eng
Выпуск #1/2017
Г.Боровский, Е.Захаревич, М.Шавва
Оборудование для ультрапрецизиционной обработки
Оборудование для ультрапрецизиционной обработки
Просмотры: 2351
В статье приведен обзор ультрапрецизионного оборудования, выпускаемого фирмой ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" для обработки широкой номенклатуры материалов. Рассматриваются основные подходы по разработке и созданию ультрапрецизионного оборудования, а также параметры станочных узлов и систем.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.61.1.52.56
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.61.1.52.56
Теги: brittle optic materials nanoscale machining quasiductile cutting mode ultra precision engineering ultra precision machining наноразмерная обработка режим квазипластичного резания ультрапрецизионная обработка ультрапрецизионное машиностроение хрупкие оптические материалы
С
овременная промышленность все чаще нуждается в технологиях, позволяющих обрабатывать хрупкие материалы, в число которых входят и кристаллы, и другие труднообрабатываемые материалы с оптическим качеством поверхности. Зачастую показатели, отвечающие за качество обработанных деталей в действительности должны быть на порядок выше заявленных, однако отсутствие методов обработки и оборудования необходимого класса точности приводит к тому, что производитель вынужден довольствоваться той шероховатостью и точностью формы деталей, которые могут быть обеспечены традиционными методами обработки [1–4].
В ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" последние несколько лет проводятся комплексные исследования по разработке и созданию ультрапрецизионного оборудования для обработки широкой номенклатуры материалов. В их число входят: закаленные стали, твердые сплавы, цветные сплавы, а также хрупкие оптические материалы.
Основные принципы, реализуемые ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" при создании ультрапрецизионного оборудования:
• разработка и применение аэростатических направляющих и опор с пористым дросселированием и вакуумным замыканием;
• разработка и применение специальных виброизолирующих пневматических опор с системой демпфирования на основе сверхвязкой жидкости (500 000 Сст). Собственная частота опор менее 1 Гц;
• разработка и применение встроенных бесконтактных систем демпфирования на основе сверхвязкой жидкости (500 000 Сст);
• разработка и применение электроприводов прямого действия со встроенной системой охлаждения на базе встроенных маловиброактивных безжелезных двигателей в комплекте с датчиками обратной связи нанометрового разрешения;
• разработка и применение отечественной специальной системой УЧПУ с возможностью программирования линейных перемещений дискретностью 1 Е;
• разработка и применение автоматизированной процедуры обмера и привязки инструмента к системе координат станка с помощью оптического микроскопа;
• разработка и применение автоматизированной процедуры измерения отклонения точности формы обрабатываемой поверхности при помощи контактного щупа c точностью 0,25 мкм непосредственно на станке;
• разработка и применение базовых компонентов оборудования из натурального гранита.
Для обработки плоских поверхностей крупногабаритных кристаллов группы KDP методом алмазного фрезерования был создан специальный ультрапрецизионный экспериментальный стенд "КДП 450 Ф1", представленный на рис.1.
Стенд предназначен для алмазного микрофрезерования однозубой торцевой фрезой элементов нелинейной оптики из кристаллов группы KDP с шероховатостью поверхности не более 10 нм и точностью поверхности не менее 50 нм на обрабатываемой поверхности размерами 450 Ч 450 мм. Основные параметры стенда для алмазного микрофрезерования приведены в табл. 1.
Предварительные экспериментальные исследования показывают, что при использовании алмазного монокристаллического инструмента с радиусом округления при вершине 4–5 мм толщина снимаемой стружки на разных режимах составляет от 20 до 400 нм. Таким образом, данный станок может гарантировать при обработке кристаллов группы KDP режим "квазипластичного резания", позволяющий обрабатывать поверхность без сколов и трещин [4–7].
Для ультрапрецизионной обработки методом алмазного точения и фрезерования широкого спектра различных материалов, включающих в себя: кристаллы (кремний, германий, арсенид галлия, фториды магния и калия), полимеры (поликарбонат, полистирол, акрил), металлы (алюминий, серебро, золото, бериллий, медь, платина, свинец, магний, латунь, бронза, никель) в ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" был разработан и находится на стадии изготовления специальный ультрапрецизионный стенд для алмазного точения мелкогабаритных сферических и асферических деталей "Сфера-100 Ф4". Общий вид стенда приведен на рис.2, а параметры – в табл. 2.
Точностные характеристики основных узлов ультрапрецизионного стенда для алмазного точения мелкогабаритных сферических и асферических деталей "Сфера-100 Ф4" приведены в табл. 3, а в табл. 4 приведены точностные характеристики его основных узлов.
В 2014 году в ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" начались работы по Соглашению № 14.579.21.0042 от 25.08.2014 с Министерством образования и науки РФ на тему "Разработка технологии и оборудования наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания". В рамках проекта был разработан и создан специальный ультрапрецизионный стенд, позволяющий производить обработку алмазным абразивным и монокристаллическим инструментом поверхностей различной, в том числе и произвольной формы, деталей из хрупких оптических материалов.
