Динамика формирования поверхностной шероховатости при обработке свободным абразивом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Айман Обейд

• Айман Обейд
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Айман Обейд

Введение.

Глава 1. Анализ факторов влияющих на шероховатость оптической поверхности.

1.1. Статистические характеристики шероховатости поверхности.

1.1.1. Среднеквадратическая и среднеарифметическая величина неровностей поверхности.

1.1.2. Среднеквадратический наклон неровностей.

1.1.3. Функция распределения микронеровностей по высотам и по углу наклона.

1.1.4. Среднекубическое распределение или асимметрия микронеровностей.

1.1.5. Анализ влияния экстремальных дефектов поверхности на оценку шероховатости.

1.1.6. Автоковариационная функция длина корреляциопростран-ственной длине волны поверхности.

1.1.7. Функция спектральной плотности мощности.

1.2. Статистические характеристики некоторых изображений поверхности.

1.3. Механизм образования микронеровностей.

1.3.1. Микроскопический излом.

1.3.2. Оплавление поверхности стекла в процессе обработки (термопластический механизм).

1.3.3. Химические реакции в поверхностном слое.

1.4. Механизм шлифования.

1.4.1 Обрабатывающие материалы.

1.5. Методы наблюдения и аттестации шероховатости.

1.5.1. Наблюдение рассеянного поверхностью света.

1.5.2. Применение интерференционного дифференциально-контрастного микроскопа (микроскоп Номарского).

1.5.3. Применение электронных микроскопов.

1.5.4. Механические методы измерения шероховатости.

1.5.5. Оптические методы контроля шероховатости.

1.6. Лучевая прочность шероховатых поверхностей.

1.7. Методы определения лучевой прочности.

1.8. Выводы

Глава 2. Исследование влияния технологических факторов на параметры шероховатости оптической поверхности в процессе шлифования. ^

2.1. Влияние размера абразива на параметры шероховатости разных марок оптических материалов.

2.2. Влияние давления и скорости вращения инструмента на параметры шероховатости разных марок оптических материалов.

2.3 Исследование распределения шероховатости по поверхности оптической детали.

2.4. Выводы.

Глава 3. Исследование влияния технологических факторов на параметры шероховатости оптической поверхности в процессе полирования.

3.1. Уменьшение микронеровностей механическим методом на стадии полирования.

3.2. Физико-химическая стадия обработки оптической поверхности.

3.3.Термодинамическая обработка (размягчение, увеличение вязкости поверхности поверхностного слоя) для корректировки поверхности.

3.4. Выводы.

Глава 4. Исследование лучевой стойкости оптической поверхности.

4.1. Влияние параметров шероховатости на лучевую стойкость 113 оптической поверхности.

4.2. Исследования влияния условий обработки оптической поверхности на лучевую стойкость оптической поверхности.

4.3. Корреляционные связи между величиной лучевой прочности и шероховатостью поверхности оптических материалов.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика формирования поверхностной шероховатости при обработке свободным абразивом»

Расширение спектрального диапазона, в котором работают современные оптические приборы, в коротковолновую область (ультрафиолетовая и вакуумная ультрафиолетовая) требует уменьшения неровностей на преломляющих и отражающих поверхностях для уменьшения рассеивания. Развитие лазерной техники и использование сверхгладких поверхностей, приводит к необходимости создания поверхностей, шероховатость которых не превышает Ш000. Исследование процессов полирования и шлифования поверхности являются необходимыми для усовершенствования технологических процессов обработки оптических элементов. Исследование динамики образования шероховатой поверхности при шлифовании и полировании свободным абразивом, помимо чисто научного интереса, позволит разработать возможные пути изготовления сверхгладких поверхностей. Аналитические сведения об изменении параметров шероховатости позволят автоматизировать процесс обработки оптических поверхностей.

