МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Лазерная техника и технология» ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Учебно-методическое пособие Минск БНТУ 2017 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Лазерная техника и технология» ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию Рекомендованно учебно-методическим объедининием в сфере образования в области приборостроения Минск БНТУ 2017 2 УДК 681.7.02:378.147.091.313(075.8) ББК 22.34я7 Т38 Авторы: В. И. Шамкалович, Н. О. Старосотников А. С. Козерук, В. О. Кузнечик Рецензенты: д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой технологии стекла и керамики Белорусского государственного технологического университета И. А. Левицкий; начальник технологического бюро оптического завода «Сфера» БелОМО И. П. Пашкевич Технология производства оптических деталей : учебно-мето- дическое пособие по курсовому проектированию / В. И. Шамкало- вич [и др.]. – Минск: БНТУ, 2017. – 97 с. ISBN 978-985-550-635-6. Данное учебно-методическое пособие предназначено для студентов специально- сти 1-38 01 02 «Оптико-электронные и лазерные приборы и системы» и может быть полезно студентам других приборостроительных и технологических специальностей в целях ознакомления их с основными принципами технологии обработки оптиче- ских деталей. Рассматриваются характеристики оптических материалов, принципы расчёта заготовок, методики обработки оптических деталей на разных этапах произ- водства и др. УДК 681.7.02:378.147.091.313(075.8) ББК 22.34я7 ISBN 978-985-550-635-6 © Белорусский национальный технический университет, 2017 Т38 3 СОДЕРЖАНИЕ 1. ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ СТЕКОЛ ................................................ 4 2. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА ......... 6 3. ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ............ 12 4. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ДЕТАЛИ ............................ 14 5. ВЫБОР И РАСЧЁТ ЗАГОТОВОК ............................................. 16 6. КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПУСКА И ПОНЯТИЕ ПООПЕРАЦИОННОЙ ПОВТОРЯЕМОСТИ .................................... 22 7. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗАГОТОВКИ ....................................................... 25 8. ВЫБОР И РАСЧЁТ АЛМАЗНОГО И МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА ....................................... 26 8.1. Абразивные материалы ............................................................ 26 8.2. Алмазный инструмент ............................................................. 27 8.3. Металлический инструмент .................................................... 38 8.4. Таблеточный алмазный инструмент ....................................... 45 9. ВЫБОР И РАСЧЁТ ПОЛИРОВАЛЬНИКОВ ........................... 48 10. РАСЧЁТ БЛОКОВ ..................................................................... 51 10.1. Блоки для обработки плоских поверхностей ....................... 51 10.2. Блоки для обработки сферических поверхностей ............... 55 10.3. Блоки для обработки призм, пластин и клиньев ................. 66 11. ВЫБОР И РАСЧЁТ НАКЛЕЕЧНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ СФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ........................ 71 11.1. Эластичный способ блокировки ........................................... 71 11.2. Жёсткий способ блокировки ................................................. 75 12. РАСЧЁТ ПРИПУСКА НА ОБРАБОТКУ ЗАГОТОВОК ....... 86 13. ВЫБОР МЕТОДА ЦЕНТРИРОВАНИЯ. ФАСЕТИРОВАНИЕ ЛИНЗ ................................................................. 89 Список литературы ........................................................................... 97 4 1. ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ СТЁКОЛ Вещества называются стёклами если им присущи по крайней мере следующие признаки: аморфное состояние вещества; твёрдость при обычной температуре; прозрачность хотя бы для некоторой части спектра видимого излучения; малые электро- и теплопроводность; стойкость к реагентам атмосферы и воды; однородность по всему объёму. Оптическое стекло – это материал, идущий на изготовление деталей оптических систем приборов и отличающийся наивысшими характеристиками качества по однородности и повторяемости свойств по всему объёму стекла. К оптическим материалам отно- сятся: бесцветное, цветное, кварцевое стекло, стёкла со специаль- ными свойствами, оптические кристаллы, оптические ситаллы, оп- тическая керамика, волоконно-оптические элементы. Первым отличительным признаком оптического стекла является высокая однородность. Она достигается специальными приёмами варки и режимами термической обработки сырьевого стекла, вклю- чая тонкий отжиг. Тонкий отжиг является наиболее длительной и завершающей стадией в технологии оптического стекла. Он при- водит всю массу стекла в структурно-однородное состояние. При этом оптические постоянные стекла принимают значения, стандартизированные для каждой марки стекла. Вторым отличительным признаком оптического стекла считает- ся его высокая прозрачность. Оптическим стеклом высокого каче- ства принято называть стекло, обладающее интегральным показа- телем ослабления μА < 0,004 см–1. Сверхпрозрачные стекла, с пока- зателем ослабления 0,002–0,001 см–1 и менее, требуются для волоконно-оптических линий дальней связи. В рабочем диапазоне длин волн, в красной и ближней инфракрасной частях спектра пока- затель ослабления стекла должен быть около 0,00002 см–1. Широкое развитие цветной фотографии, кино и телевидения потребовало введения нормирования пропускания стекла по спектру. К третьему отличительному признаку оптических стёкол отно- сятся большой интервал значений показателей преломления света, 5 который для разных марок составляет от 1,44 до 2,35 и строгая вос- производимость показателей преломления, характерных для каждой марки стекла. Основные постоянные оптических стёкол – показатель преломле- ния и дисперсия – лежат в основе их классификации, а также опреде- ляют область применения оптических стёкол, значения данных пара- метров зависят от химического состава. Названия типов оптических стёкол соответствуют их основному химическому составу. Типы оптических стёкол Тип стекла Условное обозначение Тип стекла Условное обозначение Легкие кроны ЛК Кронфлинты КФ Фосфатные кроны ФК Баритовые флинты БФ Тяжёлые фосфатные кроны ТФК Тяжёлые баритовые флинты ТБФ Кроны К Легкие флинты ЛФ Баритовые кроны БК Флинты Ф Тяжёлые кроны TK Тяжёлые флинты ТФ Сверхтяжёлые кроны СТК Сверхтяжёлые флинты СТФ Особые кроны ОК Особые флинты ОФ 6 2. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА Качество изображения, создаваемого оптическим прибором, находится в прямой зависимости от качества оптического материа- ла. В зависимости от поставленных задач, решаемых оптическим прибором, предъявляются соответствующие требования к оптиче- скому материалу. Оптическое бесцветное стекло нормируется по следующим параметрам: показателю преломления, средней дисперсии, одно- родности партии заготовок по показателю преломления, однород- ности партии заготовок по средней дисперсии, оптической одно- родности, двулучепреломлению, радиационно-оптической устойчи- вости для стекол серии 100, показателю ослабления, бессвильности, пузырности (ГОСТ 3514–94). Качество оптического стекла зависит от величины допустимых отклонений параметров от номинальных значений и регламентиру- ется классами и категориями. Показатель преломления nе и средняя дисперсия F C' 'n n нормируются категориями качества (табл. 2.1) и классами (табл. 2.2) с допустимыми отклонениями ∆nе и  ' 'F Cn n  . Допуски на ∆nе и  ' 'F Cn n  могут быть расширены по сравнению с расчётными при условии ограничения отклонений по этим показателям для за- готовки внутри одной партии. Таблица 2.1 Категории стёкол по отклонению показателя преломления ∆nе и средней дисперсии  ' 'F Cn n  Категория 1 2 3 4 5 ±∆nе∙10–4 2 3 5 10 20 ±  ' 'F Cn n  10–5 2 3 5 10 20 7 Таблица 2.2 Классы стёкол по однородности показателя преломления ∆nе и средней дисперсии  ' 'F Cn n  Класс А Б В Г ±∆nе∙10–4 0,2 0,5 1,0 В пределах отклонений для заданной категории ±  ' 'F Cn n  10–5 – – 1,0 Фактические значения учитываются при комплектовании опти- ческих деталей системы, а необходимое количество выходных параметров сохраняется путём коррекции геометрических размеров линз: толщин, радиусов кривизны или воздушных промежутков между линзами. Оптическая однородность показателя преломления характеризу- ется постоянством показателя преломления по всему объёму образца. Для образцов стекла диаметром до 250 мм установлено пять ка- тегорий оптической однородности (табл. 2.3), характеризуемых раз- решающей способностью при длине волны изучения 550 нм. Разре- шающая способность определяется отношением угла разрешения φ коллиматорной установки, в параллельный пучок лучей которой вве- дён образец стекла, к углу разрешения φ0 самой установки. Таблица 2.3 Категории оптической однородности стекла Категория 1 2 3 4 5 φ/φ0, не более 1,0 1,0 1,1 1,2 1,5 Для образцов стекла диаметром более 250 мм также установлено пять категорий оптической однородности, характеризуемых тремя коэффициентами: Кф, обусловленным неоднородностью показателя преломления, возникшей в процессе отжига; ∆К, обусловленным асимметричным относительно оси образцов стекла расположением неоднородностей показателя преломления, возникающих в процессе отжига стекла; 8 Кх, обусловленным неоднородностью показателя преломления, возникшей в процессе варки и разделки стекломассы. Двойное лучепреломление является показателем качества от- жига стекла, который характеризуется разностью хода (в наномет- рах на 1 см пути) двух лучей, на которые разделится падающий луч под действием остаточных напряжений при прохождении в толще стекла в направлении наибольшего размера. При охлаждении стекла ниже температур отжига в нем появля- ются механические напряжения, вызывающие соответствующее двулучепреломление. Связь между двулучепреломлением, выра- женным изменением показателя преломления Δn, и механическими напряжениями Δσ устанавливается при помощи оптического коэф- фициента напряжения В: Δ = Δσ = δ/ ,n В S где S – длина хода луча в образце, см; δ – разность хода, возникающая при прохождении поляризован- ного света через напряжённый образец, нм; Большинство стёкол имеет положительное значение В (если напряжения при растяжении, как принято в теории упругости, счи- тать с положительным знаком) в пределах (0,6–4,0)10–12 Па–1. Уста- новлено пять категорий двулучепреломления. Как видно из табл. 2.4, при этом учитывается значение коэффициента напряжения В. Таблица 2.4 Категории стёкол по двулучепреломлению Категория Двулучепреломление, нм/см, не более, при оптическом коэффициенте напряжения В∙1012, Па–1 До 2,0 От 2,0 до 2,8 Св. 2,8 1 1,5 2 3 2 4,0 6 8 3* 7,0 10 13 4 10,0 15 20 5 35,0 50 65 * При просмотре заготовкок деталей в поляризованном свете в рабочем направлении не должны обнаруживаться просветлённые участки. 9 У заготовок малого размера двойное лучепреломление не оказы- вает существенного влияния на качество изображения. Двойное лу- чепреломление появляется из-за напряжений, возникающих в стекле при его охлаждении. Оно может быть значительно уменьшено отжи- гом стекла. При определённых условиях отжига между оптической однородностью стекла и двойным лучепреломлением имеется соот- ветствие, при котором контроль оптической однородности крупных заготовок можно выполнять по двойному лучепреломлению. Показатель ослабления μА является параметром, по которому нормируется светопоглощение стекла. Он представляет собой вели- чину, обратную расстоянию, на котором поток излучения от стан- дартного источника типа А (лампа накаливания с цветовой темпе- ратурой 2850±50 К) ослабляется в результате поглощения и рассея- ния в стекле в 10 раз. Установлено восемь категорий допускаемых значений показателя ослабления (табл. 2.5). Таблица 2.5 Категории стёкол по показателю ослабления Категория 1 2 3 4 μА, см–1 0,0002–0,0004 0,0005–0,0009 0,0010–0,0017 0,0018–0,0025 Категория 5 6 7 8 μА, см–1 0,0026–0,0035 0,0036–0,0045 0,0046–0,0065 0,0066–0,0130 Светопоглощение стекла неравномерно по спектру, поглощение в ультрафиолетовой и синей частях спектра во много раз больше, чем в жёлтой и красной частях. Свили являются резко выраженными локальными оптическими неоднородностями стекла. Они представляют собой прозрачные ните- видные или слоистые включения, имеющие показатель преломления, отличный от показателя преломления основной массы стекла. Присут- ствие в стекле свилей снижает качество изображения. Класс бессвиль- ности стекла характеризуется отсутствием видимых включений раз- личного рода при просмотре стекла при определённых условиях в од- ном (А) или двух (Б) взаимно перпендикулярных направлениях. Установлены две категории бессвильности. Контроль осуществляется на установке, градуированной по контрольным образцам свилей, соот- ветствующим первой и второй категориям бессвильности. Стекло, 10 бессвильное в двух взаимно перпендикулярных направлениях, бес- свильно и в любом другом направлении. По классу А обычно заказы- вают стекло для призменной оптики, по классу Б – для линзовой опти- ки. Мелкие и крупные нитевидные одиночные свили не оказывают влияния на технологию обработки стекла. Свили в виде слоёв вызы- вают астигматизм поверхности. В местах выхода на поверхность узло- вых или одиночных свилей возникают местные ошибки. Пузыри – газовые и воздушные включения, некоторое количество которых остаётся в затвердевающем стекле из-за физико-химических процессов, происходящих в расплавленной стекломассе на различ- ных стадиях технологического процесса. Пузырность принято харак- теризовать двумя параметрами – диаметром наибольшего пузыря в заготовке стекла и суммарным числом всех пузырей в 1 кг сырьево- го стекла. Предельные значения диаметров пузырей для всех катего- рий лежат в пределах от 0,002 до 5,0 мм (табл. 2.6). Камни, кристал- лы и головки узловых свилей приравнивают к пузырям. Камни, сопровождающиеся трещинами, в заготовках не допускаются. Таблица 2.6 Категории стёкол по пузырности Категория Диаметр наибольшего пузыря в заготовке, мм, не более Категория Диаметр наибольшего пузыря в заготовке, мм, не более 1 0,002 6 0,7 1а 0,05 7 1,0 2 0,1 8 2,0 3 0,2 9 3,0 4 0,3 10 5,0 5 0,5 Классы пузырности оптического стекла характеризуются сред- ним числом пузырей в 1 кг сырьевого стекла (табл. 2.7). Подсчёт числа пузырей для определения класса пузырности начинается с размера 0,03 мм. Группы пузырности сырьевого оптического стекла характеризуются рассчитанной площадью сечения всех пу- зырей, заключённых в 100 см3 стекла (табл. 2.8). 