УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Данное предложение относится к области технологии обработки оптических деталей и может быть использовано для финишной обработки прецизионных поверхностей оптических деталей.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение точности процесса финишной обработки поверхностей оптических деталей, преимущественно прецизионных поверхностей, например линз или оптических зеркал малым инструментом (рабочая поверхность инструмента меньше площади, поверхности обрабатываемой детали) при автоматизированном управлении процессом формообразования, минимизация технологических циклов полирования в процессе достижения требований к качеству оптических поверхностей по критерию среднеквадратичного отклонения формы поверхности и шероховатости обработанной поверхности, а также расширение его технологических возможностей за счет устранения ограничений по величине радиуса кривизны обрабатываемых вогнутых поверхностей.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для магнитореологической обработки (доводка и полировка) поверхностей оптических деталей (1), появление которого связано с возросшими требованиями к бездефектности оптических поверхностей и их шероховатости, что при классическом полировании не получается в стабильно воспроизводимом режиме.
Заложенный в данном устройстве магнитореологической обработки принцип прост: обрабатываемую деталь приводят во вращение вокруг своей оси, в зону обработки посредством вращающегося колеса или ролика через сопло подается под давлением содержащая железный порошок магнитореологическая жидкость (МРЖ). Магнитная система (например электромагнит), расположенная внутри колеса, создает в вершине колеса сильное магнитное поле, которое обеспечивает перевод МРЖ в зоне обработки в вязкопластическое состояние в виде компактного сгустка МРЖ на поверхности колеса под обрабатываемой деталью, выполняющего роль ″малого инструмента″, а обрабатываемая деталь закрепляется на вращающемся шпинделе и погружается на 0,5 мм в МРЖ, где под воздействием магнитного поля и создается обрабатывающий ″малый инструмент″, формируемый из находящейся в зоне обработки и переводимой в вязкопластическое состояние МРЖ под действием постоянного магнитного поля, накладываемого на нее в зоне обработки.
Этим ″малым инструментом″, пятно контакта которого с обрабатываемой поверхностью близко к точечному, и ведут обработку.
Данное устройство для магнитореологической обработки поверхностей оптических деталей, содержит размещенные на станине стол для крепления обрабатываемой детали с приводом его вращения, шпиндель, установленный над столом с возможностью перемещения относительно стола по координатам X, Y и Z, несущий инструмент, формируемый в виде сгустка МРЖ, находящейся в зоне обработки и переведенной в вязкопластическое состояние под действием накладываемого нее в зоне обработки магнитного поля, и включающий рабочую головку и электромагнит постоянного тока с источником питания; систему обеспечения устройства МРЖ, состоящую из резервуара для подготовки и хранения МРЖ, насосы ее подачи и откачки из рабочей зоны и систему трубопроводов, а также блок управления процессом обработки, связанный с обеспечения устройства МРЖ..
Рабочая головка включает в себя вращающееся колесо, обеспечивающее как подачу МРЖ в зону обработки, так и отвод ее из зоны обработки, и в совокупности с установленным на ней электромагнитом постоянного тока, является важным условием создания инструмента, обеспечивающего возможность создания в зоне обработки условий для перевода МРЖ из жидкотекучего состояния в вязкопластическое с образованием выполняющего рабочие функции инструмента (съем материала с обрабатываемой поверхности детали) сгустка МРЖ и перемещения его в зоне обработки с необходимой скоростью, определяемой скоростью вращения колеса, а также возможность удаления МРЖ из зоны обработки.
За счет вращения колеса обеспечивается необходимая скорость съема, а также производится смена МРЖ в зоне обработки. За счет этого, возможна целенаправленная обработка заготовки, так как жидкость образует постоянную зону действия в точке соприкосновения с заготовкой.
Блок управления процессом обработки управляет работой системы обеспечения устройства МРЖ, включающей в себя подающий насос, связанный с соплом подачи МРЖ к колесу в зону обработки, насос для отбора МРЖ из рабочей зоны инструмента со съемником МРЖ, систему перемешивания, расположенную в резервуаре с МРЖ, датчик давления, систему термостатирования, дозатор и систему трубопроводов с электромагнитными клапанами в ней.
Кроме того, блок управления процессом обработки через датчик рабочего зазора отслеживает положение инструмента относительно обрабатываемой поверхности детали, и поддерживает его величину постоянной в процессе обработки.
