ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ С НАНОМЕТРИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТЬЮ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Полезная модель относится к области станкостроения и может быть, использована в рамках реализации Государственной программы модернизации и технологического развития ведущих отраслей народного хозяйства посредством внедрения современного уровня достижений науки и техники в области нанотехнологий в сфере комплексной механической обработки резанием сложнопрофильных изделий в ведущих отраслях техники, определяющих уровень экономического развития государства в целом.
То есть, преимущественное направление использования - автоматизированная мехатронная обработка резанием функционального слоя изделий из хрупких материалов (например, стекла, в частности - оптических линз) со сложным пространственным профилем при использовании известного из уровня техники модернизированных станочного парка и вспомогательного оборудования (приспособлений).
Эффективное использование нанотехнологий (например, в микроэлектронике), требует, прежде всего, разработки средств и технологии изготовления оптических систем с разрешением в десятки, и даже единицы нанометров. Подобные системы необходимы как для локального воздействия световыми полями на объекты субмикронных размеров, так и для контроля за протеканием различных технологических процессов.
Возможности конструкторов оптиков по созданию новых приборов ограничены способностью производителя изготавливать и осуществлять контроль элементов требуемой оптической системы. Передовые разработки в области оптических технологий постоянно расширяют возможности производства оптических компонентов. Однако производство все в большей степени становится привязанным к метрологии. Именно этот симбиоз средств метрологии и современное обрабатывающее оборудование позволяют производить оптику более высокого качества и сложности.
Из уровня техники известен технологический стенд (станок) для финишной обработки изделий из хрупких материалов с нанометрической точностью лезвийным инструментом включающий установленное на фундаменте основание с размещенной на нем станиной, на которой установлены: средства базирования, юстировки и перемещения обрабатываемого изделия с приводом рабочих перемещений; узел рабочих перемещений инструмента с приводом перемещений и держателем инструмента; оптическая система контроля положения и состояния режущей кромки инструмента; кроме того, стенд оснащен системой числового программного управления приводами рабочих перемещений инструмента и изделия (Мочалов А.И., Писарев А.Г., Раховский В.И., Сахарова О.П., Черпаков Б.И., Эстерзон М.А., Якунин В.А., статья «Автоматизированный высокоточный гравировальный станок для многопроходного строгания рисунков металлографских форм», Станки и инструмент, №9, стр.21-24, 1999 г.).
К недостаткам данного известного из уровня техники решения следует отнести ограниченные функционально-технологические возможности в связи с недостаточной точностью перемещений узлов подачи инструмента и их повторяемостью, вследствие чего невозможно обеспечить режим дуктильной резки, необходимый для обработки хрупких материалов, например, оптического стекла.
В основу заявленной полезной модели была положена задача создание универсального стенда, который, помимо традиционных режимов обработки изделий с высокой точностью, позволял бы обеспечить обработку с нанометрической точностью изделий из хрупких материалов (например, оптического стекла) за счет конструктивно-технологической возможности реализации режимов дуктильной резки.
Таким образом, техническим результатом заявленного технического решения является расширение функционально-технологических возможностей стенда за счет повышения точности (а также стабильности во времени - повторяемости) перемещений с нанометрической точностью узла подачи инструмента.
