеют величину менее половины длины световой волны. Поверхность зеркала, характеризующаяся физико-химическими параметрами металла. Параметрами шероховатости и структурой поверхностного слоя, полностью определяет отражательную способность, лучевую повреждаемость, а вместе с тем, ресурсную способность и мощность лазерной установки.
Глубина и степень нарушений структуры характеризуют в целом воздействие механической обработки на поверхность и поверхностный слой зеркала. Контроль этих параметров позволит выбрать способы и оптимальные режимы обработки, а также последовательность выполнения технологических операций, обеспечивающих требуемые свойства поверхности и поверхностного слоя.
В литературе имеются ограниченные сведения о влиянии различных способов обработки и их режимов на отражательную способность зеркал. В последние годы появился ряд новых работ, в которых излагаются некоторые общие рекомендации по созданию новых методов обработки. В первую очередь это работы по алмазному точению.
Эти материалы связны с получением конкретных параметров, и в частности высоты шероховатости поверхности. Кроме того, что они носят описательный характер, в них не даются необходимые рекомендации о сущности данного метода при обработке зеркальных поверхностей.
Традиционный метод изготовления зеркал заданной геометрической формы заключается в использовании шлифования незакреплённым абразивом. Трудность получения поверхности металлов с низким значением рассеяния обуславливается тем, что они имеют поликристаллическую структуру. Кроме того, примеси и другие несовершенства структуры по границам зёрен отрицательно влияют на процесс полирования. Основным преимуществом этого традиционного метода является то, что он не требует дополнительного оборудования.
Исследование параметров качества заготовок после алмазного точения показало, что этот метод обработки обеспечивает получение шероховатости поверхности менее 0,05 мкм, точности геометрической формы зеркал от 1мкм. На 100 мм. Длины и менее, имеющие малое рассеяние отражённого излучения [7,17].
В работе [16] рассмотрено влияние различных методов обработки поверхности на отражательную способность плоских образцов, изготовленных из проката алюминиевых сплавов АМТ 3, Д16 и меди М1, где показано, что максимальное значение отражательной способности достигаются посредством подготовки поверхности точением и последующим механическим полированием незакреплённым абразивом с применением поверхностно активных веществ.
Известны работы Шлоттера [47], установившего зависимость между отражательной способностью и высотой микронеровностей поверхности после алмазного точения, однако, влияние физико-химического состояния поверхности им практически не учтено.
В этой связи при исследовании параметров качества поверхности зеркал необходимо сопоставить новые и уже изученные вопросы, научно обосновать их правомочность с точки зрения данной задачи, так как ранее это не было объяснено.
Анализ известных методов получения высокой отражательной способности и формы поверхности позволит нам разработать классификацию технологических методов обработки заготовок с учётом того, что “точной” в оптике считается поверхность с отклонениями микрогеометрической формы от идеала, измеряемая долями световой волны, такого же типа требования предъявляются и к шероховатости поверхности (рис. 1.3). Это позволяет выбрать методы предварительной и окончательной обработки для обеспечения заданных стабильных оптических свойств.
Заканчивая рассмотрение различных методов формообразования оптических зеркал для лазеров, необходимо сделать вывод о том, что из всего многообразия наибольший интерес для обработки представляют следующие: 1. Обработка “точечным” алмазным резцом. 2. Полирование незакреплённым абразивом с использованием поверхностно-активных веществ. Этому методу принадлежит совершенно особая роль в практике современного производства зеркал.
Не смотря на то, что метод является малопроизводительным, применение его при обработке тугоплавких материалов оправдано, так как он обеспечивает получение поверхностей с высокой степенью точности, высокой отражательной способностью при минимальных параметрах шероховатости. Используя этот метод, можно автоматизировать процесс обработки поверхностей металлических зеркал. При этом необходимо обеспечить отсутствие оксидных плёнок и прожогов на поверхности, сохранить в поверхностном слое доведённых поверхностей свойства исходного материала. Нужна однородность микрорельефа по всей доведённой поверхности. В поверхностном слое не должно быть шаржированных зёрен абразива.
Учитывая трудоёмкость современных процессов оптической обработки и контроля правильности формы оптической поверхности, легко представить себе препятствия, возникающие на этом пути.
