eng
Выпуск #1/2021
В. В. Лапшин, Е. М. Захаревич, М. С. Кузнецов, К. С. Зараменских, А. В. Осипов
Технология обработки оптических деталей из кристаллов КРС‑5 методом алмазного точения и фрезерования
Технология обработки оптических деталей из кристаллов КРС‑5 методом алмазного точения и фрезерования
Просмотры: 2554
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.1.18.28
Статья посвящена разработке технологии обработки заготовок из кристаллов КРС‑5. Экспериментально определен оптимальный метод обработки, а также способ определения оптимальной ориентации заготовки. Разработанная технология опробована при изготовлении светоделительного кольца. Приведены результаты метрологического контроля кольца, а также способы улучшения качества и точности обработки.
Статья посвящена разработке технологии обработки заготовок из кристаллов КРС‑5. Экспериментально определен оптимальный метод обработки, а также способ определения оптимальной ориентации заготовки. Разработанная технология опробована при изготовлении светоделительного кольца. Приведены результаты метрологического контроля кольца, а также способы улучшения качества и точности обработки.
Теги: diamond cutter diamond milling diamond turning krs‑5 monocrystals optical components ultra-precision machine tools алмазное точение алмазное фрезерование алмазный резец монокристаллы крс‑5 оптические детали ультрапрецизионные станки
Технология обработки оптических деталей из кристаллов КРС‑5 методом алмазного точения и фрезерования
В. В. Лапшин 1, Е. М. Захаревич 1, М. С. Кузнецов 2,
К. С. Зараменских 2, А. В. Осипов 3
ООО «Научно-производственное предприятие Станкостроительный завод «Туламаш»
АО «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»
ООО «Научно-производственная компания «МакроОптика»
Статья посвящена разработке технологии обработки заготовок из кристаллов КРС‑5. Экспериментально определен оптимальный метод обработки, а также способ определения оптимальной ориентации заготовки. Разработанная технология опробована при изготовлении светоделительного кольца. Приведены результаты метрологического контроля кольца, а также способы улучшения качества и точности обработки.
Ключевые слова: алмазный резец, алмазное фрезерование, алмазное точение, оптические детали, ультрапрецизионные станки, монокристаллы КРС‑5
Статья получена: 05.01.2021
Принята к публикации: 18.02.2021
Введение
Оптическое приборостроение инфракрасного (ИК) диапазона является важнейшим направлением развития передовых отраслей техники, в том числе в связи с возрастающими требованиями к спектрометрическим исследованиям в инфракрасной области на предприятиях нефтегазовой и фармацевтической промышленности. Создание оптических приборов невозможно без таких элементов как окна, линзы, призмы, зеркала, светоделители и т. д., для изготовления которых должны быть исследованы и изготовлены оптические материалы, обладающие комплексом механических, химических, оптических свойств, отвечающих набору конкретных требований.
Одним из наиболее перспективных оптических материалов являются кристаллы галогенидов таллия, обладающие равномерной прозрачностью в очень широком диапазоне длин волн, охватывающем видимую и среднюю инфракрасную области спектра от 0,35 до 50 мкм (в зависимости от состава), 0,54–50 мкм для КРС‑5 (TlBr–TlI). Пропускание составляет до 70% при отсутствии полос поглощения. Величина оптических потерь определяется коэффициентом отражения, соответственно при нанесении просветляющего покрытия может быть достигнуто абсолютное пропускание. Кристаллы обладают механической, вибрационной прочностью, химической и влагостойкостью, благодаря чему пригодны для работы в атмосферных условиях без специальной защиты [1–3].
Совокупность всех вышеперечисленных характеристик дает возможность улучшить свойства оборудования по сравнению с существующими аналогами в диапазоне до 10 мкм, а также создавать приборы, работающие в диапазоне от 10 до 50 мкм, не имеющие аналогов, при использовании кристаллов КРС‑5.
