Technologia elementów optycznych
dr inż. Michał Józwik
pokój 507a
Część 3 – szlifowanie, docieranie, polerowanie
Szlifowanie proszkami ściernymi
� Szlifowanie zgrubne� Usunięcie znacznych nierówności� Nadanie kształtu� Nastawienie na wydajność obróbki
� Szlifowanie dokładne� Doprowadzenie wymiarów do ustalonych wartości w
odpowiednich granicach tolerancji� Doprowadzenie kształtu geometrycznego do
wymaganych granic� Nadanie gładkości� Nastawienie na dokładność obróbki
Szlifowanie proszkami ściernymi
W procesie biorą udział:
� Narzędzie szlifujące
� Proszek ścierny zwilżony płynem
� Obrabiany przedmiot
Szlifowanie - narzędzia� Tarcza płaska
� Czasza wypukła
� Czasza wklęsła
� Narzędzie walcowe
Szlifowanie - narzędzia
Szlifowanie - narzędzia
Ścierniwa
� Właściwości fizyczne ścierniwa� materiał,
� twardość,
� kruchość,
� wielkość ziarna,
� kształt ziarna,
� stałość granulacji,
� wydajność obróbki (porównawczo)
� Podstawy klasyfikacji ścierniwa:� średnica ziaren,
� liczba sitowa (liczba oczek sita na długości 1 cala)
Ścierniwa – wymiary
Rodzaj szlifowania Oznaczenie Wielkość ziarna [µm]
Zgrubne wstępne p 100 180 – 150
Zgrubne wykańczające p 220 75 – 63
Dokładne I F 320 30,7 – 27,7
Dokładne II F 400 18,3 – 16,3
Dokładne III F 500 13,3 – 11,8
Dokładne IV F 600 10,3 – 8,3
Dokładne V F 800 7,3 – 5,5
Ścierniwa - rodzaje� KORUND NATURALNY – trójtlenek glinu Al2O3
� minerał o twardości 8 - 9 wg Mohsa,
� kolor brązowy do szarego, rzadziej czerwony, niebieski, biały, żółty w zależności od domieszek np. chrom, tytan, żelazo
� obecnie b. rzadko stosowany
� szlachetna odmiana to rubin i szafir
� ELEKTROKORUND Al2O3
� obecnie syntetycznie produkowany z dodatkiem SiO2 i TiO2,
� twardość: 9,03 - 9.06 wg Mohsa, 2000 wg Knoopa
� budowa romboedryczna lub heksagonalna, � wymiary ziaren: aż do mikroproszków polerskich
� 0,3 µm - LINDE "A", 0,05 µm - LINDE "B",
� wg innych oznaczeń: 280 (42 µm) - 3600 (4,5 µm),
Ścierniwa - rodzaje
� KARBORUND SiC (węglik krzemu) � otrzymywany po stopieniu w
temperaturze 2200°C� dwa rodzaje: czarny i zielony� twardość 9,5 - 9,75 wg Mohsa� wymiary ziaren - do 1 µm� stosowany w obróbce materiałów
optycznych twardych, kruchych i wrażliwych na działania termiczne
� WĘGLIK BORU B4C� otrzymywany z węgla i boru w
temperaturze 2500°C� twardy, 9,3 wg Mohsa, 2800 - 3000 wg
Knoopa� często zastępuje diament� stosowany w obróbce ultradźwiękowej i
obróbce materiałów bardzo twardych
Ścierniwa - rodzaje
� DIAMENT naturalny� Płd. Afryka - 80% światowej produkcji diamentu technicznego,
najtwardszy - brazylijski, średni - Płd. Afryka, miękki - Kongo.� Klasyfikacja jakości:
� I kategoria - jubilerski, � II - techniczny, � III i IV - zanieczyszczony i drobny.