Поскольку шероховатость поверхности даёт количественные статистические данные о её структуре необходимо провести исследование динамики шероховатости оптических поверхностей на разных стадиях изготовления. Эти данные позволят разработать и исследовать технологию получения поверхности с минимально возможной шероховатостью.

В диссертации приведён анализ влияния технологических процессов обработки (процессов шлифования и полирования) различных марок стёкол (крон и флинт) на их шероховатость.

Цель работы является разработка исследование динамики шероховатости при механической обработке оптических поверхностей.

1. Экспериментальное определение связи между шероховатостью обрабатываемой поверхности и зернистостью обрабатывающего абразива.

2. Установление связи между шероховатостью обрабатываемой поверхности и относительной скоростью вращения инструмента и деталей на стадии шлифования при фиксированной величине давления на блок деталей.

3. Определение зависимости между шероховатостью обрабатываемой поверхности и давлением блока деталей на обрабатывающий инструмент в процессе шлифования при фиксированной относительной скорости вращения инструмента и деталей.

4. Экспериментальное исследование распределения величины шероховатости по поверхности оптической детали на стадии шлифования свободным абразивом.

5. Определение влияния длительности процесса полирования на величину шероховатости.

6. Анализ влияния величины шероховатости оптической поверхности на лучевую прочность деталей.

7. Установление корреляционной зависимости между величиной шероховатости оптической поверхности и лучевой прочностью для разных марок стекол.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Зависимость среднеарифметической величины шероховатости поверхности, полученной при обработке свободным абразивом, от зернистости абразива для стёкол марок К-108 и SF-13.

2. Зависимость среднеарифметической величины шероховатости поверхности, полученной при обработке свободным абразивом, от скорости вращения инструмента для стекла марок К-108 и SF-13

3. Зависимость среднеарифметической величины шероховатости поверхности, полученной при обработке свободным абразивом, от давления блока деталей на инструмент (шлифовальник) для стекол марок К-108 и SF-3.

4. Распределение величины шероховатости по поверхности оптических деталей.

5. Зависимость среднеарифметической шероховатости оптических поверхностей от времени полирования.

6. Функциональная связь между параметрами шероховатости и величиной лазерной прочности оптических поверхностей для деталей, изготовленных из стекол ВК-7 и SF-13.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. В первой главе приведён анализ факторов, влияющих на шероховатость оптической поверхности. Рассмотрены статические характеристики шероховатости поверхности: среднеквадратическое и среднеарифметическое значение микронеровностей поверхности, среднеквадратический наклон микронеровностей поверхности, функция распределения микронеровностей по высотам и по углу наклона, среднеквадратическое распределение или ассиметрия микронеровностей, анализ влияния экстремальных дефектов поверхности на оценку шероховатости, автокорреляционная функции высот шероховатости, функция спектральной плотности мощности, статические характеристики некоторых изображений поверхности. Для объяснения процесса обработки оптических деталей в главе приводится информация о механизме шлифования и физико- химических факторах, которые влияют на шероховатость оптической поверхности. Показано так же влияние свойств зёрен абразива на процесс шлифования, а так же относительной скорости блока, на котором расположены обрабатываемые детали, и обрабатывающего инструмента, давления деталей на обрабатывающий инструмент.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Айман Обейд

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Установлена связь между диаметром обрабатывающих абразивов и шероховатостью полученной поверхности: Ra = aDm, где Ra — шероховатость поверхности, а - постоянная, зависящая от свойств стекла, т- постоянная, характеризующая технологические режимы обработки оптической поверхности.

2. Показана возможность выбора оптимальной скорости вращения обрабатывающего инструмента для получения минимальной шероховатости для каждого абразива на стадии процесса шлифования.

3. Показана возможность выбора оптимального давления детали на инструмент для получения минимальной шероховатости для каждого абразива на стадии процесса шлифования.

4. Показано, что существует распределение шероховатости по поверхности обрабатываемой детали, это распределение зависит от технологических режимов.