11 Таблица 2.7 Классы стёкол по пузырности Класс Среднее число пузырей диаметром свыше 0,03 мм, не более Класс Среднее число пузырей диаметром свыше 0,03 мм, не более А 3 Д 300 Б 10 Е 1000 В 30 Ж 3000 Г 100 Таблица 2.8 Группы стёкол по пузырности Группа Суммарная площадь сечений пузырей в 100 см3 стекла, мм2 Группа Суммарная площадь сечений пузырей в 100 см3 стекла, мм2 1 Менее 0,032 5 0,5–1,0 2 0,032–0,125 6 1,0–2,0 3 0,125–0,250 7 2,0–4,0 4 0,25–0,50 Для технолога класс пузырности сырьевого стекла имеет опре- делённое значение, так как в многопузырном стекле увеличивается вероятность образования вскрытых пузырей на полированной поверхности деталей, присутствие которых исключает получение поверхностей высоких классов чистоты. Крупные пузыри вызывают вокруг них появление местных ям на поверхности. Они затрудняют чистку поверхностей, нанесение на них покрытий высокого каче- ства, затрудняется соединение деталей склеиванием или оптиче- ским контактом. Пузыри нормируются из-за видимости их в поле зрения оптиче- ского прибора, в случае их расположения вблизи плоскости изоб- ражения появляются размытые пятна, а при их большом количестве увеличивается диффузное рассеяние. 12 3. ВИДЫ И НАЗНАЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ По геометрическим признакам оптические детали подразделяют на следующие основные типы: линзы, пластины, клинья, призмы, зеркала с плоскими и криволинейными поверхностями. Кроме того, суще- ствуют оптические детали, относящиеся к дополнительным типам: асферические; комбинации основных типов (децентрированные линзы, линзо- вые растры); комбинации поверхностей сложного микропрофиля (дифракци- онные решётки, волоконно-оптические элементы, микроканальные пластины). По функциональному назначению все оптические детали делятся на следующие виды: – создающие отклонение оси оптической системы (клинья, пре- ломляющие призмы); – создающие поступательное смещение части системы (линзы, зеркала, плоскопараллельные пластинки, отражательные призмы); – привносящие в систему дополнительную оптическую силу (коллективы); – корригирующие элементы, не вызывающие вышеперечислен- ных отклонений, но влияющие на качество изображения (пластины Шмидта); – диспергирующие элементы, разлагающие излучение на моно- хроматические составляющие (преломляющие призмы, дифракци- онные решётки); – поляризационные элементы, преобразующие проходящий через них свет в поляризованный (двупреломляющие призмы); – комбинированные элементы, сочетающие в себе одновременно несколько функций. Линзы ограничиваются двумя преломляющими сферическими, плоскими, цилиндрическими и различными асферическими поверх- ностями, из которых хотя бы одна является поверхностью враще- ния. По характеру преобразования пучка лучей выделяют: положительные (собирающие) линзы, имеющие положительные задние фокусные расстояния; отрицательные (рассеивающие) линзы, имеющие отрицательные задние фокусные расстояния; 13 телескопические (афокальные) линзы, оптическая сила которых равна нулю. Толщина положительных линз, как правило, по оси больше, чем на краю, а отрицательных – наоборот. По форме преломляющих поверхностей линзы бывают сфериче- ские, асферические, цилиндрические, торические. Призмы имеют плоские отражающие и преломляющие поверх- ности, расположенные под различными углами друг к другу. В за- висимости от хода осевого луча призмы делятся на простые с ходом луча в одной плоскости и сложные – с ходом луча в разных плоско- стях (призмы с крышей). Призмы используют: для изменения направления светового пучка и оборачивания изоб- ражения (наблюдательные и измерительные оптические приборы); соединения и разделения световых пучков; разделения поля зрения уменьшения габаритов оптических си- стем, т. е. придания прибору компактной конструкции. Также призмы имеют специальное применение (компенсация поворота изображения в оптических приборах с подвижными опти- ческими элементами). По сравнению с зеркалами призмы имеют ряд преимуществ: призма, имеющая несколько отражающих граней представляет собой жёсткую систему (постоянство углов между отражательными гранями), в то время как система зеркал вследствие разделительно- го крепления требует тщательной юстировки при сборке; крепление призм в оправах проще; при полном внутреннем отражении от граней призм, при кото- ром отсутствуют потери света на этих гранях, в то время как у зер- кал потери света при отражении всегда значительны (от 5 % при серебрении до 45 % при хромировании); отражающие грани призм, имеющие зеркальные покрытия, проще защитить от внешних воздействий, чем внешние покрытия зеркал; некоторые отражательные призмы невозможно заменить зеркалами (призму Дове, Шмидта и др.) без увеличения габаритов системы. Следует отметить, что замена призм зеркалами целесообразна в тех случаях, когда имеет значение масса системы. Плоскопараллельные пластины могут быть светофильтрами, сетками, защитными стёклами. 14 Клинья применяются для получения и измерения малых углов отклонения луча. Измерительные клинья (компенсаторы) бывают двух типов: клин, перемещающийся вдоль оси в сходящемся пучке и пара вращающихся клиньев. 4. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ДЕТАЛИ Критерии технологичности. Совершенство конструкций опти- ческих деталей и сборочных единиц характеризуется их соответ- ствием своему функциональному назначению, удобством, надёжно- стью и экономичностью работы в приборе, а также тем, в какой мере учтены и использованы возможности наиболее прогрессивных методов и средств их изготовления и контроля. Обобщённым критерием технологичности конструкции изделия является её экономическая целесообразность при заданном качестве и принятых условиях производства, эксплуатации и ремонта. Производственная технологичность заключается в сокращении затрат средств и времени на конструкторскую и технологическую под- готовку производства и технологические процессы изготовления. Экс- плуатационная технологичность имеет место при сокращении затрат средств и времени на техническое обслуживание и ремонт изделия. Все оптические детали согласно ОСТ 3-2408–80 разделяются на четыре категории сложности (табл. 4.1). В зависимости от того, к какой категории сложности относится деталь, выбирают схему построения технологического процесса, назначают последователь- ность выполнения операций и режимы работы станков. Критериями сложности являются конструктивные параметры детали и требова- ния к точности их выполнения. Если параметры относятся к разным категориям сложности, ее принимают наивысшей. Пример анализа технологичности детали Общее отклонение Nусл = N/D = 3/50 = 0,006 (I категория). Относительная толщина детали t/D = 4,5/50 = 0,09 (II категория). Поле допуска 0,1 (II категория). 15 Чистота полированной поверхности: РА – II (II категория); РБ (III – II категория). Коэффициент относительной твёрдости по сошлифовыванию HS – 0,52 (II категория). Таким образом принимаем I категорию сложности изготовления детали. Таблица 4.1 Категории сложности оптических деталей Параметр Категория сложности I II III IV Общее отклонение Nусл для деталей диаметром D, мм: Не норми- руется До 130 До 0,3 Св. 0,3 до 0,8 Св. 0,8 Св. 130 до 250 До 0,4 Св. 0,4 до 0,9 Св. 0,9 Относительная тол- щина детали t/D или t/L До 0,03 Св. 0,03 до 0,05 Св. 0,05 до 0,09 Св. 0,09 Поле допуска, мм До 0,04 Св. 0,04 до 0,10 Св. 0,1 до 0,3 Св. 0,3 Предельные отклонения угловых размеров До 0,5 До 1,0 Св. 1,0 Св. 5,0 Чистота полированной поверхности 0–40; I II III VI–IXa Коэффициент относительной твёрдости по сошлифовыванию HS Св. 1,5 до 0,4 Св. 0,4 до 0,6 Св. 0,6 до 0,8 Св. 0,8 до 1,5 Nусл = N/D, где D – диаметр блока (диагональ), см. 16 5. ВЫБОР И РАСЧЁТ ЗАГОТОВОК Основанием для разработки параметров заготовки является кон- структорский чертёж оптической детали, по которому разрабаты- вают чертёж оптической заготовки для принятого технологического процесса. На чертеже указываются припуски на обработку, чисто- вые размеры и требования к материалу. Чертёж заготовки необхо- дим для заказа полуфабриката поставщику стекла. Припуск – слой материала, который удаляется с заготовки в процессе обработки. При выборе припуска на диаметр или тол- щину в расчёт принимается наибольшее значение изготавливаемого размера оптической детали. Также следует учитывать глубину зале- гания дефектов и нижний допуск на изготовление заготовок. В среднем припуск на шлифовку и полировку одной стороны, в за- висимости от марки стекла, может быть принят приблизительно равным 0,15 мм. Расчётным путём определяются минимально допустимые разме- ры по толщине, диаметру или стороне заготовок, радиусы сфериче- ских поверхностей. В промышленных условиях для производства оптических деталей используются заготовки из оптического стекла. Сваренное стекло превращают в полуфабрикаты в виде бруса, плитки, листа, блока, штабика, прессовок и др. В соответствии с ГОСТ 13240–78 тип заготовки определяется с учётом вида, фор- мы, габаритных размеров заготовки, полуфабриката и марки стекла, указываются качественные характеристики стекла и допуски на его дефекты. С учётом всех указанных факторов и ГОСТ 13240–78 составлена табл. 5.1, из которой может быть взята величина полного припуска на диаметр, толщину линз и габариты пластин и призм. Номинал диа- метра заготовки менее 50 мм округляется до 0,5 мм, свыше 50 мм – до 1,0 мм в сторону увеличения. Припуски на обработку заготовок, линз, круглых, прямоугольных, квадратных пластин и призм, полученных прессованием и механической разделкой с обработкой края, должны соответствовать значениям, указанным в табл. 5.1 (ОСТ 3-510). 17 Таблица 5.1 Припуски на обработку заготовок оптических деталей, мм Припуск Диаметр или наибольшая сторона заготовок От 50 включи- тельно 50–80 80–100 100–120 120–150 150–250 250–360 360–500 Диаметр 1,3 2,5 2,8 3,8 4,0 7,5 12,0 16,0 Прямо- уго- льное сечение 1,5 2,5 2,8 3,8 4,0 7,5 12,0 16,0 Тол- щины по оси 1,8 2,8 5,0 6,0 8,0 Чис- товой стороны призмы 1,2 1,5 2,0 2,5 – Шамот- ной стороны призмы 1,5 1,8 2,7 3,0 – Пример расчёта размеров заготовок для линзы диаметром 50 мм, толщиной по центру 4,5 мм и радиусами кривизны RA = ∞ и RБ = 60,67 мм. Диаметр заготовки Dз = 50 + 1,5 = 51,5 мм. Радиусы кривизны RA – шамотный слой Р = 1,8 мм, RБ – чистая сторона P = 1,5 мм. Припуск на толщину tз = 4,5 + 1,8 + 1,5 = 7,8 мм. Правильность выбранного припуска P проверяют по расчёту ко- сины или разности в толщине кр ,t мм, которая должна быть не менее 0,4 мм. Для различных типов линз используются формулы определения кр:t 18 – для двояковыпуклых (знак «–») и двояковогнутых (знак «+»)  1 2кр 1 2 ;2 Pd R R t t R R    – для плосковогнутых и плосковыпуклых линз кр / 2 ;t Pd R  – для положительных менисков     2 1кр 2 1 1 ;2 Pd R R t t R R h     – для отрицательных менисков     1 2кр 2 1 1 ,2 Pd R R t t R R h     где R – радиус ( 1R – больший, ܴଶ – меньший); t – толщина линз по центру, мм; h – стрелка прогиба поверхности линзы, мм. Радиус кривизны сферических заготовок линз назначается с учётом радиуса детали и припуска на толщину по оси крt по формулам: – для выпуклой поверхности заг дет кр / 2 ;R R t      – для вогнутой поверхности / 2 , заг дет кр R R t       где  – надбавка к радиусу, предусматривающая утолщение заго- товок на краю линзы, которая должна быть не менее 0,5 мм. Утол- щение нужно и потому, что, как правило, обработка заготовок начинается с края и определяется по формуле 19  2дет дет0,4 /R D  и округляется до 0,1 мм при значениях менее 1,5 мм; до 0,5 – при значениях от 1,5 до 3 мм; до целого числа – при 3  мм; для 3  мм к полученному значению добавляют 0,5 мм. Припуск на распиливание кратных заготовок ε 1,15 ,Hn  где 1,15 – коэффициент, учитывающий увеличение ширины распила из-за торцевого биения, несовпадения плоскости вращения круга с направлением подачи и др.; H – толщина отрезного алмазного круга по ГОСТ 10110; n – число распилов. Припуски на обработку заготовок круглых пластин из штабика, чистовых прессовок и заготовок, полученных из стекломассы, должны соответствовать значениям, указанным в табл. 5.2. Таблица 5.2 Припуски на заготовки оптических деталей, учитывающие способ их получения, мм Вид заготовки Диаметр или наибольшая сторона Припуск диаметра заготовки стороны заготовки прямоугольного сечения толщины по оси Штабик 8–17 1,8 – 1,5 Прессовка 12–22 1,2 1,3 Заготовки и стекло- масса 14–30 0,8 1,1 30–35 1,2 35–50 1,3 50–70 1,1 1,5 70–120 1,3 – 2,1 120–150 1,8 20 По согласованию с изготовителем при заказе заготовок допуска- ется уменьшение припуска на обработку диаметра и стороны заго- товки прямоугольного сечения диаметром или наибольшей сторо- ной свыше 150 мм. Припуски на обработку устанавливаются из расчёта суммарного припуска на залегание дефектов с двух сторон плюс нижнее предельное отклонение размера заготовки. Припуск на диаметр менисковых линз и линз, пологих с малым различием толщин центра и края (длиннофокусных), должен быть увеличен. Для длиннофокусных (плохо центрирующихся) линз справедлива формула 0,35 / ,P f d где P – величина припуска на обработку, мм; f – фокусное расстояние линзы, мм; d – диаметр заготовки, мм. Размеры отражательных призм зависят от размеров поперечного сечения пучка и определяются при расчёте оптических систем. Рас- чётные размеры призм обычно увеличивают на 0,5–2 мм для обес- печения юстировки и крепления призм в оправах. Указанный при- пуск берётся меньше, когда призма закреплена в гнезде и больше – при креплении в отдельной оправе. Защитные фаски на призмах (от выколок) нормализованы. Они снимаются по нормали к биссектрисе угла между гранями, ширина фасок измеряется по наибольшей стороне треугольника. На ребре призм снимается фаска шириной 0,02–0,05 мм. Погрешности углов между отражающими и преломляющими гранями и пирамидальность приводят к клиновидной развёртке, а пирамидальность также вызывает ошибку визирования. Величина допусков на указанные углы и пирамидальность вычисляются в за- висимости от допустимых величин хроматизма и требований к точ- ности всего прибора. Погрешности углов крыши вызывают двоение изображения, поэтому допуски на эти углы всегда назначаются жёсткими (3–4ʺ). Погрешности углов между преломляющими гра- нями неподвижных призм вызывают только изменение угла откло- нения пучка, которое может быть скомпенсировано юстировкой оптической системы. 