ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Полезная модель относится к технологии оптического приборостроения и может быть использована для получения прецизионных осесимметричных исполнительных поверхностей различных оптических деталей, в том числе асферических.
Из уровня техники известен инструмент для обработки оптических поверхностей, содержащий корпус с концентрично расположенными кольцевыми рабочими элементами, установленными с зазором и с возможностью относительного осевого перемещения, и механизм прижима к обрабатываемой поверхности, выполненный индивидуальным для каждого кольцевого рабочего элемента в виде смонтированного в корпусе сепаратора, несущего упоры, и рычагов, установленных с возможностью взаимодействия одним концом с упором, а другим концом и центральной частью соответственно с подпружиненным стаканом и опорой, расположенными в корпусе [Авторское свидетельство №918040, опубл. 07.04.1982].
Недостатком данного инструмента является сложность обеспечения требуемого распределения давления между рабочими элементами инструмента, и, как следствие, - невысокая точность формы обработанной поверхности. Еще одним недостатком этого инструмента являются большие затраты времени, требующегося для регулировки давления на различные рабочие элементы, что приводит к общему снижению производительности процесса обработки.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является инструмент для обработки осесимметричных оптических поверхностей, содержащий корпус, обладающий круговой симметрией и выполненный в виде стакана с соосно расположенным внутри него центральным сердечником, изготовленных из материала с высокой магнитной проницаемостью, вставленные друг в друга с зазором кольцевые рабочие элементы, закрепленные на нижней поверхности тонкой пластины, выполненной в виде механической мембраны, центр которой закреплен на нижнем торце центрального сердечника, а край - на торцевой поверхности упомянутого стакана, с возможностью обеспечения независимой самоустановки рабочих элементов по обрабатываемой поверхности, и кольца с намотанными на них управляющими катушками индуктивности, закрепленные сверху на тонкой пластине концентрично и соосно с рабочими элементами с возможностью силового воздействия через рабочие элементы на обрабатываемую поверхность [патент РФ №2581694, опубл. 20.04.2016].
Недостатками известного инструмента является низкая эффективность управления формообразованием, вызванная большим рассеянием магнитного потока в промежутке между нижним торцом центрального сердечника и краем стакана, и, как следствие, малая производительность обработки. По той же причине для создания требующихся усилий прижима рабочих элементов к обрабатываемой поверхности необходимы большие затраты электроэнергии.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности управления формообразованием и производительности обработки, а также снижении энергозатрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в инструменте для обработки осесимметричных оптических поверхностей, содержащем корпус, обладающий круговой симметрией, расположенный на его оси центральный сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью, вставленные друг в друга с зазором кольцевые рабочие элементы, закрепленные на нижней поверхности тонкой пластины, выполненной в виде механической мембраны, центр которой закреплен на нижнем торце центрального сердечника, с возможностью обеспечения независимой самоустановки рабочих элементов по обрабатываемой поверхности, и кольца с намотанными на них управляющими катушками индуктивности, закрепленные сверху на тонкой пластине концентрично и соосно с рабочими элементами с возможностью силового воздействия через рабочие элементы на обрабатываемую поверхность, корпус выполнен в виде двух параллельно расположенных дисков, соединенных между собой с помощью упомянутого центрального сердечника и одинаковых боковых сердечников, размещенных с соблюдением круговой симметрии относительно оси центрального сердечника и имеющих намотанные на них катушки индуктивности, при этом верхние торцы центрального и боковых сердечников контактируют с верхним из дисков, а в другом диске выполнены отверстия для размещения нижних концов упомянутых сердечников, нижние торцы боковых сердечников соединены с тонкой пластиной, причем инструмент снабжен закрепленными на нижней поверхности диска с отверстиями в промежутках между нижними концами центрального и боковых сердечников вставками, расположенными с зазорами для размещения в них обмоток упомянутых управляющих катушек индуктивности, а верхний диск, боковые сердечники и вставки выполнены из материала с высокой магнитной проницаемостью.
В одном из предпочтительных вариантов вставки выполнены в виде концентрично расположенных колец, соосных оси корпуса инструмента.
В еще одном предпочтительном варианте вставки выполнены в виде брусков прямоугольного сечения, вертикальная плоскость симметрии каждого из которых содержит ось центрального сердечника и ось одного из боковых сердечников.
В предлагаемом инструменте, благодаря наличию в его конструкции боковых сердечников с намотанными на них катушками индуктивности, появляется возможность многократно увеличить индукцию радиального магнитного поля на участке между нижними концами центрального и боковых сердечников, не прибегая к увеличению силы тока в указанных катушках. Одновременно использование вставок из материала с высокой магнитной проницаемостью, в зазорах между которыми располагаются обмотки управляющих катушек, позволяет снизить рассеяние магнитного поля, поскольку магнитные силовые линии практически полностью концентрируются в тех сечениях, которые пересекаются витками управляющих катушек, что обеспечивает повышение эффективности управления формообразованием и производительности обработки.
