Изготовление крупногабаритных деталей

Наиболее характерными крупногабаритными оптическими деталями являются линзы со сферическими (выпуклыми и вогнутыми) и плоскими поверхностями, компенсационные пластины Шмидта, а также зеркала с плоской, сферической и асферической формами поверхности.

Новое направление в крупногабаритной оптике – это составные и сверхтонкие зеркала адаптивных оптических систем (АОС). Составное зеркало состоит из нескольких зеркальных элементов, по форме контура представляющих собой правильные шестигранники, обеспечивающие «плотную» упаковку составных частей. При асферической форме поверхности составного зеркала поверхности элементов (за исключением центрального) являются внеосевыми асферическими [20].

Сверхтонкие (гибкие) зеркала, в отличие от зеркал телескопов старых конструкций, изготавливаемых из диска с отношением толщины к диаметру в пределах 1: 6 – 1: 10, имеют лицевую пластину с соотношением 1: 25 и менее. Для сохранения их формы при обработке и контроле в рабочем положении разработаны специальные разгрузочные устройства.

Выбор материала. При выполнении расчетов оптических схем рефракторных приборов и систем выбирают необходимые марки оптических материалов. Выбор стекол и стеклообразных материалов определяется не только оптико-физическими параметрами, но также технологическими свойствами, основными из которых являются следующие:

- возможность получения заготовок необходимых геометрических размеров;

- изотропность физико-механических свойств;

- химическая стойкость материала;

- способность к шлифованию и полированию.

Рациональное сочетание оптико-физических параметров и технологических свойств определяет в конечном итоге окончательный вариант выбора оптических материалов.

Основные мировые производители оптических материалов, используемых для изготовления крупногабаритной оптики, представлены в табл. 15.1.

Таблица 15.1

Основные производители оптических материалов, используемых для крупногабаритной оптики

Влияние дефектов материала на качество изготовления. Местные неоднородности показателя преломления материала наиболее вредны для преломляющей оптики, так как вносят в волновой фронт, вышедший из стекла, местные деформации. Деформацию определяют по формуле

где b – толщина неоднородности.

Свили отрицательно влияют на качество как преломляющей, так и отражающей оптики. Свиль толщиной b порождает ошибку проходящего волнового фронта, равную Δ h _CB = Δ nb. Чем грубее свиль (т. е. больше отклонение Δ n), тем меньше толщина неоднородности b и длина ℓ, тем свиль безвреднее. Необходимо соблюдать соотношение

где D – диаметр объектива. Одновременно надо выдерживать соотношение b ≤ 0, 019.

Выход свили на рабочую поверхность приводит к появлению местной ошибки.

Остаточные напряжения в материале обусловливают появление анизотропии, вызывающей двойное лучепреломление. Напряжения приводят как к общему изменению показателя преломления, так и к возникновению разности хода из-за неравенства показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей.

Разность хода лучей определяют по формуле

где t – толщина заготовки; Δ σ – разность напряжений, Па; В – оптический коэффициент напряжения, характеризующий относительную оптическую чувствительность стекла к механическим напряжениям. Значение его зависит от состава стекла и изменяется в пределах от 2, 0∙ 10^-12 до 2, 8∙ 10^-12 Па^-1.

Заготовка для крупногабаритного точного зеркала считается удовлетворительной, если неравномерность напряжений на краях не превышает 25 %.

Допустимое суммарное воздействие дефектов материала линзы определяется по допуску Δ N на местные ошибки исходя из того, что 1/4 этого допуска выделяется на ошибки, порожденные дефектами материала, т. е.

Наличие пузырей на обрабатываемой поверхности может привести к царапинам при шлифовании и располировкам вокруг пузырей в виде местных ошибок при полировании. Поэтому перед обработкой крупные пузыри подлежат рассверливанию, а мелкие в процессе обработки подвергаются тщательной чистке и промывке. Для ответственных деталей крупногабаритной оптики стекло необходимо подбирать высшей категории по показателям качества.