Технология изготовления зеркал из различных металлов не может быть общей вследствие различных их физико-химических свойств. Однако, подход к решению данной задачи должен быть единым. Поэтому необходимо создать единую технологическую схему с определённо последовательностью аналогичных операций.
Измерение интегрального количества поглощенной энергии
Оптическая обработка металлических оптических поверхностей шлифовкой и полировкой, последовательность фракций незакреплённого абразива уменьшающейся зернистости направлена на снижение шероховатости отражающей поверхности.
Проведение исследований по изменению рельефа поверхности от применяемой зернистости абразива требует надёжного и информативного способа контроля шероховатости. Оценка шероховатости поверхностей с высокой отражательной способностью вызывает значительные затруднения. В настоящее время для оценки шероховатости поверхности используется ряд методов таких как:
Надёжность оценки шероховатости поверхности этими методами зависит, как от принятой статистической модели поверхности, так и от достоверности теоретического описания процесса отражения или поглощения света.
Параметры шероховатости поверхности опытных образцов оценивали с помощью профиллографов-профилометров мод 201 и 253 при вертикальном увеличении 100000 и горизонтальном 100Участок профилирования длиной 5-7 мм. выбирали в средней зоне между периферией и центром образца, Критерий оценки - наибольшая высота профиля Rmax. Погрешность определения параметра шероховатости поверхности Rz не превышала ± 10%. Пределы измерений составляли Rz = 0,032 0,025 мкм.
Сверхгладкие поверхности металлооптических зеркал, обработанных абразивным полированием, имели параметры шероховатости значительно меньше, чес пределы измерений выше указанных приборов. Измерение шероховатости пластичных металлов (например, меди) приводит к появлению царапин их поверхности, и поэтому неприемлемо для оценки шероховатости сверхгладких поверхностей. Поэтому шероховатость поверхности оценивали косвенным методом по результатам измерения коэффициента диффузионного рассеяния КДР (указанный метод измерения описан в работе [32]).
Контроль формы зеркал контактным методом невозможен по следующим причинам. Во-первых, контактные методы повреждают поверхность. Исправление последствий такого контроля приводит к значительным изменениям поверхности, из-за чего контроль должен быть повторен, и так до бесконечности. Во-вторых, не существует стандартных приборов для контроля зеркал контактными методами с необходимой точностью.
По указанным причинам применяли только бесконтактные методы контроля зеркал: рефлектометрия, полное внешнее отражение рентгеновских лучей.
Отклонение от плоскостности обработанных рабочих поверхностей в процессе технологической обработки периодически контролировали плоскопараллельными стеклянными пластинами диаметром 80-120 мм. (ГОСТ 1159-69), а также на интерферометре мод. ИТ-452 по количеству интерференционных колец и их искривлению. Указанные методы определения погрешности формы преломляющих поверхностей обладают значительной чувствительностью , а следовательно и точностью. С их помощью можно обнаружить малейшие отклонения поверхности оптической детали от геометрически правильной формы. При наличии отклонений от плоскостности поверхности исправляли подрезкой зоны полировальника и изменении кинематического режима обработки.
Наличие или отсутствие какого-либо показателя требований к детали имеет для процесса изготовления вполне определённый технологический смысл. Числовые значения показателей качества обуславливает трудоёмкость и сложность выполнения основных операций технологического процесса обработки детали и относятся к световому диаметру детали.
Общая ошибка N характеризуется изгибом полосы, выраженным в доля расстояния между полосами.
Местная ошибка N – изъяны полосы (яма в центре, завалы на краю и т.д.) – также выражаются в долях расстояния между полосами.
Таким образом, интерференционная картина характеризует форму повторяемой поверхности (рис. 2.6).
Отклонение от плоскостности вычисляли по стрелке изгиба Н интерференционных полос. Коэффициент диффузионного рассеяния исследуемой поверхности образцов измеряли на установке, оптическая схема которой описана в работе [13].