Сущность предлагаемого инструмента поясняется чертежами, приведенными на фиг. 1, 2, 3, 4 и 5, на которых проиллюстрированы примеры его реализации для случая обработки сферических поверхностей и асферических поверхностей с малой асферичностью.
На фиг. 1 схематично представлен разрез инструмента плоскостью, содержащей оси симметрии центрального и двух диаметрально противоположных боковых сердечников.
На фиг. 2 показана вертикальная проекция инструмента в разрезе плоскостью, перпендикулярной его оси, для случая, когда количество боковых сердечников равно шести.
На фиг. 3 схематично показано устройство индивидуальных механизмов прижима кольцевого рабочего элемента к обрабатываемой поверхности, для чего в увеличенном масштабе представлен один из фрагментов разреза, приведенного на фиг. 2.
На фиг. 4 представлен вид снизу на разрез инструмента плоскостью, перпендикулярной его оси и рассекающей вставки, выполненные в виде концентрично расположенных колец.
На рис. 5 показан вариант разреза той же плоскостью для случая, когда вставки выполнены в форме брусков.
заг
Обрабатываемая заготовка 1 (фиг. 1) установлена на планшайбе 2, приводимой во вращение со скоростью n от привода вращения нижнего звена оптического шлифовально-полировального станка (на схеме не показан). На обрабатываемую поверхность установлен многоэлементный инструмент.
Корпус инструмента состоит из двух расположенных параллельно друг другу дисков 3 и 4, жестко соединенных между собой посредством одного центрального сердечника 5 и нескольких одинаковых боковых сердечников 6, образующих конструкцию, обладающую круговой симметрией относительно оси центрального сердечника, являющейся одновременно и осью корпуса инструмента в целом. На внешней поверхности верхнего диска 3 закреплен хвостовик 7, служащий для соединения инструмента с поводком 8 верхнего звена станка, на котором ведется обработка. Диск 3 непосредственно контактирует с верхними торцами сердечников 5 и 6, а в диске 4 выполнены отверстия, в которые вставлены и неподвижно закреплены в них нижние концы сердечников 5 и 6. Нижняя поверхность диска 4 лежит в одной плоскости с нижними торцами сердечников 6, а нижний торец центрального сердечника 5 выступает вниз за пределы диска 4. На нижней поверхности диска 4 закреплены одинаковые по толщине вставки 9, нижние поверхности которых лежат в одной плоскости с нижним торцом сердечника 5.
Совокупность вставок 9, как и остальные элементы корпуса инструмента, образуют конструкцию, обладающую круговой симметрией относительно оси корпуса. При этом размеры и взаимное расположение вставок 9 таковы, что в радиальном направлении между соседними вставками имеются равнотолщинные зазоры. Такие же зазоры имеются между центральным сердечником 5 и ближайшими к нему вставками 9. Вставки 9, находящиеся на краях диска 4, непосредственно контактируют с нижними торцами сердечников 6.
Диск 3, сердечники 5 и 6, а также вставки 9 выполнены из материала с высокой магнитной проницаемостью (на всех рисунках разрезы и сечения этих конструктивных элементов выделены зеленым цветом). Все остальные конструктивные элементы инструмента изготовлены из материалов с низкой магнитной проницаемостью. На сердечниках 5 я 6 намотаны катушки индуктивности 10. При пропускании по ним электрического тока возникает магнитное поле, силовые линии которого замыкаются по магнитопроводу, образуемому сердечниками 5 и 6, диском 3 и вставками 9, обладающими малым магнитным сопротивлением. При этом в промежутке между нижними концами центрального и боковых сердечников и, в том числе, в зазорах между вставками 9 создается радиальное магнитное поле (его силовые линии показаны на рисунках тонкими красными линиями со стрелками). Для создания максимального магнитного потока направления электрических токов, протекающих по виткам катушек, намотанных на сердечниках 6, должны быть противоположны направлению тока, протекающего по катушке, расположенной на сердечнике 5.
Рабочие элементы инструмента выполнены в виде колец 11, диаметры которых выбираются с таким расчетом, чтобы они вставлялись друг в друга с небольшим зазором. Количество колец может быть различным в зависимости от диаметра детали и требований к точности формы обрабатываемой поверхности. Обращенные к заготовке нижние торцы колец 11 имеют сферическую форму, кривизна которой соответствует кривизне обрабатываемой поверхности. Кольца 11 расположены соосно корпусу инструмента и закреплены на нижней поверхности тонкой пластины 12, край которой посредством кольца 13 жестко соединен с нижними торцами боковых сердечников 6, а центр - посредством втулки 14 - с нижним торцом сердечника 5. Пластина 12 обладает свойствами механической мембраны, благодаря чему обеспечивается возможность ее силовой деформации, позволяющей рабочим элементам независимо друг от друга самоустанавливаться на обрабатываемой поверхности. Сверху на пластине 12 закреплены расположенные концентрично и соосно с кольцами 11 кольца 15, каждое из которых используется в качестве каркаса для намотки одной из управляющих катушек индуктивности 16 (сечения их обмоток, как и сечения обмоток катушек 10, выделены на фигурах синим цветом).