21 Заготовки серийных оптических деталей (призм, пластин, клин) изготавливаются методом горячего формования стекла, нагретого до температуры пластического состояния. Конфигурация заготовки определяются формой будущей детали с учётом припусков после- дующей механической обработки. Припуски и предельные откло- нения размеров заготовки регламентированы ГОСТ 13240. В опти- ческом производстве применяют технологические процессы горяче- го формообразования, включая свободное и принудительное моллирование, прессование, вытягивание штабиков. Основным ви- дом заготовок для изготовления серийных деталей являются прес- совки – заготовка с минимальными допусками на припуск. Изго- товление заготовок из сырьевого стекла осуществляется методами резания, раскалывания, распиливания, высверливания. Толщина прессованной или отпиленной заготовки призмы прt или размер между её нерабочим боковыми поверхностями, незави- симо от её формы, определяется по формуле пр м 2 ,t t a  где мt – наибольший диаметр или сторона, размер толщины гото- вой детали, мм; a – припуск чистовой стороны согласно табл. 5.1. Для расчёта габаритов призмы необходимо найти высоту призмы и размеры наибольшей стороны призмы. Припуск на каждую из сторон рассчитывается исходя из её размеров. При наличии шамот- ного слоя на одной из сторон величина припуска увеличивается. При расчёте плоских заготовок (пластин, клиньев) используются габаритные размеры оптических деталей с увеличением размеров на припуск в соответствии с данными табл. 5.1. После проведения необходимых расчётов производится графи- ческое оформление чертежа. Графика эскиза особо не оговаривает- ся, кроме круглых заготовок, ось вращения которых изображается горизонтально, и призм, изображаемых гипотенузной гранью вниз. На чертежах заготовок линз и дисков надлежит указывать размеры заготовки и в скобках – размеры готовой детали (диаметр, радиусы и другие параметры формы поверхности, толщину по оси). Для 22 прямоугольных заготовок (плиток, клиньев, кубиков) указываются габаритные размеры, величины фасок и при необходимости угол, размеры скосов. На чертежах заготовок призм, некруглых деталей указывают линейные и угловые размеры, определяющие форму заготовки и готовой детали, а также размеры фасок. Требования к оптическим параметрам указываются в таблице в углу чертежа. Для ненормируемых параметров ставят прочерки. Классы шероховатостей берутся из ГОСТ 2.309–73 и выбираются для рабочих поверхностей линзы Rz0,05 (полировка); для базовых поверхностей Rz2,5. Классы чистоты рабочих поверхностей регла- ментирует ГОСТ 11141–84. Размеры заготовок проставляются с указанием допусков изготовления по табл. 3–5 ГОСТ 13240–78. В штампе проставляются наименование, шифр заготовки, материал и её масса. 6. КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПУСКА И ПОНЯТИЕ ПООПЕРАЦИОННОЙ ПОВТОРЯЕМОСТИ Согласно ОСТ 3-5581–83 количество годных деталей характери- зуется коэффициентом выхода годных деталей как по всему техно- логическому процессу, так и по отдельным операциям. Коэффициентом выхода годных деталей Квг называется отноше- ние количества годных деталей, полученных после выполнения всех операций технологического процесса, к количеству заготовок, запущенных в производство: вг г загК / ,N N где Nг – количество годных деталей; Nзаг – количество заготовок, запущенных в производство. Коэффициентом выхода годных заготовок на операции вгКn называется отношение количества годных заготовок, полученных после выполнения операции, к количеству заготовок, поступивших на данную операцию: вг г загК / ,n n nN N 23 где n – номер операции по технологическому процессу; гnN – количество годных заготовок после выполнения опера- ции; nзагN – количество заготовок, поступивших на операцию. Величину, обратную коэффициенту выхода годных деталей, называют коэффициентом запуска Кс, который показывает, сколько заготовок необходимо запустить в производство, чтобы получить требуемое количество годных деталей: вгК 1/К .с  Величина, обратная коэффициенту выхода годных заготовок на операции, называется операционным коэффициентом запуска oКn , который показывает, сколько заготовок необходимо запустить на операцию, чтобы получить требуемое количество годных заготовок: o вгК = 1/ К .n n Коэффициент запуска на детали, выпускаемые разовой партией в количестве до 30 шт., периодически повторяемыми партиями ме- нее 10 шт. в год, а также вновь осваиваемые в производстве детали сложной конструкции устанавливается индивидуально и утвержда- ется в установленном порядке. Коэффициент выхода годных деталей на каждой операции опре- деляется согласно табл. 1–3 ОСТ 3-5581–83 с учётом суммарных предельно допускаемых потери по технологическим причинам Аn на каждой операции отдельно: вгК = 100 .n nА Промежуточный коэффициент запуска прКn , учитывающий поте- ри на данной операции: пр вгК = 100/К .n n 24 Так как необходимо обеспечить требуемое количество годных деталей после выполнения последней операции технологического процесса, то расчёт операционных коэффициентов запуска необхо- димо вести с конца технологического процесса. Для определения операционного коэффициента запуска на предпоследней операции необходимо учитывать потери на данной и последней операциях: 1 1o o прК = К К .n n n  Операционный коэффициент запуска на первой операции, учи- тывающий потери на всех операциях: 1 1 2 1o o пр o прК = К К … К К . n n  Под величиной пооперационной повторяемости обработки по- нимается суммарное количество деталей, которое поступает на пер- вое, второе, третье и т. д. исправление для получения N годных де- талей из N деталей, поступающих на операцию. Величина поопера- ционной повторяемости обработки определяется по формуле 1 2П ,n nN N N   где N1, N2, Nn – количество деталей, поступающих на исправление по- сле первого, второго и т. д. предъявления. Величина пооперационной повторяемости обработки характеризуется коэффициентом поопера- ционной повторяемости обработки Кn – отношением общего количе- ства деталей П ,nN  которое необходимо обработать с учетом повто- ряемости обработки, к количеству необходимых годных деталей:  К П / .nn N N  Данный коэффициент определяется для расчета загрузки обору- дования, рабочей силы, норм времени, необходимого для обработки деталей с учётом повторяемости обработки, для учета расхода обрабатывающего и вспомогательного материалов и снижения коэффициента запуска. 25 7. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗАГОТОВКИ При назначении очерёдности обработки поверхностей заготовок деталей разных типов соблюдают следующие положения: – в качестве черновой базы принимают ту поверхность заготов- ки, которая обеспечивает минимальную погрешность установки и, в возможно большей степени, равномерное снятие припуска с пер- вой обрабатываемой поверхности; – чем точнее должна быть поверхность, а вместе с тем и больше сложность изготовления, тем позже её обрабатывают. Качество поверхностей прессованных шамотных заготовок разное. Глубина залегания дефектов у поверхностей, загрязнённых шамо- том, больше, чем на чистой. У заготовок, имеющих форму мениска, загрязнённой является вогнутая поверхность, а у заготовок осталь- ных типовых линз – поверхность большего радиуса. Таким образом, функцию черновой базы должна выполнять поверхность, отличаю- щаяся меньшей глубиной залегания дефектов и, соответственно, меньшим отклонением от заданной формы. Согласно ОСТ 3-5581–83 технологические потери на операциях шлифования и полирования заготовок линз зависят от формы поверхности и её кривизны. Сложность обработки и потери возрас- тают с увеличением радиуса кривизны поверхности. При обработке вогнутой поверхности сложность и потери больше по сравнению с выпуклой при их равной кривизне. Следовательно, целесообразна следующая очерёдность обработ- ки поверхностей: 1. На операции предварительного шлифования одиночной заготов- ки или блока первой обрабатывают поверхность с большей глубиной залегания дефектов. У заготовок с одинаковой глубиной залегания дефектов первой обрабатывают поверхность меньшей кривизны. 2. На операциях тонкого шлифования и полирования блоков, собранных эластичным способом, соблюдается та же очерёдность, что и на операции предварительного шлифования. На основании опыта оптического производства установлена следующая последо- вательность обработки: у двояковыпуклых и двояковогнутых линз первой обрабатывает- ся поверхность с большим радиусом; 26 если же одна сторона обрабатывается по одной поверхности (ин- дивидуально), а вторая – блоками, то первой обрабатывают поверх- ность с меньшим радиусом, т. е. индивидуально; у плосковыгнутых линз и менисков первой обрабатывают вогну- тую поверхность. При жёстком способе сборки блока очерёдность обработки поверхностей определяется на стадии выполнения операции пред- варительного шлифования. 8. ВЫБОР И РАСЧЁТ АЛМАЗНОГО И МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА 8.1. Абразивные материалы Шлифующие абразивные материалы представляют собой твёр- дые мелкозернистые кристаллические вещества в порошкообразном состоянии. Основными свойствами абразивных материалов являют- ся их высокая твёрдость, прочность, наличие острых режущих гра- ней, абразивная способность материала, способность к самозатачи- ванию. Основными шлифующими материалами являются алмаз, корунд, карбид бора, карбид кремния. Шлифующие абразивные материалы применяются для резания, распиливания, сверления, грубого и тонкого шлифования. В производстве абразивные мате- риалы могут использоваться в свободном или связанном состоянии. Классификация абразивных материалов осуществляется в зави- симости от размера зёрен по группам и номерам зернистости. Зернистость обозначает размер зерна основной фракции. Шлифую- щие абразивные материалы разделяют на четыре группы: – шлифзёрна (размером от 2000 до 160 мкм); – шлифпорошки (размером от 125 до 40 мкм); – микропорошки (размером от 63 до 14 мкм); – тонкие микропорошки (размером от 10 до 3 мкм); – алмазные субмикропорошки: зернистость 0,7/0; 0,5/0; 0,3/0. 27 8.2. Алмазный инструмент Оптические детали изготавливают механической обработкой оп- тических заготовок путём снятия припуска. Процесс снятия при- пуска осуществляется последовательным выполнением ряда техно- логических операций, включая операции шлифования, полирования и доводки оптических деталей. При механической обработке ис- пользуется кинематическая пара «инструмент–заготовка», которая обеспечивается исполнительными механизмами станочного обору- дования. Соприкосновение инструмента и заготовки обеспечивается силовым замыканием с использованием суспензий абразивных по- рошков или связанного абразива. Алмазный инструмент представляет собой металлический корпус, на котором прочно крепится алмазоносный слой – рабочая часть инструмента, представляющая собой однородную смесь зёрен алмаз- ного порошка со связкой и иногда – с наполнителем. Главными харак- теристиками алмазоносного слоя являются форма и размер алмазонос- ного слоя, марка, зернистость и концентрация алмазного порошка, вид связующего материала, связка, концентрация алмаза в связке. Выбор вида алмазного порошка и его концентрации будут опре- делять его работоспособность и эффективность при выполнении того или иного вида обработки. Форму и размер инструмента уста- навливают в зависимости от формы и размера изделия, конструкции и мощности станка. Марку алмазного порошка выбирают, исходя из условий работы алмазного инструмента. Порошки алмаза с высокой прочностью (АСВ, АСК и АСС) обычно используются при изготов- лении алмазного инструмента, который позволит обеспечить высо- кую производительность при работе с большими нагрузками. Зернистость алмазного порошка определяет производительность и чистоту обработки и устанавливается в зависимости от его назна- чения. Режущие свойства алмазно-абразивного инструмента улуч- шаются с увеличением размеров зёрен, а чистота обработки повы- шается с уменьшением этих размеров. Увеличение зернистости по- вышает производительность при съёме припуска с заготовки, однако при этом увеличиваются шероховатость получаемой поверхности и толщина нарушенного слоя. Назначение связки – обеспечение необходимой прочности за- крепления зёрен алмаза в инструменте, что обеспечит работоспо- 28 собность алмазного инструмента. Для обработки твёрдых и вязких материалов используют менее прочные (мягкие) связки, а для обра- ботки хрупких и не слишком твёрдых – более прочные связки. Используют связки органические, керамические и металлические. В качестве органических связок применяют фенолформальде- гидные смолы (бакелиты) различных марок, эпоксидные смолы и резину в вулканизированном состоянии (вулканит). Для обработ- ки оптических материалов на операциях, связанных с необходимо- стью интенсивного удаления больших припусков, инструмент на органической связке непригоден в силу низкой размерной стойкости, снижающей точность обработки и вызывающей повышенный расход алмаза. Эту связку применяют в основном для полирования оптиче- ских деталей, а иногда и для их тонкого алмазного шлифования. Для тонкого шлифования плоских и сферических деталей из оп- тических материалов может также применяться алмазный инстру- мент на эластомерной связке на основе композиций из синтетиче- ского каучука и минеральных наполнителей, который обеспечивает высокое качество обработанной поверхности и заданную геометри- ческую точность обрабатываемых деталей, высокую производи- тельность и стабильность шлифования. Керамические связки применяют в виде соединений окислов, гли- нистых и стеклообразных веществ с температурой спекания не выше 800 °С. Для обработки оптических деталей алмазный инструмент на керамической связке из-за его низкой стойкости применяется редко. Металлические связки для алмазного инструмента представля- ют собой порошкообразные металлы или их сплавы, которые тща- тельно перемешивают с алмазным порошком, а затем прессуют и спекают. Алмазный инструмент на металлической связке обладает наиболее высокими прочностью и износоустойчивостью, которые в широких пределах могут регулироваться свойствами компонен- тов, входящих в связки. Металлические связки широко применяют при обработке твёрдых и хрупких материалов, в частности стекла и кристаллов. В качестве связки используются различные компози- ции на основе меди, олова, алюминия, железа, никеля и других материалов. Наряду с другими требованиям состав связки выбира- ется с учётом того, чтобы температура спекания инструмента была ниже температуры сгорания и графитизации алмазов. 