Нарушение кристаллической структуры, наклёп, рост числа дефектов, возникающих в результате механического воздействия на поверхность, оказывают своё влияние на эксплуатационные параметры зеркал. В этой связи состояние поверхностного слоя металлической поверхности после различных
Рентгеновский метод определения структурных искажений состоит в оценке уширения рентгеновских дифракционных линий В в плоскости (420). Эталонами были исходные медные образцы, отожжённые при 873 К в течение 2ч. Профиль дифракционных линий записывали по точкам с шагом 0,05 на дифрактометре мод. ДРОН-2.0, применяя микрофокусное излучение трубки БСМ-1, питаемой от аппарата мод. МАР-1. Линии регистрировали на диаграммную ленту, затем вычисляли отношение площадей, ограниченных профилями. В качестве исходного отношения вместо расчётного использовали измеренное аналогичным образом отношение для поликристаллического образца без наклёпанного слоя. В этом случае А=10,0 [4]. Ширина и форма этих линий определяется следующими факторами:
Первые два фактора оценивают физическое или истинное уширение (В). Чтобы определить физическую ширину интерференционной линии, одновременно с исследуемым образцом подвергается анализу эталонный образец, ширина интерференционных линий которого определяется только инструментальным уширением. Физическое уширение определяется методом аппроксимации по формуле:
Так как глубина нарушенного слоя поверхности зеркала заведомо больше толщины скин – слоя, то для анализа свойств по всей глубине нарушенного слоя нами была использована методика послойного стравливания поверхности и проведения исследований на разных глубинах в электролите (60%-ном растворе ортофосфорной кислоты) при рабочем напряжении 1,6 В и плотности тока 10 А/дм или в растворе, состоящем из 430-480 г. хлорного железа на 1л. воды. Температуру раствора поддерживали в пределах 293-295К. Скорость травления Vтр. = 1,0 мкм/мин.
Толщину удаляемого слоя проверяли путём взвешивания образца до и после электрополирования. Рентгеноспектральный анализ проводили на электронном микроскопе мод. РЭМА-200 в отражённом свете (разрешающая способность 300 104 мкм).
Степень шаржирования определяли на металлографическом микроскопе. Указанный метод исследования шаржирования поверхностей может быть осуществлен в лабораторных условиях. За основной критерий предложено считать отношение площади, занятой алмазом, к исследуемой глубине шаржированного слоя определяли способом послойного удаления материала.
Недостатком предложенной методики определения степени шаржирования является: невозможность различить характер дефектов (выколки, внедрение зёрен) из-за недостаточного увеличения металлографического микроскопа; трудоёмкость методики, требующая затрат времени, а также то, что применительно к зеркальным поверхностям неудобно выражать степень шаржирования через предложенные критерии. Металлографический анализ поверхности проводили на микроскопе мод. МИМ-8. Границы зёрен меди выявляли травлением в спиртовом растворе азотной кислоты в течение 30с. Погрешность определения среднего размера зёрен методом секущей находилась в пределах 3%.
Оптимизация технологического процесса механического полирования зеркал
При полировании наиболее трудоёмким и сложным является процесс получения заданной точности формы обрабатываемой поверхности. Погрешность формы при этом представляет собой неравномерность припуска под обработку, т.е. разность между наибольшим и наименьшим значением.
Исправление погрешности формы связано с динамическими изменениями интенсивности съёма в зависимости от неравномерности припуска. Съём материала вместе с минимальным припуском отрицательное явление, так как при этом увеличивается время достижения минимальной разности между наибольшим и наименьшим припуском на обработку. В случае, если интенсивность съёма во всех местах обрабатываемой поверхности будет постоянной, то независимо от её значения погрешности формы исправляться не будут.
Реализация требуемого изменения может быть обеспечена, например, в результате адаптивного управления по определённому закону интенсивности съёма в зависимости от погрешности формы в каждой точке обрабатываемой поверхности. Закон изменения должен создать диапазон изменения интенсивности съёма максимальным до конца процесса исправления, близость к нулю интенсивности съёма Q в местах с минимальным припуском.
Кроме того, при изменении припуска под обработку в пределах допуска на погрешность формы, интенсивность съёма Q должна изменяться от своего минимального значения до максимального. В местах, где погрешность формы превышает допустимую, интенсивность съёма должна быть максимальной.
При таком законе изменения интенсивности, в местах с минимальным припуском, съём практически не производится, а в местах, где погрешность формы превышает допустимую на деталь, она остаётся постоянной и максимальной до конца исправления.
Изучение опыта промышленных предприятий по абразивной обработке показало, что в настоящее время отсутствуют рекомендации по определению количества операций (переходов) и выбору зернистости абразива на каждой операции. В связи с этим разработана методика, позволяющая расчетным путём определить в первом приближении количество операций и зернистость используемого абразива.