Основной проблемой является сложность оптической обработки кристаллов галогенидов таллия из-за мягкости и пластичности материала, высокого коэффициента термического расширения, низкой теплопроводности, а также высокой анизотропии. Используемые традиционно технологии обработки приводят к образованию глубокого нарушенного слоя кристаллической структуры при шлифовке и низкому выходу в годное при финишной доводке оптической поверхности ручной полировкой.
В связи с указанными выше недостатками традиционных способов обработки кристаллов предлагается в качестве альтернативного способа использовать алмазную лезвийную обработку на ультра прецизионных станках, которая позволит избежать образования значительного поврежденного слоя, шаржирования абразивными частицами обработанной поверхности, а также высоких температур обработки. Также алмазная лезвийная обработка изделий из КРС‑5, проведенная без СОЖ (смазочно-охлаждающих жидкостей) в герметичном кабинете, позволит собрать стружку, которую можно будет использовать повторно при выращивании кристаллов. Алмазная лезвийная обработка позволит обеспечить необходимое качество и точность обрабатываемой поверхности, а также в разы повысить производительность. Как правило, шероховатость поверхности оптических изделий из КРС‑5 составляет Ra 0,01 мкм, а точность зависит от формы и назначения изделий.
Таким образом, поставлены следующие технологические задачи по обработке кристаллов КРС‑5: отработать оптимальные режимы лезвийной алмазной обработки; отработать способ определения оптимальной ориентации кристалла; определить оптимальный способ базирования заготовки.
Описание технологической установки
Экспериментальная обработка кристаллов КРС‑5 выполнена на опытном производстве ООО «НПП Станкостроительный завод «Туламаш» на ультра прецизионном стенде (рис. 1), который имеет следующие конструктивные особенности:
На стенде реализована возможность обработки кристаллов КРС методом фрезерования однорезцовой головкой (fly cutting), а также точением. Для проведения исследований спроектирована и изготовлена специальная оснастка, необходимая для закрепления обрабатываемого изделия. Оснастка состоит из вакуумной планшайбы, а также фиксирующего кольца.
Перед проведением исследований на станке был проведен ряд подготовительных операций:
В качестве режущего инструмента при исследованиях использовались алмазные резцы с радиусами при вершине r 1 мм и 5 мм (рис. 2) с нулевым передним углом. Для крепления алмазных резцов разработан специальный держатель, который устанавливается в корпус однорезцовой головки.
Базовая поверхность вакуумной планшайбы также была обработана алмазным резцом после выполнения всех подготовительных операций.
Технология обработки изделий из КРС‑5
Предварительные эксперименты по обработке цилиндрической заготовки из КРС‑5 были проведены по токарной схеме (заготовка вращается вокруг своей оси, инструменту сообщается движение подачи). Обработка торца образца из КРС‑5 показала, что кристаллографическая ориентация влияет на качество поверхности, так как на заготовке визуально наблюдалось чередование зон хрупкого разрушения и зон, где на поверхности не наблюдалось дефектов (рис. 3). В связи с тем, что изменение режимов обработки не привело к устранению дефектных зон, было принято решение отказаться от токарной схемы и перейти к фрезерованию, так как фрезерование позволит учесть положение заготовки относительно траектории движения инструмента.
С учетом выявленной особенности обработки кристаллов КРС‑5 разработана и реализована методика обработки кристаллов методом алмазного фрезерования, состоящая из двух этапов:
Первый этап, на котором происходит определение оптимальной ориентации заготовки, реализован на ультра прецизионном стенде по схеме, представленной на рис. 4.
Однорезцовая головка с алмазным резцом с радиусом r = 1 мм устанавливалась на инструментальном шпинделе. Планшайба с заготовкой устанавливалась на шпинделе изделия. При обработке заготовка совершала вращательные движения вокруг своей оси. Траектория движения алмазного резца проходила через ось вращения заготовки.