� twardość 10 wg Mohsa, 10000 kg/mm2� przewodność cieplna lepsza od miedzi 20 W/cm K� odporność na korozję� Przezroczysty od głębokiego UV do dalekiej IR
Ścierniwa - rodzaje� DIAMENT SYNTETYCZNY
� Proces syntezy wysokociśnieniowej z przewidywaniami układu równowagi fazowej� Grafit umieszcza się w prasie hydraulicznej w
wysokiej temperaturze (15 GPa, 3500 K).
� Druga wersja, to katalityczna metoda wysokociśnieniowa
(kilka GPa, 2000K).
� Otrzymuje się diamenty o rozmiarach kilku mm używane do produkcji narzędzi tnących
Ścierniwa - rodzaje
� DIAMENT SYNTETYCZNY� Proces osadzania chemicznego z fazy gazowej (Chemical
Vapor Deposition)
Ścierniwa - rodzaje� DIAMENT SYNTETYCZNY
zarodkowanie Warstwa diamentu na krzemie
Szlifowanie proszkami ściernymi
� Zjawiska elementarne towarzyszące obróbce
� Kruszenie
� Ślizganie
� Toczenie się ziaren, uderzenia
� Wcieranie produktu obróbki w szczeliny
� Działania chemiczne
� Przemieszczenia plastyczne
Szlifowanie proszkami ściernymi
Zależność struktury warstwy wierzchniej od czynników obróbczych
� Model struktury warstwy wierzchniej� Ścierniwo (ziarnistość, materiał)� Materiał obrabiany� Materiał narzędzia� Rodzaj zawiesiny (skład chemiczny, koncentracja)� Wydatek zawiesiny szlifierskiej� Parametry obróbki
Szlifowanie proszkami ściernymi
Czynniki wpływające na wydajność procesu:
� Rodzaj materiału ściernego i jego własności
� Rodzaj materiału narzędzia szlifującego
� Twardość szkła obrabianego
� Rodzaj cieczy zwilżającej proszek ścierny
� Prędkości względne narzędzia i szkła
� Nacisk jednostkowy narzędzia na szkło
� Ilość ścierniwa i cieczy zwilżającej
� Stopniowanie grubości proszku ściernego
� Dobór schematu i kinematyki obróbki
Szlifierka
� Schemat mechanizmu mimośrodowego szlifierko-polerki
1 – mimośród2 – korbowód3 – drążek4 – wózek5 – ramię6 – wodzik
Szlifierka
� Mechanizm mimośrodowy szlifierko-polerki
Szlifierka
Szlifowanie
http://www.bmo.pl
Szlifowanie
http://www.bmo.pl
Docieranie - wygładzanie
� Operacja stosowana przed polerowaniem
� Organizacja obróbki
� obróbka dwustopniowa
� regeneracja narzędzia
� pomiar kształtu
� Zalety
� Małe zużycie narzędzia
� Małe ubytki szkła
� Możliwość otrzymania powierzchni zbliżonej do polerowanej
Docieranie - wygładzanie
� Narzędzia płaskie lub sferyczne wyklejone pastylkami ze spieku diamentowego lub z pełną warstwą podłoża
� ziarnistość diamentu: 20, 10, 5 µm,
� współczynnik wypełnienia 40 - 20%,
� średnica pastylki 4 - 20 mm
� grubość pastylki 3 – 4 mm
� Kinematyka obrabiarki
� Prędkość ok. 5000 obr/min
� Nacisk pneumatyczny
: 0.5 - 1 kG/cm2
Docieranie
� Tarcze docierające Pastylki diamentowe
Docieranie
Polerowanie
� Proces stopniowego wygładzania mikronierównościpowierzchni szkła
� Metody polerowania� Mechaniczne – cała powierzchnia typowych elementów optycznych
lub lokalnie narzędziem sprężystym
� Mechaniczno-chemiczne – cała powierzchnia np. polerowanie krzemu wykładziną zamszową w KOH
� Chemiczne – cała powierzchnia, przez zanurzenie w mieszaninie kwasów trawiących
� Jonowe – lokalnie wiązką jonów Ar+
� Termiczne (laserowe) – lokalnie laserem CO2
Polerowanie
� Cel i kryteria oceny polerowania� kształt powierzchni� falistość miejscowa� chropowatość powierzchni� czystość optyczna: rysy, kratery, wykłucia,
pęknięcia� struktura i właściwości fizyczne i chemiczne