29 Инструмент на металлических связках изготовляется электрохи- мическими методами. Закрепление алмазных зёрен в данном случае не требует применения сложных, дорогостоящих пресс-форм и позволяет изготовлять алмазно-абразивный инструмент со слож- ным фасонным профилем. Данный способ применяют при изготов- лении инструмента, у которого ширина режущей кромки мала по сравнению с остальными размерами. Используют две разновидно- сти – гальваностегию – получение тонкого, алмазосодержащего по- крытия, прочно соединённого с корпусом во время осаждения, и гальванопластику – получение алмазосодержащих осадков, отде- ляемых от катода. Гальваностегией изготавливают, в частности, алмазные отрезные круги с внутренней режущей кромкой, гальва- нопластикой – некоторые типы свёрл. Наиболее важной характеристикой алмазного абразивного ин- струмента, определяющей его режущую способность, производи- тельность, срок службы и стоимость, является концентрация алмаза, т. е. содержание алмаза в единице объёма алмазоносного слоя. За 100%-ю концентрацию условно принято содержание алмаза в количестве 4,4 карата в 1 см3 алмазоносного слоя (1 кар = 0,2 г). Приняв плотность алмазов равной 3,52 г/см3, определим объем, ко- торый занимают алмазы в 1 см3: V = 0,88/3,52 = 0,25 см3. Следовательно, независимо от вида связки (органическая, кера- мическая, металлическая) при 100%-й концентрации алмазные зер- на в алмазоносном слое занимают 25 % по объёму. 8.2.1. Основные типы алмазного инструмента Применительно к конкретным условиям использования инстру- мента выбирают его форму и размеры, вид рабочей поверхности, марку и зернистость алмазного порошка, марку связки, концентра- цию алмаза. Исходными данными для выбора характеристик ин- струмента являются: форма и размер детали; материал обрабатываемой детали; требования к качеству и шероховатости обработанной поверхности; 30 вид и метод обработки; конструкция и эксплуатационные характеристики станка; режимы обработки и производительность; условия обработки (охлаждение, степень механизации и автома- тизации); исходная шероховатость поверхности; величина снимаемого припуска. При этом необходимо учитывать технологические возможности изготовления проектируемого инструмента с требуемыми его характеристиками (табл. 8.1). Таблица 8.1 Основные типы алмазного инструмента Название и обозначе- ние алмазных кругов Профиль Область применения С выточкой Шлифование плоских поверхностей Плоские прямого про- филя трёхсторонние Обработка цилиндриче- ских и плоских поверхностей Кольцевые Обработка плоских и сферических поверхностей Чашечные Обработка плоских и сферических поверхно- стей Плоские Шлифование плоских поверхностей, фасети- рование Отрезные Распиловка стекла и хрупких материалов Отрезные сегментные Распиливание крупногабаритных заготовок стекла 31 Выбор размеров инструмента определяется эксплуатационными и технологическими факторами. Эксплуатационными факторами являются размеры обрабатываемого изделия и его характеристика, конструкция и мощность станка. Технологические факторы (прес- суемость алмазоносной шихты на определённой связке, размеры и мощность технологического оборудования для изготовления ших- ты) определяют минимальный и максимальный размеры алмазо- носного слоя. Как правило, следует стремиться к использованию инструмента с максимально допустимыми по условиям обработки размерами алмазоносного слоя. Это обеспечивает меньшие затраты на инструмент, так как удельная стоимость (общая стоимость изго- товления, отнесённая к одному карату) с увеличением количества алмазов в алмазоносном слое уменьшается. 8.2.2. Расчёт алмазного инструмента для обработки сферических поверхностей Задача предварительного шлифования – быстро удалить с заго- товки (блока) основную часть припуска на механическую обработку и подготовить её к мелкому шлифованию и полированию, исполь- зуя принудительное формообразование при помощи кольцевых ал- мазных инструментов или свободный притир. Предварительное шлифование алмазными кольцевыми кругами выполняется на станках, работающих в полуавтоматическом режиме (например, типа «Алмаз»). Настройка таких станков заключается в установке и фиксации алмазного инструмента под заданным углом  к обрабатываемой заготовке, который определяется по формуле срα = arcsin / 2 ,D R где срD – расчётный диаметр алмазного инструмента, устанавли- ваемый по таблице нормализованного инструмента (табл. 8.2); R – радиус кривизны обрабатываемой поверхности. 32 Таблица 8.2 Круги формы 2А2, мм Обозначение круга D H S b 3.2728–0001 5 8 3 1,5 –0002 8 1,5 3 –0003 10 3 –0004 14 2 3 –0005 20 10 5 2 –0006 26 2 –0007 32 2 –0008 38 3 –0009 45 –0011 50 –0012 55 16 –0013 60 –0014 65 –0015 70 –0016 75 –0017 80 –0018 90 4 –0019 100 У кольцевых кругов для обработки выпуклых или вогнутых сфе- рических поверхностей наружный D и внутренний d диаметры определяются исходя из диаметра обрабатываемой поверхности с таким расчётом, чтобы наружная кромка инструмента перекрывала центр заготовки и несколько выходила за её край для обеспечения свободного выхода СОЖ и продуктов срабатывания (рис. 8.1). 33 Рис. 8.1. К определению диаметра кольцевого алмазного инструмента При расчёте первоначально определяют зернистость алмазного порошка dАС (в микрометрах) и его концентрацию в инструменте КАС (в процентах) в зависимости от относительной высоты h/R об- рабатываемой поверхности детали (блока) номинального радиуса R, h – стрелы прогиба обрабатываемой поверхности и коэффициента относительной твёрдости стекла по сошлифовыванию К. Если отношение / 0,7,h R  то средний диаметр алмазного зерна dАС определяется по формуле  з50 0,62 К,АСd D  где зD – диаметр заготовки или блока, мм. По ГОСТ 9206–80Е берут ближайшую нормализованную зернистость dАС. В зависимо- сти от размера зD это могут быть зернистости 125/100, 100/80, 80/63, 63/50 (в числителе указывают максимальный, а в знаменателе – минимальный размер зерен основной фракции в микрометрах). Если отношение / 0,7,h R  то принимают зернистость 63/50. Определяют концентрацию КАС алмазного порошка в инструменте: зК 38 0,2 .АС D  По расчётному значению находят ближайшую нормализованную концентрацию, которая может составлять 25, 50, 75 или 100 %. 34 Рассчитывают радиус п.шзR поверхности заготовки после пред- варительного шлифования кольцевым инструментом:  п.ш 2з за за1,25 0,001 0,5 4 / К,R R d d    где dза – наибольший размер зерна основной фракции алмаза (чис- литель в обозначении зернистости абразива); знак «+» берётся для выпуклых поверхностей, а знак «–» – для вогнутых. По известным значениям зD и п.шзR определяют угол α p наклона оси инструмента к оси вращения детали и расчётный диаметр и.pD кольцевого инструмента (мм): п.шз зα arcsin(0,55 / 2 );p D R и.p з0,55 / cos .D D  Из массива нормализованных кругов (табл. 8.2–8.5) выбирают па- раметр D, ближайший к расчётному, учитывая при этом, что для обра- ботки выпуклых поверхностей и.pD является внутренним диаметром инструмента, т. е. и.p ,D d а его наружный диаметр будет составлять 2 ,D d b  где b – ширина рабочей кромки инструмента. Для обработки вогнутых поверхностей и.pD соответствует его на- ружному диаметру, по которому и выбирают параметры инструмента. Таблица 8.3 Круги формы 2F2, мм Обозначение круга D H b r 3.2728-0121 10 10 1,5 0,75–0122 11 –0123 12 –0124 13 2,0 1,0 35 Продолжение табл. 8.3 Обозначение круга D H b r –0125 14 –0126 15 2,5 1,25 –0127 16 –0128 17 –0129 18 –0131 19 –0132 20 –0133 21 –0134 22 –0135 23 –0136 24 –0137 25 –0138 26 –0139 27 –0141 28 –0142 29 –0143 30 –0144 32 –0145 34 –0146 36 –0147 38 –0148 40 15 3,0 1,5 –0149 42 –0151 44 –0152 46 –0153 48 –0154 50 –0155 52 –0156 54 –0157 56 –0158 58 –0159 60 –0161 62 36 Окончание табл. 8.3 Обозначение круга D H b r –0162 64 –0163 66 15 3,0 1,5 –0164 68 –0165 70 –0166 72 –0167 74 –0168 76 –0169 78 –0171 80 –0172 82 –0173 84 –0174 86 –0175 88 –0176 90 –0177 92 –0178 94 –0179 96 –0181 98 –0182 100 Таблица 8.4 Круги формы АК1, мм Обозначение круга D H S d 3.2728–0231 5 12 5 2 –0232 8 5 –0233 10 7 –0234 15 7 9 –0235 18 12 –0236 38 30 –0237 42 34 –0238 46 38 –0239 50 42 –0241 52 44 37 Таблица 8.5 Круги формы 12А2, мм Обозначение круга D H s b L Число элементов 3.2724–0041 50 21,5 3 3 26 3 –0042 100 34 5 5 40 4 –0043 125 40 3 50–0044 150 42 60–0045 40 5 –0046 200 50 3 50 6 –0047 250 5 60 7 –0048 –0049 300 75 8 –0051 350 70 9 –0052 400 12 –0053 500 100 13 –0054 550 Расчёт алмазного инструмента для обработки плоских по- верхностей сводится к определению расчётного диаметра Dи.р ин- струмента по формуле и.p з0,55D D и нахождению по ГОСТ 17006–80 (см. табл. 8.2), ОСТ 3-6007–85 (см. табл. 8.3, 8.4), ГОСТ 16172–80 (см. табл. 8.5) ближайшего нормализо- ванного диаметра инструмента. Зернистость алмазного порошка в ин- струменте 125/100-63/50 выбирается в зависимости от диаметра детали. Расчёт алмазного инструмента на металлической связке. Для изготовления алмазного инструмента необходимо знать весовые со- держания алмаза и компонентов шихты в алмазосодержащем слое. Расчёт весового содержания А алмазов (в каратах) в инстру- менте выполняют по формуле 4,4 / 100,A VК 38 где 4,4 – содержание алмазов (в каратах) в единице объёма (1 см3) алмазоносного слоя при 100%-й концентрации;  2 2π / 4 V s D d  – объем алмазоносного слоя (для круга формы 2А2), см3; К – концентрация алмазов в слое, %. Масса шихты Мсв металлической связки для изготовления алма- зоносного слоя, объем V которого известен, с учётом технологиче- ских потерь при смешивании и засыпке шихты алмазоносного слоя в полость пресс-формы рассчитывается по формуле  св св п св псв 1 0,25К 1 К ,/ 00M V V K     где ρсв – плотность связки, г/см3; Кn – коэффициент потерь. Формулу для определения ρсв можно получить, исходя из следу- ющих соображений. Если взять 100 г связки, состоящей из n компо- нентов, то масса каждого из них будет численно соответствовать величине процентного содержания. Объем, занимаемый каждым компонентом, составит qi/ρi (qi – содержание по массе i-го компо- нента, %, ρi – плотность этого компонента, г/см3), а сумма этих ве- личин определит объем, который занимают 100 г связки. По извест- ной массе материала и объёму можно определить его плотность:  св 1100 / / . n i i i q     Формулы справедливы для любых беспористых материалов при данном соотношении компонентов в процентах по массе. 8.3. Металлический инструмент Сферические и плоские поверхности обрабатывают инструментами в виде грибов, чашек и планшайб. Грибами называют инструменты с выпуклой сферической поверхностью, чашками – с вогнутой, а планшайбами – с плоской поверхностью. По назначению все виды инструментов для обработки оптических деталей можно разделить на обдирочные, шлифовальные, фасетировочные, полировальные и др. 39 Обдирочные инструменты применяются для предварительной грубой обработки оптических деталей шлифпорошками. Шлифовальники применяют для точного шлифования деталей микропорошками. Шлифовальные инструменты, применяемые для контроля радиуса кривизны деталей, обработанных свободным абразивом, называются контрольными или притирочными. Фасетировочные инструменты, преимущественно чашки, приме- няют для нанесения на деталях фасок. Эти инструменты являются разновидностью шлифовальников. Конструкция инструмента для обработки оптических деталей и материал, из которого он изготовлен, должна обеспечивать: жёсткость, исключающую деформацию рабочей поверхности под действием собственной массы инструмента и приложенной к нему нагрузки; однородность структуры материала; устойчивость к абразивному износу и интенсивное сошлифовы- вание стекла. В качестве материала для шлифовальников в основном приме- няют чугун, для тонкого шлифования можно использовать бронзу и латунь. Шлифовальники (рис. 8.2) для обработки преломляющих поверхностей оптических материалов суспензиями абразивных порошков могут быть в виде планшайб (для плоских деталей, рис. 8.2, а), сферических чашек (для выпуклых поверхностей, рис. 8.2, б) и грибов (для вогнутых деталей, рис. 8.2, в). Рис. 8.2. Инструмент шлифовальный Шлифование оптических деталей как свободным, так и связан- ным абразивом производится в несколько этапов (переходов). При этом радиус кривизны чаши постепенно уменьшается, а грибов, наоборот, – увеличивается в процессе снятия припуска. а в б 40 Размеры инструментов регламентируются отраслевыми стандар- тами. Планшайбы диаметром до 300 мм имеют вид плоского диска с относительной толщиной от 1:10 до 1:15. Планшайбы большего размера усиливают рёбрами жёсткости. Инструмент, имеющий форму гриба, при радиусе рабочей поверхности до 30 мм изготав- ливают в виде сплошного сферического сегмента, а радиусами рабочей поверхности более 30 мм изготавливают полыми с утолще- нием в центре корпуса. Толщина корпуса на краю составляет от 1:18 до 1:20 диаметра гриба. Аналогичную конструкцию с усиле- нием жёсткости корпуса в центральной части имеет инструмент в виде чашки. Со шпинделем станка планшайбы, грибы и чашки соединяют хвостовиками, которые в зависимости от размера инструмента могут иметь наружную или внутреннюю резьбу. Так, например, для инструментов диаметром до 20–25 мм применяют хвостовики с наружной резьбой М8, диаметром до 25–50 мм – с наружной резь- бой М14, диаметром до 50–80 мм – с наружной или внутренней резьбой М20, а для инструментов больших диаметров – с внутрен- ней резьбой М27. Инструмент для мелкого шлифования свободным абразивом может использоваться в качестве корпуса полировальника и при- способления для сборки блока. 8.3.1. Расчёт радиусов шлифовальников для обработки сферических поверхностей Шлифование оптических деталей производится несколькими фракциями абразивного материала с постепенно убывающими раз- мерами зёрен. Каждым номером абразива с поверхностей сошлифо- вывают более крупный рельефный (матовый) слой от предыдущего номера и вместо него получают фактуру поверхности, свойствен- ную данной фракции. Толщина снимаемого слоя стекла будет близ- ка к разности глубины рельефного слоя от исходного абразива и от последующего более мелкого (рис. 8.3). 