Способы формообразования сферических и плоских поверхностей

В основе способа принудительного формообразования лежит геометрия пространственного пересечения двух тел – кольцевого алмазного инструмента 1 и изделия 2 (рис. 6.1).

Оба тела жестко связаны с осями их вращения, которые лежат в одной плоскости и пересекаются в точке О под некоторым углом α. При вращении этих тел и перемещении одного из них вдоль оси Oz кромка инструмента вырезает в теле изделия поверхность, все точки которой лежат на окружности, образованной вращением инструмента относительно оси ОК, и равноудалены от точки О. В то же время все точки поверхности, вырезанной инструментом, представляют тело вращения относительно оси Оz и также равноудалены от точки О. Данному геометрическому свойству удовлетворяет сфера х² + у² + z² = R ². Радиус R сферического сегмента R = D /(2sinα), где D — диаметр инструмента. Сохраняя положение кромки инструмента на оси Оz и изменяя угол α, радиус R поверхности увеличивают или уменьшают. При α = 0 R = ∞

Жесткая кинематическая связь системы «станок – приспособление – инструмент – деталь», в которой замыкающим звеном является изделие, определяет зависимость точности формообразования от точности оборудования, что ограничивает область применения данного способа операцией предварительного шлифования сферических и плоских поверхностей. Выполняют эту операцию на предварительно настраиваемых станках, работающих в автоматическом или полуавтоматическом цикле. Статистические методы анализа процесса позволяют объективно оценить некоторые технико-экономические показатели оборудования, а именно: абсолютную точность станка, под которой имеют в виду степень рассеяния производственных погрешностей, связанную с настройкой станка и его качеством; нестабильность изготовления партии изделий, характеризуемую переменным рассеянием производственных погрешностей или изменением доминирующего фактора; соответствие между заданным допуском и точностью станка, критерием которого является величина, характеризующая отношение полного поля рассеяния оборудования и погрешностей настроек к полю допуска на изготовление изделия.

Способ формообразования с помощью свободного поверхностного притира основан на взаимном изнашивании поверхностей двух тел – изделия и инструмента, которые контактируют друг с другом по площади, сопоставимой с их размером. Этот способ позволяет на простом оборудовании получать предельно точные (ограничиваемые возможностями средств технологического контроля) тонко-шлифованные и полированные поверхности сферической и плоской форм. Так как продолжительность контакта, а следовательно, и изнашивание краевых и центральных зон притираемых поверхностей разные, их форма непрерывно изменяется. Заданный радиус сферы, или отступление от плоскостности, поверхность изделия имеет только в некоторый момент времени обработки. Отсутствие функ- циональной и количественной связи, устанавливающей закономерность изменения, определяет необходимость квалифицированного управления процессом формообразования. Нестабильность формы поверхности инструмента в результате его неравномерного изнашивания усложняет задачу циклического повторения операции, а повышение интенсивности процесса, ускоряя изменение формы притираемых поверхностей, затрудняет определение момента времени, когда форма поверхности изделия находится в пределах допустимого отклонения.

На рис. 6.2, а, б приведен вариант процесса, предлагаемый фирмой LOH, в котором поверхностный притир реализован по схеме принудительного формообразования и распространяется на операции шлифования (а) и полирования (б). Используются предварительно настраиваемые станки, работающие в полуавтоматическом цикле. В данном случае сохраняется зависимость точности формообразования от качества станка, но погрешность формы поверхности единичной детали и детали, обрабатываемой в блоке, уменьшается пропорционально отношению квадратов диаметров деталь – инструмент или деталь – блок.

Поверхностный притир. При шлифовании заготовка притирается к обрабатывающей поверхности твердого инструмента – шлифовальника. При полировании мягкие смоляные или войлочные подложки инструментов притираются к твердой поверхности заготовки стекла.

Две сферические поверхности разных радиусов, наложенные одна на другую, теоретически соприкасаются по линии – окружности. Так как радиусы рабочей поверхности инструмента и обрабатываемой поверхности заготовки почти одинаковы и имеют противоположные знаки кривизны, то благодаря промежуточному слою абразивной суспензии или пластическим деформациям смолы обеспечивается их соприкосновение по кольцевым зонам, имеющим площади конечных размеров. Диаметры и ширина этих зон самопроизвольно меняются в процессе взаимной притирки сферических и плоских поверхностей стекла и инструмента. По терминологии машиностроения и приборостроения на операциях шлифования и полирования инструмент называют притиром. Установочной базой для рабочей поверхности инструмента 2 (рис.6.3) служит исходная поверхность заготовки. В процессе снятия припуска установочная база изменяет свое положение на 1’ относительно деталей станка, и радиус R _з заготовки изменяется на радиус R _ц обрабатываемой поверхности при текущем переходе.

