Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методологические основы управления режимными параметрами лезвийной обработки 10
1.1.. Количественные соотношения износа режущих инструментов 10
1.2. Проблема управления режимными параметрами и процессом изнашивания инструмента 13
1.3. Цель и задачи исследования 21
1.4. Экспериментальные исследования процесса изнашивания токарных резцов 23
1.5. Анализ условий алмазного точения металлооптических поверхностей .: 34
1.5.1. Станки алмазного точения 36
1.5.2. Резцы из природных монокристаллических алмазов 49
Глава 2. Многофакторные полиномиальные модели характеристик резания и скорости изнашивания инструментов 52
2.1. Математические модели экспериментальных зависимостей резания металлов 52
2.2. Стохастическая аппроксимация многофакторных экспериментальных зависимостей и анализ моделей 62
2.3. Полиномиальные модели скорости изнашивания сборных резцов, оснащенных твердосплавными СМИ 93
2.4. Полиномиальные модели скорости изнашивания резцов из синтетических сверхтвердых материалов 105
2.5. Полиномиальные модели скорости изнашивания твердосплавных резцов и показателей качества поверхностного слоя титанового сплава 113
2.6. Структурная оптимизация полиномиальных моделей 114
2.7. Выводы по главе 2 115
Глава 3. Расчетные модели скорости изнашивания резцов из твердого сплава и нитрида бора 119
3.1. Геометрические параметры и элементы сечения срезаемого слоя 120
3.2. Физическая модель процесса косоугольного несвободного резания 136
3.2.1. Углы сдвига и силы на передней поверхности 136
3.2.2. Контактные давления 150
3.2.3. Параметры фрикционного контакта по задней поверхности 164
3.2.4. Анализ модели изнашивания резцов 199
3.3. Скорость изнашивания резцов 207
3.3.1. Расчет скорости изнашивания по физической модели. Методика исследований обрабатываемости сталей и сплавов 207
3.3.2. Полиномиальные уравнения скорости изнашивания 223
3.3.2.1. Обработка сталей резцами с твердосплавными СМП 223
3.3.2.2. Обработка сталей резцами, оснащенными СМП с износостойкими покрытиями 227
3.3.2.3. Обработка титанового и жаропрочного сплавов резцами с твердосплавными СМП 228
3.3.3. Структурная оптимизация полиномиальных моделей 229
3.4. Выводы по главе 3 232
Глава 4. Разработка модели процесса алмазного точения поверхностей металлооптических элементов 239
4.1. Закономерности изнашивания алмазных резцов при обработке металлооптических поверхностей 239
4.2. Параметры качества отражающих поверхностей 270
4.3. Кинематические схемы обработки, геометрические параметры инструмента и параметры сечения срезаемого слоя 281
4.4. Силы и контактные давления 293
4.5. Температура резания, тепловые деформации резца, погрешности обработки 301
4.6. Характеристики процесса и погрешности при прерывистом характере алмазного точения 310
4.6.1. Внеосевое расположение деталей на планшайбе станка 311
4.6.2, Обработка прямоугольной по форме детали 323
4.7. Выводы по главе 4 324
Глава 5. Теоретические основы управления режимными параметрами точения 329
5.1. Однофакторная оптимизация по скорости резания на стационарном режиме 331
5.2. Управление скоростью резания 334
5.3. Управление скоростью резания и подачей 349
5.4. Варианты управления режимными параметрами для различных целевых функционалов 370
5.5. Стабилизация скорости изнашивания инструмента 374
5.6. Стабилизация температуры резания при обработке жаропрочного сплава 379
5.7. Варианты управления режимными параметрами точения 380
5.7.1. Одноинструментная обработка ступенчатого вала 380
5.7.2. Многоинструментная обработка с последовательной сменой инструментов 387
5.7.3. Параллельная многопозиционная многоинструментная обработка 403
5.8. Выводы по главе 5 427
Глава 6. Теоретические основы технологии алмазного точения металлооптических поверхностей 431
6.1. Технологические аспекты алмазного точения 431
6.2. Теоретические основы управления режимными параметрами 448
6.3. Варианты управления режимными параметрами алмазного точения 453
6.3.1. Протяженные металлооптические поверхности и непрерывный характер обработки 453
6.3.2. Внеосевое расположение асферических поверхностей 464
6.4. Перспективные возможности алмазного точения отражателей для
лазерного резонатора цилиндрического типа 472
6.5. Выводы по главе 6 479
Заключение 481
Список литературы
- Проблема управления режимными параметрами и процессом изнашивания инструмента
- Стохастическая аппроксимация многофакторных экспериментальных зависимостей и анализ моделей
- Физическая модель процесса косоугольного несвободного резания