Компьютерно-управляемая обработка поверхностей оптических деталей, реализуемая на подобных устройствах для магнитореологической обработки позволяет получать малую погрешность формы N<λ/50 и ΔN<λ/50 (λ=0,63 мкм), шероховатость Rz=3 нм, микрошероховатость менее 1 нм, что позволяет увеличить лучевую стойкость в (3-5) раз.
Кроме того, обрабатываемые магнитореологической обработкой детали имеют минимальную толщину нарушенного слоя вследствие минимального термического воздействия на деталь.
Итак, преимущества технологии магнитореологического обработки следующие:
- минимальная шероховатость и толщина разрушенного слоя;
- малая погрешность формы (N<λ/50 и ΔN<λ/50);
- отсутствие износа полировального инструмента;
- отсутствие термического воздействия инструмента на деталь;
- минимальное давление на деталь;
Однако подобные устройства имеет свои границы. Если при обработке выпуклых поверхностей границ почти нет, при обработке вогнутых поверхностей граница достигается очень быстро, так как радиус кривизны должен быть больше радиуса колеса, который не может быть очень малым.
Недостатком данного устройства является также сложное конструктивное решение основной составной части инструмента, а именно рабочей головки, включающей вращающее колесо совмещенное с неподвижным электромагнитом постоянного тока.
Другим существенным недостатком является время процесса. Чем больше диаметр оптической детали, и отклонение формы исходной заготовки, тем больше время доводки. В некоторых случаях время обработки может составлять до 6 часов. Несмотря на оптимизацию и подгонку процессов шлифования и предварительного полирования время МРЖ обработки еще очень велико. Длительность процесса повышает стоимость обработки асферических поверхностей оптических деталей. Вместе с тем, растянутость процесса во времени и управляемость величиной съема позволяет добиться очень точной корректировки формы поверхности.
Задачей предлагаемого устройства является повышение точности, производительности процесса финишной обработки поверхностей оптических деталей и расширение его технологических возможностей.
К техническому результату, обеспечиваемому предлагаемым устройством, относятся:
- повышение точности процесса финишной обработки поверхностей оптических деталей при автоматизированном управлении процессом формообразования с обеспечением величины отклонения формы поверхности по критерию среднеквадратичного отклонения с. к.о.<λ/100 (при λ=0,6328 мкм.);
2
0
- минимизация технологических циклов полирования за счет большей площади пятна контакта (от 20 до 15000 мм и более) торцевой части рабочей головки в процессе достижения требований к качеству оптических поверхностей по критерию среднеквадратичного отклонения формы поверхности (с.к.о.<λ/100) и шероховатости обработанной поверхности (до 10 А);
- расширение его технологических возможностей за счет устранения ограничений по величине радиуса кривизны обрабатываемых вогнутых поверхностей (соотношение диаметра детали к радиусу кривизны <1,25).
Технический результат достигается тем что, в устройстве для магнитореологической обработки поверхностей оптических деталей, содержащем размещенные на станине стол для крепления обрабатываемой детали с приводом его вращения, установленный над столом с возможностью перемещения относительно него, шпиндель с установленной на нем рабочей головкой, включающей электромагнит постоянного тока, обмотка рабочего тока которого подсоединена к источнику питания электромагнита, и инструмент, формируемый в виде сгустка магнитореологической жидкости, находящейся в зоне обработки и переведенной в вязкопластическое состояние под действием накладываемого нее в зоне обработки магнитного поля, а также систему обеспечения устройства магнитореологической жидкостью и связанный с ней блок управления работой устройства, снабженным датчиком рабочего зазора; в корпусе рабочей головки со стороны обращенной к столу выполнена замкнутая ограниченная по объему внутренняя полость, соединенная с системой обеспечения магнитореологической жидкостью через выполненные в корпусе головки каналы подвода и отвода магнитореологической жидкости, причем электромагнит постоянного тока выполнен в виде закрепленного на головке над упомянутой полостью охватывающего корпус головки тороидального сердечника, подача питания обмотки рабочего тока которого управляется от блока управления работой устройства.
Технический результат достигается также тем, что:
- упомянутая полость в рабочей головке образована закрепленным на корпусе рабочей головки со стороны ее торца под электромагнитом постоянного тока кожухом, охватывающим наружную сторону корпуса рабочей головки и выступающим вниз под рабочей поверхностью головки из немагнитного материала на наибольшую величину рабочего зазора между рабочей поверхностью головки и поверхностью обрабатываемой детали.
- рабочая головка связана со шпинделем через поводок и механизм плоскопараллельного движения.