Известно, что при определённых требованиях, предъявляемых к изделиям, процесс абразивной обработки зависит от большого количества факторов: физико-механических и химических свойств обрабатываемого материала и используемого абразива, параметров обработки, используемых ПАВ и др.
Важной характеристикой абразивного инструмента является зернистость (размер режущих зёрен), так как она предопределяет, в известной мере, работоспособность, производительность обработки и качество поверхности. Увеличение зернистости сопровождается уменьшением числа зёрен на единицу режущей поверхности, что приводит к росту нагрузки на каждое зерно и изменению условий их работы. Одновременно с увеличением размера зерна растёт шероховатость, повышается производительность.
Как отмечалось в главе 1, среди работ по обработке материалов представляет интерес работа [23], в которой рассматривается определение оптимальной зернистости абразива с целью уменьшения времени полировки при обработке подобных материалов.
В работе приняты следующие основные допущения: - значение шероховатости поверхности соответствует величине зерна используемого абразива; - удаляемый припуск равен величине шероховатости поверхности, образовавшейся во время предыдущей обработки (т.е. не учитывается глубина нарушенного слоя); - на каждом переходе происходит удаление всего припуска; - расчёт приведён лишь для случая использования абразива в свободном состоянии. Принятые в работе [23] допущения относились только к хрупким материалам. Технологический процесс алмазной обработки металлов микро порошками АСМ имеет свою специфику. В работе [19], а также проведёнными нами экспериментами, показано несоответствие величины шероховатости поверхности размеру используемого абразива. При снятии припуска не учитывается глубина нарушенного слоя и рассматривается лишь схема с последовательным расположением припусков. Не учтёно также влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала на производительность обработки и качество поверхностного слоя.
В отличие от работы [23], нами, в качестве исходных параметров для расчёта, приняты значения шероховатости поверхности до начала обработки (после резания) – Rz0 и конечные требования, предъявляемые к шероховатости поверхности изделия Rzn.
Рассматриваемая ниже методика расчёта предполагает, что: обработка ведётся на стандартном оборудовании; технологические факторы (параметры обработки, ПАВ) остаются неизменными в процессе обработки.
При данных ограничительных условиях предполагаемая методика позволяет, в зависимости от требований, предъявляемых к изделию, произвести примерный расчёт количества операций и определить зернистость на каждой операции при обеспечении минимального (для данных условий) времени обработки, оценить целесообразность выбора того или иного варианта обработки.
Поэтому при определении межоперационных припусков мы исходим из условия полного удаления нарушенного в результате предварительной обработки поверхностного слоя. При этом были рассмотрены схемы с последовательным, параллельным и комбинированным расположением межоперационных припусков.
Расчёт съёма материала при автоматизированном формообразовании поверхности оптических деталей
Зеркало работает устойчиво в том случае, если обработанная поверхность имеет однородную структуру близкую к исходной. В процессе механической обработки на поверхности поликристалла возникают остаточные напряжения, обусловленные механическим, термическим или химическим воздействием на различные участки металла. В основу наших исследований было положено исследование дефектной структуры поверхности и поверхностного слоя по степени наклёпа поверхности металла на различных стадиях процесса обработки оптической поверхности, т.к. состояние поверхностного слоя и плотность дефектов оказывают значительное влияние при эксплуатации изделия.
Независимо от природы остаточных напряжений механизм их появления можно представить следующим образом: при воздействии внешних напряжений или изменении внешних условий появляются упруго напряженные области. В них происходит пластическая деформация, после снятия возмущения для устранения несоответствия между областями с различной степенью пластической деформации в объёме возникают остаточные напряжения, т.е. появляется тесная взаимосвязь между остаточными напряжениями и механическими свойствами металла, уровнем и продолжительностью действия внешнего возмущения. Система остаточные напряжения – пластическая деформация стремится к некоторому равновесному состоянию.
Длительность установления равновесного состояния зависит от уровня остаточных напряжений, температуры, микро структуры материала и, зависимости от ситуации её можно менять в широком диапазоне.
Явление наклёпа заключается в измельчении структуры материала и появлении внутренних напряжений, увеличении прочности и снижении пластичности, увеличении электросопротивления.