Поставленный технический результат достигается посредством того, что в технологическом стенде для финишной обработки изделий из хрупких материалов с нанометрической точностью лезвийным инструментом включающем установленное на фундаменте основание с размещенной на нем станиной, на которой установлены: средства базирования, юстировки и перемещения обрабатываемого изделия с приводом рабочих перемещений; узел рабочих перемещений инструмента с приводом перемещений и держателем инструмента; оптическая система контроля положения и состояния режущей кромки инструмента; кроме того, стенд оснащен системой числового программного управления приводами рабочих перемещений инструмента и изделия, согласно полезной модели: основание установлено на фундаменте посредством виброизолирующих опор; средства базирования, юстировки и перемещения обрабатываемого изделия выполнены в виде шпиндельной бабки, оснащенной вращающимся шпинделем, кинематически связанным с вакуумной планшайбой, снабженной пористой базовой поверхностью и конструктивно организованной с возможностью пространственной ориентации этой поверхности относительно горизонтальной плоскости, при этом шпиндель ориентирован в вертикальной плоскости посредством радиально-упорных опор вращения с аэростатическим зазором, а привод его вращения выполнен в виде асинхронного электродвигателя с повышенным скольжением; узел рабочих перемещений инструмента конструктивно организован в виде крестового суппорта, оснащенного установленными в аэростатических направляющих: каретки, конструктивно организованной с возможностью бесступенчатого прецизионного перемещения в горизонтальном направлении с нанометрической точностью, для чего в качестве ее привода использован магнитострикционный преобразователь со ступенями грубого и точного перемещения инструмента в технологическом режиме; установленного на направляющих каретки ползуна, конструктивно организованного с возможностью установочного перемещения в вертикальном направлении; а также кинематически связанного с ползуном врезного суппорта с держателем инструмента, конструктивно организованного с возможностью бесступенчатого прецизионного перемещения с нанометрической точностью в вертикальном направлении, для чего в качестве его привода использован магнитострикционный преобразователь со ступенями грубого и точного перемещения инструмента в технологическом режиме; при этом стенд оснащен оптической системой контроля процесса точения в реальном режиме времени, коммутативно связанной с управляющим процессором системы числового программного управления в целях оперативной корректировки рабочей программы в процессе резания.
Целесообразно, чтобы технологический стенд был оснащен системой охлаждения режущей части инструмента, конструктивно организованной с возможностью преобразования охлаждающего агента в зоне режущей части инструмента из жидкой фазы в туман.
Оптимально, чтобы держатель инструмента был конструктивно организован с возможностью предотвращения передачи на инструмент низкочастотных вибрационных колебаний со стороны узлов стенда в технологическом режиме.
Разумно, чтобы держатель инструмента был установлен на врезном суппорте с возможностью совмещения вершины передней поверхности инструмента с центром обрабатываемого изделия в процессе перемещения каретки в технологическом режиме.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленного технического решения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.
Полезная модель иллюстрируется графическими материалами, где на представленной фигуре показан общий вид технологического стенда (вид спереди).
В графических материалах основные узлы и агрегаты программно-аппаратного технологического стенда обозначены следующими позициями:
1 - основание (стенда);
2 - станина (стенда);
3 - суппорт (крестовый);
4 - бабка (шпиндельная);
5 - планшайба (вакуумная бабки 4 шпиндельной);
6 - ось (шпинделя шпиндельной бабки 4);
7 - каретка (продольная суппорта 3);
8 - ползун (поперечный суппорта 3);
9 - суппорт врезной (суппорта 3 основного);
10 - держатель (инструмента);
11 - привод (магнитострикционный суппорта 9 врезного);
12 - пульт (управления);
13 - панель (манометров контроля давления пневмосистемы);
14 - электрошкаф.
Заявленный технологический стенд для финишной обработки изделий из хрупких материалов с нанометрической точностью лезвийным инструментом включает следующие системы узлы и агрегаты.
Установленное на специальном фундаменте (в графических материалах условно не показан) основание 1 с размещенной на нем станиной 2. На станине 2 смонтированы:
- средства базирования, юстировки и перемещения обрабатываемого изделия с приводом рабочих перемещений;
- узел рабочих перемещений инструмента с приводом рабочих перемещений и держателем 10 инструмента;
- оптическая система контроля положения и состояния режущей кромки инструмента (в графических материалах условно не показана).
Кроме того, стенд оснащен системой числового программного управления приводами рабочих перемещений инструмента и изделия (в графических материалах условно не показана).
Отличительными особенностями заявленного стенда является следующее.
