eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2024
С. В. Бурдак, Е. М. Захаревич, В. В. Лапшин, М. А. Шавва, Р. А. Пошехонов
Инновационные разработки в области российского ультрапрецизионного станкостроения
Инновационные разработки в области российского ультрапрецизионного станкостроения
Просмотры: 732
10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.116.120
В статье представлены технические характеристики и основные конструктивные особенности ультрапрецизионного токарного станка нового поколения для обработки оптических поверхностей деталей, а также описание его узлов и опций.
В статье представлены технические характеристики и основные конструктивные особенности ультрапрецизионного токарного станка нового поколения для обработки оптических поверхностей деталей, а также описание его узлов и опций.
Теги: aerostatic linear stages aerostatic spindle diamond turning on-machine measurement system optical materials processing ultra-precision equipment алмазное точение аэростатические линейные направляющие аэростатические шпиндельные узлы контроль формы на станке обработка оптических материалов ультрапрецизионное оборудование
Инновационные разработки
в области российского
ультрапрецизионного станкостроения
С. В. Бурдак 1, Е. М. Захаревич 1, В. В. Лапшин 1, М. А. Шавва 1, Р. А. Пошехонов 2
ООО «Научно-производственное объединение Асферика», Москва, Россия
МГТУ им Н. Э. Баумана (НИУ), Москва, Россия
В статье представлены технические характеристики и основные конструктивные особенности ультрапрецизионного токарного станка нового поколения для обработки оптических поверхностей деталей, а также описание его узлов и опций.
Ключевые слова: ультрапрецизионное оборудование, аэростатические линейные направляющие, аэростатические шпиндельные узлы, контроль формы на станке, алмазное точение, обработка оптических материалов
Статья получена:12.01.2024
Статья принята:26.02.2024
Innovative Developments in the Field of Russian Ultra-precision Machine Tools
S. V. Burdak 1, E. M. Zakharevich 1, V. V. Lapshin 1, M. A. Shavva 1, R. A. Poshekhonov 2
LLC «SPA Aspherica», Moscow, Russia
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
The article presents the technical characteristics and main design features of a new generation ultra-precision lathe for processing optical surfaces of parts, as well as a description of its components and options.
Keywords: ultra-precision equipment, aerostatic linear stages, aerostatic spindle, on-machine measurement system, diamond turning, optical materials processing
Article received: 12.01.2024
Article accepted: 26.02. 2024
ООО «НПО АСФЕРИКА» занимается разработкой и созданием современных ультрапрецизионных станков, предназначенных для обработки оптических поверхностей изделий различной формы и назначения. Сотрудниками нашей компании к сегодняшнему дню было разработано более 10 моделей ультрапрецизионных станков. В 2023 году нашим предприятием был разработан и изготовлен ультрапрецизионный токарный станок модели УТМ‑250.03 (рис. 1), являющийся функциональным аналогом станка Nanoform X фирмы PRECITECH, но отличающийся от него увеличенными ходами и габаритами обрабатываемых деталей, а также вдвое превосходит по радиальной жесткости шпинделя.
Станок предназначен для обработки осесимметричных деталей оптики из цветных металлов и их сплавов (медь, алюминий, никельфосфор), а также некоторых видов кристаллов и различных пластиков методом алмазного точения. Форма обрабатываемой поверхности – плоская, сферическая, асферическая, также возможна обработка внеосевых поверхностей.
В своем составе станок имеет две линейные оси Z, X, управляемые по положению и скорости (продольный и поперечный суппорты), а также одну круговую ось S (шпиндельный узел заготовки), управляемую по скорости.