Обработка выполнялась на следующих режимах: частота вращения инструментального шпинделя 500 об / мин, частота вращения заготовки 0,5 об / мин, глубина резания t = 10 мкм. После обработки на заготовке образовывались зоны хрупкого разрушения, которые можно было обнаружить невооруженным взглядом (рис. 5). Из анализа полученной картины расположения зон хрупкого разрушения, и зная траекторию перемещения алмазного инструмента, можно сориентировать деталь в угловом положении таким образом, чтобы при обработке обеспечивался только пластичный съем материала, без хрупкого разрушения.
Второй этап заключается в обработке правильно сориентированной детали по схеме, представленной на рис. 6. В отличие от схемы, при которой определялось расположение хрупких зон, заготовка не совершает вращательного движения, а перемещается относительно фрезерной головки с движением подачи.
Следы хрупкого разрушения, полученные на заготовке при эксперименте, устранялись путем предварительной обработки на следующих режимах: частота вращения инструментального шпинделя 1 000 об / мин, скорость подачи заготовки 12 мм / мин, глубина резания 50 мкм. Для устранения всех следов хрупкого разрушения потребовалось снять с заготовки припуск более 0,25 мм. Далее обработка выполнялась на чистовых режимах алмазным резцом с радиусом 5 мм. Чистовые режимы обработки, на которых получено наилучшее качество поверхности, следующие: частота вращения инструментального шпинделя 1000 об / мин, скорость подачи заготовки 12 мм / мин, глубина резания t = 3 мкм.
На обработанной поверхности полностью отсутствовали следы хрупкого разрушения, что подтвердило правильность ориентации заготовки, определенной на первом этапе, а также правильность использованной методики обработки. Шероховатость поверхности, замеренная с помощью профилометра, составила Ra 0,01 мкм.
По разработанной методике, описанной выше, была выполнена обработка торцевых поверхностей светоделительного кольца из КРС‑5, которое представляет собой кольцо с наружным диаметром 60 мм, внутренним диаметром 36 мм и толщиной 6 мм. К изделию предъявлены следующие требования точности и качества: шероховатость поверхности Ra 0,01 мкм, точность формы N = 0,5, местная ошибка ΔN = 0,2, клиновидность менее 2‑х угловых секунд. Светоделительные кольца находят свое применение в фурье-спектрометрах и в настоящее время изготавливаются из селенида цинка, недостатком которого является водорастворимость. Кристаллы КРС‑5 являются влагостойкими, что поможет повысить характеристики фурье-спектрометров.
Последовательность обработки торцевых поверхностей кольца состояла из следующих этапов:
В зависимости от необходимой точности формы количество переворотов заготовки может быть увеличено. Это делается для устранения технологической наследственности, которая может привести к искажению формы изделия.
По описанной выше методике был обработан ряд экспериментальных образцов. Фото обработки кольца показано на рис. 7.
Метрологический контроль формы обработанных поверхностей осуществлялся на интерферометре OWI150 HP XT с объективом для плоской оптики TF 6" λ / 20 Zygo Corp. Рабочая длина волны интерферометра 632,8 нм.
На рис. 8 представлен замер формы поверхности наилучшего образца. Точность формы составила N = 4,5 (1,239 мкм), ΔN = 2,1 (0,678 мкм), клиновидность – 6,9 угловые секунды. Как видно из результатов интерферограммы, обработанная заготовка имеет форму седла. Такую же форму седла имели и остальные обработанные заготовки.
С целью поиска причин образования седлообразной поверхности на стенде было обработано медное кольцо с размерами, совпадающими с размерами кольца из КРС‑5. Режимы и схема обработки были такими же, как при обработке кристаллов, за исключением необходимости выявления правильной ориентации заготовки. Исследование по обработке медных колец показало отсутствие видимой седлообразности заготовок, а также значительное улучшение точности формы по сравнению с обработкой кристаллов, N = 1,47 против N = 4,5.