Основание 1 установлено на фундаменте посредством виброизолирующих опор (в графических материалах условно не показаны). Средства базирования, юстировки и перемещения обрабатываемого изделия выполнены в виде шпиндельной бабки 4, оснащенной вращающимся шпинделем (с осью вращения 6), кинематически связанным с вакуумной планшайбой 5, снабженной пористой базовой поверхностью и конструктивно организованной с возможностью пространственной ориентации (юстировки) этой поверхности относительно горизонтальной плоскости. При этом шпиндель ориентирован в вертикальной плоскости посредством радиально-упорных опор вращения с аэростатическим зазором (в графических материалах условно не показаны), а привод его вращения выполнен в виде асинхронного электродвигателя с повышенным скольжением (в графических материалах условно не показан). Узел рабочих перемещений инструмента конструктивно организован в виде крестового суппорта 3, оснащенного установленными в аэростатических направляющих:
- каретки 7, конструктивно организованной с возможностью бесступенчатого прецизионного перемещения в горизонтальном направлении с нанометрической точностью,;
- установленного на направляющих каретки 7 ползуна 8, конструктивно организованного с возможностью установочного перемещения в вертикальном направлении;
- а также кинематически связанного с ползуном 8 врезного суппорта 9 с держателем 10 инструмента, конструктивно организованного с возможностью бесступенчатого прецизионного перемещения с нанометрической точностью в вертикальном направлении.
Для осуществления вышеупомянутых бесступенчатых прецизионных перемещений с нанометрической точность каретки 7 и врезного суппорта 9 в качестве их приводов использованы магнитострикционные преобразователи (магнитострикционные нановинты) со ступенями грубого и точного перемещения инструмента в технологическом режиме (привод суппорта 9 обозначен в графических материалах поз.11, а привод каретки 7 условно не показан).
При этом стенд оснащен оптической системой контроля процесса точения в реальном режиме времени (в графических материалах условно не показана), коммутативно связанной с управляющим процессором системы числового программного управления в целях оперативной корректировки рабочей программы в процессе резания в случае отклонения формируемой поверхности резания от заданных геометрических параметров.
Целесообразно, чтобы технологический стенд был оснащен системой охлаждения режущей части инструмента (в графических материалах условно не показана), конструктивно организованной с возможностью преобразования охлаждающего агента в зоне режущей части инструмента из жидкой фазы в туман.
Оптимально, чтобы держатель 10 инструмента был конструктивно организован с возможностью предотвращения передачи на инструмент низкочастотных вибрационных колебаний со стороны узлов стенда в технологическом (динамическом) режиме эксплуатации стенда.
Разумно, чтобы держатель инструмента был установлен на врезном суппорте с возможностью совмещения вершины передней поверхности инструмента с центром обрабатываемого изделия в процессе перемещения каретки в технологическом режиме.
Более подробно конструктивные особенности вышеупомянутых систем и узлов стенда с раскрытием их функционального назначения и влияния на усматриваемый технический результат, реализуемый стендом, описаны ниже.
Как указывалось ранее, техническим результатом, характеризующим заявленный стенд, является повышенная точность формирования профиля поверхности изделия в процессе обработки алмазным точением, равная +/-25 нм.
Осуществить контроль обработанной поверхности в пределах такой точности можно, например, методом контроля формы поверхности по схеме контроля организованной на базе интерферометра Физо, как наиболее адекватной для решения поставленной задачи.
Как уже говорилось выше для изготовления, например, точных оптических линз нужно учесть специфику обработки оптического стекла и обеспечить высокую чистоту поверхности в пределах Ra=5-10 Å
Эта задача решается в стенде точностью установки основных узлов, а также высокой точностью самих узлов и движений формообразования при формировании, например, поверхности линз.
Основание стенда со шкафом установлено на специальный фундамент на виброопорах ОВ-31 для виброизоляции станка от внешних колебаний. К основанию крепится узел подготовки воздуха для аэростатических опор шпинделя и привода подач.
Для уменьшения износа режущей части инструмента используется охлаждение. Охлаждающей жидкостью может являться спирт, который в виде тумана подается в зону резания и направляется на режущую кромку инструмента. Для этого в баллон с охлаждающей жидкостью подается сжатый воздух, создающий в нем избыточное давление, которое вытесняет охлаждающую жидкость и подает ее в распылитель.