Конструктивные особенности ультрапрецизионного токарного станка модели УТМ‑250.03:
Т-образная, термосимметричная станина изготовлена из натурального гранита;
Направляющие и суппорта линейных перемещений выполнены из натурального гранита;
Аэростатические опоры с пористыми ограничителями наддува с вакуумным прижимом для линейных направляющих обеспечивают плавное движение без трения, износа и гистерезиса;
Бесконтактные демпферы с сверхвязкой кремнийорганической жидкостью, обеспечивающие сверхкртитческое затухание собственных колебаний линейных суппортов;
На линейных суппортах используются синхронные беспазовые U-образные двигатели и оптические линейки с нанометровым разрешением. Линейные суппорта работают по схеме «gantry», что увеличивает угловую жесткость и снижает отклонения от прямолинейности движения;
Шпиндель изделия имеет сферические аэростатические опоры с пористым дросселированием, бесконтактный подвод вакуума к переднему фланцу для зажима заготовок или отсоса стружки и синхронный встроенный двигатель;
Для привязки и измерения радиуса режущего инструмента имеется оптическая система контроля инструмента с разрешением менее 1 мкм (рис. 2);
Станок оснащен системой подачи СОЖ в виде масляного тумана;
Кабинетное ограждение для защиты оператора (рис. 3);
Система ЧПУ позволяет программировать линейные перемещения с дискретностью 1 нм.
Станок оснащен измерительной системой на базе волнового интерферометра с разрешением 2 нм для контроля детали на станке в двух режимах:
бесконтактное измерение нецилиндричности, некруглости, непрямолинейности, а также неплоскостности торцев (используется для обмера деталей, не допускающих контактного измерения, а также при юстировке основных узлов станка);
контактное измерение сферических и асферических поверхностей при помощи специально разработанного аэростатического стилуса с усилием прижима от 0,5 грамма (рис. 4), смещение которого контролируется интерферометрическим датчиком (используется для контроля погрешностей формы обработанных поверхностей и коррекции траектории движения инструмента);
Пассивная система виброизоляции обеспечивает собственные частоты как жесткого целого не более 5 Гц и обеспечивает самовыравнивания при смещении линейных суппортов;
Двигатели станка имеют системы термостабилизации с водяным или воздушным охлаждением.
Для работы с системой контроля инструмента и с измерительной системой на базе волнового интерферометра разработано специальное программное обеспечение, имеющее следующие возможности:
обмер режущей кромки инструмента: расчет радиуса и координат привязки;
компенсация отклонения формы шарика контактного щупа по результатам обмера эталонной сферы;
контроль формы обработанной поверхности;
коррекция управляющей программы обработки поверхности заготовки по итогам измерений.
Процедура коррекции управляющей программы состоит из следующих этапов:
обработка поверхности;
обмер поверхности непосредственно на станке с помощью измерительной системы с волновым интерферометром;
построение полученной формы и сравнение ее с заданной;
повторная обработка поверхности с учетом коррекции погрешности формы.
Для достижения максимально точности формы оптической поверхности возможно последовательное выполнение процедуры коррекции несколько раз.
Технические характеристики и параметры точности ультрапрецизионного токарного станка модели УТМ‑250.03 представлены в таблице.
Для минимизации центральных дефектов обработанных поверхностей на станке используется специальный резцедержатель для регулировки по высоте (рис. 5). Резцедержатель имеет грубую (диапазон перемещения до 10 мм) и тонкую регулировку высоты режущей кромки, при этом минимальное реализуемое перемещение резца по высоте составляет 100 нм.
Дополнительно станок УТМ‑250.03 может быть оснащен:
инструментальным шпинделем: для реализации алмазного фрезерования «летучим» резцом, скоростным инструментальным шпинделем для реализации операций наружного круглого шлифования или скоростным инструментальным шпинделем для операций внутреннего шлифования или микрофрезерования;
аэростатическим поворотным столом собственной разработки;
вертикальной осью на прецизионных подшипниках качения (может быть интегрирована с инструментальным шпинделем.
В 2022 году был разработан, а в 2023 году был введен в эксплуатацию у заказчика ультрапрецизионный токарно-фрезерный станок модели УТМ‑250.01 схожей компоновки (рис. 6, 7). Его отличие от базовой модели состоит в наличии инструментального шпинделя для реализации алмазного фрезерования «летучим» резцом с системой удаления токсичной стружки.
После точения тестовой детали из меди марки М0б был проведен метрологический контроль. Его результаты показали, что шероховатость торцевой поверхности составила Ra 0,01 мкм. Точность формы (неплоскостность) составила 200 нм на диаметре 60 мм. Кроме того, на данном станке была внедрена технология определения наиболее благоприятной ориентации кристаллов КРС‑5 при фрезеровании плоского зеркала [1].