При исследовании отличительных признаков описываемого устройства не выявлено каких-либо аналогичных технических решений, касающихся предложенных вариантов выполнения предложенного его.
Таким образом, заявленное техническое решение соответствует условию ″НОВИЗНА″.
Сущность заявленного устройства магнитореологической обработки поверхностей оптических деталей малым инструментом поясняется иллюстрациями, где:
- на Фиг. 1. представлена заявленная функциональная схема устройства магнитореологической обработки;
- на Фиг. 2. представлен вариант конструктивного решения предлагаемой рабочей головки, позволяющего осуществлять магнитореологическую обработку в присутствии в зоне обработки площадного контакта инструмента и обрабатываемой детали.
- на Фиг. 3. представлена фотография макетного образца устройства для магнитореологической обработки.
Устройство для магнитореологической обработки представляет собой, установленные на станине стол 1 для крепления обрабатываемой детали 2 с приводом его вращения (на рисунке не показан) вокруг собственной вертикальной оси (координата U); вращающийся шпиндель 3 (координата С) через механизм 4 плоскопараллельного кругового движения (координата S) с эксцентриситетом относительно оси шпинделя 3 связан с рабочей головкой 5, установленной на станине с помощью кареток с возможностью перемещения по координатам X, Y и Z относительно стола 1; систему обеспечения устройства МРЖ, включающую в себя резервуар 6 для подготовки и хранения МРЖ, который обеспечивает непрерывное перемешивание жидкости, поддержание необходимой температуры; перистальгический насос 7 для подачи МРЖ под давлением 5÷10 КПа в рабочую головку 5, насос 8 для откачки МРЖ из рабочей головки 5, который обеспечивает сбор отработанной жидкости в рабочей головке 5 и подачу ее резервуар 6; электромагнитный клапан 9 и трубопроводы 10, соединяющие насос подачи 7, резервуар 6 и рабочую головку 5; установленный на рабочей головке 5 источник 11 импульсного (прерывистого) магнитного с магнитной индукцией - 250 мТл и блок управления работой устройства, включающий в себя промышленный компьютер 12, управляющий рабочими перемещениями рабочей головки 5 и стола 1 станка по заданной программе и сигналам с датчика 13 перемещения, который отслеживает положение инструмента относительно обрабатываемой поверхности детали, и подачу МРЖ в зону обработки; а также работой блока 14 питания источника 11 магнитного поля и работой системы обеспечения устройства МРЖ.
В корпусе рабочей головки 5 со стороны обращенной к столу 1 выполнена замкнутая ограниченная по площади внутренняя полость 15 (диаметром Ø=40÷200 мм.), соединенная выполненными в корпусе каналами подвода 16 и отвода 17 и трубопроводами соответственно с резервуаром 6 и насосами подачи 7 и откачки 8 МРЖ.
Формирование малого инструмента осуществляют в установленной на шпинделе 3 станка рабочей головке 5 посредством подачи МРЖ (взвешенной суспензии) насосом 7 из резервуара 6 посредством клапана 9 по трубопроводу через подводящий канал 16 в замкнутую ограниченную по площади полость 15 в корпусе рабочей головки 5, в которой при наложении на зону обработки магнитного поля источника 11, закрепленного на корпусе рабочей головки 5 над полостью 15, МРЖ переходит в вязкопластическое состояние, принимая в полости 15 форму сгустка 18 МРЖ, имеющего площадное пятно контакта с поверхностью обрабатываемой детали и поджимаемого своей торцевой рабочей поверхностью под давлением МРЖ к поверхности обрабатываемой детали 2.
Источник 11 импульсного (прерывистого) магнитного может представлять собой электромагнит постоянного тока, содержащий выполненный из магнитомягкого материала тороидальный сердечник 1, охватывающий корпус рабочей головки над полостью 15, тороидальную катушку медного провода и электрические выводы, подключенные к блоку 14 питания источника 11 магнитного поля. При этом компьютер 12, подавая периодически команды на включение на требуемый промежуток времени электромагнита, затем на отключение последнего, создает таким образом в зоне обработки импульсы прерывистого магнитного поля, тем самым создавая условия для управляемого существования в полости 15 рабочего сгустка 18 МРЖ со временем жизни определяемым временем действия на него магнитного поля, причем в процессе обработки производят чередование периодов наложения магнитного поля и периодов его снятия, при этом время наложения магнитного поля соответствует сеансу обработки, а время его отсутствия - сеансу замены в зоне обработки МРЖ.
