Магнитореологическая обработка точных изделий

Андрей Худолей,

заведующий лабораторией высокоточной обработки поверхности Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси, кандидат технических наук, доцент

Новшества в технологиях всегда играют важную роль для промышленности и государства, были и остаются основой устойчивого развития. Поставщиком новаций является наука - именно она выступает главной силой, обеспечивающей рост экспорта и внедрение результатов исследований в народнохозяйственный комплекс Беларуси. В последние годы научные организации страны сочетают ориентированные фундаментальные исследования с прикладными разработками, соответствующими запросам реального сектора экономики.

Магнито-

реологическая

обработка

точных

изделий

История создания метода

Фактически в основе создания метода обработки оптических изделий лежал технологический запрос оптической промышленности СССР, согласно которому необходимо было найти передовую или создать новую технологию, превосходящую по качеству традиционное полирование. В конце 1980-х гг. группе сотрудников Института тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси (ИТМО), возглавляемой кандидатом технических наук Л. К. Глебом, удалось представить макет и экспериментальную технологию, продемонстрировавшую непревзойденное качество обработки оптических изделий без применения химически агрессивных веществ и высокоэнергетических воздействий. Предложенный революционный метод назвали магнитореологическим полированием (МРП), так как в его основе лежало применение магнитореологи-ческой жидкости (МРЖ). Первая публикация по этой тематике датирована 1987-м, а всего год спустя разработчики метода Л. К. Глеб и Г. Р. Городкин были удостоены серебряной медали ВДНХ СССР на выставке «Совершенствование технологии оптического производства». Впоследствии активное участие в развитии этого метода приняли И. В. Прохоров, В. И. Кордон-ский, Б. Э. Кашевский, С. Р. Городкин, А. Д. Мацепуро и З. А. Новикова.

Краткие вехи становления

Первоначально были созданы экспериментальные установки для магнитореологического полирования,

НАУКА В ФОКУСЕ ВРЕМЕНИ

в которых МРЖ находилась в кольцевой открытой емкости - кювете. Такое оборудование позволяло обрабатывать лишь плоские детали. В дальнейшем в связи с более широким применением станков с числовым программным управлением (ЧПУ) процесс полирования был автоматизирован, что избавило от рутинного труда высококвалифицированных оптиков. Значительно упростилось изготовление оснастки - инструмент (жидкость) был готов к работе в течение нескольких секунд, а процесс обработки управлялся оператором.

В 1988-1992 гг. ИТМО совместно с Институтом химии высокочистых веществ им. Г. Г. Девятых (Горький) проводил работы по высококачественному полированию поликристаллического селенида цинка, а с НИИ измерительных систем им. Седакова (Нижний Новгород) - по полированию полупроводникового арсенида галлия. Обработка нержавеющих сплавов деталей для искусственного клапана сердца выполнялась с Конструкторским бюро точного электронного машиностроения (Минск), а полирование полупроводникового арсенида галлия - с Минским НИИ радиоматериалов.

В 1991 г. для нужд Министерства среднего машиностроения СССР (завод «Элекстросталь», Московская обл.) был разработан экспериментальный образец станка для магнитореологического полирования внутренних поверхностей труб большой длины (до 6 метров) и малого диаметра (15-40 мм) из нержавеющих

Рис. 1. Схема осуществления магнитореологического полирования: 1 - жидкость с абразивными наночастицами; 2 - магнитные частицы

специальных сплавов для системы охлаждения плутониевых реакторов на быстрых нейтронах.

В 1990-1992 гг. на установках финишного магнитореологического полирования изготавливались параболические линзы для офтальмологических приборов, гиперболические - для системы наблюдения местности, линзы с уравнением поверхности 20-го порядка для филиала фирмы «Leica Technologies Inc.» (США).

Совместные исследования ИТМО с Центром оптического производства (одного из крупнейших в мире лазерных центров с исследовательской установкой термоядерного синтеза «0мега-10») университета Ро-честера (США) по дальнейшему совершенствованию технологии магнитореологического полирования лазерной оптики осуществлялись с 1992 по 1996 г.

В настоящее время в передовых странах около 80% оптики и лазерных компонентов специального и двойного назначения обрабатывается с использованием предложенного в ИТМО метода. В то же время область применения технологии МРП не ограничивается только оптикой и лазерами. Она демонстрирует высокую эффективность при производстве компонентов медицинской техники, полупроводниковых приборов, механизмов точной механики и авиационно-космической целевой аппаратуры.