Требуемая точность формы кольца не может быть обеспечена на стенде из-за его конструктивных особенностей: низкая жесткость, отсутствие механизма точной юстировки оси шпинделя изделия в вертикальной плоскости.
Выводы
Проведенные исследования позволили понять особенности обработки и физику процесса резания кристаллов КРС‑5, при этом удалось выяснить, что точность формы связана с анизотропией кристаллов КРС‑5 и изменением твердости в различных направлениях, а также неодинаковостью условий резания, так как заготовка имеет круглую форму.
Эксперименты, проведенные на светоделительных кольцах из КРС‑5, позволили отработать технологию обработки, а также подобрать оптимальные режимы резания. Достигнутые параметры точности и качества (N = 4,5; Ra = 0,01 мкм) поверхности являются достаточными для стандартных оптических изделий (например линзы и окна). Однако современные оптические приборы предъявляют более высокие требования к качеству и точности оптических поверхностей.
Для повышения точности и качества обработки требуется:
Предлагаемый способ обработки кристаллов КРС‑5 позволит повысить производительность изготовления оптических изделий с обеспечением необходимой точности и качества. Изготовлением ультрапрецизмонных станков под подобные задачи в РФ занимается ООО «НПП Станкостроительный завод «Туламаш».
REFERENCES
Darvoidt T. I., Karlova E. K., Karlov N. V. Investigation of some properties of KRS crystals in the 10‑micron spectral range. Quantum electronics. 1975; 2 (4): 765–772.
Дарвойд Т. И., Карлова E. K., Карлов H. B. Исследование некоторых свойств кристаллов КРС в 10‑микронной области спектра. Квантовая электроника. 1975; 2 (4): 765–772.
Kuznetsov M. S., Kiseleva K. S., Lisitskiy I. S. Influence of growing medium on the TlBr crystals characteristics. Part 1. The spectral transmission and diffusion light. Non-ferrous metals. 2011; 4: 81–84. [In Russ].
Кузнецов М. С., Киселева К. С., Лисицкий И. С. Влияние атмосферы выращивания на характеристики кристаллов TlBr Часть 1. Спектральное пропускание и светорассеяние. Цветные металлы. 2011; 4: 81–84.
Lisitskiy I. S., Kuznetsov M. S., Zaramenskikh K. S., Golovanov V. F., Polyakova G. V. Research of the influence of the processing in hydrostat with high pressure and increased temperature on optical and laser characteristics of thallium halide crystalsю. Non-ferrous metals. 2012; 11: 67–71. [In Russ].
Лисицкий И. С., Кузнецов М. С., Зараменских К. С., Голованов В. Ф., Полякова Г. В. Исследование влияния обработки в гидростате при высоком давлении и повышенной температуре на оптические и лазерные характеристики кристаллов галогенидов таллия. Цветные металлы. 2012; 11: 67–71.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Об авторах
Лапшин В. В., корреспондирующий автор, lapshin_v@cnc-tulamash.ru, ООО «Научно-производственное предприятие Станкостроительный завод «Туламаш»;
https://cnc-tulamash.ru; Тула, Россия.
ORCID: 0000-0002-6971-8534
Захаревич Е. М., ООО «Научно-производственное предприятие Станкостроительный завод «Туламаш», https://cnc-tulamash.ru, Тула, Россия.
ORCID: 0000-0001-6997-3335
Кузнецов М. С., АО «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»; https://giredmet.inni.info; Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-8441-4424
Зараменских К. С., АО «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»;
https://giredmet.inni.info; Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-8573-3470
Осипов А. В., ООО «Научно-производственная компания «МакроОптика»;
https://macrooptica.ru; Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-8847-9428
В. В. Лапшин 1, Е. М. Захаревич 1, М. С. Кузнецов 2,
К. С. Зараменских 2, А. В. Осипов 3
ООО «Научно-производственное предприятие Станкостроительный завод «Туламаш»
АО «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»
ООО «Научно-производственная компания «МакроОптика»
Статья посвящена разработке технологии обработки заготовок из кристаллов КРС‑5. Экспериментально определен оптимальный метод обработки, а также способ определения оптимальной ориентации заготовки. Разработанная технология опробована при изготовлении светоделительного кольца. Приведены результаты метрологического контроля кольца, а также способы улучшения качества и точности обработки.