warstwy wierzchniej� niekiedy: odporność na działanie
promieniowania laserowego
Polerowanie
� A. Obróbka intensywna (mało dokładna i średnio dokładna) � wymagania dla powierzchni przed polerowaniem: prawidłowe
ukształtowanie powierzchni, minimalna grubość warstwy wierzchniej
� narzędzia polerskie: wykładziny twarde, sprężyste, porowate� wydajność obróbki: ekstremalizowanie prędkości i nacisków� mocowanie elementów: szybkie, uwzględniające wzrost
temperatury przedmiotu podczas obróbki
� B. Obróbka narzędziami z wykładziną termoplastyczną� organizacja produkcji: obróbka grupowa, � półfabrykat: sposoby mocowania elementu optycznego i jego
skutki dla organizacji procesu technologicznego� czynniki technologiczne obróbki� materiały polerskie� proszki polerskie� materiał obrabianego elementu� zawiesina polerska
Polerowanie - narzędzia
1 - Część metalowa – żeliwo, aluminium
2 - Warstwa elastyczna lub plastyczna
Polerowanie� Tradycyjne smoły polerskie - termoplastyczne
kompozycje paku drzewnego, kalafonii, masy kablowej asfaltu, także wosku przy obróbce materiałów bardzo miękkich
Korekcja kształtu narzędzia przez podcinanie
Polerowanie
Wykładziny polerskie
� Filc, sukno naturalne, filc impregnowany smołą polerska, wełna, bawełna
� Sukna syntetyczne - „PELLON”
� Poliuretanowe, gąbczaste, twarde - „SURFIN”, „DURLON”„POLITEX”; problem: pasowanie narzędzia („dressing”)
� Folia plastikowa : „DESMOPAN” (Zeiss), „POLYTRON” (USA) duża trwałość, produkcja wielkoseryjna, dressing
� Termoplastyki ‘”PICCOLASTIC”, struktura włóknista poliestrowa termoplastyczna
� Metale (miękkie: cyna, miedź)
Polerowanie
Polerowanie
� Kinematyka obrabiarek
Ruch narzędzia względem przedmiotu:- swobodny- wymuszony
Ruch zabieraka :- wahliwy- kołowy- chaotyczny
Polerowanie
Proszki polerskie
� Tlenek żelaza - czerwony, >99,5%, ~1µm
� Tlenek ceru ( ~ 50 odmian), 50 - 100 % z dodatkami NaO, BaO, SrO, pH 6,8 - 8,2, koncentracja zawiesiny 15%
� Superior, precision quality� 0,5 - 1µm, kolor od różowego do białego,� do dokładnego polerowania smołowego i wykładzinami
� Premium lub ophtalmic quality� 1 - 3 µm, kolor różowy,� do intensywnego polerowania wykładzinami, � obróbka średniej jakości,
� Commercial lub economy grade� 1 - 10 µm, podstawowy 3 - 5 µm, � Kolor od jasno do ciemno brązowego� do obróbki b. intensywnej
Proszki polerskie� Tlenek cyrkonu
� < 1µm, czasem mieszany z tlenkiem ceru i Al2O3
� b. wydajny w obróbce wykładziną sprężystą, � oftalmika, optyka precyzyjna,polerowanie smołowe szkła, � wykładzinami syntetycznymi : Ge, Si, ceramika, plastik, metale
� Tlenek chromu Cr2O3 do obróbki metali w emulsjach olejowych, barwa jasno zielona, do obróbki stali wysoko węglowej, rubinu
� Tlenek cyny SnO relatywnie miękki, do obróbki miękkich kryształów
� Diament proszki, pasty, zawiesiny do 0,1 µm, obróbka materiałów najtwardszych
� Elektrokorund Al2O3
� α - heksagonalny, monokrystaliczny, płytkowy, � γ - kubiczny, submikrometrowy, 0,05 µm, miększy niż α,
� Linde A - α, 0,3 µm; podstawowy, standardowy � B - γ, 0,05 µm do obróbki subtelnej miękkich materiałów; � C - α, 1,0 µm do obróbki intensywnej twardych materiałów
Polerowanie
Polerowanie
Polerowanieczoła światłowodów
Polerowanie
� KRYTERIA OCENY POLEROWANEJ POWIERZCHNI OPTYCZNEJ
� KSZTAŁT POWIERZCHNI, ODCHYŁKA KSZTAŁTU -deformacja czoła fali wiązki światła (λ / ...)