Это объясняется появлением искажений в кристаллической решётке, которые создают препятствия для движения свободных электронов. Таким образом, возникающий в ходе обработки нарушенный слой, существенно влияет на функциональные характеристики зеркал.
Целью наших исследований явилось установление степени влияния основных технологических факторов процесса полирования на параметры кристаллической структуры поверхностного слоя. От величины этих параметров зависят эксплуатационные характеристики обработанной поверхности, определяющие её отражательную способность, износостойкость, усталостную прочность [48,49,50].
Исследование параметров кристаллической структуры мы проводили на образцах меди и других материалах с помощью рентгеноструктурного анализа. Эти образцы явились модельными объектами для изучения искажений поверхностного слоя, позволяющие создать представление о механизме деформации.
Формирование определённой шероховатости связано с технологией обработки поверхности и со свойствами тонких поверхностных слоёв. Следовательно, необходимо изучение локального взаимодействия поверхности с порошком суспензии. Это позволит обоснованно выбирать технологический режим обработки для достижения требуемой шероховатости. Кроме того, оптические свойства поверхностей определяются структурой поверхностного слоя, которая, в свою очередь, зависит от способа обработки и поддаётся управлению путём использования определённых технологических приёмов.
Изложенная методика может быть использована для управления режимом обработки поверхности, позволяет провести прямое исследование влияния структуры поверхности на её оптические свойства и контроля над отступлениями от оптимального технологического режима обработки.
Для установления этого влияния мы исследовали состояние поверхностного слоя в процессе его формирования (цветные металлы) по следующей схеме [13] 1) Исходное состояние (прокат). 2) Предварительная токарная обработка. 3) Алмазное точение. 4) Полирование. Для удаления структурных искажений в поверхностном слое заготовки подвергали отжигу. После алмазного точения глубина нарушенного слоя составляла 350 – 400 мкм. Дальнейшее полирование снизило эту глубину до 10 – 15 мкм., а отражательная способность оптической поверхности увеличилась с 98,0 % до 99,0 %.
Режим травления назначали (температура и время выдержки) из расчёта снятия послойно 2 – 3 мкм. Исследованию подвергались по пять образцов на каждый вид обработки с целью получения более объективных результатов.
Исследование влияния различных способов механической обработки на глубину дефектного слоя проводили в следующей последовательности: предварительная обработка алмазным резцом на сферофрезерном станке СФ – 300 (Rz = 0,05); полирование за три перехода модифицированными алмазными микропорошками формы зернистостью АСМ 5/3,3/2,1/0 (табл. 2.5).
Из таблицы видно, что наибольшая длительность обработки была при использовании суспензии на основе моющего средства “Прогресс”, и наименьшая с применением 2 % - ного раствора гипосульфита.
Наибольшую отражательную способность и наименьший коэффициент диффузионного рассеяния имели зеркала, обработанные суспензией, в состав которой входил поливиниловый спирт. Полученные результаты позволяют рекомендовать для полирования отражателей из сплава МРЦ суспензию с поливиниловым спиртом.
Обработка алмазным резцом приводит к значительному наклёпу поверхности образцов. Полирование алмазным порошком АСМ 3/2 вносит в структуру поверхностного слоя меньшие изменения (глубина до 60 мкм.).
Полирование АСМ 1/0 снижает уровень искажений и уменьшает глубину дефектного слоя.
Для снижения неоднородности и степени структурных искажений поверхности, образцов целесообразно проводить термическую обработку (отжиг) [22]. В этом случае в поверхностном слое образуется мелкозернистая структура (порядка 10-8 мкм.).
Проведённые после механической обработки исследования свойств поверхностного слоя отражателей из сплава МРЦ, показали , что отражатели из этого сплава обладают свойствами, близкими к характеристикам зеркал, изготовленных из меди марки МОБ [22], что рекомендует сплав МРЦ в качестве материала для зеркал.
Существенное влияние на формирование наклёпанного слоя оказывает только вид обработки, воздействие вида абразива влияет в меньшей степени.
Установив влияние обработки на изменение структуры поверхностного слоя, необходимо исследовать влияние наклёпа на отражательную способность зеркала. Мы проводили исследования на основании следующей модели. Предлагалось, что введение дислокаций в приповерхностный слой зеркала приведёт к перераспределению примесных атомов и тем самым повлияет на величину Rs.