Ключевые слова: алмазный резец, алмазное фрезерование, алмазное точение, оптические детали, ультрапрецизионные станки, монокристаллы КРС‑5
Статья получена: 05.01.2021
Принята к публикации: 18.02.2021
Введение
Оптическое приборостроение инфракрасного (ИК) диапазона является важнейшим направлением развития передовых отраслей техники, в том числе в связи с возрастающими требованиями к спектрометрическим исследованиям в инфракрасной области на предприятиях нефтегазовой и фармацевтической промышленности. Создание оптических приборов невозможно без таких элементов как окна, линзы, призмы, зеркала, светоделители и т. д., для изготовления которых должны быть исследованы и изготовлены оптические материалы, обладающие комплексом механических, химических, оптических свойств, отвечающих набору конкретных требований.
Одним из наиболее перспективных оптических материалов являются кристаллы галогенидов таллия, обладающие равномерной прозрачностью в очень широком диапазоне длин волн, охватывающем видимую и среднюю инфракрасную области спектра от 0,35 до 50 мкм (в зависимости от состава), 0,54–50 мкм для КРС‑5 (TlBr–TlI). Пропускание составляет до 70% при отсутствии полос поглощения. Величина оптических потерь определяется коэффициентом отражения, соответственно при нанесении просветляющего покрытия может быть достигнуто абсолютное пропускание. Кристаллы обладают механической, вибрационной прочностью, химической и влагостойкостью, благодаря чему пригодны для работы в атмосферных условиях без специальной защиты [1–3].
Совокупность всех вышеперечисленных характеристик дает возможность улучшить свойства оборудования по сравнению с существующими аналогами в диапазоне до 10 мкм, а также создавать приборы, работающие в диапазоне от 10 до 50 мкм, не имеющие аналогов, при использовании кристаллов КРС‑5.
Основной проблемой является сложность оптической обработки кристаллов галогенидов таллия из-за мягкости и пластичности материала, высокого коэффициента термического расширения, низкой теплопроводности, а также высокой анизотропии. Используемые традиционно технологии обработки приводят к образованию глубокого нарушенного слоя кристаллической структуры при шлифовке и низкому выходу в годное при финишной доводке оптической поверхности ручной полировкой.
В связи с указанными выше недостатками традиционных способов обработки кристаллов предлагается в качестве альтернативного способа использовать алмазную лезвийную обработку на ультра прецизионных станках, которая позволит избежать образования значительного поврежденного слоя, шаржирования абразивными частицами обработанной поверхности, а также высоких температур обработки. Также алмазная лезвийная обработка изделий из КРС‑5, проведенная без СОЖ (смазочно-охлаждающих жидкостей) в герметичном кабинете, позволит собрать стружку, которую можно будет использовать повторно при выращивании кристаллов. Алмазная лезвийная обработка позволит обеспечить необходимое качество и точность обрабатываемой поверхности, а также в разы повысить производительность. Как правило, шероховатость поверхности оптических изделий из КРС‑5 составляет Ra 0,01 мкм, а точность зависит от формы и назначения изделий.
Таким образом, поставлены следующие технологические задачи по обработке кристаллов КРС‑5: отработать оптимальные режимы лезвийной алмазной обработки; отработать способ определения оптимальной ориентации кристалла; определить оптимальный способ базирования заготовки.