41 Рис. 8.3. Толщина снимаемого слоя стекла Из рис. 8.3 видно, что радиус обрабатываемой поверхности детали бnR после шлифования её любым номером n абразива отличается от номинального радиуса 0R на величину nM разрушенного слоя, т. е. бn 0 ,nR R M  при этом знак «плюс» берут для вогнутых поверхностей, а знак «минус» – для выпуклых. Данная формула для практического при- менения не совсем пригодна, поскольку в процессе шлифования трудно определить момент, когда снята толщина стекла, равная разности между глубиной слоя, разрушенного более крупным но- мером абразива и более мелким. Поэтому второе слагаемое необхо- димо несколько увеличить, введя поправочный коэффициент, кото- рый был определён практически, тогда бn 0 1,2 .nR R M  Величина радиуса детали или блока является исходной для рас- чёта радиусов комплекта инструментов, необходимых при обработ- ке абразивными материалами различной фракции. Радиусы шлифо- вальников шnR отличаются от радиуса детали (блока) на толщину An слоя абразива, во время шлифования находящегося между поверх- ностями инструмента и детали, и расположения шлифовального инструмента (рис. 8.4): 42  ш б 0 1,2 .n n n n nR R A R M A     Рис. 8.4. К расчёту радиуса шлифовальника С учётом различной твёрдости разных марок оптического стекла можно записать  ш 0 1,2 ,n n nR R KM A   где K – коэффициент относительной твёрдости стекла по сошлифо- выванию (по отношению к стеклу марки К8), который влияет на глубину рельефного слоя. Значения коэффициентов Mn, An и K приведены соответственно в табл. 8.6 и 8.7. Расчёт шлифовальников начинают с вычисления высоты шаро- вого сегмента (стрелки прогиба), геометрические параметры кото- рого определяются сферической поверхностью номинального (эта- лонного) размера. 43 Таблица 8.6 Значения Mn и An для разной зернистости абразивного порошка Зернистость абразивного порошка Mn, мм An, мм Шлифовальник снизу Шлифовальник свер- ху № 6 0,062 0,080 0,101 № 4 0,043 0,057 0,074 № 3 0,035 0,047 0,059 М28 0,022 0,029 0,038 М20 0,015 0,020 0,027 М14 0,010 0,013 0,019 М10 0,007 0,008 0,014 М7 0,005 0,005 0,011 Таблица 8.7 Значения коэффициента K для стёкол разной марки Марка стекла K Марка стекла K К8 1,00 БФ7 0,81 ЛК4 1,00 БФ16 0,88 ЛК7 1,23 БФ21 0,72 К14 1,04 ТБФ4 0,79 К19 0,90 ЛФ5 0,68 БК8 0,91 ЛФ9 0,69 БК10 0,81 Ф1 0,65 ТК2 0,84 Ф4 0,64 ТК4 0,80 ТФ1 0,61 ТК8 0,75 ТФ2 0,64 ТК23 0,90 ТФ3 0,62 СТК3 0,61 ТФ5 0,61 СТК9 1,18 ОФ1 0,79 СТК12 1,02 ОФ4 0,64 44 8.3.2. Расчёт шлифовальников для обработки плоских поверхностей Исследования показали, что для получения плоской поверхности на заготовках на шлифовальниках должно быть углубление с ради- усом в среднем 250 м. Это обусловлено термическими деформаци- ями центральных зон блока и шлифовальника, а также выходом ча- сти поверхности блока за край шлифовальника в процессе обработки. Поскольку обработка оптических деталей всегда должна начинаться с краевой зоны, то необходимо, чтобы на плоских заготовках после каждой операции шлифования получались углубления. Следова- тельно, на шлифовальнике должна быть выпуклость того же радиуса. Эта выпуклость, суммируясь с углублением, обусловленным тер- мическим и технологическим факторами, определяет окончатель- ную форму шлифовальника. Обозначим окончательную кривизну шлифовальника через ш, кривизну обработанной поверхности заготовки через 0, а кривизну, вызванную термическими и технологическими факторами, – через 1. При этом кривизна ш будет равняться алгебраической сумме 0 и 1. Таким образом, так как 20 дет 01 / 8 / ,R h d    где h0 – величина требуемого углубления на заготовке, миллиметрах, d – диаметр заготовки, а 1 1/ 250000,   то 2ш 0ρ 8 / 1 / 250000.h d  Радиус Rш шлифовальника получится как величина, обратная ш. Стрелка прогиба рабочей поверхности шлифовальника hш, необ- ходимая для его проверки при изготовлении и в процессе работы, вычисляется по формуле 2ш к ш/ 8 ,h d R где dк – диаметр кольца сферометра, мм. 45 Высоту гриба Нгр и глубину чашки Нч назначают в зависимости от высоты блока заготовок Hб (или величины стрелки прогиба поверхности заготовки, если она обрабатывается поштучно Нд) и положения инструмента, а диаметр планшайбы Dпл – по известному диаметру плоского блока (заготовки) Dб и положения инструмента, в соответствии с табл. 8.8. Таблица 8.8 Размеры шлифовальников в зависимости от положения инструмента и размера блока Инструмент снизу Инструмент сверху  гр б 1,2...1,4Н Н гр бН Н  ч б 1,1...1,2Н Н  ч б 0,8...0,9Н Н  пл б 1,1...1,25D D  пл б 0,8...0,9D D Размеры инструмента (высота гриба, глубина чашки, диаметра планшайбы) находят по приведённым расчётным формулам и таб- лицам, а конструкцию хвостовика выбирают в зависимости от его диаметра. 8.4. Таблеточный алмазный инструмент Рабочую поверхность инструмента образуют закреплённые на корпусе алмазосодержащие элементы (рис. 8.5, а–в). а б в Рис. 8.5. Алмазный инструмент в виде планшайбы (а), чашки (б) и гриба (в) 46 Размерные параметры элементов по ТУ 3-269–84 приведены в табл. 8.9, а зернистость, концентрация, марки связки и удельный расход алмазов – в табл. 8.9, 8.10. Таблица 8.9 Основные размеры алмазосодержащих элементов толщиной 3, 4 и 5 мм Диаметр, мм Радиус сферы, мм 6,00±0,4 12; ∞ 8,0±0,6 16; 20; 25; 40; ∞ 10,0±0,8 20; 25; 32; 40; 63; ∞ 14,0±1,0 ∞ Таблица 8.10 Характеристики алмазосодержащих элементов по ТУ 3-269–84 Зернистость алмаза Относительная концентрация Связка Удельный расход, карат/дм3 40/28 25 МЗ-15-1 0,65 28/20 25 6 6 М3-15-1 М3-15-2 M3-15-3 0,65 0,5 0,75 20/14 25 6 МЗ-15-1 МЗ-15-2 1,0 0,75 14/10 8 8 МЗ-15-4 МЗ-15-5 2,5 10,0 10/7 6 М3-15-6 5,0 47 Значение размеров гриба, чашки и планшайбы определяют по табл. 8.8. Рабочую поверхность инструмента характеризуют коэффициен- том заполнения площади корпуса алмазосодержащими элементами и закономерностью их расположения на нем. Коэффициент запол- нения площади планшайб принимают равным 0,25–0,30. Для сферических поверхностей с относительной кривизной / 0,5h D  коэффициент устанавливается в пределах от 0,35 до 0,40 и для по- верхностей с / 0,5h D  – от 0,45 до 0,50. От расположения алмазо- содержащих элементов по поверхности корпуса зависят интенсив- ность и равномерность изнашивания алмазосодержащего слоя. Единой системы расположения нет. Элементы размещают как по концентрическим окружностям, так и по логарифмической спирали. Преимущество последней – более продолжительная работа инстру- мента без корректирования радиуса рабочей поверхности. Число Мэл алмазосодержащих элементов, размещаемых на кор- пусе гриба, чашки и планшайбы, определяют, исходя из их разме- ров, коэффициента k заполнения площади конуса элементами и их диаметра Dэл: – для планшайб  2эл пл эл/ ;М D D k – для грибов и чашек  2эл шл эл/ 8 ,М R H D k где – Rшл радиус рабочей поверхности шлифовальника, мм; Dпл – диаметр планшайбы, мм; H – высота (глубина) гриба (чашки). 48 9. ВЫБОР И РАСЧЁТ ПОЛИРОВАЛЬНИКОВ Расчёт полировальников сводится к определению радиуса поли- ровочного инструмента, его размера и величины полировочного слоя. Радиус рабочей поверхности обычно равен радиусу детали и поэтому не рассчитывается. Из опыта известно, что если толщина слоя смолы одинакова по всей площади полировальника, то полирование протекает нормально; материал снимается равномерно по всей поверхности блока и одина- ково легко устраняются положительные и отрицательные ошибки. Следовательно, при расчёте радиусов полировочного инструмента необходимо стремиться к достижению равномерной толщины слоя смолы по всей поверхности полировальника. Это требование выпол- нимо для полировальников плоских и с малой кривизной. Иначе обстоит дело с полировальниками, приближающимися к полусфере. Прежде всего радиус полировочного инструмента Rп.и не может рав- няться радиусу полировальника Rп, так как в этом случае получается большая разность в толщине смолы (в середине слой смолы больше, чем на краю). Для того чтобы толщина смолы была одинаковой по всему полировальнику, Rп.и должен отличаться от радиуса R0 готовой линзы на величину r. Но решение осложняется тем, что в процессе полирования величина r не остаётся постоянной. Если взять полировальник с большей толщиной смолы на краю, то растекание смолы в краевой зоне полировочного инструмента усилится и полирование наружного ряда заготовок на блоке будет отставать от полирования заготовок в центральной зоне этого блока. Поскольку радиус обрабатываемой поверхности в процессе по- лирования постепенно изменяется от снятия слоя стекла, то Rп так- же должен изменяться вслед за изменением радиуса изделия: у во- гнутых полировальников он должен уменьшаться, а у выпуклых – увеличиваться. Rп изменяется вследствие изменения формы слоя смолы: как у выпуклых, так и у вогнутых полировальников толщи- на смолы при этом в середине должна уменьшаться. Такое измене- ние легче будет происходить в том случае, когда слой смолы в се- редине полировальника толще, чем на краю. Следовательно, при расчёте Rп.и необходимо руководствоваться тем условием, что вели- чина r должна быть равномерной в конце службы полировальника, когда его уже необходимо заменить новым. Поэтому 49 п.и 0 0 , R R r  где r0 – толщина слоя полировочной смолы к моменту замены его новым. Значения r0 приведены в табл. 9.1. Таблица 9.1 Значение толщины слоя полировочной смолы Dб, мм 20 40 60 80 100 150 200 250 r0, мм 0,9 1,0 1,2 1,4 1,5 1,5 1,5 1,5 Диаметр Dп полировальников для обработки плоских поверхно- стей находят из соотношений, аналогичных используемым при определении Dпл (табл. 8.9). На плоских полировальниках и полиро- вальниках с небольшой кривизной  б 0/ 0,5Н R  производят об- резку смолы под углом 45º, как показано на рис. 9.1, а и б, поэтому в данном случае п.и п 2 ,D D r  где п 0,015 0,5.r D  Рис. 9.1. Полировальник: а – плоский; б – сферический а б 50 Высоту Нп выпуклых и вогнутых полировальников находят, руко- водствуясь соотношением для определения Нгр или Нч (см. табл. 8.8). Размеры Нп.и отличаются от размеров Нп некоторой величиной, свя- занной с относительной кривизной. В частности, у вогнутых поли- ровальников с б 0/ 0,5Н R  слой срезают заподлицо с полировоч- ным инструментом, высота которого здесь больше Нп на величину r в центре. У выпуклых полировальников с б 0/ 0,5Н R  Нп.и высота полировательного инструмента может быть равна Нп или меньше её на величину r в центре. Когда не требуется высокая точность обработки исполнительных поверхностей деталей (N = 6–15), применяются технические шер- стяные материалы. В качестве материалов используют фетр, вой- лок, сукно. Материалы после раскройки приклеивают полироваль- ными смолами к поверхности корпуса полировальника. Шерстяные полировальники используют при интенсивных режимах обработки, при этом за счёт эластичных свойств приклеенных шерстяных материалов обеспечивается высокая чистота обработки полированных поверхностей. Синтетические материалы изготавливаются на основе полимер- ных веществ: полиуретан, аквапол. Полиуретановая подложка имеет пористую структуру, что позволяет полирующим материалам закрепляться в порах, при этом повышается эластичность полиру- ющего материала. В оптическом производстве может использоваться полиуретановая плёнка без наполнителей или с наполнителем. В качестве наполнителя используются полирующие абразивы CeO2 или ZrO2. Полирующий материал «Аквапол» представляет собой смесь полирующих абразивов (CeO2 или ZrO2) со связующими веществами – фенольными или эпоксидными смолами. Подложка закрепляется к каркасу специальными водостойкими клеями. Син- тетические полировальники имеют высокую стабильность рабочей формы и используются в массовом производстве при изготовлении с невысокими требованиями к точности формы исполнительных поверхностей (N = 2–30). При применении синтетических полиро- вальников можно использовать повышенные режимы полирования, что сокращает время обработки. 51 10. РАСЧЁТ БЛОКОВ 10.1. Блоки для обработки плоских поверхностей 10.1.1. Основные положения для расчёта блоков При расчёте блока необходимо руководствоваться следующими основными положениями: на блоке должно помещаться возможно большее количество заготовок; заготовки следует располагать равномерно по всей поверхности блока без больших промежутков. Выполнение первого условия способствует повышению произ- водительности, второе необходимо для получения большей точно- сти обрабатываемых поверхностей. Количество заготовок на блоке зависит от его размера. На опти- ческих станках можно обрабатывать блоки, максимальный диаметр которых приведён в табл. 10.1. Таблица 10.1 Типы оптических станков Обозначение станка Радиус обрабатываемых поверхностей, мм Диаметр плоских бло- ков, мм Диапазон отношений D/R ШП-50А 100–∞ 20–50 9ШП-20 2,5–14 5–20 9ШП-50Л 7,5–∞ 15–50 6ШП-100М 50–100 0–1,0 6ШП-200 100–200 0–1,0 3ШП-320 200–320 0–0,63 3ПД-320 200–320 0,6–1,0 3ШП-350 200–350 ШП3-500 350–500 52 Этим требованиям удовлетворяют три схемы размещения заго- товок на сферических и плоских блоках в центре. Первый – в сере- дине 1 заготовка, во втором ряду – 6, в третьем – 12 и т. д. Второй способ предполагает 3 заготовки в среднем ряду, 9 – во втором, 15 – в третьем и т. д. В третьем способе – 4 заготовки в среднем ряду, 10 – во втором, 17 – в третьем и т. д. В процессе блокирования между заготовками и поясами остав- ляют промежутки 0,05b d (но не менее 0,5 мм). 10.1.2. Первый способ расположения заготовок (одна в центре) на плоском блоке Количество заготовок в m-м ряду 180 / ,φm mn   где   Iφ arcsin / 2ρ , mm b d  Iρm – радиус окружности (рис. 10.1), проходящей через центры заготовок m-го ряда:   Iρ 1 .m m d b   Рис. 10.1. Одна заготовка в центре Окончательный диаметр блока    бI 2 1 2 1 .D m d m b    53 10.1.3. Второй способ расположения заготовок (три в центре) на плоском блоке Данный способ имеет следующие особенности. 1. Заготовки первого ряда располагаются на некотором расстоя- нии от центра блока, которое можно определить из треугольника СОВ на рис. 10.2: / sin60°;ОС ОВ / 2;ОС l d    / 2.ОВ d b  Рис. 10.2. Три заготовки в центре Принимая во внимание, что 0,05 ,b d проведём расчёт 1,05 / 2·0,866 0,5 0,106 ,l d d d   принимаем 0,1 .l d Заготовки второго ряда располагаются симметрично относительно заготовок первого ряда так, что заготовки второго ряда попадают в промежутки первого ряда. Поэтому достаточные расстояния между первым и вторым рядами получают без увеличения диаметра блока на 2b, что будет необходимо при расчёте следующих поясов. 54 Окончательный диаметр плоского блока     бII 2 0,1 2 .D m d m b    Радиус окружности, проходящей через центры заготовок m-го ряда:    бII IIρ / 2 0,5 0,4 2 .m D d m d m b      10.1.4. Третий способ расположения заготовок (четыре в центре) на плоском блоке При расчёте по третьему способу заготовки первого ряда также находятся на некотором расстоянии от центра блоков. Как видно из рис. 310.3:  / 2; / 2 1,05 / 2.CO l d BO d b d     Рис. 10.3. Четыре заготовки в центре Тогда / sin45 0,5 0,2425 0,24 .CO BO d d d    55 Радиус окружности, проходящей через центры заготовок m-го ряда, определяется по аналогии с предыдущим способом:    IIIρ 0,26 1 .m m d m b    Диаметр плоского блока    бIII 2 0,24 2 1 .D m d m b    Расчёт плоских блоков сводится к следующему. 