5. Показано, что существует связь между шероховатостью поверхности и временем полирования оптической поверхности. Эта связь может быть описана аналитически следующим образом: Ra(t) = Ra(0)e~mt, где Ra — шероховатость поверхности, Ra (0) — шероховатость поверхности в начальный момент времени, m — постоянная, характеризующая свойства материала и диапазон изменения шероховатости, t- время обработки материала.

6. Показано, что для получения сверхгладких поверхностей необходимо использовать термодинамический механизм полирования оптической поверхности. В результате исследования была получена шероховатость А/1000.

7. Показано, что существует связь между шероховатостью и лучевой прочностью оптической поверхности, что совпадает с ранее полученными результатами.

8. Экспериментально установлено, что W = A(Ra)~m, где W- лучевая прочность, Ra — шероховатость оптической поверхности, А — постоянная, характеризующая механические и термодинамические свойства стекла. Для исследуемых материалов максимальная лучевая стойкость для стекла ВК-7 -составила 2500 Вт/см , для стекла ТФ-1 1400 Вт/см2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Айман Обейд, 2005 год

1. Standard: surface Texture (Surfase Roughness, Waviness, and Lay), ANS1.ASME B46.1-1985,The American Society of Mechanical Engineers, 345 East 47th St.m New-'York,N.Y. 10017.

2. P.Beckman Probability in Communication Engineering (Harcourt, Brace and World, New York, 1967.

3. K.Lindsey, S. T. Smith and С J. Robbie Subnanometre surface texture and profile measurement with NANJSURF 111 CIRP Ann.37, 519-522(1988)

4. J. M.Bennett and J.H.Dancy Stylus profiling instrument for measuring statistical properties of smooth optical surfaces // Appl.Opt. 20, pp. 1785-1802, 1981

5. Г.С.Ходаков, Н.Л.Кудрявцева Физико-химичексие процессы полирования оптического стекла. М.: Машиностроение 1985, 220с.

6. Г.С.Ходаков, Физика измельчения. М.: Наука,1972, 307с.

7. Sanders D.M.,Hench L.L. Mechanisms of Glass Corrosion. — Journ. Amer. Ceram. Soc. 1973, v.6, № 7pp 373-377.8/

8. Cornish D.C., Watt J.M. An Investigation of Mechanism of Glass polishing. 5th Int.Congr. for Electron Microscopy. New York: Ed. Acad. Press. 1962, v.l, pp. 1-5

9. G. Nomarski, Microinterferometre differenticl a ondes polarisees J. Phys.Rad. 16,9S-13S (1955); G. Nomarski, and A.R. Weill //Application a la metallographic des methods interferentielles a deux polarisees.-Rev. Metall (Paris) 52,121-134 (1955).

10. K.H. Guenther Nonoptical characterization of optical coatings// Appl.Opt. 20, pp.3487-3502, 1981

11. Alfa-Step 250 High-Sensitivity Profiler and P-l Long-Scan Profiler manufactured by Tencor Instruments? 1400 Charleston Road, Mountain view/ Calif/ 94043

12. K. Creath, Calibration of numerical aperture effects in interferometric microscope objectives// Appl. Opt. 28, pp. 3333-3338,1989

13. Свечников М.Б. Лучевая прочность двухслойных химических покрытий // Оптико-механическая промышленность.-1978-№ 10.-С.65-66

14. Каск Н.Е., Радченко В.В., Федоров Г.М., Чопорняк Д.Б. Зависимость коэффициента поглощения оптических стёкол от температуры при воздействии лазерного излучения // Квантовая электроника. — 1979.-Т.6. -№2.- С.337-341

15. Алёшин И.В., Имас Я.А., Комолов В.Л. оптическая прочность слабопоглощающих материалов. — Л.: ЛДНТП61974. -34с.