REFERENCES
Lapshin V. V., Zakharevich E.M, Kuznetsov M. S., Zaramenskikh K. S., Osipov A. V. Technology of machining optical parts made of KRS‑5 crystals by diamond turning and milling. Photonics Russia. 2021;15(1):18–29.
Лапшин В. В., Захаревич Е. М., Кузнецов М. С., Зараменских К. С., Осипов А. В. Технология обработки оптических деталей из кристаллов КРС‑5 методом алмазного точения и фрезерования. Фотоника. 2021; 15(1):18–29.
АВТОРЫ
Бурдак Сергей Викторович, ген. дир., ООО «НПО Асферика», Москва, Россия.
Захаревич Евгений Мефодьевич, гл. технолог, ООО «НПО Асферика», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-6997-3335
ID Scopus: 6507318766
ID РИНЦ: 611219
Лапшин Василий Владимирович, ст. инж.-исслед., ООО «НПО Асферика», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-6971-8534
ID Scopus: 569579058
ID РИНЦ: 752203
Шавва Мария Александровна, к. т. н., ООО «НПО Асферика», Москва, Россия
ORCID: 0000-0002-4676-2567
IR: Q‑5682-2017
ID Scopus: 56958444300
ID РИНЦ: 734645
Пошехонов Роман Александрович, к. т. н.,
ФГБОУ ВО МГТУ им. Н. Э. Баумана (НИУ), Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-2188-7854
IR: Q‑6206-2016
ID Scopus: 57189362231
ID РИНЦ: 734645
AUTHORS
Burdak Sergey Viktorovich, CEO LLC «The Scientific and Production Association Aspherica», Moscow, Russia.
Zakharevich Evgeniy Mefodievich, chief technologist, LLC«SPA Aspherica», Moscow, Russia.
ORCID: 0000-0001-6997-3335
ID Scopus: 6507318766
ID RSCI: 611219
Lapshin Vasilii Vladimirovich, senior engineer researcher, LLC «SPA Aspherica», Moscow, Russia.
ORCID: 0000-0002-6971-8534
ID Scopus: 569579058
ID RSCI: 752203
Shavva Mariia Aleksandrovna, Cand. of Sc. (Tech.), LLC «SPA Aspherica», Moscow, Russia.
ORCID: 0000-0002-4676-2567
IR: Q‑5682-2017
ID Scopus: 56958444300
ID RSCI: 734645
Poshekhonov Roman Aleksandrovich, Cand. of Sc. (Tech.), Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia.
ORCID: 0000-0003-2188-7854
IR: Q‑6206-2016
ID Scopus: 57189362231
ID RSCI: 734645
в области российского
ультрапрецизионного станкостроения
С. В. Бурдак 1, Е. М. Захаревич 1, В. В. Лапшин 1, М. А. Шавва 1, Р. А. Пошехонов 2
ООО «Научно-производственное объединение Асферика», Москва, Россия
МГТУ им Н. Э. Баумана (НИУ), Москва, Россия
В статье представлены технические характеристики и основные конструктивные особенности ультрапрецизионного токарного станка нового поколения для обработки оптических поверхностей деталей, а также описание его узлов и опций.
Ключевые слова: ультрапрецизионное оборудование, аэростатические линейные направляющие, аэростатические шпиндельные узлы, контроль формы на станке, алмазное точение, обработка оптических материалов
Статья получена:12.01.2024
Статья принята:26.02.2024
Innovative Developments in the Field of Russian Ultra-precision Machine Tools
S. V. Burdak 1, E. M. Zakharevich 1, V. V. Lapshin 1, M. A. Shavva 1, R. A. Poshekhonov 2
LLC «SPA Aspherica», Moscow, Russia
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
The article presents the technical characteristics and main design features of a new generation ultra-precision lathe for processing optical surfaces of parts, as well as a description of its components and options.