1. Определяют предварительный диаметр блока. При этом за основу принимают максимальный диаметр, допускаемый мощно- стью станка или определяемый размерами имеющихся в наличии шлифовальников. 2. Находят отношение Dб/d. Если Dб/d составляет 1; 3,1; 5,2; 7,3; 9,4; 11,6; 13,6; 15,7; 17,8; 19,9; 22; 24,1, то заготовки в центре блока распо- лагают по первому способу. При отношении Dб/d 2,2; 4,2; 6,3; 8,4; 10,5; 12,6; 14,7; 16,8; 18,9; 21; 23,1; 25,2, заготовки на блоке располагают по второму способу. Если Dб/d принимает значения 2,48; 4,58; 6,68; 8,78; 10,88; 12,98; 15,08; 17,18; 19,28; 21,38; 23,48; 25,58, то заготовки на блоке располагают по третьему способу. При выборе способа распо- ложения заготовок в центре принимается ближайшая минимальная цифра из перечисленных к расчётному значению Dб/d. 3. По соответствующим формулам рассчитывают расположение заготовок и их количество на блоке и окончательный диаметр блока. 10.2. Блоки для обработки сферических поверхностей Сферические блоки можно рассчитывать как аналитическим, так и графическим способами. Размеры сферических блоков с радиусами R до 75 мм определя- ются радиусом кривизны детали, величина блоков с большими радиусами ограничивается мощностью станка. Диаметры сфериче- ских и плоских блоков связаны между собой зависимостью с n 0 .,7D D 56 Блоки с радиусами до 75 мм рекомендуется брать равными полу- сфере. Такие блоки называются максимальными. Блоки меньше по- лусферы называются ограниченными. При расчёте сферических блоков расстояния b между заготовками рекомендуется выбирать по табл. 10.2. Таблица 10.2 Расстояния между заготовками на сферическом блоке, мм d b (для вогнутых блоков) b (для выпуклых блоков) От 10 0,7–1,0 0,3–0,8 10–20 0,7–1,5 0,6–1,0 20–40 1,1–1,7 1,3–1,6 40–60 1,5–1,9 1,6–2,0 60 и выше 2,0–2,5 1,5–3,0 При обработке выпуклых блоков величину b назначают около второй (необрабатываемой) поверхности, а при обработке вогнутых – около первой (обрабатываемой) поверхности. 10.2.1. Аналитический метод расчёта сферических блоков Расчёт предварительного размера блока. Углы раствора блока и линзы Расчёт блока начинают с определения его предварительной вы- соты Нб,. Приравняв площадь сферического c б б2 , F R Н  и плоского блока 2п п / 4,F D получим 57 2б n б/ 8 .Н D R Предварительный размер блока обычно выражают через его угол раствора  б arcsin / 2D R  или  б бarccos 1 / .Н R   Для определения общего количества заготовок на блоке и их расположения по рядам размер линз выражают углом их раствора α0:  0 б arcsin / 2 .d R  Чтобы обеспечить расстояние между рядами на блоке и заготов- ками в каждом ряду, угол раствора линзы рассчитывают по формуле   б arcsin / 2 .d b R   Из рис. 10.4 видно, что каждый ряд заготовок занимает часть 2α угла γб. Рис. 10.4. К расчёту предварительного размера блока 58 Разделив γб на 2α, получим число рядов на блоке. Для этой цели применяется формула бγ / 2 0,5 ξ,m   где m – целое число неправильной дроби, выражающее количество рядов на блоке; ξ – дробь, по величине которой определяют количество загото- вок в первом ряду, т. е. порядок расположения их на блоке; 0,5 – прибавка, необходимая для того, чтобы во всех случаях m равнялось целому числу. Если бы этой прибавки не было, то в случае, изображённом на рис. 10.4, когда в середине помещается одна заготовка, в результате деления γб/2α получилось бы 2,5. Прибавив 0,5 получим 3, что соот- ветствует числу рядов (считая центральную заготовку за один ряд). Значения ξ для различного количества заготовок в первом ряду приведены в табл. 10.3 (блоки с двумя и пятью заготовками в сере- дине применяются только при обработке деталей с пониженной точностью или с дополнительными заготовками меньшего размера (паразитками), вклеиваемыми для заполнения промежутков). Таблица 10.3 Количество заготовок n в первом ряду n 1 2 3 4 5 ξ 0,0 0,5 0,58–0,6 0,71–0,78 0,85–0,98 Пользование табл. 10.3 сводится к следующему: число заготовок в первом ряду определяется параметром ξ, равным вычисленному или ближайшим меньшим. Расчёт количества заготовок по рядам Число заготовок, помещающихся в отдельных рядах, рассчиты- вают по формуле 59 180º /φ , m mn  где φm – угол между меридиональными плоскостями, из которых од- на проходит через середину заготовки данного ряда, а вторая – через середину промежутка между соседними заготовками (рис. 10.5). Рис. 10.5. К расчёту количества заготовок по рядам Угол φm определяют по формуле sinφ = sin /sinθ ,m m где θm – угол между радиусами, проходящими через вершину блока и вершину заготовки ряда m. Данное выражение получено на осно- вании рис. 10.5 из следующих равенств: ;sinφ /2ρm md sinα = /2 ;d R sinθ = ρ / .m m R Разделив второе равенство на третье, получим sinα/sinθ = /2ρ .m md На основании полученного равенства и равенства для sinφm по- лучим искомую формулу. 60 Расчёт окончательных размеров блока После определения количества заготовок по рядам требуется рассчитать, как видно из рис. 10.4, окончательный размер блока, который определяется углом б 0 γ = θ + α ,m где  1θ = θ 2 1 .m m  Угол θ1 можно определить по формуле 1 1sinφ = sinα/sinθ . При этом угол 1 1φ = 180 / ,° n где n1 – количество заготовок в первом ряду. Окончательно высоту и диаметр блока определяют по формулам  б 1 cosγ ;Н R  2б б б б2 2 или 2 sinγ.D RH H D R   При расчёте блока необходимо проверить расположение загото- вок в последнем ряду. Если промежутки получились больше нор- мальных, необходимо поместить ещё одну заготовку, незначитель- но увеличив высоту блока. 61 10.2.2. Пример расчёта блока Для облегчения понимания расчёта блока рассмотрим пример для обработки двояковыпуклой линзы со следующими конструк- тивными элементами: R1 = R2 = +130 мм (радиус положителен для выпуклых поверхностей и отрицателен для вогнутых), номинальная толщина готовой детали T0 = 4 мм, d = 37 мм. Обработка будет производиться на станке 3ШП-320 (см. табл. 10.1). При выборе станка исходят из того, что на нём понадобится обраба- тывать блок с максимальным диаметром, равным 2R. Принимаем b = 1,5 мм (см. табл. 10.2). 1. Предварительная высота блока 2б п б/ 8 3202 / 8 130 98,46 мм.Н D R    2. Предварительный угол раствора блока    arccos 1 / arccos 1 98,46 /130 75 57 '.б Н R       3. Угол раствора заготовки    0 бarcsin / 2 arcsin 37 / 2 130 8 11'.d R           arcsin / 2 arcsin 37 1,5 / 2 130 8º31', 2 17 2'.d b R          4. Число рядов на блоке и количество заготовок в первом ряду бγ / 2 0,5 ξ 75 57'/17 2' 0,5 4,96.m        На блоке будет четыре ряда, а в первом ряду необходимо поме- стить пять заготовок (см. табл. 10.3), что не позволит обрабатывать линзы с высокой точностью. Поэтому необходимо провести пере- расчёт на блок диаметром 300 мм. 62 Предварительная высота и угол раствора блока 2б п б/ 8 3002 / 8 130 86,5 мм.Н D R       бγ = arccos 1 / arccos 1 86,5 /130 70 33'.Н R     Число рядов на блоке и количество заготовок в первом ряду бγ / 2 0,5 ξ 70 33'/17 2' 0,5 4,64.m        На блоке будет четыре ряда, в первом ряду – три заготовки. 5. Угол φ1: 1 1φ 180 / 180 / 3 60 .n      6. Угол θ1: 1 1 1sinθ = sinα / sinφ = sin8°31/ sin60° = 0,1709; θ = 9°50'. 7. Углы θ2, θ3, θ4:  2 2θ = θ + 2α 1 9 50' 17 2' 26 52';m         3 1θ = θ + 2α 1 9 50' 17 2' 2 43 54';m          4 1θ = θ + 2α 1 9 50' 17 2' 3 60 56'.m         8. Углы φ2, φ3, φ4: 2 2 2sinφ = sinα / sinθ = sin8°31' / sin26°52' = 0,3275; φ = 19°7'; 3 3 3sinφ = sinα / sinθ = sin8°31' / sin43°54' = 0,2134; φ = 12°19'; 4 4 4sinφ = sinα / sinθ = sin8°31' / sin60°56' = 0,1693; φ = 9°45'. 63 9. Количество заготовок по рядам 1 3;n  2 2180 / φ 180 /19 7' 9,4;n       принимаем n2 = 9; 3 3180 / φ 180 /12 19' 14,6;n       принимаем n3 = 14; 4 4180 / φ 180 / 9 45' 18,46;n       принимаем n4 = 18; 10. Общее количество заготовок 3 9 14 18 44.N      11. Окончательный угол раствора блока б 4 0γ θ + α 60º56' 8º11' 69 º7 '.    12. Окончательная высота блока    б 1 cosγ 130 1 cos69º7 ' 83,7 мм.Н R     13. Окончательный диаметр блока 2 sinγ 2 130sin69º7` 242,9 мм.бD R    При крупносерийном производстве может потребоваться увели- чить размер блока с целью увеличения количества заготовок на нём. В таком случае необходимо пересчитать блок, приняв в формуле для расчёта числа рядов и количества заготовок в первом ряду γб = 90º. 64 10.2.3. Графический метод расчёта блока Графический метод расчёта блоков сводится к следующему. По отношению R/d определяют расположение заготовок на блоке, т. е. число рядов и количество заготовок по зонам (см. табл. 10.10 и 10.4). Если при этом заготовки располагаются по первому способу (одна заготовка в первой зоне, т. е. в центре), то номинальным радиусом ОА линзы (рис. 10.6) вычерчивают полуокружность и перпендикулярно радиусу ОА проводят хорду ВС = d + b, которая определяет положение заготовки в центре блока. Затем от точки В циркулем откладывают отрезки ВD = DЕ = ВС, определяющие собой зоны блока. Рис. 10.6. Одна заготовка в центре Для определения количества заготовок в каждой зоне из середи- ны отрезка DЕ перпендикулярно АО проводят 3U, а из точки K – окружность радиусом 3K. По этой окружности из точки U отклады- 65 вают отрезки, равные СВ. Целое число уложившихся отрезков и есть количество заготовок на блоке в данной зоне. Аналогичным образом проводят построение для всех зон. При втором способе расположения заготовок (рис. 10.7) положе- ние первой зоны (из трёх заготовок) определяется из соотношения  0,57 , UЕ d b  где точка U – середина отрезка первой зоны. Дальнейшее построение аналогично первому способу. Рис. 10.7. Три заготовки в центре При третьем способе расположения заготовок на блоке (рис. 10.8) положение первой зоны (из четырёх заготовок) опреде- ляется из соотношения  0,69 .UЕ d b  Рис. 10.8. Четыре заготовки в центре 66 Высота блока равняется отрезку АГ (см. рис. 10.8) и получается непосредственным измерением этого отрезка. Диаметр блока вычисляется. Случаи, когда в первой зоне располагаются две заготовки (табл. 10.4 и 10.5), применяются для полирования волокнистым полировальником деталей с пониженной точностью. Таблица 10.4 Расположение заготовок на сферическом блоке, ограниченном Нб = 0,85R R/d 0,76 0,85 1,0 1,13 1,24 1,46 1,54 n1 + n2 + … 2 3 4 1 + 5 1 + 6 2 + 8 3 + 8 R/d 1,65 1,77 1,85 2,27 2,38 2,58 n1 + n2+ … 4 + 9 5 + 9 1 + 5 + 9 3 + 9 + 13 4 + 9 + 13 1 + 5 + 11 + 14 Таблица 10.5 Расположение деталей на сферическом максимальном блоке R/d 0,71 0,786 0,893 1,03 1,14 1,33 1,385 n1 + n2 + … 2 3 4 1 + 5 1 + 6 2 + 7 3 + 7 R/d 1,437 1,68 n1 + n2 + … 4 + 8 1 + 5 + 9 10.3. Блоки для обработки призм, пластин и клиньев Изготовление призм можно производить разными способами установки заготовок на приспособлениях с различным числом смен рабочих баз. Количество смен баз определяет точность и произво- дительность изготовления оптических деталей. Практически всегда обработку заготовок призм начинают со вспомогательных поверхностей, которые при выполнении после- дующих операций принимают за технологические базы. В зависи- мости от условий производства и вида заготовки операции выпол- няются алмазным инструментом на специализированных или металлообрабатывающих (фрезерных) станках либо свободным абразивом на оптических станках. 67 Блокировка призм, пластин и клиньев осуществляется следую- щими методами: – механическим зажатием; – капиллярным натяжением; – молекулярным сцеплением («оптический контакт»); – приклеиванием; – гипсовкой; – под влиянием собственного веса, в сепараторах. При установке заготовок с базированием по технологическим базам требуемого взаимного расположения поверхностей достига- ют за счёт создания параллельности обрабатываемой поверхности по отношению к элементам приспособления, выполняющим роль вспомогательной измерительной базы. Закрепление механическим зажатием применяют в тех случа- ях, когда снижение точности конструктивных параметров деталей под действием напряжений и деформаций, вызываемых усилиями зажатия в приспособлениях, не выходит за пределы установленного допуска. Данный метод применяется при обработке алмазным ин- струментом на операциях грубого шлифования, обработке по пери- метру, круглого шлифования, снятия скосов, нанесения пазов, кана- вок и др. На завершающих стадиях механической обработки дан- ный способ используют лишь при большой жёсткости конструкции деталей или низких требованиях к точности формообразования. Взаимное расположение может быть выдержано с точностью 1–3ʹ, линейные размеры – в пределах 0,01–0,05 мм. Закрепление действием сил молекулярного сцепления основано на эффекте взаимодействия полированной установочной базы изде- лия с полировочными установочными элементами приспособления. Энергия сцепления сопоставима с энергией связи молекул в объём- ной фазе соединённых тел, поэтому разрыв контакта возможен лишь под действием усилий, близких к разрушающим. Оптический контакт – предельно точный способ совмещения установочной и измерительной баз. Необходимым условием соединения является наличие у заготовок 1 призм (рис. 10.9, а), пластин (рис. 10.9, б) и клиньев (рис.10.9, в) полированной поверхности с отступлением от плоскостности N ≤ 0,5. Затем данную поверхность совмещают с установочным элементом приспособления 2. 