16. Анисимов С.И., Макшанцев Б.И. Роль поглощающих неоднородностей в оптическом пробое прозрачных сред // Физика твёрдого тела. 1973. Т. 15. Вып. 4. С. 1090-1092

17. Либенсон М.Н. Плазменно-химическая модель оптического пробоя прозрачных диэлектриков // Письма в журнал теоретической физики.-1977.-Т.З .-№ 10.-С.446-449.

18. Данилейко Ю.К., Маненков А.А., Нечитайло B.C. О механизме лазерного разрушения прозрачных материалов, обусловленном тепловым взрывом поглощающих неоднородностей// Квантовая электроника.- 1978.-Т.5.-№1-. С.194-198.

19. Ферсман И.А., Хазов Л.Д. Фотоэлектрические явления, возникающие на поверхности прозрачного диэлектрика при лазерном облучении // Квантовая электроника.- 1971. -№2.

20. Ферсман И.А., Хазов Л.Д. о механизме разрушения поверхности прозрачного диэлектрика при облучении коротким световым импульсом // Квантовая электроника.- 1972.-№4-. С.25-29.

21. Данилейко Ю.К., Маненков А.А. и др. Роль поглощающих включений в механизме разрушения прозрачных диэлектриков лазерным излучением // Журнал экспериментальной и теоретической физики.-1972.- Т.бЗ.-Вып.З. С.1030-1035.

22. Горшков А.В., Данилейко Ю.К.и др. Эффект многократного воздействия в лазерном разрушении материалов // Квантовая электроника.-1983.- Т.10.№3 С.640-643

23. Морачевский Н.В. Исследование лучевой прочности оптический материалов для мощных лазеров // Труды ФИАН СССР .-1978.- Т. 103.-С. 118129.

24. Еронько С.Б., Суворов А.В., Чмель А. Влияние разрывов селикатной сетки аморфного кварца на его оптическую прочность // Физика и химия обработки материалов.- 1981.-№2.- С. 151-152.

25. Алёшин И.В., Анисимов С.И. , Бонч-Бруевич A.M. Имас Я.А. Комолов В. Л. Оптический пробой прозрачных сред, содержащих микронеоднородности // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1976. -Т. 70. -вып.4. -С. 1214-1223.

26. Бабаджан Е.И., Косачёв В.В., Лохов Ю.Н. пробой воздуха лазерным импульсом перед входной поверхностью твёрдого прозрачного диэлектрика // Физика и химия обработки материалов. 1981.-Т., С.153-156

27. Бурмистров А.В., О механизме понижения порога оптического пробоя воздуха вблизи твёрдых поверхностей // Журнал технической физики.- 1978.-Т.48.- Вып.11.-С.2313- 2318.

28. Bennet Н.Е., Glass A.G., Yuenther А.Н., Newman В. Laser induced damage in optical materials: twelfth ASTM Symposium Applied Optics, 1981, v. 20, №17, pp. 2840-2856.

29. Гусев Г.П., Короленко И.Н., Шатилов A.B. Приближённая оценка световой стойкости оптических материалов// Оптико-механическая промышленность.- 1981.- №3.- С.25-26.

30. Цеснек Л.С. , Крюкова С.В. и др. Диссипативная характеристкиа лучевой прочности оптических материалов // Оптико-механическая промышленность.- 1978.- №2.- С.3-5.

31. Кортов B.C., Слесарей А.И., Шифрин В.П., Поплавский А.А. о корреляции между лучевой прочностью и параметрами экзоэлектронной эмиссии стёкол К8 и ГЛС1 // Оптико-механическая промышленность.- 1981.-№4.- С.49-51.

32. Горбунов А.В., Емелин В.Я., Классен И.В. Способ оценки оптической стойкости твёрдых прозрачных материалов // Авт.свид-во СССР №11505023, G01 №17/00, При-т 22.09.83./ Открытия, изобретения. 1985. - №14.

33. Кытина И.Г., Обухов А.С. Способ определения поогов разрушения оптический материалов // Авт.свид-во СССР №615358, G 01 №21/00, При-т 16.04.76./ Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. 1978. -№26.