Шпиндельная бабка 4 расположена симметрично относительно вертикальной оси. Симметричность конструкции позволяет исключить влияние температурных деформаций на перекос оси шпинделя в вертикальной плоскости.
Шпиндель расположен с зазором в радиально-упорном подшипнике. Радиальный подшипник имеет два ряда отверстий поддува (по 20 отверстий в каждом ряду), каждый упорный подшипник тоже имеет 20 отверстий поддува. Дроссели на входе в отверстия выполнены в виде цилиндрических жиклеров. Жиклеры стоят в каждом отверстии поддува. Сечение отверстий на выходе из жиклеров выбрано таким, что сопротивление на входе в отверстия поддува радиального и упорного подшипников равно сопротивлению щели на выходе из них, т.е. давление в подшипнике должно быть в два раза меньше давления в камере подвода воздуха. Точная установка оси вращения шпинделя перпендикулярно направляющим суппорта 3 (а, соответственно, и юстировка базовой поверхности планшайбы 5) осуществляется относительным смещением двух сферических установочных колец. При подаче сжатого воздуха в аэростатический зазор шпиндель всплывает и жестко центрируется слоем воздуха в подшипнике. При надежной осушке и фильтрации воздуха шпиндель плавно вращается. Разгон и торможение шпинделя осуществляется встроенным асинхронным электродвигателем с повышенным скольжением, ротор которого при помощи переходного вала крепится к шпинделю, а статор крепится к бронзовой втулке.
Для улучшения качества работы шпинделя улучшено качество подготовки воздуха путем подключения системы осушки воздуха мод. УОВ-2 и системы очистки воздуха мод. П-ППВ 16-12/10 ГОСТ 17437-81.
Для крепления обрабатываемых изделий разработана специальная вакуумная планшайба 5. В планшайбе 5 просверлены каналы для формирования вакуума в зоне базовой поверхности, на которую через специальный пористый блок носитель устанавливается обрабатываемое изделие (линза). При создании вакуума обрабатываемая линза прижимается к поверхности планшайбы 5 и вращается вместе со шпинделем. Дисбаланс планшайбы 5 устраняется с помощью грузиков или снятием материала. Для устранения аэродинамического эффекта, возникающего при вращении планшайбы 5, она накрываются специальной деталью так, что поверхность линзы выступает не более чем на 0,5 мм.
Врезной суппорт 9 служит для подвода и отвода резца и тонкой подачи на глубину в технологическом режиме.
Плавность перемещения соответствующих элементов крестового суппорта 3 обеспечивается аэростатическими направляющими и гидравлическим приводом.
Формообразование поверхности линзы осуществляется специально разработанными приводами подач. Приводы подач, осуществляющие перемещение с разрешением 5 нм и повторяемостью 20 нм, применяются для окончательной обработки, например, стекла в зоне пластических деформаций (дуктильная обработка). Высокая разрешающая способность магнитострикционных запоминающих силовых приводов (например, привода 11) достигается использованием в нем для создания точных перемещений стержня из сплава редкоземельных элементов с металлами группы железа, обладающего эффектом гигантской магнитострикции.
Принцип действия магнитострикционного нановинта МН-3 (т.е., привода 11) основан на способе управления магнитомеханическим преобразователем. Магнитострикционные нановинты предназначены для силового линейного перемещения врезного суппорта 9 с алмазным резцом и каретки 7.
При ручной регулировке нановинтов возможно получение шага 1 нанометр, а при использовании электропривода - шага 10 пикометров. Основные параметры силового магнитострикционного нановинта (привода 11) указаны в таблице 1.
Для контроля наноперемешений привода подач резца при точении на стенде используется электронный прибор с индуктивными преобразователями модель БВ-6436, предназначенный для измерения линейных размеров перемещения инструмента.
Индуктивный преобразователь подводится к резцу и на блоке индикации (прибор снабжен цифровым индикатором, имеется аналоговый выход).