Разгрузка крупногабаритной оптической детали при обработке. Выбор типа разгрузки зависит от размера (массы) детали и отношения диаметра детали к ее толщине D/t.

Монолитную деталь диаметром до 2000 мм и с отношением D/t = 1/10 (или эквивалентную по жесткости облегченную заготовку) устанавливают на утолщенную с ребрами жесткости планшайбу 1 (рис. 15.14), верхняя поверхность которой с большой точностью (до 0, 01 – 0, 02 мм) повторяет тыльную поверхность детали 2.Между тыльной поверхностью и планшайбой по окружностям, концентрическим относительно центра детали, располагают одинаковые по толщине эластичные «точечные» прокладки 3 из губчатой резины. Расчет числа опорных точек проводится из условия получения прогиба обрабатываемой поверхности (много меньше – в 5-10 раз – допуска на его качество):

где N – число поддерживающих точек; W – допустимый прогиб.

От радиальных смещений деталь ограничивается тремя боковыми опорами 4, представляющими собой коромысла, качающиеся на шаровых шарнирах и несущие каждое по две опорные поверхности. В совокупности шесть опорных поверхностей коромысел через тонкий слой вакуумной резины упираются в торцевую цилиндрическую поверхность детали и воспринимают радиальную составляющую динамических нагрузок инструмента при его движении по поверхности.

Зеркало большого диаметра (более 2 м) представляет собой тяжелое (несколько тонн) и весьма нежесткое изделие. Обычно такие зеркала обрабатываются в «штатных» оправах, на которых они устанавливаются затем в телескоп. При обработке в конструкцию оправ вводят дополнительные опорные элементы, воспринимающие массу инструмента. Система штатной разгрузки обычно является многоопорной и состоит из большого числа механических (рычажных) или гидравлических элементов, применительно к которым зеркало проектируется со специальными разгрузочными глухими отверстиями с тыльной стороны зеркала. Конструкции подобного рода весьма сложны в изготовлении и трудоемки при отладке, требующей высокой точности регулирования уравновешивающих массу зеркала усилий. Изменение положения зеркала относительно разгрузки, необхо димое для разделения погрешностей разгрузки от ошибок изготовления, связано с полной переналадкой рычажных опор и требует так много времени, что практически исключает эту операцию в процессе изготовле ния. Технологическая оправа конструкции Ю. В. Лямина и А. А. Леонтьева, разработанная для зеркал диаметром до 6 м, свободна от многих из перечисленных недостатков. Разгрузка, состоящая из горизонтальной и вертикальной систем, основана на гидравлическом перераспределении усилий нагружения и позволяет разгрузить зеркало автоматически, без предварительной настройки усилий в опорах. Предусмотрена специальная система компенсации, уравновешивающая дополнительные давления, возникающие при приложении к зеркалу внешних сил со стороны инструмента или при изменении положения зеркала (например, при его наклоне). Элемент горизонтальной разгрузки, показанный на рис. 15.15, состоит из цилиндрического стакана 1, помещенного в разгрузочном отверстии зеркала, и сильфона 2, механически связанного с мембранными устройствами 3гидравлической системы компенсации.

Усилие S ₂’, развиваемое мембраной, равно дополнительному усилию S ₂, возникающему в сильфоне, и направлено в противоположную сторону, уравнивая его. Элементы разгрузки объединены в ряд замкнутых секций, имеющих возможность соединяться в различных сочетаниях, что позволяет реализовать разные варианты схем уравновешивания массы зеркала, имитировать его перестановку с поворотом на 180°, принудительно влиять при необходимости на форму рабочей поверхности зеркал.

Обработка сферических и плоских поверхностей. Обработка может проводиться как при нижнем, так и при верхнем расположении заготовки относительно обрабатывающего инструмента.