68 а б в Рис. 10.9. Закрепление заготовок действием сил молекулярного сцепления: а – призм; б – пластин; в – клиньев Закрепление действием сил капиллярного натяжения жидко- сти используется при изготовлении точных пластин, клиньев и призм. Установочный элемент 1 (рис. 10.10) выполняют из пористо- го материала (графита, керамики, металлокерамики) и пропитывают его жидкостью с высоким коэффициентом поверхностного натяже- ния, малой вязкостью, низким давлением пара. Тонким слоем клея- щего вещества 2 пористый материал соединяется с корпусом 3. При наложении детали 4 на установочный элемент жидкость, находяща- яся в порах поверхностного слоя, создает силы капиллярного натя- жения, которые направлены по нормали к плоскости детали и проч- но удерживают её. В тангенциальном направлении эти силы малы, поэтому для предупреждения смещения заготовок в приспособле- нии должны быть предусмотрены опорные базы. Рис. 10.10. Блокирование заготовок силами капиллярного натяжения жидкости 69 Закрепление примораживанием является разновидностью предыдущего способа. Отличительная особенность в том, что в порах поверхностного слоя находится вода, которую после базирования заготовок замораживают. Данный метод используется на операциях тонкого шлифования и полирования деталей плоскопараллельных пластин, изготовленных из материалов, свойства которых исключают возможность использования клеящих веществ или нагрева. Закрепление вакуумным прижимом применяется на операциях грубого шлифования крупногабаритных пластин, тонкого шлифо- вания и полирования единичных линз, снятия фасок и др. Установку по настроечной базе с фиксацией положения заго- товок твердеющим раствором 2 (рис. 10.11) используют при выпол- нении операций тонкого шлифования и полирования преломляю- щих и отражающих поверхностей призм 7, которые притирают к планшайбе 5. После притирки призм 7 по краям планшайбы 5 устанавливают три стеклянные пластинки 4 толщиной 2–3 мм, предназначенные для того, чтобы призмы при обработке выступали за края обода. Затем устанавливают обод 3 и заполняют промежут- ки между призмами 7 просеянными деревянными опилками до об- разования тонкого (2–3 мм) слоя 6. После этого детали заливают раствором 2 и устанавливают на него крышку 1. Рис. 10.11. Гипсование призм Погрешность закрепления, которая вызывает изменение положения измерительной базы, и отсутствие жёсткой системы «станок– 70 приспособление–инструмент–деталь» не позволяют установить обра- батываемую поверхность относительно других граней с точностью, превышающей имевшуюся после предварительного шлифования. Для того чтобы погрешность взаимного расположения поверхностей после завершения их обработки не превысила заданного допуска, операция предварительного шлифования должна обеспечивать точность, пре- вышающую требуемую от готовой детали. Точность взаимного распо- ложения поверхностей, которую способен обеспечить процесс с уста- новкой заготовок по настроечной базе и фиксацией положения твер- деющим раствором, не превышает 5–6ʹ. Кроме того, ограничены возможности сокращения трудоёмкости операций тонкого шлифова- ния и полирования путём интенсификации режимов, использования специализированного оборудования, уменьшения припусков. При закреплении приклеиванием функцию настроечной базы выполняет обрабатываемая поверхность. Эту базу используют для выверки положения заготовок 1, притирая их к установочному эле- менту вспомогательного приспособления 2. Для создания силового замыкания, фиксирующего положение заготовок, используют смо- ляную подушку 3 или отдельные смоляные точки, предварительно нанесённые на необрабатываемую поверхность, помещают нагретое наклеечное приспособление 4. Рис. 10.12. Установка заготовок по настроечной базе Если рассмотренные способы не обеспечивают требуемой точ- ности взаимного расположения поверхностей, призмы могут быть доведены в сепараторах. Создавая неравномерную нагрузку на обрабатываемую поверхность, как это делается при доводке пло- скопараллельных пластин и углов клиньев, точность взаимного расположения поверхностей повышают до соответствующей воз- можностям технических средств контроля, т. е. до 0,5–1,0ʹʹ. 71 11. ВЫБОР И РАСЧЁТ НАКЛЕЕЧНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ СФЕРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ 11.1. Эластичный способ блокировки Эластичный способ состоит в том, что детали приклеивают к наклеечным приспособлениям сравнительно толстым слоем смолы  (δ 0,1...0,2 )d в самом тонком месте смоляной подушки, т. е. для выпуклых линз в середине, а для вогнутых – на краю). 11.1.1. Расчёт радиусов наклеечных приспособлений Поверхность наклеечного приспособления должна быть концен- тричной по отношению к обрабатываемой поверхности. Для двояко- выпуклых и плосковыпуклых линз, а также положительных менисков (рис. 11.1) данное положение может быть выражено формулой н.пр 1 0 δ.R R T   Рис. 11.1. Наклеечное приспособление для двояковыпуклых линз Для отрицательных менисков (рис.11.2) формула для расчёта Rн.пр имеет следующий вид: н.пр у δ.R R  72 Рис. 11.2. Наклеечное приспособление для отрицательных менисков При этом величина Rу, как видно из треугольника MCN на рис. 11.2, определяется выражением    21 0 2 / 2 .уR R T h d    Как видно из рис. 11.3, при обработке двояковогнутых линз радиус наклеечной чашки больше радиуса блока на величину, рав- ную отрезку АЕ. Из прямоугольного треугольника АЕD получим 0cosα .АЕ АD Но поскольку 0 1 2 ,AD AВ T h h        то  н.пр 1 0 0 2 0cosα .R R T h h      73 Рис. 11.3. Наклеечное приспособление для двояковогнутых линз Для отрицательных менисков (рис. 11.4) радиус наклеечного приспособления  н.пр 1 0 1 2 0cosα .R R T h h      Рис. 11.4. Наклеечное приспособление для отрицательных менисков Для положительных менисков (рис. 11.5) радиус наклеечных чашек рассчитывается по формуле н.пр 1 0 .R R T    74 Рис. 11.5. Наклеечное приспособление для положительных менисков 11.1.2. Расчёт размеров наклеечных приспособлений Из рис. 11.4 и 11.5 видно, что угол раствора γн.пр наклеечного приспособления для выпуклых и вогнутых блоков н.пр пγ θ β.  Из прямоугольных треугольников АВС на рис. 11.2. и 11.3 полу- чаем зависимость для угла β:  н.прβ ' arcsin / 2 .d R При таком значении βʹ заготовки последнего ряда на наклеечном приспособлении могут выступать за его края, что неудобно в про- изводстве. Поэтому используют изменённую формулу  н.прβ arcsin 1,2 / 2 .d R Высота и диаметр наклеечных приспособлений определяются следующим образом: б 1 cos( γ );Н R  б 2 sinγ.D R 75 11.2. Жёсткий способ блокировки 11.2.1. Последовательность обработки поверхностей Если при эластичном способе блокирования последовательность обработки поверхностей не имеет существенного значения, то при жёстком креплении поверхности должны обрабатываться в том же порядке, в каком это было принято при расчёте; в противном случае наклеечные приспособления будут непригодны. На основании опы- та оптического производства установлена следующая последова- тельность обработки: у двояковыпуклых и двояковогнутых линз первой обрабатывают поверхность с большим радиусом; если же одна сторона обрабатывается по одной (индивидуально), а вторая – блоками, то первой обрабатывают поверхность с меньшим радиу- сом, т. е. индивидуально; у плосковогнутых линз и менисков первой обрабатывают вогнутую поверхность. В формулах для расчёта наклеечных приспособлений толщина линз обозначается через Т1 и Т2. Т1 – расчётная толщина заготовки после обработки первой поверхности. Т2 – верхняя предельная толщина го- товой линзы, т. е. номинальная толщина плюс верхний допуск. Т1 рав- няется Т2 плюс припуск на обработку второй поверхности. Величина припуска изменяется в зависимости от того, изготовляется ли деталь на плоских или прессованных заготовок. В первом случае припуск также зависит от формы детали. В табл. 11.1 приведены припуски на обработку второй поверхности для различных деталей. Таблица 11.1 Припуски на обработку второй поверхности заготовок Виды поверхностей Величины припуска На заготовки, мм Плоские Прессованные Двояковыпуклые і плосковыпуклые 0,4 1,0 Плосковогнутые и мениски 1,0 1,5 Двояковогнутые b2 + 1,0 1,5 76 При обработке первой поверхности δ = 0,05 мм, а для второй по- верхности δ = 0,2–0,3 мм. Такая разница обусловлена тем, что для обработки второй поверхности заготовку полированной стороной приклеивают к гнёздам наклеечного приспособления через матер- чатые прокладки, пропитанные наклеечной смолой. 11.2.2. Расчёт радиусов наклеечных приспособлений Основными величинами для расчёта радиусов наклеечных при- способлений являются радиусы обрабатываемых поверхностей и толщина заготовок. Формула для расчета радиусов имеет вид (треугольник ABC, рис. 11.6)  22н.пр / 2R a d  . Рис. 11.6. К расчёту радиусов наклеечных приспособлений при жёстком способе блокировки Значение слагаемого а в этой формуле изменяется в зависимости от формы детали, порядка обработки и исходной заготовки. Ниже приводятся построения и вывод формул для деталей различной формы. 77 11.2.3. Двояковыпуклые линзы При изготовлении двояковыпуклых деталей из плоских загото- вок наклеечные грибы для обработки первых поверхностей приме- няются с плоскими шайбами (рис. 11.7). Слагаемое в таком случае имеет следующее значение: 1 1 δ.а R T   Рис. 11.7. Наклеечное приспособление с шайбой Для наклейки линз с большим первым радиусом (R > 300 мм), когда фрезерование плоских гнёзд затруднительно, применяют наклеечные грибы с коническими шайбами, которые привинчивают к поверхности гриба (см. рис. 11.7). В этом случае с учётом толщи- на шайбы Tш по краю 1 1 ш δ.а R T T    Наклеечные грибы для обработки второй поверхности двояко- выпуклых деталей, изготовляемые из плоских, а также из прессо- ванных заготовок, иногда изготовляют с гнёздами (рис. 11.8) в виде сферических углублений (лунок). В этом случае 78 2 2 1 δ.а R T h    Рис. 11.8. Наклеечное приспособление с гнёздами Чтобы получить толщину слоя наклеечной смолы в середине на 0,1 мм больше, чем на краю (для меньшего царапания поверхностей линз в центральной зоне), радиус лунок рассчитывают по формуле л 1 1 1(/ 0,1 .)R R h h  Для блокирования линз с острыми или тонкими краями (Ткр < 0,5 мм) наклеечные грибы изготовляют с уменьшенными лун- ками (рис. 11.9). Их радиус рассчитывают по формуле н.пр 2 ,R R E  где Е ≥ 0,5 мм. Диаметр лунки в данном случае 2л 1 1 12 ,d R h h  (11.1) где       1 н.пр 2 2 1 н.пр 22 – – – 2 / 2 – .h R T Е T Е R R T Е   79 Рис. 11.9. Наклеечное приспособление с уменьшенными лунками Формула для h1 выводится следующим образом. Из рис. 11.10 и выражения для dл можно записать 2л н.пр 2 22 ,d R h h  (11.2) где 2 2 1.h T Е h   Приравняв (11.1) и (11.2), получим    221 1 1 н.пр 2 1 2 12 2R h h R T Е h T Е h       . Рис. 11.10. Наклеечное приспособление с углублёнными лунками 80 Решив данное уравнение, получим формулу для Rн.пр. Для обработки первой поверхности двояковыпуклых линз, изго- товляемых из прессованных заготовок, наклеечные грибы часто из- готовляют с углублёнными лунками (см. рис. 11.10). При этом диаметр лунки берут на 0,5 мм больше диаметра заго- товки, а высоту стенок углубления 0,5 мм. Тогда  22н.пр / 2 ,R a d  где 1 1 2 δ 0,5.а R T h       В этой формуле 2 22 2 2 2 2' '' 0,25( 0,5) .h h h R R d        11.2.4. Плосковыпуклые линзы У плосковыпуклых линз в первую очередь обрабатывают плос- кие поверхности. При их изготовлении из плоских заготовок наклейка производится на планшайбы. Если же детали изготовляют из прессованных заготовок, то к планшайбам привинчивают шайбы с углублениями. Поэтому расчёт наклеечных приспособлений тре- буется только для обработки второй (выпуклой) поверхности. 11.2.5. Линзы двояковогнутые, плосковогнутые, мениски При изготовлении данных оптических деталей в качестве накле- ечных приспособлений используют чашки, к поверхностям которых привинчивают плосковыпуклые шайбы с толщиной края 1 мм (рис. 11.11). Как видно из треугольника АВС на рис. 11.12, слагаемое а 1 1 δ 1.a R T    81 Рис. 11.11. Наклеечное приспособление в виде чашки с плоской шайбой Рис. 11.12. Наклеечная чашка с приклеенным отрицательным мениском Отрицательные мениски, изготовляемые из прессованных заго- товок, для обработки первой стороны приклеивают непосредствен- но к поверхности наклеечкой чашки (см. рис. 11.12). На заготовках фаски не делают. В этом случае 1 1 2 .a R T h     82 Положительные мениски, изготовляемые из прессованных заго- товок, для обработки первой поверхности наклеивают на металли- ческие шайбы (рис. 11.13). В этом случае н.пр 1 1 ш.R R T T     Рис. 11.13. Наклеечная чашка с приклеенным положительным мениском Лунки на шайбе вытачивают по второму радиусу заготовки. Наклеечные чашки для обработки второй поверхности двояково- гнутых линз изготовляют без гнезд: линзы приклеивают непосред- ственно к поверхности чашки (рис. 11.14). Если радиус поверхности меньше 0,5d, то на заготовках делают фаски. В этом случае, как видно из треугольника АВС на рис. 11.14: 2 2н.пр ф0,25 ,R a d  где 2 2 ф ; а R T h      ф 0 0,5...1,0 .d d  hф вычисляют по dф и R1. Если фаски на линзах не снимают, то в формуле для определения Rн.пр берут d и h1 вместо dф, hф. 83 Рис. 11.14. Наклеечная чашка с приклеенной двояковогнутой линзой При изготовлении отрицательных менисков блокировку для об- работки второй поверхности производят на наклеечные грибы без гнёзд (рис. 11.15). Если радиус вогнутой поверхности меньше 0,5d, заготовки приклеивают на фаски, а если больше – без фасок. Рис. 11.15. Инструмент без гнёзд для обработки отрицательных менисков Чтобы определить Rн.пр, рассчитывают 2 2 ф δ.a R T h    Если фаски не снимают, расчёт производят по тем же формулам, но вместо dф, hф берут d и h1. Rн.пр для обработки второй поверхно- сти положительных менисков рассчитывают, определяя (рис. 11.16) 84 2 2 1 δ.a R T h    Рис. 11.16. Инструмент для обработки положительных менисков 11.2.6. Расчёт размеров наклеечных приспособлений Порядок расчёта наклеечных грибов: 1. Рассчитав радиус наклеечного гриба, следует определить чис- ло поясов, помещающихся на грибе, воспользовавшись формулой бγ / 2 0,5 ξ,m    а также табл. 10.4 или табл. 10.5. Определить угол α по Rн.пр, используя формулу   arcsin / 2 .d b R   2. Найти углы θ по формуле  1θ θ 2 1 .m m   3. Рассчитать углы φ по формуле m m sinφ = sinα / sinθ . 85 4. По формуле 180 / φm mn   определить количество заготовок в каждом поясе. 5. По формулам н.пр пγ Q  и  н.прβ arcsin 1,2 / 2d R найти угол раствора наклеечного гриба и определить его высоту и диаметр:  б 1 cosγH R  и б 2 sinγ.D R 6. Вычертить эскиз наклеечного гриба, указав на нём расположе- ние лунок и значения углов θ и φ. (При наклейке отрицательных менисков без гнёзд значения θ и φ не указывают). 7. По формуле н.пр пγ Q  определить угол раствора блока и его размеры (диаметр и высоту). Порядок расчёта наклеенных чашек: 1. Определить радиус наклеечкой чашки. 2. Рассчитать блок и его элементы (количество рядов и деталей в них, углы θ и φ, высоту и диаметр). 3. Определить угол раствора наклеечной чашки, а также её размеры (диаметр и высоту). 4. Вычертить эскиз наклеечной чашки. 86 12. РАСЧЁТ ПРИПУСКА НА ОБРАБОТКУ ЗАГОТОВОК При изготовлении оптической детали припуск на механическую обработку по толщине δt распределяется между всеми операциями, предусмотренными технологическим процессом. В общем случае обработка преломляющих и отражающих поверхностей заготовок разных видов включает операции предварительного шлифования, тонкого шлифования и полирования. Толщина прессованных заготовок пластин и линз всех типов, ко- торые имеют приближенную форму будущей детали, после предва- рительного шлифования 1-й поверхности определяется по формуле п.