Методы механической обработки

Наивысшее качество оптических поверхностей получают, как известно, путем взаимной притирки соприкасающихся поверхностей инструмента и заготовки. Однако в отличие от простейших видов поверхностей – сферы и плоскости – асферические поверхности не имеют математических свойств, позволяющих обрабатывать их классическим способом притирки по всей поверхности с взаимоисправлением обрабатываемой поверхности и инструмента. Исключение составляют поверхности прямого кругового цилиндра. Как известно, только сфера и плоскость совмещаются между собой при любом перемещении вдоль поверхности. Уже прямой круговой цилиндр требует для совмещения двух движений – вращения вокруг оси и перемещения вдоль образующей. Асферические же поверхности вра­щения совмещаются сами с собой только при вращении их вокруг оси симметрии, чего совершенно недостаточно для осуществления процесса притирки. Лишь некоторые типы асферических поверхностей допускают обработку с автоматической правкой – притиркой инструмента, но инструмент при этом должен иметь специальную форму – линейную. К таким поверхностям относятся параболоиды вращения, торы, конусы и другие линейчатые поверхности.

В зависимости от характера контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью различают три вида формообразования:

- соприкосновение по поверхности, при котором инструмент и обрабатываемая заготовка соприкасаются по значительной части площади поверхностей;

- линейное соприкосновение, при котором инструмент и заготовка соприкасаются по некоторой линии или по узкой полоске, ширина которой значительно меньше ее длины;

- точечное соприкосновение, при котором соприкосновение инструмента с обрабатываемой поверхностью происходит на участке, линейные размеры которого малы по сравнению с размерами поверхности инструмента и заготовки.

Соприкосновение по поверхности. Способ основан на соприкосновении поверхностей; для асферических поверхностей имеет ограниченное применение из-за указанных выше свойств этих поверхностей. Однако он представляет интерес, так как позволяет получать поверхности высокой точности (с ошибками до 0.05λ, т. е. 0, 02 мкм), требуемой для поверхностей уникальных оптических систем.

Наибольшее развитие получили несколько технологических приемов, основанных на соприкосновении по поверхности: метод местной ретуши; метод «маски» и метод «упругого инструмента». Первые два метода основаны на управлении процессом формообразования поверхностей во время шлифования и полирования за счет изменения конфигурации рабочей поверхности инструмен­а и времени обработки отдельных зон поверхности изготавливаемой детали.

Съем стекла (I) в каждой точке зоны у по нормали к поверхности определяется как

где Р _у – нагрузка на инструмент; V _у – скорость изделия относительно инструмента; S _у – коэффициент покрытия; Т _у – время обработки; к – коэффициент, учитывающий действие технологических факторов (абразивную способность, концентрацию суспензии, твердость по сошлифовыванию и т. д.). Наиболее простое регулирование скорости съема по зонам можно осуществлять за счет изменения параметров S _у и Т _у.

Метод ретуши используют при изготовлении крупногабаритных оптических деталей астрономической оптики с асферическими, а также сферическими или плоскими поверхностями для получения требуемой формы и исправления возникших в процессе обработки ошибок. Требуемые форму и точность поверхности получают последовательным применением полировальных инструментов с различными диаметрами и конфигурацией рабочей поверхности, а также за счет изменения времени обработки, смещения и размера штриха в процессе полирования. При этом форма и точность поверхности периодически контролируются. Применяют инструмент с конфигурацией рабочей поверхности типа «ромашки», изменяющий коэффициент покрытия S _у по зонам, либо инструмент малого диаметра (меньше половины диаметра обрабатываемой поверхности). В работах Г. М. Попова, А. М. Прохорова и их соавторов приведены формулы, позволяющие рассчитать форму инструмента и приблизительное время обработки.

Метод линейного соприкосновения. Линейное соприкосновение обеспечивает большую точность, чем метод точечного соприкосновения. Это единственный метод, допускающий обработку разнообразных асферических поверхностей (параболических, эллиптических, гиперболических, торических, конических и поверхностей однополостных гиперболоидов) с одновременным взаимоисправлением инструмента и поверхности.