Для контроля формы режущей части инструмента предлагается использовать известную из уровня техники телевизионно-оптическую систему на базе телевизионных компьютерных микроскопов.
К инструменту, как и ко всей технологической системе, предъявляются требования, призванные максимально снизить вероятность нарушения цикла обработки. При «притуплении» режущей кромки резко возрастает вероятность поломки резца. Изменение формы резцов в процессе обработки необходимо периодически контролировалось телевизионным компьютерным микроскопом с подачей изображения на монитор персонального компьютера (ПК) с увеличением в 625 раз.
Таким образом, для изготовления точных линз нужно учесть специфику обработки стекла и обеспечить:
1. Шероховатость обработанной поверхности изделия в пределах Ra=5-10 Å. Для этого необходимо устранить возможность вибраций в зоне резания. Эта задача решается в стенде на разных уровнях за счет:
а) установки стенда на специальный фундамент и применения виброизолирующих опор имеющих собственную частоту колебаний 3…5 Гц, которые обеспечивают виброизоляцию стенда от внешних колебаний, частота которых выше 5…8 Гц.
б) использования аэростатических опор в направляющих перемещения крупных массогабаритных узлов стенда;
в) балансировки предметного стола (планшайбы 5) с деталью;
г) применением прецизионных подшипников во всех узлах вращения;
д) использования процедур выравнивания положения плоскости, а также устранения или существенного уменьшения источников вибрации в держателе инструмента и других механизмах станка.
2. Точность формы и положения асферической поверхности изделия в пределах ±25 нм на диаметре не более 150 мм.
Эта задача решена в стенде за счет применения специального привода для перемещения инструмента; кинематического разрешения систем перемещения реализующих точность - 5 нм и повторяемость - 20 нм, а также стабилизации температуры, влажности, давления в рабочем помещении в пределах 1%-0,1%
Важнейшим фактором, определяющим точность формы, являются также возможность измерения поверхности с помощью метрологического интерферометра контроля и микроскопа наблюдения зоны обработки, возможность правки режущего инструмента на рабочей позиции или точного ее установа после доводки.
Для обеспечения надежности и стабильности формирования на стенде готового изделия конструктивно реализована возможность выполнения токарной многопроходной обработки заготовки алмазным резцом, возможна, также, полировка изделия (линзы) без его снятия с предметного стола.
Преимуществом токарной обработки является принципиальная возможность изготовления сложных форм поверхностей, точно реализующих требуемые расчетные значения.
Принцип работы заявленного стенда для специалиста в данной области вытекает из описания его конструкции и графических материалов, в связи с чем более детального описания не требуется.
Таким образом, заявленное техническое решение может быть использовано в различных областях техники для осуществления дуктильной обработки высокоточных изделий (преимущественно, оптических линз) из хрупких материалов.
Надежная технология производства практически любых оптических элементов приведет к увеличению выпуска оптических элементов и приборов в диапазонах длин волн от инфракрасного до рентгеновского. Внедрение такой технологии позволит не только упростить современные оптические системы, но и радикально повысить качество создаваемых с их помощью изображений в фото- и видеотехнике, в микроскопии и астрономических наблюдениях. В результате появится возможность выпускать великое множество высокоразрешающих оптических элементов и приборов самого различного назначения отечественными производителями.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Параметры магнитострикционного нановинта МН-3Таблица 1
Параметр
МН-3
Диапазон перемещений
- грубой ступени, мм
15
- точной ступени, мкм
7,7
Чувствительность к повороту ручки управления
- грубым перемещением, мкм\град.
1,4
- точным перемещением, нм\град.
2,2
Минимальный шаг
- грубой ступени, мкм
1,0…1,2
- точной ступени, нм
0…2
Максимальная скорость
=грубой ступени, мм\с
0,4
- точной ступени, мкм\с
0,9
Жесткость, Н\мкм
11
Максимальная сила, Н
700
Габаритные размеры нановинта, мм
Д 21,5×90
Масса, кГ
0,13