Описание технологической установки
Экспериментальная обработка кристаллов КРС‑5 выполнена на опытном производстве ООО «НПП Станкостроительный завод «Туламаш» на ультра прецизионном стенде (рис. 1), который имеет следующие конструктивные особенности:
- аэростатические опоры щелевого типа на суппортах продольного и поперечного перемещений;
- аэростатический инструментальный шпиндель и шпиндель изделия;
- станина станка установлена на виброизолирующих опорах;
- пневматический привод продольного и поперечного суппорта;
- разрешение системы перемещений по линейным осям составляет 0,1 мкм.
На стенде реализована возможность обработки кристаллов КРС методом фрезерования однорезцовой головкой (fly cutting), а также точением. Для проведения исследований спроектирована и изготовлена специальная оснастка, необходимая для закрепления обрабатываемого изделия. Оснастка состоит из вакуумной планшайбы, а также фиксирующего кольца.
Перед проведением исследований на станке был проведен ряд подготовительных операций:
- выставление оси шпинделя изделия относительно направляющих оси Х в горизонтальной и вертикальной плоскости;
- выставление параллельности оси инструментального шпинделя и шпинделя изделия в вертикальной и горизонтальной плоскости;
- балансировка однорезцовой фрезерной головки.
В качестве режущего инструмента при исследованиях использовались алмазные резцы с радиусами при вершине r 1 мм и 5 мм (рис. 2) с нулевым передним углом. Для крепления алмазных резцов разработан специальный держатель, который устанавливается в корпус однорезцовой головки.
Базовая поверхность вакуумной планшайбы также была обработана алмазным резцом после выполнения всех подготовительных операций.
Технология обработки изделий из КРС‑5
Предварительные эксперименты по обработке цилиндрической заготовки из КРС‑5 были проведены по токарной схеме (заготовка вращается вокруг своей оси, инструменту сообщается движение подачи). Обработка торца образца из КРС‑5 показала, что кристаллографическая ориентация влияет на качество поверхности, так как на заготовке визуально наблюдалось чередование зон хрупкого разрушения и зон, где на поверхности не наблюдалось дефектов (рис. 3). В связи с тем, что изменение режимов обработки не привело к устранению дефектных зон, было принято решение отказаться от токарной схемы и перейти к фрезерованию, так как фрезерование позволит учесть положение заготовки относительно траектории движения инструмента.
С учетом выявленной особенности обработки кристаллов КРС‑5 разработана и реализована методика обработки кристаллов методом алмазного фрезерования, состоящая из двух этапов:
- Определение оптимальной ориентации заготовки при фрезеровании, при котором не наблюдается хрупкого разрушения;
- Обработка заготовки с учетом правильного ориентирования.
Первый этап, на котором происходит определение оптимальной ориентации заготовки, реализован на ультра прецизионном стенде по схеме, представленной на рис. 4.
Однорезцовая головка с алмазным резцом с радиусом r = 1 мм устанавливалась на инструментальном шпинделе. Планшайба с заготовкой устанавливалась на шпинделе изделия. При обработке заготовка совершала вращательные движения вокруг своей оси. Траектория движения алмазного резца проходила через ось вращения заготовки.
Обработка выполнялась на следующих режимах: частота вращения инструментального шпинделя 500 об / мин, частота вращения заготовки 0,5 об / мин, глубина резания t = 10 мкм. После обработки на заготовке образовывались зоны хрупкого разрушения, которые можно было обнаружить невооруженным взглядом (рис. 5). Из анализа полученной картины расположения зон хрупкого разрушения, и зная траекторию перемещения алмазного инструмента, можно сориентировать деталь в угловом положении таким образом, чтобы при обработке обеспечивался только пластичный съем материала, без хрупкого разрушения.
Второй этап заключается в обработке правильно сориентированной детали по схеме, представленной на рис. 6. В отличие от схемы, при которой определялось расположение хрупких зон, заготовка не совершает вращательного движения, а перемещается относительно фрезерной головки с движением подачи.
