eng
Выпуск #3/2019
Е. М. Захаревич, В. В. Лапшин, В. В. Ложкарев
Особенности эксплуатации станка для микрофрезерования крупногабаритных плоских оптических деталей
Особенности эксплуатации станка для микрофрезерования крупногабаритных плоских оптических деталей
Просмотры: 2296
В статье представлены основные конструктивные особенности станка для м микрофрезерования крупногабаритных плоских оптических деталей. Описан технологический процесс и особенности обработки. Приведены результаты обработки
крупногабаритных изделий из алюминиевого сплава АМг6 и водорастворимого кристалла KDP.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.3.236.240
крупногабаритных изделий из алюминиевого сплава АМг6 и водорастворимого кристалла KDP.
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.3.236.240
Теги: diamond cutter diamond milling ultraprecision lathe алмазное фрезерование алмазный резец оптические детали
Оптические элементы и отражатели с плоскими рабочими поверхностями находят широкое применение в современной оптической промышленности. Требования к точности и качеству таких изделий постоянно повышаются, что приводит к необходимости создания оборудования, позволяющего выполнить их обработку.
В АО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» был разработан и изготовлен станок для обработки крупногабаритных плоских оптических деталей методом алмазного фрезерования однозубой фрезой (рис. 1). Станок предназначен, помимо обработки пластичных материалов (цветные сплавы, пластики), для обработки хрупких материалов, таких как водорастворимые кристаллы KDP, кремний, германий, селенид цинка и др. При обработке хрупких материалов за счет режимов резания, геометрии алмазного инструмента, а также параметров самого станка можно реализовать условия, при которых хрупкий материал поведет себя как пластичный [1, 2].
Основные особенности станка для микрофрезерования крупногабаритных плоских оптических деталей:
• базовые элементы станка выполнены из натурального гранита;
• линейный узел перемещений выполнен на аэростатических опорах с пористым дроссе-
лированием и вакуумным натягом;
• шпиндельный узел станка выполнен с использованием сферических аэростатических опор с пористым дросселированием;
• станок оснащен системой виброизоляции с собственной частотой колебаний не
более 1 Гц;
• дискретность программируемого линейного перемещения составляет 10 нм;
• станок оснащен электроприводами прямого действия на базе двигателей с пониженной виброактивностью;
• встроенная система отвода стружки;
• специальная вакуумная планшайба из пористой керамики для крепления заготовки;
• ручной механизм врезания инструмента с дискретностью 1 мкм.
Технические и точностные характеристики станка представлены в таблице. Точность
обработки плоских оптических деталей достигается за счет следующих параметров станка:
• биение оси шпинделя менее 50 нм;
• отклонение от прямолинейности перемещения каретки составляет 150 нм на длине хода 400 мм.
• отклонение от перпендикулярности оси шпинделя к направлению движения каретки составляет не более 0,2″.
Отклонение от перпендикулярности оказывает наибольшее влияние на точность обработки крупногабаритных плоских оптических деталей, так как приводит к появлению вогнутости или выпуклости обработанной поверхности. Для устранения отклонения разработана методика юстировки, состоящая из двух этапов.
На первом этапе юстировка выполняется за счет смещения траверсы, на которой установлен шпиндель, относительно неподвижных стоек. Сопряжение траверсы и стоек осуществляется через переходные детали, имеющих цилиндрическую форму с радиусом 20 м. Перемещение траверсы относительно стоек обеспечивается специальными винтами. Упрощенная схема юстировки показана на рис. 2.
Второй этап подразумевает точную юстировку оси аэростатического шпинделя. Для этого на станке предусмотрен специальный механизм подвода воздуха в аэростатический подшипник, который позволяет выполнять наклон оси шпинделя с точностью до десятых долей секунды.
Схема обработки крупногабаритных деталей показана на рис. 3. Обрабатываемая деталь располагается на вакуумном столе, базовая поверхность
которого должна быть проточена после выполнения юстировки шпиндельного узла.
Технология изготовления состоит из следующих этапов:
1. Установка обрабатываемой детали на стол и ее обработка на черновых режимах без
включения вакуума (деталь лежит на столе под своим весом);
2. Переворот детали и обработка ее оборотной стороны на тех же режимах без включения
вакуума;
3. Повторение пункта 2 до тех пор, пока не будет исправлена исходная форма детали.
Требуется выполнить не менее трех переворотов.
4. Обработка рабочей поверхности оптической детали на чистовых режимах с включением
вакуума.
По описанной технологии выполнена обработка оптической детали из алюминиевого сплава АМг6 с габаритами 280 × 150. В качестве режущего инструмента использовался алмазный резец с радиусом при вершине 5 мм. С целью достижения наилучших показателей шероховатости были подобраны режимы резания, обеспечивающие наименьшую высоту микронеровностей [3]. Частота вращения шпинделя составляла
260 об / мин, глубина резания − 2 мкм, подача на оборот − 10 мкм.