- Кинематические схемы обработки, геометрические параметры инструмента и параметры сечения срезаемого слоя
Введение к работе
Характерной чертой современного этапа развития механосборочного производства является постановка и решение экстремальных задач по поиску оптимальных условий протекания технологических процессов. Подобный рост исследовательского интереса к экстремальным задачам связан с ограниченностью природных, материальных и людских ресурсов, необходимостью жесткой экономии энергии и материалов. Для решения этих задач создаются компьютеризированные интегрированные производственные системы с учетом усиленной дифференциации изделий по номенклатуре на фоне конкуренции с аналогичными изделиями прежде всего импортного производства. В этих условиях разработка новых или совершенствование существующих технологических процессов должны основываться на критериях технической и экономической эффективности, а одним из резервов развития производства является снижение технологической себестоимости с учетом прогнозируемого роста объемов лезвийной обработки легированных, труднообрабатываемых и закаленных материалов в автомобилестроении, аэрокосмической промышленности, машиностроении и др. отраслях. Ожидается, что в структуре инструментальных материалов по-прежнему сохранится ведущая роль твердых сплавов (около 70%), вместе с тем возрастет использование в лезвийной обработке алмазов и материалов на основе нитрида бора (до 5-^6%). В краткосрочном периоде развития предприятия без привлечения значительных трудовых и материальных затрат существенный эффект может быть достигнут путем управления режимными параметрами на основе автоматизированного расчета по количественным моделям за счет снижения себестоимости, энергоемкости, повышения производительности и качества обработки.
В долгосрочном периоде прогнозируется развитие чистовых методов, основанных на использовании уникального оборудования и нанотехнологий обработки прецизионных деталей машин и приборов, точность размеров, формы и расположения поверхностей которых составляет микрометры или доли
микрометров. Характерными объектами таких технологий наряду с гироскопами, элементами вычислительной техники, скоростными прецизионными электрическими и пневматическими приводами являются металлооптические элементы лазерных резонаторов и фокусирующих оптических систем.
Анализ литературных данных, а также имеющийся производственный опыт указывают на существенную роль точных количественных оценок при выборе режимов резания, в особенности на операциях лезвийной обработки деталей с предельно высокими требованиями по качеству обработки. Сложность проектирования подобных операций обусловлена несовершенством математического аппарата, недостаточной адекватностью применяемых моделей, нелинейностью взаимосвязей между их параметрами. Очевидным становится и насущная необходимость коренного изменения базового математического обеспечения существующих САПР ТП с переходом на новые научно обоснованные принципы его создания. Учитывая выше сказанное, проблема повышения эффективности лезвийной обработки на основе управления режимными параметрами, процессом резания и изнашивания инструмента, используя моделирование, нелинейные модели и оптимизацию как средство, является актуальной для теории и практики металлообработки.
В основу работы положен теоретический подход и сопоставление результатов анализа с обширной базой экспериментальных данных соискателя и заимствованных из литературных источников со ссылками в главе 1. Там же проанализирована основная рассматриваемая в диссертации проблема. В главе 2 разработаны эффективные методики по моделированию и аппроксимации результатов экспериментальных исследований и на их основе - многофакторные полиномиальные модели, в том числе скорости изнашивания режущих инструментов. В главе 3 раскрыта методика расчета скорости изнашивания инструментов на базе физического и математического моделирования процессов резания, стружкообразования и изнашивания на примере резцов из твердого сплава и нитрида бора. Разработана модель и исследованы характеристики процесса точения металлооптических поверхностей, изучены закономерности из-
нашивания природных монокристаллических алмазных резцов - глава 4. Изложены теоретические основы управления режимными параметрами и процессом изнашивания инструмента, и показана эффективность управления на характерных примерах токарной обработки - глава 5. Разработаны теоретические основы технологии алмазного точения металлооптических поверхностей и дан научно обоснованный прогноз развития этого метода обработки - глава 6.