Следы хрупкого разрушения, полученные на заготовке при эксперименте, устранялись путем предварительной обработки на следующих режимах: частота вращения инструментального шпинделя 1 000 об / мин, скорость подачи заготовки 12 мм / мин, глубина резания 50 мкм. Для устранения всех следов хрупкого разрушения потребовалось снять с заготовки припуск более 0,25 мм. Далее обработка выполнялась на чистовых режимах алмазным резцом с радиусом 5 мм. Чистовые режимы обработки, на которых получено наилучшее качество поверхности, следующие: частота вращения инструментального шпинделя 1000 об / мин, скорость подачи заготовки 12 мм / мин, глубина резания t = 3 мкм.
На обработанной поверхности полностью отсутствовали следы хрупкого разрушения, что подтвердило правильность ориентации заготовки, определенной на первом этапе, а также правильность использованной методики обработки. Шероховатость поверхности, замеренная с помощью профилометра, составила Ra 0,01 мкм.
По разработанной методике, описанной выше, была выполнена обработка торцевых поверхностей светоделительного кольца из КРС‑5, которое представляет собой кольцо с наружным диаметром 60 мм, внутренним диаметром 36 мм и толщиной 6 мм. К изделию предъявлены следующие требования точности и качества: шероховатость поверхности Ra 0,01 мкм, точность формы N = 0,5, местная ошибка ΔN = 0,2, клиновидность менее 2‑х угловых секунд. Светоделительные кольца находят свое применение в фурье-спектрометрах и в настоящее время изготавливаются из селенида цинка, недостатком которого является водорастворимость. Кристаллы КРС‑5 являются влагостойкими, что поможет повысить характеристики фурье-спектрометров.
Последовательность обработки торцевых поверхностей кольца состояла из следующих этапов:
- Черновая обработка заготовки с одной из сторон с целью устранения дефектов предварительной обработки.
- Определение оптимальной ориентации заготовки по схеме на рис. 4.
- Ориентирование заготовки в оптимальное положение и черновая обработка с целью устранения следов хрупкого разрушения.
- Обработка заготовки на чистовых режимах по схеме на рис. 6.
- Переворот заготовки и обработка второй торцевой поверхности, повторяя пункты 1–4.
- Переворот заготовки и чистовая обработка первой поверхности.
В зависимости от необходимой точности формы количество переворотов заготовки может быть увеличено. Это делается для устранения технологической наследственности, которая может привести к искажению формы изделия.
По описанной выше методике был обработан ряд экспериментальных образцов. Фото обработки кольца показано на рис. 7.
Метрологический контроль формы обработанных поверхностей осуществлялся на интерферометре OWI150 HP XT с объективом для плоской оптики TF 6" λ / 20 Zygo Corp. Рабочая длина волны интерферометра 632,8 нм.
На рис. 8 представлен замер формы поверхности наилучшего образца. Точность формы составила N = 4,5 (1,239 мкм), ΔN = 2,1 (0,678 мкм), клиновидность – 6,9 угловые секунды. Как видно из результатов интерферограммы, обработанная заготовка имеет форму седла. Такую же форму седла имели и остальные обработанные заготовки.
С целью поиска причин образования седлообразной поверхности на стенде было обработано медное кольцо с размерами, совпадающими с размерами кольца из КРС‑5. Режимы и схема обработки были такими же, как при обработке кристаллов, за исключением необходимости выявления правильной ориентации заготовки. Исследование по обработке медных колец показало отсутствие видимой седлообразности заготовок, а также значительное улучшение точности формы по сравнению с обработкой кристаллов, N = 1,47 против N = 4,5.
Требуемая точность формы кольца не может быть обеспечена на стенде из-за его конструктивных особенностей: низкая жесткость, отсутствие механизма точной юстировки оси шпинделя изделия в вертикальной плоскости.
