ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ТОРЦЕВОГО ШЛИФОВАНИЯ ВЫСОКОАСФЕРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ

Полезная модель относится к технологии автоматизированного формообразования поверхностей оптических деталей и может использоваться при шлифовании и полировании осевых и внеосевых высокоточных асферических поверхностей крупногабаритных оптических деталей, в частности, зеркал телескопов.
При обработке оптических деталей свободным абразивом применяют инструменты-шлифовальники с плоскими, выпуклыми или вогнутыми сферическими поверхностями (Ефремов А.А., Сальников Ю.В. “Изготовление и контроль оптических деталей: Учеб. пособие для средних проф. - техн. Училищ”. - М: Высш. шк., 1983. - С. 113-117). Корпус инструмента изготавливают из чугуна или латуни литьем с последующей токарной обработкой хвостовика под крепление инструмента. Однако такие инструменты полноразмерные и не пригодны для асферизации оптических деталей.
Известен пружинно-каблучный инструмент для обработки асферических поверхностей оптических деталей (SU №429931, опубл. 30.05.1974 г., МПК B24B 13/02). Инструмент выполнен в виде укрепленной на корпусе сферической многолепестковой пружины, в прорезях которой установлены каблуки с шлифующим материалом. В хвостовике корпуса размещен поводок с шаровым шарниром, посредством которого инструмент соединяется с водилом станка. Радиус кривизны пружины и давление под каблуками можно изменять и некоторым образом управлять программой съема припуска. Указанный инструмент также полноразмерный, т.е. сопоставим с размером обрабатываемой детали, и не пригоден для шлифования высокоасферических деталей, особенно для обработки внеосевых деталей, для которых применим лишь малый инструмент.
Известен деформируемый инструмент (stress lap) для обработки поверхностей крупногабаритных оптических деталей, в том числе с внеосевой асферической поверхностью (Н.М. Martin, J.Н. Burge, В.Cuerden, W.В. Davison, J.S. Kingsley, R.D. Lutz, S.M. Miller, M. Tuell. Manufacture of a combined primary and tertiary mirror for the Large Synoptic Survey Telescope. Proc. of SPIE Vol. 7018, pp. 70180G-1 - 70180G-12, 2008). Инструмент состоит из корпуса, внутри которого встроены отдельные электронно-механические блоки со шлифующими элементами, создающими индивидуальное усилие на рабочую поверхность детали, т.е. усилие на деталь задается программным образом и данное усилие сохраняется постоянным в процессе обработки при изменении формы поверхности и асферичности на детали под инструментом и, тем самым, сохраняется постоянный профиль съема под инструментом и обеспечивается притир всего инструмента к поверхности детали. Но такой инструмент достаточно сложный, не может выходить за край детали и не обеспечивает необходимый съем материала в краевых зонах детали. Поэтому в краевой зоне детали требуются отдельные обычные малые инструменты.
Ближайшим к предлагаемому инструменту по конструктивному исполнению будет являться абразивный инструмент для торцевого шлифования по авт. свид. СССР №460989, опубл. 25.02.1975 г., выполненный в виде корпуса, несущего концентрично расположенные абразивные шлифующие элементы. Эти элементы содержат алмазы, поэтому они должны крепится жестко в жестком корпусе. Инструмент применим для скоростного съема припуска, не гибок в управлении и не будет решать поставленную задачу.
Техническим результатом полезной модели является создание малого инструмента для автоматизированного формообразования, асферизации и тонкой доводки на стадии шлифования с высокой точностью осевых и внеосевых поверхностей крупногабаритных оптических деталей с произвольной формой внешнего контура и с высокой асферичностью (более 1 мм).
Технический результат полезной модели достигается тем, что в инструменте для торцевого шлифования высокоасферической поверхности оптической детали, содержащем корпус с закрепленными на его рабочей поверхности и концентрично расположенными шлифующими элементами, в отличие от известного, корпус выполнен из жесткой резины с глухими цилиндрическими отверстиями на рабочей поверхности, в которые вставлены шлифующие элементы из латуни или органического стекла с резьбовой боковой поверхностью, при этом на тыльной стороне корпуса расположен осевой хвостовик в качестве гнезда для шарового шарнира поводка станка. Рабочие поверхности шлифующих элементов могут быть плоскими или сферическими.