� CHROPOWATOŚĆ - wysokość nierówności (nm, RMS)
� STRUKTURA WARSTWY WIERZCHNIEJ - absorpcja, rozproszenie, próg uszkodzenia laserowego
Kontrola jakości polerowanej powierzchni
� Czystość polerowanej powierzchni� Wzrokowo lub za pomocą lupy
� W świetle odbitym lub przechodzącym
� Błędy� Odosobnione kropki po szlifowaniu i pęcherzach
� Rysy po szlifowaniu (linie przerywane)
� Rysy po polerowaniu (linie ciągłe o gładkich brzegach)
Kontrola geometrii kształtu powierzchni
� Sprawdziany szklane� Płaskie – płytki okrągłe lub czworokątne
� Kuliste – kulki, półkule, dokładne soczewki płasko-wypukłe i płasko-wklęsłe
� Średnica o około 10-30 % większej niż badane elementy
� Dokładność krzywizny 0,001 mm.
� Zapewnia szybki i pewny pomiar, nie ulega rozkalibrowaniu
� Wady� Metoda stykowa - każdy pomiar rysuje badany element
� Duży koszt wykonania wzorca dopasowanego do konkretnego elementu
Pomiary interferencyjne
P
P’2
12
A
P’1
ϕ
ϕ
λ
sin2=prd
� Prążki równej grubości
� W świetle białym lub monochromatycznym
� Klin powietrzny pomiędzy płytką wzorcową a badaną
� Zmiana różnicy drogi optycznej odpowiadającej odległości między sąsiednimi prążkami jednej barwy równa jest połowie długości fali
Wzorzec promienia � Wykonanie kulki szklanej o promieniu wzorca.
� Pomiar średnicy kulki szklanej za pomocą pasometruwyskalowanego wysokością płytek wzorcowych.
� Dokładność średnicy wynosi 0,1 µm
http://www.bmo.pl
Wzorzec promienia
� Wykonanie soczewki, bazując na krzywiźnie innej soczewki o znanym promieniu, ale z minimalnym przesunięciem krzywizny.
� Pomiar odchyłki wykonuje się poprzez tzw. strzałkę ugięcia.
� Dokładność wykonania promienia wynosi 0,01 %.
http://www.bmo.pl
Negatyw wzorca promienia
� Krzywiznę kulki i krzywiznę soczewki stykamy.� Po zrównaniu temperatur, co trwa około 3 godziny, poprzez płaską
stronę soczewki wklęsłej patrzymy na obraz prążków interferencyjnych.
� Jeżeli kolor interferencji jest jednolity na całej powierzchni, mamy pewność, że wykonaliśmy dokładnie ujemny promień.