Основа метода

Обработка поверхности изделия ведется жидкостью, которая выступает в роли рабочего инструмента. Как показала практика, использование коллоидных магнитных жидкостей с ферромагнитными частицами размером 5-50 нм оказалось недостаточным для реализации технологии МРП. Успех новой технологии обеспечила магнитореологическая жидкость. Она, в отличие от типичных магнитных жидкостей, состоит из достаточно больших (0,5 мкм и более) ферромагнитных частиц, что позволяет при приложении магнитного поля не только управлять формой жидкости, но и добиваться изменения ее внутреннего строения за очень малые промежутки времени. Так, время перестроения (структурирования и магнитной седиментации жидкости) в магнитном поле составляет несколько миллисекунд. Как правило, магнитореологическая жидкость - это дисперсионная фаза (вода), магнитные частицы (карбонильное железо), наноабразив (ультра-или нанодисперсный алмазный порошок) и химические стабилизаторы (ПАВ, ингибиторы коррозии и т.п.).

Под действием сильного магнитного поля (более 0,3 Тл) в рабочей зоне вязкость магнитореологической жидкости возрастает более чем в тысячу раз, и она как бы «замерзает», разделяясь при этом на два слоя: первый -структурированные, нежестко связанные между собой ферромагнитные частицы, и второй - жидкая фаза с наноабразивом. Разность скоростей движения основы полировального инструмента и обрабатываемой детали создает сдвиговые деформации в МРЖ, что позволяет уносить с поверхности тончайшие слои материала. После снятия магнитного поля жидкость возвращается в свое первоначальное неструктурированное состояние. Это характеризует ее как умный материал, а процесс - как быстропротекающий.

Реализация технологии

При магнитореологическом полировании (рис. 1) жидкость подают из сопла на твердую немагнитную поверхность вращающегося инструмента. Поверхность обрабатываемой детали вводят в контакт с МРЖ и выдерживают постоянным зазор между ней и поверхностью основы инструмента. В зоне контакта на детали и МРЖ дополнительно воздействуют неоднородным магнитным полем - 0,3 Тл и более, что формирует достаточно небольшую по размерам рабочую зону - область локальной обработки (пятно обработки). В рабочей зоне образуется твердообраз-ное ядро, а в области между ядром и поверхностью обрабатываемой детали, где сдвиговые напряжения минимальны, происходит сдвиговое течение тонкой разжиженной прослойки жидкости. Твердообразное ядро и разжиженная прослойка образуют полирующую систему. При этом ядро играет роль эластичной подложки, а тонкий слой жидкости, в котором находятся абразивные частицы,- полирующей среды. В отличие от традиционной технологии жесткого притира, где необходим длительный подгон (распо-лировка) инструмента к обрабатываемой поверхности, в магнитореологическом полировании происходит мгновенная адаптация поверхности обрабатываемой детали и МРЖ в зоне их контакта. Для обработки всего изделия рабочую зону необходимо перемещать по заданному алгоритму - это реализуется за счет определенной кинематической схемы оборудования. Для данной цели создают программу автоматизированной полировки, которая учитывает количество проходов обработки, траекторию и скорость движения обрабатываемой детали относительно основы

А-А

В-В

Рис. 2. Воздействие магнитореологической жидкости на обрабатываемую поверхность: топография поверхности (А) и профили пятна уноса (Б), визуализирующие результат

инструмента. В технике такая технология классифицируется как обработка поверхности изделия малоразмерным инструментом.

Результат воздействия рабочей зоны на материал можно изучить путем измерения топографии обрабатываемой поверхности. Из рис. 2 видно, что размеры пятна обработки составляют 7-10 мм.

Геометрические параметры пятна обработки -длина, ширина, глубина (величина уноса материала) необходимы в первую очередь для моделирования и расчета программ обработки поверхности детали, то есть управляемого процесса формообразования. Существенной особенностью, значительно усложняющей моделирование параметров, является то, что распределение уноса материала в пятне обработки крайне несимметрично по оси А-А и симметрично по оси B-B (рис. 2Б).

Рис. 3. Траектория перемещения пятна обработки относительно поверхности детали: А - по спирали Архимеда; Б - растровая

Рис. 4. Схематическое изображение топографической матрицы контроля обрабатываемой поверхности:

1 - пятно обработки;

2 - направление движения по линии растра;

3 - /'-номер узла матрицы

Относительное перемещение детали, инструмента и, как следствие, пятна контакта по поверхности детали по специальным алгоритмам и разработанному программному обеспечению определяет управляемое формообразование. Как правило, применяется два вида траектории движения: спираль Архимеда и растровая (рис. 3).