Для обрабатываемой поверхности измерительной базой является центр сферы О, от которого определяется единственный размер сферы – радиус R. Эта скрытая невещественная база – точка О всегда находится на пересечении осей вращения инструмента и заготовки, но ее местоположение в процессе обработки может меняться, например, с О на О', и никак не фиксируется относительно деталей станка. Местоположение центра сферы не изменяется, если припуск снимается слоями равной толщины.

Отклонение обрабатываемых плоскостей на вогнутость или выпуклость переносит положение измерительной базы – точки О – вдоль оси вращения заготовки из положительной бесконечности в отрицательную. Такую обработку оптических поверхностей назвали классическим методом формообразования или свободной притиркой.

Способ свободной притирки определяется наличием нескольких признаков.

1. Соприкосновение рабочей поверхности инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки происходит по площадкам конечных размеров.

2. Прилегание притирающихся поверхностей инструмента и заготовки как двух элементов кинематической пары 3-го класса осуществляется силовым замыканием.

3. Одна из притирающихся поверхностей самоустанавливается на другой с помощью шарового шарнира 5 поводка верхнего звена.

4. Относительное движение инструмента 2 по обрабатываемой поверхности заготовки складывается из трех простых вращательных движений со скоростями верхнего ω ₂ и нижнего ω ₁ звеньев и скоростью качания коромысла ω _к вокруг центра сферы О.

5. Ось одного из вращательных движений является нормалью к притирающимся сферическим или плоским поверхностям.

6. Относительное перемещение и геометрия площадок инструмента выбраны так, что все точки на притирающихся поверхностях находятся в многократном апериодическом покрытии всеми площадями парного звена:

Способ свободного притира всегда приводит к образованию сферической или в частном (переходном) случае плоской поверхности. Одновременное наличие признаков 4, 5 и 6 обеспечивает получение, т. е. образование и сохранение, совершенной сферической или плоской формы обрабатываемой поверхности. Если инструмент и заготовка имеют только вращательные движения, то образуется сферическая поверхность; при наличии двух прямолинейных движений образуется плоская поверхность.

Притирку следует называть свободной по признаку 3, если один элемент кинематической пары свободно устанавливается (самоустанавливается) на своем парном элементе.

Технологическими признаками обработки способом свободной притирки являются наличие суспензии абразивных порошков, изменение геометрии профиля рабочей поверхности инструмента ввиду изнашивания за время обработки даже одной заготовки, наличие притиров из материалов, имеющих по отношению к зернам суспензии при шлифовании фрикционные свойства, а при полировании абсорбционные.

Незакрепленный (свободный) абразивный порошок и «свободное», т. е. происходящее только под действием сил сцепления с нижним звеном, вращение верхнего звена оптических станков не являются признаками определения свободной притирки.

Известны примеры обработки оптических поверхностей инструментами, в смоляной слой которых внедрен абразивный порошок; существуют также и станки с принудительным вращением обоих звеньев. И в том и в другом случае в способе обработки, а также в ее результатах никаких существенных изменений не происходит.

Способом обработки свободной притиркой достигается наилучшее совпадение формы реальной обработанной оптической поверхности с идеальной, геометрически заданной, сферической или плоской.

Рабочие поверхности сплошных шлифовальников сохраняют следы правки – «резы» и волнистость профиля в пределах десятков и сотен микрометров. Обработанные ими поверхности стекла имеют макрогеометрию с отступлениями от геометрического профиля в несколько раз меньшими.

Рабочие поверхности полировальника сохраняют следы резов глубиной до нескольких миллиметров, а оптическая обработанная поверхность геометрически правильна и совершенно гладкая.

Недостаток способа свободной притирки заключается в том, что на станке нельзя заранее установить заданный радиус обработанной поверхности. Это достигается путем правки инструмента и перенастройки станка в процессе выполнения операций шлифования и полирования.