Размеры катушек 16 выполнены такими, что каждая из них находится над одним из рабочих элементов, а ее витки находятся либо в зазоре между вставками 9, либо в зазоре между центральным сердечником 5 и ближайшей к нему вставкой 9.
Закрепление катушек 16 и рабочих элементов 11 на пластине 12 осуществляется винтами с установкой между соединяемыми деталями эластичных шайб 17. Для предотвращения попадания полирующей суспензии и продуктов износа стекла на элементы конструкции инструмента, обращенная к рабочим элементам поверхность пластины 12 защищена эластичной прокладкой 18, край которой зафиксирован между кольцами 19, прижатыми винтами к кольцу 13, а центр зафиксирован между втулками 20, соединенными с втулкой 14. В увеличенном масштабе взаимное расположение контактирующих между собой кольца 75 с намотанными на нем витками управляющей катушки 16, эластичных шайб 17, пластины 12 и прокладки 18 показано на фиг. 2.
кр
При обработке на поводок 8 подается усилие, направленное вертикально вниз, и одновременно поводок приводится в возвратно-поступательное движение с частотой n, задаваемой скоростью вращения кривошипа в приводе указанного движения станка. В зазор между обрабатываемой поверхностью и рабочими элементами инструмента подается абразивная суспензия, частицы которой, благодаря перемещению инструмента по поверхности заготовки, распределяются по всей обрабатываемой поверхности, осуществляя силовое воздействие на последнюю и, тем самым, способствуя разрушению поверхностного слоя материала заготовки. Благодаря наличию шарового шарнира, образуемого сферической поверхностью наконечника поводка 8 и глухим отверстием хвостовика 7, инструмент самоустанавливается по обрабатываемой поверхности, наклоняясь таким образом, что ось инструмента постоянно проходит через центр кривизны обрабатываемой поверхности.
0
1
2
3
4
Для управления формообразованием обрабатываемой поверхности по катушкам 10 пропускают постоянный электрический ток I, в результате чего в пространстве над обрабатываемой поверхностью формируется радиальное магнитное поле (фиг. 3). Его силовые линии пересекают витки катушек 16 (на фиг. 3 их проекции на плоскость чертежа показаны пунктирными линиями синего цвета). При пропускании по катушкам 16 постоянных электрических токов I, I, I, I соответственно на каждую из них будет действовать сила, являющаяся равнодействующей элементарных сил Ампера, направленных перпендикулярно силовым линиям магнитного поля и направлению электрического тока в витках управляющих катушек 16. При соответствующем выборе направлений токов в катушках 16 каждая из указанных сил будет воздействовать на один из кольцевых рабочих элементов, который, в свою очередь, будет передавать данное усилие на обрабатываемую поверхность заготовки. Изменяя силу токов, протекающих в катушках 16, независимо друг от друга, можно перераспределять давление, оказываемое различными рабочими элементами на соответствующие круговые зоны заготовки и таким образом осуществлять управление формообразованием при доводке обрабатываемой поверхности по результатам технологического контроля ее формы.
Для практической реализации предлагаемого инструмента могут быть использованы два варианта конструктивного выполнения вставок 9. По первому из них вставки 9 выполняются в виде колец, расположенных концентрично и соосно оси корпуса инструмента (фиг. 4). Между соседними вставками, а также между внутренней вставкой и центральным сердечником 5 имеются зазоры, в которых свободно размещаются обмотки управляющих катушек 16.
Второй вариант исполнения вставок 9 представлен на фиг. 5. В данном случае все вставки имеют форму брусков одинакового прямоугольного сечения, вертикальная плоскость симметрии каждого из которых содержит ось центрального сердечника 5 и ось одного из боковых сердечников 6.
Первый из вариантов исполнения вставок 9 более технологичен, чем второй, поскольку он требует меньше затрат на изготовление и монтаж вставок. Второй вариант имеет преимущество перед первым в эффективности управления формообразованием, поскольку в нем силовые линии магнитного поля концентрируются в пределах сечения брусков и поэтому пересекают витки управляющих катушек 16 под углами, близкими к 90°. Последнее обстоятельство позволяет точнее рассчитать требуемые значения токов в управляющих катушках и снизить энергозатраты на создание необходимых усилий, действующих на рабочие элементы инструмента.
Для подачи электрического напряжения на обмотки катушек в условиях вращения инструмента под действием моментов сил трения, возникающего между соприкасающимися поверхностями инструмента и заготовки, могут быть использованы вращающиеся токосъемники, установленные на внешней цилиндрической поверхности хвостовика 7. Вторым вариантом данного электрического соединения могут служить стационарные контактные группы. В этом случае необходимо исключить возможность вращения инструмента, например, путем использования в соединении хвостовика 7 и поводка 8 шарнира равных угловых скоростей.
Благодаря наличию дополнительных катушек индуктивности, создающих радиальное магнитное поле, а также использованию вставок из материала с высокой магнитной проницаемостью, установленных в промежутках между обмотками управляющих катушек индуктивности, предлагаемый инструмент обеспечивает повышение эффективности управления формообразованием и производительности обработки, а также позволяет снизить энергозатраты на их осуществление.