Для разработки алгоритма и программного обеспечения, которые управляют процессами съема материала по всей поверхности детали и, соответственно, формообразования, необходимы данные интерференционного контроля поверхности в виде топографической матрицы, в узлах которой даны отклонения волнового фронта от теоретической поверхности в цифровом виде. На рис. 4 представлена схема топографической матрицы и пятна обработки.

Компьютерные программы, созданные в ИТМО, применяются для обеспечения управляемого формообразования выпуклых и вогнутых сферических, асферических, а также плоских поверхностей. Технологический процесс финишной доводки поверхностей деталей с использованием программного обеспечения осуществляется итерационным способом

с учетом коррекции формы поверхности по результатам интерферометрического контроля. При этом происходит послойное контролируемое снятие материала с поверхности. По сути, это операция, обратная аддитивным технологиям, которые наращивают материал на поверхности.

Таким образом, магнитореологическая обработка позволяет реализовать три принципиально разных режима: полирование, формообразование и ретушь. Полирование поверхности обеспечивает равномерный съем тончайшего слоя материала. Формообразование осуществляется посредством контролируемого удаления части материала, целенаправленного изменения (корректировки) формы поверхности. Ретушь характеризуется локальным снятием неравномерного по величине припуска материала с различных участков поверхности. Безусловным преимуществом данной технологии является то, что ее промышленная реализация не требует создания вакуума и использования химически агрессивных веществ, а увеличение температуры в зоне обработки не превышает 2-3 градусов.

Современные технологические вызовы

Стремительное развитие техники ставит все более сложные задачи, решение которых зачастую требует привлечения высококвалифицированных специалистов, использования уникального оборудования и выделения значительных средств на освоение производства. Они под силу только тем, кто находится на передовом крае науки и техники. Среди современных технологических запросов в области высокоточной обработки поверхности можно назвать:

отклонение от заданной формы менее 10 нм;

обеспечение радиуса кривизны в несколько десятков километров;

формирование клиновидности поверхности в несколько секунд;

дообработка уже нанесенных тонких пленок и нанопокрытий;

повышение адгезии наносимых слоев;

контролируемое удаление с поверхности тончайших слоев и формирование повторяющихся нанорельефов;

существенное увеличение лучевой прочности (стойкости) компонента;

получение атомарно гладкой поверхности;

изготовление волновой пластины.

Рис. 5. Структурная схема модуля для I

I - рабочее колесо; 2 - магнитная система; 3 - сопло; 4 - магнитореологическая жидкость; 5 - съемник; 6 - миксер; 7,8 - насосы; 9 - гаситель пульсаций; 10 - датчик давления;

II - система термостабилизации МРЖ;

12 - система дозирования компонентов МРЖ

Создание модуля и оборудования

Многообразие поставленных технологических проблем на практике можно решить с использованием универсального модуля для магнитореологиче-ской обработки и посредством интегрирования его с координатной системой, имеющей требуемое кинематическое исполнение. В качестве последней может быть применен портальный станок, робот или специальная конструкция.

Функционально модуль обеспечивает перемешивание, циркуляцию жидкости и поддержание ее в стабильном состоянии на протяжении обработки (рис. 5). Это позволяет параметрам инструмента в процессе работы оставаться неизменными. Если провести аналогию с резцом, то это режущая кромка, которая не притупляется во время обработки. Стабилизация осуществляется посредством охлаждения жидкости, перемешивания и фильтрации, а также дозирования несущей среды. Модуль полирования состоит из трех блоков - рабочего инструмента, циркуляции полировальной жидкости и управления. В ИТМО разработана линейка модулей для МРП-обработки изделий от 3 мм до 4 м.

На рис. 6 представлен общий вид МРП-модуля, который поставлен Институтом на предприятие «Оптическое станкостроение и вакуумная техника»

Рис. 6. Общий вид модуля для обработки изделий от 0,1 до 0,6 метра

(Беларусь) для доукопмлектования полировального станка с ЧПУ для обработки прецизионных асферических деталей диаметром от 100 до 600 мм. Дальнейшая эксплуатация станка будет осуществляться на ОАО «Пеленг».