� Dokładność odwzorowania promienia tą metodą wynosi 0,1 µm.
http://www.bmo.pl
Interferogram
),(cos),( yxbayxI φ+=
a - tło b - modulacja kontrastu, Φ - faza interferogramu
λ
π LΦ
∆=2
Jasny prążek – parzysta wielokrotność π, różnica dróg optycznych jest parzystą wielokrotnością długości fali λ
Ciemny prążek – nieparzysta wielokrotność πróżnica dróg optycznych jest nieparzystą wielokrotnością długości fali λ
∆L – różnica dróg optycznych
Interferometr Fizeau
monochromatyczneźródło światła
przysłona otworkowa
obiektyw
FOB
F’OB
płytka światłodzieląca
powierzchnie wzorcowe
http://www.bmo.pl
Interferometr Fizeau
Pomiar promienia krzywizny soczewki
http://www.bmo.pl
1. Ustawienie powierzchni badanej w ognisku wiązki laserowej2. Ustawienie najlepszych prążków interferencyjnych.
Pomiar promienia krzywizny soczewki
http://www.bmo.pl
1. Ustawienie powierzchni badanej w ognisku wiązki laserowej2. Ustawienie najlepszych prążków interferencyjnych.
Pomiar promienia krzywizny soczewki
� Cechy pomiarów interferometrycznych+ Bezinwazyjna metoda pomiaru : powierzchnia
soczewki nie jest dotykana
+/- Dokładność pomiaru promienia około 0,1 mm, ale zależność dokładności od obiektywu.
+ Dokładność pomiaru geometrii powierzchni 20nm.
- Kosztowna aparatura.
- Pomiar czasochłonny.
Pomiar promienia krzywizny soczewki
� Metoda „strzałki ugięcia”
http://www.bmo.pl
Pomiar promienia krzywizny soczewki
� Metoda „strzałki ugięcia”� dokładność pomiaru promienia około 0,001 mm
� Szybkie uzyskanie wyniku
� Minimalne pole styku z przyrządem
� Umożliwia porównanie wyniku ze wzorcem
� Wymaga płaskiej płytki wzorcowej do wyzerowania przyrządu oraz zmiany pierścieni w zależności od średnicy mierzonej soczewki
Centrowanie soczewek
� Oś geometryczna – oś powierzchni walcowej, tworzącej obwód soczewki
� Oś optyczna – prosta przechodząca przez środki krzywizn powierzchni sferycznych
� Centrowanie eliminuje klinowatość soczewek powodującąniepokrywanie się osi geometrycznej z osią optyczną
Centrowanie soczewek
� Ustawienie i zamocowanie soczewki, tak by oś optyczna pokrywała się z osią wrzeciona
� Szlifowanie obwodu soczewki
Centrowanie soczeweksposoby mocowania
Fazowanie
Toczenie diamentowe
� Narzędziem jest pojedyncze ziarno diamentu skrawające materiał obrabiany.
� Mały posuw/obrót, mała głębokość skrawania� Przykładowe parametry obróbki (obrabiarki OMEGA X, ORY
12P): posuw na 1 obrót 1 - 10 µm, promień krzywizny narzędzia ~3 mm, głębokość skrawania od 3 do 5 µm, krok sterowania 4 nm.
� Wynik: � odchyłka kształtu: rms 0,1 µm dla Φ = 0,8 m,
rms 0,07 µm dla Φ = 50 mm,� chropowatość rms ~1,5 nm
� Zastosowanie: � obróbka powierzchni asferycznych, szczególnie metalowych,� obróbka materiałów trudnych do polerowania
konwencjonalnego, lecz dobrze skrawalnych
Metody wytwarzania powierzchni asferycznych1. Plastyczne formowanie
� Plastyczne formowanie szkła � podgrzewanie � odlewanie� prasowanie
� Plastyczne formowanie tworzyw sztucznych� prasowanie lub wtrysk
2. Asferyzacja przez nakładanie materiału� grubych warstw tworzywa sztucznego� naparowanie powłok optycznych
3. Asferyzacja przez usuwanie materiału� Toczenie diamentowe� Frezowanie� Szlifowanie i polerowanie narzędziem o dużej powierzchni� Szlifowanie i polerowanie narzędziem o małej powierzchni � Polerowanie narzędziem o małej powierzchni, sterowane „x,y, zmienny
nacisk, prędkość lub czas obróbki”� Polerowanie jonowe
Top Related