На рис.3 приведен сверхжесткий ультрапрецизионный экспериментальный стенд для алмазного точения и шлифования в квазипластичном режиме.
Основные параметры стенда приведены в табл. 4.
В ходе исследований и разработок установлено, что метод пластичного резания с использованием специального инструмента (алмазный круг на металлической связке, резец или фреза) позволяет получить оптическую поверхность при обработке практически любого хрупкого материала, на поверхностях практически любой формы (решетки, поверхности свободной формы) с нанометровой точностью и шероховатостью при практически полном отсутствии нарушенного слоя. При этом операция полировки или совсем исключается или минимальна по времени.
ЛИТЕРАТУРА
1. Теплова Т. Б. Квазипластичное удаление поверхностного слоя твердых хрупких материалов с получением нанометрового рельефа поверхности. – Научный вестник МГГУ, 2010, № 8, с.73–88.
Teplova T. B. Kvaziplastichnoe udalenie poverhnostnogo sloja tverdyh hrupkih materialov s polucheniem nanometrovogo rel’efa poverhnosti. – Nauchnyj vestnik MGGU, 2010, № 8, s.73–88.
2. Bifano T. Ductile-regime grinding: a new technology for machining brittle materials/ T. Bifano, T. Dow, R. Scattergood. – Transaction of ASME, 1991, v.113, № 5, p.184–189.
3. Toh S. Fine scale abrasive wear of ceramics by a plastic cutting process, in science of hard Materials / S. B. Toh, R. McPherson, ed. E. A. Almond, C. A. Brookes and R. Warren. – Bristol and Boston: Adam Hilger Ltd,1986.
4. Blake P. N. Ductile regime machining of germanium and silicon/ P. N. Blake, R. Scattergood. – Journal of American Ceramic Socciety, 1990, v.73, № 4, p.949–957.
5. Puttick K. E. Energy scaling transitions in machining of silicon by diamond/ K. E. Puttick, L. C. Whitemore, P. Zhdan. – Tribology International, 1995, v.28, p 349–355.
6. Leung T. P. Diamond turning of silicon substrates in ductile-regime/ T. P. Leung, W. B. Lee. – Journal of Materials Processing Tecnology, 1998, v.73, p.42–48.
7. Захаревич Е. М., Лапшин В. В., Шавва М. А., Грубый С. В. Экспериментальное определение границ хрупкопластичного перехода при резании хрупких материалов. – Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2016, № 7 (6с. 64–71.
Zaharevich E. M., Lapshin V. V., Shavva M. A., Grubyj S. V. Jeksperimental’noe opredelenie granic hrupkoplastichnogo perehoda pri rezanii hrupkih materialov. – Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie, 2016, № 7 (676), s. 64–71.
овременная промышленность все чаще нуждается в технологиях, позволяющих обрабатывать хрупкие материалы, в число которых входят и кристаллы, и другие труднообрабатываемые материалы с оптическим качеством поверхности. Зачастую показатели, отвечающие за качество обработанных деталей в действительности должны быть на порядок выше заявленных, однако отсутствие методов обработки и оборудования необходимого класса точности приводит к тому, что производитель вынужден довольствоваться той шероховатостью и точностью формы деталей, которые могут быть обеспечены традиционными методами обработки [1–4].
В ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" последние несколько лет проводятся комплексные исследования по разработке и созданию ультрапрецизионного оборудования для обработки широкой номенклатуры материалов. В их число входят: закаленные стали, твердые сплавы, цветные сплавы, а также хрупкие оптические материалы.
Основные принципы, реализуемые ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" при создании ультрапрецизионного оборудования:
• разработка и применение аэростатических направляющих и опор с пористым дросселированием и вакуумным замыканием;
• разработка и применение специальных виброизолирующих пневматических опор с системой демпфирования на основе сверхвязкой жидкости (500 000 Сст). Собственная частота опор менее 1 Гц;
• разработка и применение встроенных бесконтактных систем демпфирования на основе сверхвязкой жидкости (500 000 Сст);
• разработка и применение электроприводов прямого действия со встроенной системой охлаждения на базе встроенных маловиброактивных безжелезных двигателей в комплекте с датчиками обратной связи нанометрового разрешения;
• разработка и применение отечественной специальной системой УЧПУ с возможностью программирования линейных перемещений дискретностью 1 Е;
• разработка и применение автоматизированной процедуры обмера и привязки инструмента к системе координат станка с помощью оптического микроскопа;
• разработка и применение автоматизированной процедуры измерения отклонения точности формы обрабатываемой поверхности при помощи контактного щупа c точностью 0,25 мкм непосредственно на станке;
• разработка и применение базовых компонентов оборудования из натурального гранита.
Для обработки плоских поверхностей крупногабаритных кристаллов группы KDP методом алмазного фрезерования был создан специальный ультрапрецизионный экспериментальный стенд "КДП 450 Ф1", представленный на рис.1.