Формирование кластера по обработке изделий

Очевидно, что ближайшее будущее неразрывно связано с еще более широким применением промышленных и специальных роботов. В этой связи в ИТМО активно развивается направление по встраиванию роботов в технологические процессы полирования и формообразования. В рамках выполнения задания программы Союзного государства «Техноло-гия-СГ» на базе четырехкоординатного мини-робота, имеющего кинематическую схему SCARA, изготовлен макет установки для магнитореологического формообразования и финишной обработки оптических элементов спутниковых лазерных систем. После выполнения задания установка будет задействована в ИТМО для обработки серий лазерных элементов габаритными размерами до 100 мм. Данная работа была продемонстрирована Президенту Республики Беларусь А. Г. Лукашенко в ходе его посещения НАН Беларуси в апреле 2017 г.

БЛОК ГИДРАВЛИКИ

БЛОК РАБОЧЕГО ИНСТРУМЕНТА

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

МУЛЬТИКООРДИНАТНАЯ СИСТЕМА

ЧПУ

I

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ЕДИНЫЙ ПАНЕЛЬНЫЙ УПРАВЛЯЮЩИЙ КОМПЬЮТЕР

УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЕТАЛИ И/ИЛИ РАБОЧЕГО ИНСТРУМЕНТА

КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ТЕЧЕНИЯ МРЖ

ПОДДЕРЖАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ МРЖ

Рис. 7 Обобщенная схема осуществления магнитореологической обработки

Одним из сложных и одновременно перспективных направлений для технической реализации является интегрирование систем контроля в промышленное оборудование. Суть идеи в том, что деталь один раз устанавливается на станке, далее ее обработка, начальный, промежуточный и конечный контроль производятся на нем же. В этой связи Институт проводит комплекс работ по созданию уникального широкоапертурного интерферометра ИТ300 с двумя каналами (полноапертурным и субапер-турным) оптического контроля, в качестве источника излучения в котором используется лазер с перестраиваемой длиной волны. Работы выполняются совместно с российскими учеными Института прикладной физики РАН, непосредственными участниками международного проекта LIGO (Нобелевская

премия 2017 г. в области физики за работы по детектированию гравитационных волн методами лазерной интерферометрии).

В ИТМО завершается создание технологического кластера по автоматизированной высокоточной обработке оптических изделий и лазерных компонентов размером до 600 мм. Он будет снабжен диагностическим оборудованием для контроля формы и шероховатости поверхности, шлифовально-полировальными и полировальными станками с ЧПУ, установленными в чистые помещения классов ИСО 6 и 8. Таким образом, в ближайшем будущем Институт тепло- и массо-обмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси сможет не только изготавливать оборудование, но и проводить обработку высокоточных изделий на собственных производственных площадях.

Сотрудничество с Российской Федерацией и Китайской Народной Республикой

Недавно разработанные Институтом технология и оборудование для обработки крупногабаритных оптических компонентов (кварцевые пластины, водорастворимые кристаллы KDP) уже использованы при реализации мегапроекта Российской Федерации по термоядерному лазерному синтезу, согласно которому на территории технопарка «Саров» (Нижегородская область) создается самый мощный в мире 192-канальный лазер с размером пучка 400x400 мм2. Поставленное ИТМО оборудование (рис. 8) позволяет обрабатывать изделия в три смены, то есть фактически непрерывно. Также ведутся работы в интересах ряда организаций Госкорпорации «Росатом» по обработке длинномерных изделий из немагнитных сплавов.

Налажено сотрудничество на постоянной основе с главным оптическим центром КНР - Чаньчун-ским институтом оптики, точной механики и физики (CIOMP) Китайской академии наук. Китайским партнерам за последние пять лет поставлена вся линейка модулей для магнитореологической обработки крупногабаритных и сверхкрупногабаритных изделий. На первом этапе технология МРП была успешна применена для изготовления первичного (624 мм) и вторичного (140 мм) зеркал космического спутника серии «The Jilin-1», предназначенного для дистанционного зондирования поверхности Земли с высоким

Рис. 9. Адаптивный телескоп (А) и его первичное зеркало диаметром 2 м (Б) http://english.ciomp.cas.cn/banner/201710/t20171030_185059.html

Рис. 8. Установка для магнитореологического полирования плоских оптических деталей размером до 0,85 м

разрешением. По плану до 2020 г. китайской стороной будет изготовлено и доставлено на орбиту 60 спутников этой серии.

Следующим шагом стало изготовление в 2017 г. адаптивного телескопа с первичным зеркалом 2 м из карбида кремния (рис. 9). Применение магнитореологической обработки для коррекции формы обеспечило точность лучше Х/40.