34. Ерёменко А.С., Зайцев В.К., Малинин Б.Г., Степанов А.И., Хазов Л.Д., Шапичев Г .Я. Прибор для контроля лучевой прочности оптических элементов // Оптико-механическая промышленность. 1976.- №2.-С.30-34

35. Болыпанин А.Ф., Путилин Э.С., Старовойтов С.Ф. измерения лучевой прочности диэлектрических зеркал резонаторов лазеров // Известия Вузов СССР. Приборостроение. 1986.- T.XXIX. №1.- С.71-79

36. Артемьев В.В., Бонч-Бруевич A.M., Моричёв И.Е., Иванова Н.Л., Виноградский А.Г., Статистика микронеровностей прозрачных сред и их лучевой прочности // Журнал технической физики. — 1977. —Т.47.-вып.1. — С.183-187

37. Старовойтов С.Ф. Разработка и исследование метода прогнозирования лучевой прочности оптических покрытий,- Кандидатская диссертация. — ЛИТМО.-1987

38. Справочник технолога-оптика под ред. М.А.Окатова Спб, из-во Политехника, 2004, С.679

39. Jean M.Bennett, Lars Mattsson Шероховатость поверхности и рассеяние. Optical Society of America , Перевод с английского Н.В.Васильченко, ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова, 1993

40. T.S.Izumitani, Hoya Corporation Totyo, Japan, Optical Glass, New York 1986

41. Roger M Wood Laser Damage in Optical materials, Adam Hilger, Bristol and Boston, IOP Publishing Limited. 1986

42. B.M. Винокуров Исследование процесса полирования стекла М.: Машиностроение 1967

43. Физико-химические основы производства оптического стекла / Под ред. Л.И.Дёмкиной. М.: Химия. 1976 -476с.

44. Зубаков В.Г. Технология оптических деталей . — М.: Машиностроение 1985.-368с.

45. ГОСТ 23136-93 Материалы оптические. Параметры.

46. ГОСТ 3514-94 Стекло оптическое бесцветное. Технические условия.

47. Нечаева Н.А., Медведева И.М. Новые полировальные материалы и опыт их использования для полирования химически нестойких стёкол// Матер, сем. По обработки деталей из химически нестойких стёкол, керамики и кристаллов. -М.: НТЦ «Информатика»: 1990. С.46

48. Антивспениватели для полиритной суспензии / Л.И.Воронина, М.А.Окатов, Н.В.Введенский и др. //ОМП.-1979.-№8 С.32-34

49. Кузнецов С.М., Арзуманов P.M. выбор аналитических методов режимов обработки оптических деталей. Л.: ЦНТИ,1978. 48с.

50. Шехнер Ю.И., Бурман Л.Л., Лепитова Н.П. Новый состав СОЖ дл шлифования стекла // Синтетические алмазы. — 1970.- №5 — С. 4-6.

51. Маляренко А.Д. Технологические основы обработки высокоточных оптических сферических поверхностей. Минск: БГПА, 2000

52. Смирнов B.C. Обработка оптического стекла Л. Машиностроение, 1970

53. Ждавнова Л.А., Придатко Г.Д. Исследование оптических свойств интерференционных поляризаторов в области 0,250-1,2мкм// ОМП.- 1984.-№6 -С.7

54. Ардаматоцкий А.Л. Алмазная обработка оптических деталей. — Л. Машиностроение, 1978.- 232с.

55. Михнёв Р.А., Штандель С.К. Оборудование оптических цехов. -М.: Машиностроение, 1981.-368с.

56. Сулим А.В. производство оптических деталей. М.: Высш. шк., 1975.-316с.

57. Зубаков В.Г., Семибратов М.Н., Штандель С.К. Технология оптических деталей .- М.: Машиностроение, 1985, 368с.59. рогов В.В. Финишная алмазно абразивнаая обработка неметаллических деталей.- Киевб Наук, думка, 1985. - 261с.