ш п.ш1з з деф1 и| | ,t t F F t     где дефF – толщина дефектного слоя; иt – минусовой допуск на толщину детали. Толщина плоской заготовки для плосковогнутых, двояковогну- тых линз и менисков после предварительного шлифования 1-й по- верхности определяется по формуле п.ш п.ш1з з деф1 и1| | ,t t h F F t      где h1 – стрелка прогиба вогнутой поверхности; п.ш1F – толщина слоя стекла, нарушенного шлифованием 1-й по- верхности. Значение п.шF при шлифовании стекла любой марки алмазным инструментом определяем из выражения з.а з.ап.ш 2(0,001 0,5 4)1,25 / , мкм,sF d d H   где з.аd – наибольший размер зерна основной фракции алмазного порошка в инструменте, мкм. При шлифовании заготовок с h/D < 0,7 используют инструмент с зернистостью алмаза 63/50. 87 Если предварительное шлифование выполнялось свободным абразивом зернистости М, то толщину п.шМF нарушенного слоя на стекле марки х, мкм, находят умножением её значения для стекла марки К8 на коэффициент относительной твёрдости по сошлифо- выванию, соответствующий стеклу марки х, т. е. п.ш К81,25 / .xsМ МF F H Это выражение справедливо для оценки толщины слоя стекла, нарушенного как предварительным, так и тонким шлифованием свободным абразивом. После предварительного шлифования 2-й поверхности заготовок всех видов их толщина п.ш2 п.шз в 2 .t t t F    На стадии предварительного шлифования кроме толщины заго- товки по центру выдерживают её разнотолщинность по краю  кр .Т Толщину заготовок, обрабатываемых в блоке, не контролируют, поэтому допуск на толщину заготовок после предварительного шлифования 1-й и 2-й поверхностей назначают равным минусовому значению допуска на толщину готовой детали. Часть общего при- пуска, оставшуюся после предварительного шлифования, распреде- ляют между операциями тонкого шлифования и полирования, т. е. 'т.п ш.ш 'п2 = δ + δ .F (12.1) После последнего перехода тонкого шлифования обеих поверхно- стей заготовки алмазным инструментом зернистости з.аd её толщина з.а т.шз в и.2 dt t t F t      Значение ܨт.ш определяется по формуле (12.1) для оценки значе- ния ܨп.ш при предварительном шлифовании. 88 Если тонкое шлифование выполнялось свободным абразивом зернистости М, то толщина заготовки К8з в иsМ| 2 1,25 / .t t t F H t     Значения К8МF для абразивов различной зернистости приведены в табл. 12.1. Таблица 12.1 Толщина слоя стекла, нарушаемого при шлифовании свободным абразивом и алмазным инструментом для К8 Зернистость, мкм Толщина нарушенного слоя F, мкм Свободный абразив (электрокорунд белый) Инструмент из синтетических алмазов на металлической связке 7–5 5 6 10–7 7 8 14–10 10 10 20–14 15 13 28 20 22 20 40–28 35 25 50–40 43 – 63–50 51 30 80–63 79 35 100–80 Ж 48 125–100 122 50 160–125 160 60 Припуск п на полирование равен толщине слоя, нарушенного аб- разивом зернистости последнего перехода тонкого шлифования, т. е. .п т ш2 .F  После выполнения операции полирования толщина заготовки долж- на быть равна толщине готовой детали с допуском на отклонение, т. е. з д .t t t t    89 13. ВЫБОР МЕТОДА ЦЕНТРИРОВАНИЯ. ФАСЕТИРОВАНИЕ ЛИНЗ Погрешность установки заготовок на стадии предварительного шлифования и при сборке блока приводит к разнотолщинности линз по краю. Следствием этого является несовпадение линии, соединяю- щей геометрические центры поверхностей (геометрической оси), с линией, соединяющей центры кривизны поверхностей (оптической осью). Такую (децентрированную) линзу можно рассматривать как правильную с приставленным к ней сферическим клином. Действие его вызывает смещение осевого луча, поперечный хроматизм, кому и астигматизм изображения. Децентрирование С может быть оценено значением угла α наклона децентрированной поверхности по отно- шению к оптической оси, т. е. С = αʹʹ, или в линейной мере С = αR, мм, где R – радиус децентрированной поверхности, мм. Для совмещения геометрической оси линзы с оптической осью предусматривается операция центрирования, вид которой зависит от категории сложности линзы по параметру С и от типа производ- ства (табл. 13.1). Таблица 13.1 Способы центрирования линз по РТМ 3-1635–83 Типовая схема процесса центрирования Категория сложности, тип производства Механический способ установки. Фиксация положения линзы зажатием между патронами III–IV категория сложности; серийное, крупносерийное и массовое производство Ручной способ установки с фик- сацией положения линзы при- клеиванием к патрону. Контроль установки по блику III–IV категория сложности; еди- ничное и мелкосерийное произ- водство, а также серийное и мас- совое, если механический способ установки не обеспечивает за- данной точности центрирования 90 Окончание табл. 13.1 Типовая схема процесса центрирования Категория сложности, тип производства Ручной способ установки с контролем положения линзы по прибору I–II категория сложности; единичное и мелкосерийное производство, а также серийное и массовое, если механический способ установки не обеспечи- вает заданной точности центрирования Критерием оценки сложности линз при механическом способе установки является угол зажатия φ линзы (табл. 13.2) и заданный допуск С на децентрирование. Таблица 13.2 Критерии сложности центрируемых линз Параметр детали Категория сложности I II III IV Угол зажима , º До 12 12–18 18–23 Более 23 Допуск на децентри- рование, мм До 0,005 0,005–0,01 0,01–0,02 Более 0,02 Приведённые в табл. 13.2 типовые схемы процесса центрирова- ния не распространяются на линзы диаметром более 200 мм. Геометрическую ось таких линз совмещают с оптической непосред- ственно в процессе обработки преломляющих поверхностей, кон- тролируя разнотолщинность ΔТкр по краю: кр ,CDТ R h   где С – допуск на децентрирование; D – диаметр линзы; R – радиус обрабатываемой поверхности; h – стрела прогиба поверхности радиуса R. 91 Линзы диаметром менее 200 мм центрируют после завершения обработки преломляющих поверхностей. Операция состоит из двух переходов: 1. Совмещение оптической оси линзы с осью вращения шпинде- ля станка и фиксация этого положения. 2. Совмещение геометрической оси линзы с оптической путём обработки детали по диаметру до заданного размера. Механический способ установки линзы с фиксацией положения зажатием между патронами в условиях крупносерийного и массо- вого производства наиболее эффективен. Применение этого способа ограничивается размерами радиусов поверхностей, которые опре- деляют угол зажатия φ:    1 2 п1 1 п2 2φ = φ ± φ = arcsin / 2 arcsi n / 2 ,D R D R где φ1 и φ2 – углы наклона касательных к 1-й и 2-й поверхностям линзы (рис. 13.1); Dп1 и Dп2 – диаметры центрировочных патронов со стороны ради- усов R1 и R2 поверхностей линзы соответственно. С уменьшением значения угла φ точность совмещения оптической оси линзы с осью вращения шпинделя уменьшается (см. табл. 13.2). Таблица 13.2 Зависимость точности установки линзы от угла зажатия φ Угол зажатия φ, º Погрешность установки, мм Более 23 До 0,005 23–18 0,005–0,01 18–12 0,01–0,02 До 12 Более 0,02 Суть механического способа совмещения оптической оси линзы с осью вращения шпинделей заключается в следующем (см. рис. 13.1): децентрированная линза, устанавливаемая между патронами, может занять положение, при котором её оптическая ось O1–О2 не будет совпадать с осью А1–А2 вращения шпинделей. При этом возникнут две неуравновешенные силы, действующие в противоположные стороны: N – равнодействующая усилий N1 и N2, нормали к прелом- 92 ляющим поверхностям, и сила F – равнодействующая сил трения F1 и F2, направленных по касательной к преломляющим поверхностям. Если сила N будет больше силы F, она сместит линзу в положение, при котором ось O1–O2 совпадёт с осью А1–А2. Численные значения и соотношение сил N и F зависят от кривизны преломляющих по- верхностей. Рис. 13.1. Схемы самоцентрирования линз с различным профилем Критическое значение угла φ, при котором прекращается само- центрирование, составляет для менисков 23°, для остальных типов линз 17°. Независимо от размера угла зажатия диаметр D линзы должен удовлетворять соотношению  1 2 1 20,4 / .D R R R R  93 Механический способ установки используют при центрировании линз диаметром от 3 до 150 мм. Он прост и высокопроизводителен, применяется в станках-полуавтоматах. Недостатками являются невозможность самоцентрирования линз с поверхностями малой кривизны и трудоёмкость настройки соосности шпинделей. Ручной способ установки линзы применяют в том случае, если механическим способом нельзя совместить оптическую ось линзы с осью вращения шпинделей. Положение линзы фиксируют при- клеиванием к патрону. Правильность установки контролируют с помощью оптических средств: 1) по блику – перемещением линзы по кромке патрона – добива- ются положения, при котором отражённое от поверхности детали изображение источника света остаётся неподвижным при вращении шпинделя станка (точность центрирования 0,02–0,01 мм); 2) с помощью коллимационных приборов, работающих в проходя- щем или отражённом свете (точность центрирования 0,005–0,010 мм); 3) с помощью автоколлимационного прибора модели ЮС-13, устанавливаемого на станке (точность центрирования 0,003–0,005 мм); применяют в мелкосерийном производстве при высоких требованиях к точности центрирования. При ручном способе установки линзу 3 прижимают к торцу па- трона 1, на скошенную часть которого нанесена центрировочная смола 2 (рис. 13.2). Центр кривизны O1 поверхности, прилегающей к патрону, всегда будет находиться на оси KK' вращения последне- го, а центр кривизны O2 второй поверхности может не совпадать с нею. Оптическая ось O1–O2 окажется наклонённой к оси KK' под некоторым углом θ. Перемещением линзы добиваются их совмеще- ния, контролируя положение при помощи одного из перечисленных оптических средств. При центрировании линз, у которых R1 ≠ R2, в качестве базы принимают поверхность с большей кривизной. Ручной способ установки применяют для центрирования линз диа- метром от 3 до 150 мм. На втором переходе операции центрирования производят круг- лое шлифование линзы, совмещая при этом её геометрическую ось с оптической. При установке линз зажатием одновременно с обра- боткой по диаметру можно нанести конструкторские фаски (рис. 13.3). 94 Рис. 13.2. Схема ручного способа установки центрируемой линзы Рис. 13.3. Совмещение операции центрирования с нанесением фасок Марку и зернистость алмаза используемых кругов выбирают в зависимости от диаметра линзы. Для центрирования с установкой линз зажатием в основном используют станки-полуавтоматы. 95 Режим шлифования Для обеспечения оптимальных условий работы алмазного ин- струмента его линейная скорость должна быть υи = 30 м/с, а её отно- шение к скорости детали (υд) принимается υи/υд = 120. При υи = 30 м/с линейная скорость детали υд = 0,25 м/с. Частоту вращения детали nд, об/мин, и радиальную подачу s, мм/мин, инструмента определяют по формулам: ¶ 5000 ;n D  130 3.s D   Если линза имеет вогнутую поверхность или толщину края ме- нее 1,0 мм, частоту ее вращения nд и радиальную подачу s умень- шают в 1,26 раза. Машинное время Тшл, мин, затрачиваемое на сошлифовывание припуска δD, находят из выражения шл / .T D s  В зависимости от требований к точности обработки линзы по диаметру и от твёрдости стекла по сошлифовыванию время шлифо- вания шл'T изменяется: шл шл 1 2,'T T k k где k1 – коэффициент, учитывающий требования к точности обра- ботки линзы по диаметру: Квалитет ................... 6–7 8–12 k1................................. 1,4 1,2 k2 – коэффициент, учитывающий твёрдость стекла по сошлифо- выванию (Hs): Hs…………... До 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 k2…………... 0,8 0,86 0,91 0,95 0,97 0,99 1,0 96 Последовательность определения элементов операции 1. Нахождение диаметров Dп1 и Dп2 центрировочных патронов; при одинаковых световых диаметрах поверхностей линзы диаметр патрона берётся на 0,2 мм меньше диаметра готовой детали; если одновременно с обработкой по диаметру наносят технологические и конструкторские фаски, используют тарельчатые патроны, диа- метр которых должен быть рассчитан с учётом размера фаски и све- товых диаметров поверхностей линзы. 2. Расчет угла зажатия φ для линзы данного типа. 3. В зависимости от значения угла и заданной точности центри- рования устанавливается категория сложности линзы – Ксл. 4. Установка линзы зажатием в патронах возможна, если угол для менисков будет не менее 23°, а для линз других типов – не ме- нее 17°; дополнительно проверяется условие  1 2 1 20,4 / .D R R R R  5. При значениях угла φ, меньших критических, или невыполне- нии приведённого условия используется установка линзы приклеи- ванием к патрону; назначается способ контроля совмещения опти- ческой оси линзы с осью вращения шпинделя станка. 6. Определение характеристики алмазного инструмента. 7. Исходя из диаметра линзы и требований к точности центриро- вания выбирается модель станка. 8. Расчет режима шлифования. 97 Список литературы 1. Андрейченко, К. С. Материаловедение оптического производ- ства / К. С. Андрейченко. – Минск: Вышэйшая школа, 1988. – 140 с. 2. Бардин, А. Н. Технология оптического стекла / А. Н. Бардин. – Москва: Высшая школа, 1963. – 519 с. 3. Технология оптических деталей / В. Г. Зубаков [и др.]. – Москва: Машиностроение, 1985. – 368 с. 4. Козерук, А. С. Методическое пособие для выполнения курсо- вого проекта по дисциплине «Технология производства оптических деталей» для студентов специальности «Технология оптического приборостроения»: в 2 ч. / А. С. Козерук. – Минск: БПИ, 1991. – Ч.1: Расчет инструмента для обработки оптических деталей. – 32 с. 5. Технология оптических деталей / М. Н. Семибратов [и др.]. – Москва: Машиностроение, 1978. – 415 с. 6. Справочник технолога-оптика / М.А. Окатов, [и др.]; под ред. М. А. Окатова. – 2-е изд., перераб. и доп. – Санкт-Петербург: Поли- техник, 2004. – 679 с. 7. Cулим, А. В. Производство оптических деталей / А. В. Cулим. – Москва: Высшая школа, 1975. – 315 с. 98 Учебное издание ШАМКАЛОВИЧ Владимир Иванович СТАРОСОТНИКОВ Николай Олегович КОЗЕРУК Альбин Степанович КУЗНЕЧИК Валерия Ольгеровна ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию Редактор Т. Н. Микулик Компьютерная верстка Е. А. Беспанской Подписано в печать 12.12.2017. Формат 6084 1/8. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 5,70. Уч.-изд. л. 4,45. Тираж 100. Заказ 863. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/173 от 12.02.2014. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.