Практическая ценность работы заключается в разработке теоретического и методологического комплекса, позволяющих повысить эффективности лезвийной обработки. Результаты работы представлены для реализации в виде методического, математического и программного обеспечения как составляющих автоматизированных систем подготовки производства, управления технологическими процессами и CALS- технологий на машиностроительных и приборостроительных предприятиях. Разработанные методические рекомендации по оптимизации, методика испытаний резцов и исследований обрабатываемости сталей и сплавов, технологии алмазного точения переданы для практического применения на ряде предприятий. Практический выход результатов проведенных исследований подтвержден путем применения станков и технологии алмазного точения для обработки металооптических отражателей различных типоразмеров и назначения. Представленные в диссертационной работе исследования по алмазному точению выполнены в МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством соискателя по планам научно-технических программ: грант Министерства образования РФ в 1998-2000 г.г.; "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий" в 2000 г.; "Сотрудничество Министерства образования РФ и Министерства обороны РФ по направлению "Научно-инновационное сотрудничество" в 2001-2002 г.г.
На защиту выносятся новые научные результаты: - основные положения теории и методологии управления режимными параметрами и процессом изнашивания инструмента, основанные на использовании нелинейных моделей скорости изнашивания и направленные на повышение эффективности лезвийной обработки;
методика моделирования и аппроксимации результатов экспериментальных исследований, и разработки многофакторных полиномиальных моделей характеристик резания и скорости изнашивания инструментов;
модели процесса косоугольного несвободного резания, стружкообра-зования и изнашивания резцов из твердых сплавов и нитрида бора как основы оптимизации и управления; расчетная методика исследований обрабатываемости сталей и сплавов;
модели числа циклов фрикционного контакта микрообъемов изнашиваемой инструментальной поверхности до разрушения;
многофакторные полиномиальные модели скорости изнашивания резцов из твердых сплавов и сверхтвердых материалов, полученные аппроксимацией экспериментальных данных или теоретическим расчетом для условий обработки широкой гаммы конструкционных сталей и сплавов, включая труднообрабатываемые ;
- модель процесса точения металлооптических поверхностей, отра
жающая связь режимных параметров с характеристиками качества поверхност
ного слоя, методика выбора и аттестации кристаллов природных алмазов для
оснащения специальных алмазных резцов и обработки протяженных металло
оптических поверхностей;
- технологические аспекты и теоретические основы технологии алмаз
ного точения поверхностей металлооптики, алгоритмы управления режимными
параметрами при непрерывном и прерывистом характере обработки протяжен
ных и асферических поверхностей; научный прогноз, перспективы и результа
ты практического применения метода.
Все результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при непосредственном его участии.
Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 121300 "Инструментальные системы машиностроительных производств". Соискателем разработана новая учебная дисциплина "Информационные банки и оптимизация механической обработки".
Проблема управления режимными параметрами и процессом изнашивания инструмента
Традиционным методом оценки изношенного состояния режущего инструмента является визуальное измерение параметров износа лезвия: глубины, ширины, длины лунки на передней поверхности; величины площадки износа главной, переходной, вспомогательной задних поверхностей. В методическом плане измерения этих параметров детально проработаны, например в работах [28, 29, 148], и многократно использованы для оценки степени износа лезвийных инструментов из различных инструментальных материалов. Изучено изменение параметров износа дезвия во времени и показана их связь с характеристиками резания. Например, соискателем изучено изменение параметров износа твердосплавных сборных резцов при обработке конструкционных сталей во времени, показано увеличение силы резания, шероховатости обработанной поверхности, расхода режущих пластин с увеличением площадки износа по задней поверхности инструмента [30, 35].
Помимо линейных величин количественно износ лезвия принято определять объемной (массовой) мерой. Для этого используют экспериментальные методы непосредственного взвешивания инструмента до и после резания или метод радиоактивных изотопов, когда потерю массы радиоактивного инструмента оценивают по количеству продуктов износа на стружке, поверхности изделия и выпавших в виде пыли, а также расчетные методы [28, 30, 36, 37].