Стенд предназначен для алмазного микрофрезерования однозубой торцевой фрезой элементов нелинейной оптики из кристаллов группы KDP с шероховатостью поверхности не более 10 нм и точностью поверхности не менее 50 нм на обрабатываемой поверхности размерами 450 Ч 450 мм. Основные параметры стенда для алмазного микрофрезерования приведены в табл. 1.
Предварительные экспериментальные исследования показывают, что при использовании алмазного монокристаллического инструмента с радиусом округления при вершине 4–5 мм толщина снимаемой стружки на разных режимах составляет от 20 до 400 нм. Таким образом, данный станок может гарантировать при обработке кристаллов группы KDP режим "квазипластичного резания", позволяющий обрабатывать поверхность без сколов и трещин [4–7].
Для ультрапрецизионной обработки методом алмазного точения и фрезерования широкого спектра различных материалов, включающих в себя: кристаллы (кремний, германий, арсенид галлия, фториды магния и калия), полимеры (поликарбонат, полистирол, акрил), металлы (алюминий, серебро, золото, бериллий, медь, платина, свинец, магний, латунь, бронза, никель) в ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" был разработан и находится на стадии изготовления специальный ультрапрецизионный стенд для алмазного точения мелкогабаритных сферических и асферических деталей "Сфера-100 Ф4". Общий вид стенда приведен на рис.2, а параметры – в табл. 2.
Точностные характеристики основных узлов ультрапрецизионного стенда для алмазного точения мелкогабаритных сферических и асферических деталей "Сфера-100 Ф4" приведены в табл. 3, а в табл. 4 приведены точностные характеристики его основных узлов.
В 2014 году в ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" начались работы по Соглашению № 14.579.21.0042 от 25.08.2014 с Министерством образования и науки РФ на тему "Разработка технологии и оборудования наноразмерной обработки алмазным монокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов в режиме квазипластичного резания". В рамках проекта был разработан и создан специальный ультрапрецизионный стенд, позволяющий производить обработку алмазным абразивным и монокристаллическим инструментом поверхностей различной, в том числе и произвольной формы, деталей из хрупких оптических материалов.
На рис.3 приведен сверхжесткий ультрапрецизионный экспериментальный стенд для алмазного точения и шлифования в квазипластичном режиме.
Основные параметры стенда приведены в табл. 4.
В ходе исследований и разработок установлено, что метод пластичного резания с использованием специального инструмента (алмазный круг на металлической связке, резец или фреза) позволяет получить оптическую поверхность при обработке практически любого хрупкого материала, на поверхностях практически любой формы (решетки, поверхности свободной формы) с нанометровой точностью и шероховатостью при практически полном отсутствии нарушенного слоя. При этом операция полировки или совсем исключается или минимальна по времени.
ЛИТЕРАТУРА
1. Теплова Т. Б. Квазипластичное удаление поверхностного слоя твердых хрупких материалов с получением нанометрового рельефа поверхности. – Научный вестник МГГУ, 2010, № 8, с.73–88.
Teplova T. B. Kvaziplastichnoe udalenie poverhnostnogo sloja tverdyh hrupkih materialov s polucheniem nanometrovogo rel’efa poverhnosti. – Nauchnyj vestnik MGGU, 2010, № 8, s.73–88.
2. Bifano T. Ductile-regime grinding: a new technology for machining brittle materials/ T. Bifano, T. Dow, R. Scattergood. – Transaction of ASME, 1991, v.113, № 5, p.184–189.
3. Toh S. Fine scale abrasive wear of ceramics by a plastic cutting process, in science of hard Materials / S. B. Toh, R. McPherson, ed. E. A. Almond, C. A. Brookes and R. Warren. – Bristol and Boston: Adam Hilger Ltd,1986.
4. Blake P. N. Ductile regime machining of germanium and silicon/ P. N. Blake, R. Scattergood. – Journal of American Ceramic Socciety, 1990, v.73, № 4, p.949–957.
5. Puttick K. E. Energy scaling transitions in machining of silicon by diamond/ K. E. Puttick, L. C. Whitemore, P. Zhdan. – Tribology International, 1995, v.28, p 349–355.
6. Leung T. P. Diamond turning of silicon substrates in ductile-regime/ T. P. Leung, W. B. Lee. – Journal of Materials Processing Tecnology, 1998, v.73, p.42–48.
7. Захаревич Е. М., Лапшин В. В., Шавва М. А., Грубый С. В. Экспериментальное определение границ хрупкопластичного перехода при резании хрупких материалов. – Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2016, № 7 (6с. 64–71.
Zaharevich E. M., Lapshin V. V., Shavva M. A., Grubyj S. V. Jeksperimental’noe opredelenie granic hrupkoplastichnogo perehoda pri rezanii hrupkih materialov. – Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie, 2016, № 7 (676), s. 64–71.
Отзывы читателей