Метод «ножа» получил широкое распространение для обработки асферических поверхностей. В случае параболоидов вращения для образования поверхности используют их геометрическое свойство, состоящее в том, что все сечения параболоида плоскостями, параллельными его оси, есть параболоиды одного и того же параметра. Действительно, уравнение параболоида, образованного вращением параболы у ² = 2 рх вокруг оси О х имеет вид

(15.1)

Уравнение плоскости, параллельной плоскости ху и отстоящей от нее на расстоянии а, можно записать в виде

z = a (15.2)

Линия пересечения параболоида этой плоскостью определится совместным решением уравнений (15.1) и (15.2). Она может быть описана уравнением

Таким образом, линии пересечения параболоида плоскостью, отстоящей от осевой плоскости на расстояние а, является параболой того же параметра, но с вершиной, смещенной вдоль оси О х на величину а /2 р.

Следовательно, если взять вращающуюся вокруг своей оси сферическую заготовку в и обрабатывать ее свободным абразивом с помощью тонкой металлической пластинки – «ножа» 5, имеющеговозвратно-поступательное движение (указано стрелками на рис. 15.12), при котором нож скользит по поверхности заготовки, оставаясь все время параллельным оси ее вращения, то через некоторое время пластинка должна приобрести параболический профиль, а заготовка, благодаря износу, – принять соответственно форму параболоида. Возвратно-поступательное движение может осуществляться с помощью механизма, состоящего из кривошипа 1, шатуна 2, ползуна 3 и параллелограмма 4.

Однако на практике из-за влияния различных технологических факторов не удается получить путем взаимной притирки инструмента и детали параболоид вращения идеальной формы. Распределение относительных скоростей инструмента и детали, конечная толщина инструмента, неравномерность возвратно-поступательного движения кожа, неточность направлений движений приводят к искажению формы получаемой поверхности. Теоретические исследования метода показали, что наибольшая неравномерность износа наблюдается на краю поверхности, вблизи остановки ножа; подбирая значения отношения ω / v (где ω и v – соответственно скорости вращения заготовки и кривошипа, приводящего в движение «нож»), можно уменьшить образование кольцевой канавки в зоне наибольшей интенсивности износа, хотя совсем уничтожить ее не удается; на образование канавки сильное влияние также оказывает значение отношения Н/ℓ (Н – ход ножа; ℓ – ширина ножа), при ее увеличении исчезает резкий подъем кривой интенсивности износа.

На износ поверхности несколько влияют перераспределения давления при выходе части ножа за край заготовки, а также изменения ширины соприкасающейся кромки ножа. Исходная заготовка для изготовления выпуклых параболических поверхностей 2 имеет сферическую поверхность 1 ближайшего радиуса (рис. 15.13, а), рассчитываемого по формуле R = р + r ²/4 р, где r – радиус основания поверхности.

Объем материала, который при этом необходимо удалить, определяют по формуле Δ v = π h ³/6, где h – высота (стрелка) параболоида.

Для вогнутых параболоидов 3 (рис. 15.13, б) пользуются формулой , где 2у₁ – диаметр круга по которому сфера 4 (радиуса R) касается параболоида. Обе формулы справедливы лишь при r < р.

Экспериментальные исследования показывают, что уменьшение ширины ножа и длины его хода, как одновременно, так и порознь, ведут к притуплению вершины выпуклой обрабатываемой поверхности, т. е. увеличению ее параметра; изменение параметра в процессе обработки происходит медленно; для получения параболоида заданного параметра из сферы ближайшего радиуса необходимо при ω / v = 1: 2 применять ножи шириной ℓ = 0, 71 D) при длине хода Н = (0, 86 + 0, 90) D (D – диаметр заготовки), либо шириной ℓ = 0.8 D при длине хода Н = 0, 8 D; увеличение ω / v, т. е. увеличение скорости вращения параболоида по сравнению со скоростью ножа, приводит к увеличению износа на краю поверхности и, таким образом, к уменьшению параметра выпуклой поверхности; последняя становится круче; вогнутая поверхность, наоборот, становится более пологой; тонкие ножи меньше искажают поверхность; характер ошибок по краю поверхности при данном диаметре заготовки зависит от величины хода инструмента.