Наибольшее значение для практического использования имеют кривые износа, отражающие зависимость износа задней поверхности от продолжительности резания. Для семейства кривых износа чаще всего устанавливают равновеликую максимально допустимую величину износа hzmax , которая является критерием равного износа и определяет стойкость инструмента для различных условий резания. В этом случае связь режимных параметров со стойкостью инструмента и другими факторами принято устанавливать обобщенными степенными зависимостями вида [28, 50]: v = Cv /[TmtV(HB/200)z] , (1.1) где Cv - постоянная; Т, t, s, НВ - стойкость, глубина, подача, твердость обрабатываемой стали, соответственно. Степенные зависимости введены в практику обработки резанием американским исследователем Ф. Тейлором [31] и широко использовались для расчета режимных параметров на протяжении XX столетия. Помимо степенных уравнений предложено использовать для аппроксимации стойкости ряды Фурье [33] и показательно-степенные уравнения [50] вида у ах есх , где а, Ь, с - постоянные, е - основание натурального логарифма. Обобщенные формулы стойкости и скорости резания составляются путем объединения частных зависимостей с учетом влияния дополнительных факторов поправочными коэффициентами. Например, по экспериментальным данным соискателя получено обобщенное уравнение скорости резания при обработке сталей сборными резцами из безвольфрамовых твердых сплавов [30, 34]: CTsb2 T%l/mtbIeCC1t+C2B)(15_hz)z1KlK2 где значения постоянных и показателей степеней рассчитаны для типовых марок сталей, коэффициенты учитывают влияние формы режущей пластины и смазочно-охлаждающей жидкости. В уравнении также учтено влияние величины износа в пределах hz = 0.25 -ь 0.6 мм.
Предпринята попытка количественной оценки процесса изнашивания инструмента во времени. Так, протекание процесса массового или линейного износа по пути резания было представлено формулой вида [32] G-C 1 +C2La2 , где показатель степени ои 1 соответствует убыванию процесса "приработки" , а показатель степени а 1 - возрастанию процесса ускоренного изнашивания.
В работе [30] предложена методика аппроксимации и получено обобщенное уравнение износа твердосплавного резца при обработке серого чугуна h o.oooesy tO V +s.s-io t- V x0-0018 25 0-3481 62, где hz - величина износа, мм; х - период резания, мин. Формула позволяет в пределах своей области определения вычислять износ резца для конкретных условий обработки в зависимости от времени резания. Аналогично соискателем получена обобщенная формула для расчета величины износа твердосплавного резца при обработке сталей [30, 35]:
48v1.8t0.88s2.053ki hz „7.627s + Г2.04Л0 6у2Л6і0Л9еПт4\ , 9V7Q 2k3 S X , (1.2) где коэффициенты учитывают влияние марки твердого сплава и влияние сма-зочно-охлаждающей жидкости. Используя эти выражения, можно численным дифференцированием рассчитать скорость изнашивания инструмента, вместе с тем формулы типа (1.2) не нашли практического применения в связи с методи ческой сложностью оценки входящих параметров и неопределенностью погрешностей аппроксимации.
Стохастическая аппроксимация многофакторных экспериментальных зависимостей и анализ моделей
Преимущества лезвийной обработки металлооптических поверхностей различных форм и типоразмеров по производительности и качеству в полном объеме могут быть реализованы только при использовании специальных станков, отличительной особенностью которых является наличие аэростатичесих подшипников высокой жесткости во всех подвижных узлах, специализированных систем ЧПУ или непосредственного взаимодействия с управляющей ЭВМ, использование встроенных лазерных измерителей микроперемещений, пьезо-приводов, активных средств защиты от внешних вибраций и др. В период 80- -90 г.г. XX столетия усилиями ряда станкостроительных фирм и научно-исследовательских лабораторий США, Западной Европы и Японии (Lawrence Livermore Laboratory, Union Carbide, Moore Special Tools, Pneumo Precision, Ex-Cell-O, Philips Research Laboratory, Cranfield Union for Precision Engineering и др.) создана гамма уникальных станков, реализующих возможность лезвийной обработки поверхностей различных типоразмеров. В научной печати сообщается, что в лабораторных условиях на этих станках обработаны поверхности с макроотклонениями от заданной формы 25 нм и средним квадратическим отклонением профиля 4.2 нм при максимальных габаритах обрабатываемых изделий до 2000 мм (станок по проекту LODTM, США). В таблице 7 приведены некоторые модели станков, разработанные в различных станкостроительных и научно-исследовательских организациях и фирмах.
Специализация станков заключается в форме обрабатываемых поверхностей и допустимых габаритах обрабатываемых изделий. Следует отметить, что использование этих станков требует сложного инженерного обеспечения: кондиционирования и температурной стабилизации помещения, оборудования и зоны резания; вибро- и шумоизоляции; тонкой очистки сжатого воздуха и др. Основные технические характеристики станков составляют: частота вращения шпинделя 50-К3500 мин"1, радиальное биение шпинделя 0.025-Ю.05 мкм, осевое - 0.03 0,05 мкм, диаметр обрабатываемых деталей до 2000 мм. Станки обеспечивают подачу инструмента: 20-И50 мкм/об (черновая обработка) и НЮ мкм/об (чистовая).