Результаты замера отклонения от плоскостности обработанной детали и параметры шеро-
ховатости поверхности показаны на рис. 4 и 5 соответственно. Отклонение составило 0,31 мкм, а шероховатость поверхности составила по параметру Ra 2,7 нм, а по параметру Rms 4,6 нм.
По аналогичной технологии была выполнена обработка плоской поверхности водорастворимого кристалла KDP с габаритами 400 × 400 мм и 180 × 180 мм. В качестве режущего инструмента также использовался алмазный резец с радиусом при вершине 5 мм. Так как обрабатываемый кристалл является хрупким материалом, режимы резания назначались таким образом, чтобы обеспечивался пластичный характер обработки [1, 2]. Частота вращения шпинделя составляла 260 об / мин, глубина резания − 2 мкм, подача
на оборот − 5 мкм.
Шероховатость поверхности полученной при обработке, составила Ra 1,6 нм и Rms 2 нм (рис. 6). Отклонение от плоскостности на оптической детали с габаритами 180 × 180 мм составило 280 нм, а на детали с габаритами 400 × 400 мм – 1 083 нм (рис. 7 и 8).
Результаты проведенных работ доказывают, что разработанный станок обеспечивает выполнение обработки оптических деталей с уникальными характеристиками. Дальнейшие работы направлены на совершенствование технологии обработки с целью повышения точности и качества изготовленных деталей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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(676): 64–71.
Zaharevich E. M., Lapshin V. V., Shavva M. A., Grubyj S. V. Eksperimental“noe opredelenie
granic hrupkoplastichnogo perekhoda pri rezanii hrupkih materialov. Izvestiya
vysshih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie. 2016; 7(676): 64–71.
2. Шавва М. А., Лапшин В. В., Грубый С. В. Сверхточная обработка хрупких опти-
ческих материалов в нанометровом диапазоне толщин срезаемого слоя. Известия
высших учебных заведений. Машиностроение. 2016; 4(673): 52–59.
Shavva M. A., Lapshin V. V., Grubyj S. V. Sverhtochnaya obrabotka hrupkih opticheskih
materialov v nanometrovom diapazone tolshchin srezaemogo sloya. Izvestiya
vysshih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie. 2016; 4(673): 52–59.
3. Грубый С. В., Лапшин В. В. Моделирование процесса и разработка технологии
сверхточной обработки плоских отражателей однорезцовой алмазной фрезерной
головкой. Наука и образование: Научное издание МГТУ им. Баумана. 2014; 2: 49–74.
Grubyj S. V., Lapshin V. V. Modelirovanie processa i razrabotka tekhnologii sverhtochnoj
obrabotki ploskih otrazhatelej odnorezcovoj almaznoj frezernoj golovkoj. Nauka
i obrazovanie: Nauchnoe izdanie MGTU im. Baumana. 2014; 2: 49–74.
В АО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» был разработан и изготовлен станок для обработки крупногабаритных плоских оптических деталей методом алмазного фрезерования однозубой фрезой (рис. 1). Станок предназначен, помимо обработки пластичных материалов (цветные сплавы, пластики), для обработки хрупких материалов, таких как водорастворимые кристаллы KDP, кремний, германий, селенид цинка и др. При обработке хрупких материалов за счет режимов резания, геометрии алмазного инструмента, а также параметров самого станка можно реализовать условия, при которых хрупкий материал поведет себя как пластичный [1, 2].
Основные особенности станка для микрофрезерования крупногабаритных плоских оптических деталей:
• базовые элементы станка выполнены из натурального гранита;
• линейный узел перемещений выполнен на аэростатических опорах с пористым дроссе-
лированием и вакуумным натягом;
• шпиндельный узел станка выполнен с использованием сферических аэростатических опор с пористым дросселированием;
• станок оснащен системой виброизоляции с собственной частотой колебаний не
более 1 Гц;
• дискретность программируемого линейного перемещения составляет 10 нм;
• станок оснащен электроприводами прямого действия на базе двигателей с пониженной виброактивностью;
• встроенная система отвода стружки;
• специальная вакуумная планшайба из пористой керамики для крепления заготовки;
• ручной механизм врезания инструмента с дискретностью 1 мкм.
Технические и точностные характеристики станка представлены в таблице. Точность
обработки плоских оптических деталей достигается за счет следующих параметров станка:
• биение оси шпинделя менее 50 нм;
• отклонение от прямолинейности перемещения каретки составляет 150 нм на длине хода 400 мм.
• отклонение от перпендикулярности оси шпинделя к направлению движения каретки составляет не более 0,2″.