Верхнее расположение позволяет исключить разгрузку детали, а также влияние погрешностей кинематики станка и без особого труда позволяет получить оптическую поверхность, свободную от астигматических ошибок. Выбор такого положения предпочтителен, но по ряду причин ограничивается диаметром до 700 мм для монолитных заготовок и до 1200 мм для облегченных. Схема обработки при верхнем расположении заготовки показана на рис. 15.16. Условие равномерного распределения рабочего давления определяет конструкцию переходной детали 1, заменяющей наконечник. В целом переходная деталь чрезвычайно сходна с разгрузочным приспособлением, но она должна быть максимально легкой, так как в оптических станках типа ШП механическая система разгрузки верхнего звена имеет ограниченные возможности.

Требования по жесткости, предъявляемые к инструменту 3, в данном случае аналогичны требованиям к разгрузочной планшайбе. Диаметр его должен на 12-15 % превышать размер обрабатываемой детали 2. Давление на деталь передается через резиновые кольца 4.Боковые опоры 5 обеспечивают передачу осциллирующего движения поводка станка на заготовку.

Размер инструмента при нижнем расположении детали равен диаметру детали. При сохранении необходимой жесткости инструмент должен быть максимально облегчен. Этому условию отвечает равнотолщинный инструмент, ребра жесткости которого имеют ячеистую ромбовидную структуру. Давление на поверхность в течение всего времени полирования не должно превышать 10 ГПа, а на окончательной стадии – 5 ГПа. Уменьшение давления на окончательной стадии позволяет получить плавную, без локальных ошибок поверхность, даже при наличии местных дефектов материала. С такой же целью поворачивают заготовки относительно разгрузочного приспособления в процессе обработки, что обеспечивает усреднение погрешности разгрузки и кинематики станка. Эту операцию необходимо проводить через каждые два часа обработки. При этом деталь поворачивают на неравные углы во избежание появления по поверхности регулярных радиальных ошибок.

Зональные ошибки поверхности устраняются различными способами.

Один из них заключается в подрезке смолы полировальника (исходя из того, что против углубленной зоны поверхности создается ослабленная зона полировальника). Виды подрезки для взятой в качестве примера ошибки приподнятости края и центра приведены на рис. 15.17, а – г.

Рис. 15.17. Виды подрезки полировальников

На рис. 15.17, а показан профиль сечения обрабатываемой детали, ошибки которого даны в увеличенном виде; на рис. 15.17, б – вид рабочей поверхности полировальника, на которой нанесена прямоугольная подрезка (такая подрезка способствует равномерному распределению полировальной суспензии). На рис. 15.17, всредняя зона поверхности инструмента, приходящаяся против пониженной зоны детали, ослаблена подрезкой в виде звезды. На рис. 15.17, гпоказана спиральная подрезка, в которой витки спирали на средней зоне расположены чаще, чем в центре и на краях.

Зональные ошибки устраняются также изменением амплитуды осцилляции, а также скоростей вращения шпинделя К_ш и осцилляции V, смещением центра качения верхней каретки относительно центра вращения детали (оси шпинделя). Соответствующие рекомендации по изменению режимов обработки приведены в табл. 15.2.

Таблица 15.2

Влияние режимов обработки на изменение формы поверхности

Доводка сферической поверхности методом ретуши используются станки моделей СПА-1000, СПА-1500, КУ-459 и аналогичные, имеющие ретушировальную головку. Основные технические характеристики станков моделей СПА приведены в табл. 15.3.

Прецизионную доводку асферических поверхностей до требуемой точности осуществляют на станках моделей АД-1000 (*), АД-2000 (*), АД-4000 относительно малоразмерным инструментом. Станки имеют систему ЧПУ, обеспечивающую автоматизированную доводку поверхности по результатам обработки на ЭВМ интерферограмм поверхности, полученной на предыдущем цикле обработки (табл. 15.4)

Таблица 15.3

Технические характеристики станков для полирования плоских и сферических поверхностей и предварительной асферизации диаметром до 1500 мм

Таблица 15.4

Технические характеристики станков для автоматизированного полировании плоских, сферических и асферических поверхностей диаметром до 4000 мм

Окончание табл. 15.4