Отечественные уникальные станки алмазного точения по своим техническим характеристикам и технологическим возможностям не уступают соответствующим зарубежным аналогам. Разработкой и созданием кооперации по изготовлению таких станков занимались на ряде предприятий: МСПО "Красный пролетарий", ЭНИМС, НПО "Оптика", НПО "Астрофизика", ГОИ, НПО "Композит", ВПО "Техника", СКТБ с ОП ИСМ АН Украины и др. [45-49, 193]. Так, станки алмазного точения мод. МК6501, МК6502, МК6561, МК6562, МК6516 производства МСПО "Красный пролетарий" (ОАО "Красный пролетарий") предназначены для обработки плоских поверхностей, цилиндров электрографических машин, сферических оптических поверхностей. На этом же предприятии разработаны уникальные станки мод. МК6521ФЗ, МК6523, предназначенные для контурной обработки плоских, сферических, асферических с уравнениями высоких порядков, цилиндрических, конических и др. поверхностей на деталях металлооптики диаметром до 300 мм [193]. В СКТБ с ОП ИСМ разработана и изготовлена гамма уникальных станков различного назначения: мод. МО200 для обработки призм, многогранников; мод. 600ПЛ - расточка плоскостей диаметром до 600 мм; мод. МО 1045 - обработка плоских, сферических, асферических и др. поверхностей диаметром до 500 мм; а также станки мод. МО1805, САТ1805, САТ1801, САТ1815 и др. Станки указанных моделей имеют в качестве базовой поверхности массивную гранитную станину, смонтированную на пневматических виброопорах, оснащены пьезоприводом резцовой головки, лазерными измерителями микроперемещений, интерферометрами для контроля точности формы обработанных поверхностей и др. системами.
На протяжении ряда лет соискатель принимал непосредственное участие в совместных работах с рядом организаций по разработке станков алмазного точения и их внедрению на производственно-экспериментальной базе НПО "Композит". Некоторые технические характеристики станков алмазного точения, использованных для проведения технологических исследований, обработки весогабаритных макетов и штатных изделий, приведены в таблице 8.
Общий вид станков мод. МО1805 и МК6516 показан на рис. 1.6, 1.7. Станки указанных моделей относятся к сферотокарным станкам, т.е. обрабатывают сферическую выпуклую или вогнутую поверхность (плоскую как частный случай сферической) кинематически за счет соответствующей настройки взаимного положения шпиндельной и суппортной групп [48, 49]. Кинематическая схема формирования сферической (асферической) поверхности и кинематическая схема станка МОЇ 805 представлены на рис. 1.8, 1.9, и реализованы по авторскому свидетельству SU 1103947 (Г.Г.Добровольский, Б.С. Крячек, Н.К. Люненко). Расчетный радиус сферической поверхности получен за счет разворота оси суппортной группы на угол ф относительно оси вращения шпинделя с закрепленной деталью. В этом случае ось резцовой головки установлена по нормали к обрабатываемой поверхности, резец перемещается со скоростью рабочей подачи по дуге окружности радиуса Ru , а пьезопривод сообщает дополнительное движение асферизации Л относительно базовой сферы при формировании асферической поверхности,
Физическая модель процесса косоугольного несвободного резания
Узловым моментом физической модели процесса резания и стружкооб-разования является определение положения поверхности сдвига, длины контакта стружки, сил и распределений контактных давлений на поверхностях лезвия. Так, В.К. Старковым решена задача расчета длины контакта стружки по передней поверхности с использованием общепринятой эпюры нормального контактного давления как задача взаимного упругого сжатия стружки конечных размеров с полуплоскостью инструмента [172]. С другой стороны, Г.Г. Добровольский и Д.А. Жоголев предложили выражение для длины контакта, рассматривая распределение касательных давлений на передней поверхности инструмента [76]. Приравнивая эти выражения длин контакта, получена зависимость для расчета среднего значения угла сдвига в направлении схода стружки, учитывающая влияние параметров срезаемого слоя и упругих свойств обрабатываемого и инструментального материалов: где коэффициент k] отражает влияние скорости резания; упругая постоянная 2 2 равна TQ (l-u.j )/Ej +(1-ц2) 2 Ei , Е2 - модули упругости обрабатываемого и инструментального материалов; JLLJ , Д2 коэффициенты Пуассона; ус - передний угол в направлении схода стружки. Тогда средний коэффициент укорочения (усадки) стружки составляет где коэффициенты учитывают влияние: 1 - свойств обрабатываемого материала, кз - наличие износостойкого покрытия на твердом сплаве.