Выполнение корпуса из упругого материала и наличие шарового шарнира позволяет управлять движением инструмента при асферизации поверхности оптической детали, когда он принимает форму поверхности под инструментом в каждый момент обработки, управлять распределением давления на деталь и создавать равномерность съема материала на изменяющейся форме поверхности под инструментом.
Полезная модель поясняется чертежом и рисунком, где:
фиг. 1 - вид инструмента сбоку;
фиг. 2 - вид инструмента на рабочую поверхность снизу;
2
рис. 1 - профиль съема под инструментом. Предложенный инструмент (фиг. 1, фиг. 2) содержит корпус 1 в виде цилиндрического диска из жесткой резины. На рабочей поверхности корпуса 1 выполнены глухие цилиндрические отверстия 2, расположенные по двум-трем концентрическим окружностям. В отверстия 2 вставлены шлифующие элементы 3 с резьбовой боковой поверхностью на нижней части поверхности. Элементы 3 могут быть выполнены из латуни или органического стекла и иметь плоскую или сферическую рабочую (торцевую) поверхность. Они могут быть посажены в отверстия 2 на клей. На тыльной стороне корпуса 1 по его оси установлен металлический хвостовик 4 с шаровой поверхностью 5, который является гнездом для шарового шарнира поводка шлифовального станка. Латунные элементы используют для начальной шлифовки крупным шлифпорошком, а элементы из оргстекла - для финишной доводки мелким шлифпорошком. Эксперименты проводились с малым инструментом с диаметром корпуса 80 мм. Резина выбирается такой жесткости, чтобы при заданной толщине и при локальном воздействии усилием в центр инструмента осуществлялся полный контакт площади резины с поверхностью асферической детали и осуществлялось бы давление на деталь под всей площадью инструмента в любом месте и при снятии усилия на 10-15% образовывался зазор между слоем резины и поверхностью детали. В этом случае инструмент в любой части детали будет обладать необходимой эластичностью и принимать форму поверхности, соответствующей форме обрабатываемой поверхности в данной области и создавать максимально возможное давление на деталь для осуществления съема материала, в том числе и краевыми областями инструмента. При этом будет сохраняться постоянный вид профиля съема под инструментом. Кроме того, возможен выход такого инструмента за край детали для обработки краевых зон. Профиль съема под инструментом определяется экспериментально. Для этого используется деталь с плоской поверхностью, изготовленная с точностью лучше 1 мкм по размаху ошибки. Выполняется обработка детали при плоскопараллельном вращении инструмента с эксцентриситетом “e” со скоростью “n” оборотов в минуту и временем обработки “t”. Затем производятся измерения профиля линейным трехточечным сферометром в микронах относительно плоской поверхности и строится профиль съема (рис. 1), соответствующий данной конфигурации инструмента и данной фракции шлифпорошка. Этот профиль съема вводится в программу для расчета сеанса обработки асферической поверхности. На рис.1 приведен полученный экспериментальный профиль съема инструментом диаметром 80 мм и толщиной 27 мм с латунными вставками при использовании для шлифовки порошка марки М28. Эксцентриситет вращения е=10 мм, усилие на деталь 4250 г, количество оборотов шпинделя инструмента - 200.0 об/мин, время обработки - 10 мин. Технологический коэффициент съема при таких режимах равен 0.0279309 мкм при скорости v=10 мм/сек, удельном давлении p=10 г/см, за время t=1 мин.
Проведена обработка детали трапецевидной формы с диаметром описанной окружности около 1240 мм с выпуклой внеосевой параболической поверхностью и асферичностью 1.3 мм от ближайшей сферы. По результатам обработки была получена шлифованная поверхность со среднеквадратичным отклонением в 1 мкм. Измерения формы поверхности проводились на 3D машине КИМ-1400.