В текущем году специалисты С10МР успешно обработали самое большое в мире зеркало для телескопа из цельной заготовки карбида кремния диаметром 4,03 м (рис. 10). Масса зеркала составляет 1,6 т, точность формы - не хуже 20 нм.

НАУКА В ФОКУСЕ ВРЕМЕНИ

Рис. 10. Цельная заготовка из карбида кремния для изготовления зеркала телескопа диаметром 4,03 м http://english.ciomp.cas.cn/banner/201710/t20171030_185059.html

Рис. 11. Посещение лаборатории высокоточной обработки поверхности делегацией Китайской академии наук

Высокий уровень сотрудничества между ИТМО и С10МР был отмечен президентом Китайской академии наук Баем Чуньли во время посещения Института в мае текущего года. (рис. 11). По инициативе китайской стороны начаты переговоры о создании совместной международной лаборатории.

Экспортер оборудования и технологий под ключ

Благодаря выполненному комплексу работ с заказчиками из Российской Федерации и КНР, успешной маркетинговой стратегии за последние пять лет Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова фактически стал мировым поставщиком высокотехнологичного

оборудования и критических технологий для высокоточной обработки на экспорт. Его разработки содержат ноу-хау и защищены патентами Республики Беларусь и Российской Федерации, а также Евразийским патентом.

Линейка оборудования, разрабатываемая, изготавливаемая и поставляемая под заказ, очень широкая:

трех-, пятикоординатные станки с ЧПУ для маг-нитореологической обработки, с основанием из природного камня с использованием линейных приводов: УМП1 -для обработки изделий 20-300 мм; УМП2 -для изделий 200-600 мм; УМП3 - для полировки изделий 300-800 мм; УМП4 - для изделий 400-1500 мм;

одно-, двухкоординатные модули для доукомплектования станков и координатных систем: МРП1 -диаметр рабочего колеса 135 мм, для обработки изделий до 300 мм; МРП2 - с диаметром рабочего колеса 160 мм, для полировки изделий 200-600 мм; МРП3 - диаметр рабочего колеса 200-240 мм, для обработки изделий 400-1500 мм; МРП4 - с диаметром рабочего колеса 350 мм, для полировки изделий 800-4000 мм и более;

магнитореологические полировальные жидкости на водной и безводной основах: МРЖ1 - для обработки изделий из кварца, ситалла, церодура, карбида кремния и др.; МРЖ2 - для полировки изделий из оптического стекла К8 и др.; МРЖ3 - для обработки изделий из водорастворимых кристаллов КВР и др. В 2017-2018 гг. Институт изготовил и поставил

на экспорт уникальный восьмикоординатный станок с ЧПУ, оснащенный двумя двухкоординатными

Рис. 12. Отполированное SiC зеркало телескопа диаметром 4,03 м, общий вид оборудования

Будущее - открытый космос

До настоящего времени освоение космического пространства осуществлялось путем изготовления всех комплектующих и узлов на Земле, далее в космосе из малых частей собирались большие конструкции, поэтому выдвигались дополнительные требования к прочности всех компонентов, чтобы они могли выдержать перегрузки, связанные с транспортировкой в космическое пространство. Будущее успешное освоение космоса, безусловно, связано с переносом технологий изготовления и оборудования непосредственно на околоземную орбиту и далее - в открытое космическое пространство, причем одна часть технологий и оборудования должна быть стационарно размещена на фабриках будущего, а другая, как аптечка в автомобиле или техничка у ремонтников, - следовать вместе с космическим аппаратом. Таким образом, например, первичные и вторичные зеркала будут изготавливаться непосредственно в космосе и при необходимости там же полироваться и переполировываться в процессе длительной их эксплуатации. В этом аспекте у технологии МРП есть все шансы работать в космосе, так как в основе ее реализации лежит управление свойствами жидкости при помощи магнитного поля, то есть она критически не зависит от гравитации и поэтому может быть реализована в условиях невесомости.

http://english.cas.cn/newsroom/mutimedia_news/201808/t20180823_196454_lshtml

модулями и съемным поворотным столом, для обработки изделий сложной формы размером от 0,3 до 1,5 м (рис. 13). Высокая степень локализации производства и широкая кооперация с отечественными предприятиями по изготовлению отдельных компонентов и узлов оборудования позволяет маркировать продукцию «Сделано в Беларуси».

Рис. 13. 8-координатный станок с ЧПУ для обработки изделий от 0,3 до 1,5 м