Связь коэффициента к\ со скоростью резания установлена путем обработки экспериментальных данных [77, 171] по сталям различных марок -(рис. 3.8), а связь коэффициента 1 - с параметром А2.5/5ОО , определена по 18 маркам сталей по данным работы [77] - (рис. 3.9): k{-0.94-v-0-355 ; к2 =1.051-(A2,5/500) L085 , где v - скорость резания, м/с; А2,з _ сопротивление сдвигу при истинном сдвиге 2.5, МПа. Для практического использования параметр А2.5 целесообразно заменить величиной касательного напряжения в плоскости сдвига тр , рассчитанной по методике С.С. Силина [75], на основании установленной тесной корреляционной связи этих величин - рис. ЗЛО.
Для случая обработки закаленной стали резцами из нитрида бора коэффициент ki интегрально учитывает вид эпюр контактных давлений на поверхностях лезвия и влияние скорости резания. По экспериментальным данным коэффициента укорочения стружки для этих условий [186] рассчитаны значения коэффициента ki и представлены в виде: k =-0.0388-lnv-O.0378, где v -скорость резания, м/с.
В работах [169, 173] предложено учитывать влияние деформационно-скоростного упрочнения и температурного разупрочнения на величину касательных напряжений на поверхности сдвига. Вместе с тем используемые для этого коэффициенты и показатели являются либо эмпирическими для каждой группы материалов, либо рассчитываются на основе термомеханических моделей для адиабатических условий деформирования в плоскости сдвига, что затрудняет их использованием для количественного описания процесса косоугольного несвободного резания.
Связь касательных напряжений в плоскости сдвига с параметром А2.5 для 18 марок сталей, К - коэффициент корреляции для широкого выбора марок конструкционных сталей и сплавов. Вместе с тем, учитывая специфику деформирования титановых сплавов при резании, на основании обработки экспериментальных данных работ [43, 44] предложено полиномиальное уравнение для расчета коэффициента укорочения стружки для этих сплавов; KL -0.882-0.102Х! -0.196Х2 -0.0062X 2 + 0.106Х + 0.182Х -0.072Х -0.129Х , где кодирование факторов выполнено по общей процедуре (2.8): Xi=Cod(aef, 0.4, 0.04); X2-Cod(v, 2.67, 0.17), aef-- эффективная толщина среза, мм, по (3.14), v — скорость резания, м/с.
В качестве примера на рис. 3.11 приведены расчетные зависимости влияния скорости резания на коэффициент укорочения стружки при обработке стали марки 60 и титанового сплава марки ВТЗ-1 твердосплавными резцами для различных сечений срезаемого слоя и эффективных толщин среза.
Кинематические схемы обработки, геометрические параметры инструмента и параметры сечения срезаемого слоя
Количественную оценку связи шероховатости обработанных поверхностей с технологическими режимами алмазного точения проводили по трем параметрам: Rmax, что дает представление о предельных размерах микронеровностей, а также отражает наличие дефектов в обработанной поверхности; Ra -более наглядно отражает тенденцию изменения размеров микронеровностей при изменении технологических режимов и условий обработки; Rq - аналогичен параметру Ra, но позволяет проводить сравнение с оценками величины микронеровностей по фотометрическому методу. С целью уменьшения влияния случайной составляющей погрешности измерения и неоднородности свойств материала исследуемых поверхностей, измерения каждой поверхности проводили в десяти радиальных сечениях. Перед проведением измерений осуществляли температурную стабилизацию (уравнивание температуры образца и стола измерительного прибора), а также минимизировали влияние внешних вибраций. Параметры шероховатости измеряли с применением отсечки шага (высокочастотного фильтра) 0,08 мм, что исключило влияние волнистости. Примененная методика позволила получить оценки измеряемых параметров Rmax, Ra (Rq) с погрешностью 10-И 5% и 6- 8%, соответственно.