Как показано на Фиг. 2. в варианте выполнения рабочей головки 5 упомянутая полость 15 в рабочей головке 5 образована закрепленным на корпусе рабочей головки со стороны ее торца под электромагнитом 11 постоянного тока кожухом 19 из немагнитного и стойкого к воздействиям МРЖ материала, например из фторопласта, охватывающим наружную сторону корпуса рабочей головки 5 и выступающим вниз под рабочей поверхностью головки 20 на наибольшую величину рабочего зазора между рабочей поверхностью головки 20 и поверхностью обрабатываемой детали 2.
Отсос из полости 15 отработавшей МРЖ производится после снятия магнитного поля, когда сгусток 18 МРЖ при отсутствии магнитного поля переходит снова из вязкопластического состояния в жидкотекучее и по отводу 17 в корпусе рабочей головки 5 и соединяющему трубопроводу насосом 8 откачки отводится в резервуар 6.
Работает предложенное устройство для магнитореологической обработки следующим образом:
После интерферометрического контроля обрабатываемую деталь 2 устанавливают на столе 1 станка, а в компьютер 12 вводится необходимая программа рассчитанного технологического сеанса формообразования поверхности оптической детали 2. Рабочая головка 5 по команде от компьютера 12 подводится к поверхности обрабатываемой детали 2 до получения от датчика 13 перемещения команды на остановку рабочей головки 5, после чего компьютером 12 подается команда на электромагнитный клапан 9 и МРЖ из резервуара 6 насосом 7 подачи поступает через канал 19 в полость 15, следующая команда от компьютера 12 отключает клапаном 9 подачу МРЖ в рабочую головку 5, замыкая насос 7 напрямую на резервуар 6, и включает источник 11 импульсного (прерывистого) магнитного поля, после чего МРЖ в полости 15 переходит в вязкопластическое состояние принимая форму сгустка 18, прижимаемого своей торцевой рабочей поверхностью под давлением МРЖ создаваемым насосом 7 подачи в системе систему подготовки и подачи МРЖ к поверхности обрабатываемой детали с созданием площадного пятна контакта с ней. Процесс обработки ведется при сообщении рабочей головке 5 от механизма 4 плоскопараллельного кругового движения (координата S) с эксцентриситетом относительно оси шпинделя 3 и перемещения относительно приводимой во вращение обрабатываемой детали 2 по заданной программе технологического сеанса обработки, при этом сгусток 18 МРЖ в течение времени действия импульса магнитного поля выполняет функцию малого инструмента с площадным пятном контакта с обрабатываемой поверхностью и производит рабочий съем материала с подлежащей обработке поверхности обрабатываемой детали 2.
По окончании времени действия импульса магнитного поля (промежуток времени 5-30 мин), магнитное поле исчезает, процесс обработки прерывается, сгусток 18 МРЖ при отсутствии магнитного поля переходит снова из вязкопластического состояния в жидкотекучее и по соединяющему трубопроводу насосом 8 откачки отводится в резервуар 6, а в полость 15 одновременно поступает по подводящему каналу 19 из резервуара 6 под давлением свежая МРЖ, которая при приходе следующего импульса магнитного поля переходит также в вязкопластическое состояние с образованием под действием магнитного поля на время действия импульса нового сгустка 18, который выполняет функции локального инструмента, и процесс обработки возобновляется и продолжается до окончания действия магнитного поля.
В процессе обработки блок управления работой станка через промышленный компьютер 12 с помощью датчика 13 перемещения в зоне обработки постоянно отслеживает и поддерживает постоянной заданную величину рабочего зазора, управляя перемещением рабочей головки 5 по координате Z. Во время обработки происходит растаскивание МРЖ по обрабатываемой поверхности, вследствие этого уменьшается зазор между инструментом и обрабатываемой поверхностью. Величину зазора отслеживает датчик 13 перемещений, который, в соответствии с заданными параметрами, выдает сигнал на систему управления и система выдает вышеуказанную последовательность управляющих команд.
В ОАО «НПО «Оптика» была произведена на макете устройства для магнитореологической обработки опытная проверка предлагаемого устройства обработки поверхностей оптических деталей из стекла К8, которые продемонстрировали его указанные выше преимущества.
Таким образом, заявленное техническое решение соответствует условию. ″ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ″.
Источники информации, принятые во внимание при подготовке заявки:
1. Патент США №5795212, МПК: В24В 1/00; В24В 37/04; В24В 39/02; H01F 1/44, Опубл. 18.08.1998 г. «Deterministic magnetorheological finishing)), (прототип).