Отклонение от перпендикулярности оказывает наибольшее влияние на точность обработки крупногабаритных плоских оптических деталей, так как приводит к появлению вогнутости или выпуклости обработанной поверхности. Для устранения отклонения разработана методика юстировки, состоящая из двух этапов.
На первом этапе юстировка выполняется за счет смещения траверсы, на которой установлен шпиндель, относительно неподвижных стоек. Сопряжение траверсы и стоек осуществляется через переходные детали, имеющих цилиндрическую форму с радиусом 20 м. Перемещение траверсы относительно стоек обеспечивается специальными винтами. Упрощенная схема юстировки показана на рис. 2.
Второй этап подразумевает точную юстировку оси аэростатического шпинделя. Для этого на станке предусмотрен специальный механизм подвода воздуха в аэростатический подшипник, который позволяет выполнять наклон оси шпинделя с точностью до десятых долей секунды.
Схема обработки крупногабаритных деталей показана на рис. 3. Обрабатываемая деталь располагается на вакуумном столе, базовая поверхность
которого должна быть проточена после выполнения юстировки шпиндельного узла.
Технология изготовления состоит из следующих этапов:
1. Установка обрабатываемой детали на стол и ее обработка на черновых режимах без
включения вакуума (деталь лежит на столе под своим весом);
2. Переворот детали и обработка ее оборотной стороны на тех же режимах без включения
вакуума;
3. Повторение пункта 2 до тех пор, пока не будет исправлена исходная форма детали.
Требуется выполнить не менее трех переворотов.
4. Обработка рабочей поверхности оптической детали на чистовых режимах с включением
вакуума.
По описанной технологии выполнена обработка оптической детали из алюминиевого сплава АМг6 с габаритами 280 × 150. В качестве режущего инструмента использовался алмазный резец с радиусом при вершине 5 мм. С целью достижения наилучших показателей шероховатости были подобраны режимы резания, обеспечивающие наименьшую высоту микронеровностей [3]. Частота вращения шпинделя составляла
260 об / мин, глубина резания − 2 мкм, подача на оборот − 10 мкм.
Результаты замера отклонения от плоскостности обработанной детали и параметры шеро-
ховатости поверхности показаны на рис. 4 и 5 соответственно. Отклонение составило 0,31 мкм, а шероховатость поверхности составила по параметру Ra 2,7 нм, а по параметру Rms 4,6 нм.
По аналогичной технологии была выполнена обработка плоской поверхности водорастворимого кристалла KDP с габаритами 400 × 400 мм и 180 × 180 мм. В качестве режущего инструмента также использовался алмазный резец с радиусом при вершине 5 мм. Так как обрабатываемый кристалл является хрупким материалом, режимы резания назначались таким образом, чтобы обеспечивался пластичный характер обработки [1, 2]. Частота вращения шпинделя составляла 260 об / мин, глубина резания − 2 мкм, подача
на оборот − 5 мкм.
Шероховатость поверхности полученной при обработке, составила Ra 1,6 нм и Rms 2 нм (рис. 6). Отклонение от плоскостности на оптической детали с габаритами 180 × 180 мм составило 280 нм, а на детали с габаритами 400 × 400 мм – 1 083 нм (рис. 7 и 8).
Результаты проведенных работ доказывают, что разработанный станок обеспечивает выполнение обработки оптических деталей с уникальными характеристиками. Дальнейшие работы направлены на совершенствование технологии обработки с целью повышения точности и качества изготовленных деталей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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(676): 64–71.
Zaharevich E. M., Lapshin V. V., Shavva M. A., Grubyj S. V. Eksperimental“noe opredelenie
granic hrupkoplastichnogo perekhoda pri rezanii hrupkih materialov. Izvestiya
vysshih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie. 2016; 7(676): 64–71.
2. Шавва М. А., Лапшин В. В., Грубый С. В. Сверхточная обработка хрупких опти-
ческих материалов в нанометровом диапазоне толщин срезаемого слоя. Известия
высших учебных заведений. Машиностроение. 2016; 4(673): 52–59.
Shavva M. A., Lapshin V. V., Grubyj S. V. Sverhtochnaya obrabotka hrupkih opticheskih
materialov v nanometrovom diapazone tolshchin srezaemogo sloya. Izvestiya
vysshih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie. 2016; 4(673): 52–59.
3. Грубый С. В., Лапшин В. В. Моделирование процесса и разработка технологии
сверхточной обработки плоских отражателей однорезцовой алмазной фрезерной
головкой. Наука и образование: Научное издание МГТУ им. Баумана. 2014; 2: 49–74.
Grubyj S. V., Lapshin V. V. Modelirovanie processa i razrabotka tekhnologii sverhtochnoj
obrabotki ploskih otrazhatelej odnorezcovoj almaznoj frezernoj golovkoj. Nauka
i obrazovanie: Nauchnoe izdanie MGTU im. Baumana. 2014; 2: 49–74.
Отзывы читателей