Наилучшие результаты по шероховатости обработанных поверхностей получены при алмазном точении специального мелкокристаллического сплава системы алюминий-магний. Результаты исследований шероховатости по параметру Rmax составили: диапазон изменения 14,2 -г- 25,3 нм; среднее значение 17,3 нм; среднее квадратическое отклонение 1,05 нм; коэффициент вариации 0,06 (46 измерений, подача 6,3- 9,6 мкм/об).
Вместе с тем при обработке поверхностей из стандартных сплавов шероховатость возрастает как по средним значениям, так и по рассеянию. В таблице 27 приведены результаты исследований шероховатости алюминиевых поверхностей основ дисков магнитной памяти различных партий: количество исследованных поверхностей, среднее значение, среднее квадратическое отклонение, коэффициент вариации (подача 19,5 мкм/об). Как следует из данных таблицы 27, шероховатость по верхнему отклонению параметра Rmax составляет менее 49 нм, что удовлетворяет предъявляемым требованиям к оптическим поверхностям.
Значения шероховатости могут быть уменьшены при рациональном выборе значений подачи. На рис, 4.27 приведены экспериментальные точки значений и аппроксимирующие кривые параметров шероховатости Rmax, Ra, Rq, измеренные на алюминиевых (АМгб) и медных поверхностях, обработанных алмазным точением в диапазоне подач 2,5- 39 мкм/об (глубина резания 4-гб мкм).
Влияние подачи на значения параметров шероховатости аппроксимировано степенной зависимостью значения постоянных С, показателей степеней т, ошибки Д для соответствующих параметров шероховатости. Шероховатость по параметру Rmax со значением менее 50 нм обеспечивается при значениях подачи менее 9 мкм/об. Такая шероховатость позволяет использовать эти поверхности как отражающие в оптических элементах различного назначения.
Уравнение (4,7) устанавливает количественную связь шероховатости поверхности со значением подачи и использовано в качестве технологических ограничений для алгоритмов управления режимными параметрами (глава 6).
Спектральные характеристики отражения оптических поверхностей образцов после алмазного точения измеряли на спектрофотометрах "U-3400" и "270-50" фирмы "HITACHI" с использованием приставок на отражение. Коэффициенты зеркального отражения R3 на длине волны 10,6 мкм и угле падения излучения, близком к нормальному, измеряли на ИК- спектрофотометре "270-50" с использованием приставки на отражение "IRR-ЗГ путем сравнения с калиброванным стандартом (99+0,3 %). Поверхности натурных изделий на длине волны 10,6 мкм контролировали на специальном стенде с погрешностью ±0,2%.
Коэффициенты зеркального R3 (угол падения излучения, близкий к нормальному) и диффузного RA отражения поверхностей образцов в диапазоне длин волн 0,25 + 1,5 мкм определяли на спектрофотометре "U-3400" с использованием специальных приставок на отражение.
Характеристики отражения поверхностей после алмазного точения зависят прежде всего от материала поверхности, наличия и состава отражающего и защитного покрытий. Б таблице 29 приведены значения коэффициента зеркального отражения, измеренные на длине волны 10,6 мкм, алюминиевых и медных поверхностей без покрытий, а также с отражающими медным и серебряным покрытиями; в качестве адгезионного переходного слоя выбран хром; защитными покрытиями являлись НГО2 или AI2O3.
Как следует из данных таблицы 29, для поверхностей, обработанных алмазным точением, характерна высокая отражательная способность. В ИК- области спектра отражательная способность оптических поверхностей после алмазного точения практически соответствует отражательной способности оптических поверхностей, обработанных традиционным методом полирования - доводки. В УФ- и видимой области спектра отмечается разброс значений коэффициентов зеркального и диффузного отражения вследствие анизотропии свойств, вызванной влиянием ориентации обработанной поверхности относительно па дающего излучения и технологическими факторами обработки. На рис. 4.28 на основании обработки ряда спектральных зависимостей приведены измеренные величины коэффициентов зеркального и диффузного отражения поверхностей образцов и изделий из сплава АМгб, обработанных алмазным точением. В таблице 30 даны средние значения коэффициента зеркального отражения поверхностей образцов из меди марки МОб в диапазоне длин волн 0,4 - 0,8 мкм. Как показывает анализ, для изготовления высококачественных оптических элементов, используемых в УФ- и видимом диапазонах, целесообразно алмазное точение дополнить последующей операцией полирования - доводки с целью уменьшения прежде всего диффузного рассеяния излучения.