Выводы
Проведенные исследования позволили понять особенности обработки и физику процесса резания кристаллов КРС‑5, при этом удалось выяснить, что точность формы связана с анизотропией кристаллов КРС‑5 и изменением твердости в различных направлениях, а также неодинаковостью условий резания, так как заготовка имеет круглую форму.
Эксперименты, проведенные на светоделительных кольцах из КРС‑5, позволили отработать технологию обработки, а также подобрать оптимальные режимы резания. Достигнутые параметры точности и качества (N = 4,5; Ra = 0,01 мкм) поверхности являются достаточными для стандартных оптических изделий (например линзы и окна). Однако современные оптические приборы предъявляют более высокие требования к качеству и точности оптических поверхностей.
Для повышения точности и качества обработки требуется:
- повышение жесткости основных узлов станка (позволит устранить влияние анизотропии кристаллов на качество обрабатываемых поверхностей);
- использовать встроенные механизмы выставления узлов станка (позволят устранить отклонение от перпендикулярности оси шпинделя к плоскости обрабатываемой детали, а также устранить причины вызывающие клиновидность заготовки);
- контролировать форму заготовки без снятия ее со станка для коррекции траектории движения суппортов на чистовом проходе с помощью специальной функции, заложенной в ЧПУ (позволит повысить точность обрабатываемых изделий).
Предлагаемый способ обработки кристаллов КРС‑5 позволит повысить производительность изготовления оптических изделий с обеспечением необходимой точности и качества. Изготовлением ультрапрецизмонных станков под подобные задачи в РФ занимается ООО «НПП Станкостроительный завод «Туламаш».
REFERENCES
Darvoidt T. I., Karlova E. K., Karlov N. V. Investigation of some properties of KRS crystals in the 10‑micron spectral range. Quantum electronics. 1975; 2 (4): 765–772.
Дарвойд Т. И., Карлова E. K., Карлов H. B. Исследование некоторых свойств кристаллов КРС в 10‑микронной области спектра. Квантовая электроника. 1975; 2 (4): 765–772.
Kuznetsov M. S., Kiseleva K. S., Lisitskiy I. S. Influence of growing medium on the TlBr crystals characteristics. Part 1. The spectral transmission and diffusion light. Non-ferrous metals. 2011; 4: 81–84. [In Russ].
Кузнецов М. С., Киселева К. С., Лисицкий И. С. Влияние атмосферы выращивания на характеристики кристаллов TlBr Часть 1. Спектральное пропускание и светорассеяние. Цветные металлы. 2011; 4: 81–84.
Lisitskiy I. S., Kuznetsov M. S., Zaramenskikh K. S., Golovanov V. F., Polyakova G. V. Research of the influence of the processing in hydrostat with high pressure and increased temperature on optical and laser characteristics of thallium halide crystalsю. Non-ferrous metals. 2012; 11: 67–71. [In Russ].
Лисицкий И. С., Кузнецов М. С., Зараменских К. С., Голованов В. Ф., Полякова Г. В. Исследование влияния обработки в гидростате при высоком давлении и повышенной температуре на оптические и лазерные характеристики кристаллов галогенидов таллия. Цветные металлы. 2012; 11: 67–71.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Об авторах
Лапшин В. В., корреспондирующий автор, lapshin_v@cnc-tulamash.ru, ООО «Научно-производственное предприятие Станкостроительный завод «Туламаш»;
https://cnc-tulamash.ru; Тула, Россия.
ORCID: 0000-0002-6971-8534
Захаревич Е. М., ООО «Научно-производственное предприятие Станкостроительный завод «Туламаш», https://cnc-tulamash.ru, Тула, Россия.
ORCID: 0000-0001-6997-3335
Кузнецов М. С., АО «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»; https://giredmet.inni.info; Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-8441-4424
Зараменских К. С., АО «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»;
https://giredmet.inni.info; Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-8573-3470
Осипов А. В., ООО «Научно-производственная компания «МакроОптика»;
https://macrooptica.ru; Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-8847-9428
Отзывы читателей