Keywords: ultra-precision equipment, aerostatic linear stages, aerostatic spindle, on-machine measurement system, diamond turning, optical materials processing
Article received: 12.01.2024
Article accepted: 26.02. 2024
ООО «НПО АСФЕРИКА» занимается разработкой и созданием современных ультрапрецизионных станков, предназначенных для обработки оптических поверхностей изделий различной формы и назначения. Сотрудниками нашей компании к сегодняшнему дню было разработано более 10 моделей ультрапрецизионных станков. В 2023 году нашим предприятием был разработан и изготовлен ультрапрецизионный токарный станок модели УТМ‑250.03 (рис. 1), являющийся функциональным аналогом станка Nanoform X фирмы PRECITECH, но отличающийся от него увеличенными ходами и габаритами обрабатываемых деталей, а также вдвое превосходит по радиальной жесткости шпинделя.
Станок предназначен для обработки осесимметричных деталей оптики из цветных металлов и их сплавов (медь, алюминий, никельфосфор), а также некоторых видов кристаллов и различных пластиков методом алмазного точения. Форма обрабатываемой поверхности – плоская, сферическая, асферическая, также возможна обработка внеосевых поверхностей.
В своем составе станок имеет две линейные оси Z, X, управляемые по положению и скорости (продольный и поперечный суппорты), а также одну круговую ось S (шпиндельный узел заготовки), управляемую по скорости.
Конструктивные особенности ультрапрецизионного токарного станка модели УТМ‑250.03:
Т-образная, термосимметричная станина изготовлена из натурального гранита;
Направляющие и суппорта линейных перемещений выполнены из натурального гранита;
Аэростатические опоры с пористыми ограничителями наддува с вакуумным прижимом для линейных направляющих обеспечивают плавное движение без трения, износа и гистерезиса;
Бесконтактные демпферы с сверхвязкой кремнийорганической жидкостью, обеспечивающие сверхкртитческое затухание собственных колебаний линейных суппортов;
На линейных суппортах используются синхронные беспазовые U-образные двигатели и оптические линейки с нанометровым разрешением. Линейные суппорта работают по схеме «gantry», что увеличивает угловую жесткость и снижает отклонения от прямолинейности движения;
Шпиндель изделия имеет сферические аэростатические опоры с пористым дросселированием, бесконтактный подвод вакуума к переднему фланцу для зажима заготовок или отсоса стружки и синхронный встроенный двигатель;
Для привязки и измерения радиуса режущего инструмента имеется оптическая система контроля инструмента с разрешением менее 1 мкм (рис. 2);
Станок оснащен системой подачи СОЖ в виде масляного тумана;
Кабинетное ограждение для защиты оператора (рис. 3);
Система ЧПУ позволяет программировать линейные перемещения с дискретностью 1 нм.
Станок оснащен измерительной системой на базе волнового интерферометра с разрешением 2 нм для контроля детали на станке в двух режимах:
бесконтактное измерение нецилиндричности, некруглости, непрямолинейности, а также неплоскостности торцев (используется для обмера деталей, не допускающих контактного измерения, а также при юстировке основных узлов станка);
контактное измерение сферических и асферических поверхностей при помощи специально разработанного аэростатического стилуса с усилием прижима от 0,5 грамма (рис. 4), смещение которого контролируется интерферометрическим датчиком (используется для контроля погрешностей формы обработанных поверхностей и коррекции траектории движения инструмента);
Пассивная система виброизоляции обеспечивает собственные частоты как жесткого целого не более 5 Гц и обеспечивает самовыравнивания при смещении линейных суппортов;
Двигатели станка имеют системы термостабилизации с водяным или воздушным охлаждением.
Для работы с системой контроля инструмента и с измерительной системой на базе волнового интерферометра разработано специальное программное обеспечение, имеющее следующие возможности:
обмер режущей кромки инструмента: расчет радиуса и координат привязки;
компенсация отклонения формы шарика контактного щупа по результатам обмера эталонной сферы;
контроль формы обработанной поверхности;
коррекция управляющей программы обработки поверхности заготовки по итогам измерений.
Процедура коррекции управляющей программы состоит из следующих этапов:
обработка поверхности;
обмер поверхности непосредственно на станке с помощью измерительной системы с волновым интерферометром;
построение полученной формы и сравнение ее с заданной;
повторная обработка поверхности с учетом коррекции погрешности формы.
Для достижения максимально точности формы оптической поверхности возможно последовательное выполнение процедуры коррекции несколько раз.
Технические характеристики и параметры точности ультрапрецизионного токарного станка модели УТМ‑250.03 представлены в таблице.
Для минимизации центральных дефектов обработанных поверхностей на станке используется специальный резцедержатель для регулировки по высоте (рис. 5). Резцедержатель имеет грубую (диапазон перемещения до 10 мм) и тонкую регулировку высоты режущей кромки, при этом минимальное реализуемое перемещение резца по высоте составляет 100 нм.
Дополнительно станок УТМ‑250.03 может быть оснащен:
инструментальным шпинделем: для реализации алмазного фрезерования «летучим» резцом, скоростным инструментальным шпинделем для реализации операций наружного круглого шлифования или скоростным инструментальным шпинделем для операций внутреннего шлифования или микрофрезерования;
аэростатическим поворотным столом собственной разработки;
вертикальной осью на прецизионных подшипниках качения (может быть интегрирована с инструментальным шпинделем.
В 2022 году был разработан, а в 2023 году был введен в эксплуатацию у заказчика ультрапрецизионный токарно-фрезерный станок модели УТМ‑250.01 схожей компоновки (рис. 6, 7). Его отличие от базовой модели состоит в наличии инструментального шпинделя для реализации алмазного фрезерования «летучим» резцом с системой удаления токсичной стружки.
После точения тестовой детали из меди марки М0б был проведен метрологический контроль. Его результаты показали, что шероховатость торцевой поверхности составила Ra 0,01 мкм. Точность формы (неплоскостность) составила 200 нм на диаметре 60 мм. Кроме того, на данном станке была внедрена технология определения наиболее благоприятной ориентации кристаллов КРС‑5 при фрезеровании плоского зеркала [1].
REFERENCES
Lapshin V. V., Zakharevich E.M, Kuznetsov M. S., Zaramenskikh K. S., Osipov A. V. Technology of machining optical parts made of KRS‑5 crystals by diamond turning and milling. Photonics Russia. 2021;15(1):18–29.
Лапшин В. В., Захаревич Е. М., Кузнецов М. С., Зараменских К. С., Осипов А. В. Технология обработки оптических деталей из кристаллов КРС‑5 методом алмазного точения и фрезерования. Фотоника. 2021; 15(1):18–29.
АВТОРЫ
Бурдак Сергей Викторович, ген. дир., ООО «НПО Асферика», Москва, Россия.
Захаревич Евгений Мефодьевич, гл. технолог, ООО «НПО Асферика», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-6997-3335
ID Scopus: 6507318766
ID РИНЦ: 611219
Лапшин Василий Владимирович, ст. инж.-исслед., ООО «НПО Асферика», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-6971-8534
ID Scopus: 569579058
ID РИНЦ: 752203
Шавва Мария Александровна, к. т. н., ООО «НПО Асферика», Москва, Россия
ORCID: 0000-0002-4676-2567
IR: Q‑5682-2017
ID Scopus: 56958444300
ID РИНЦ: 734645
Пошехонов Роман Александрович, к. т. н.,
ФГБОУ ВО МГТУ им. Н. Э. Баумана (НИУ), Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-2188-7854
IR: Q‑6206-2016
ID Scopus: 57189362231
ID РИНЦ: 734645
AUTHORS
Burdak Sergey Viktorovich, CEO LLC «The Scientific and Production Association Aspherica», Moscow, Russia.
Zakharevich Evgeniy Mefodievich, chief technologist, LLC«SPA Aspherica», Moscow, Russia.
ORCID: 0000-0001-6997-3335
ID Scopus: 6507318766
ID RSCI: 611219
Lapshin Vasilii Vladimirovich, senior engineer researcher, LLC «SPA Aspherica», Moscow, Russia.
ORCID: 0000-0002-6971-8534
ID Scopus: 569579058
ID RSCI: 752203
Shavva Mariia Aleksandrovna, Cand. of Sc. (Tech.), LLC «SPA Aspherica», Moscow, Russia.
ORCID: 0000-0002-4676-2567
IR: Q‑5682-2017
ID Scopus: 56958444300
ID RSCI: 734645
Poshekhonov Roman Aleksandrovich, Cand. of Sc. (Tech.), Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia.
ORCID: 0000-0003-2188-7854
IR: Q‑6206-2016
ID Scopus: 57189362231
ID RSCI: 734645
Отзывы читателей
