Technologia elementów optycznych

Transkrypt

1 Technologia elementów optycznych dr inż. Michał Józwik pokój 507a Część 3 szlifowanie, docieranie, polerowanie

2 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

3 Szlifowanie proszkami ściernymi W procesie biorą udział: Narzędzie szlifujące Proszek ścierny zwilżony płynem Obrabiany przedmiot

4 Szlifowanie - narzędzia Tarcza płaska Czasza wypukła Czasza wklęsła Narzędzie walcowe

5 Szlifowanie - narzędzia

6 Szlifowanie - narzędzia

7 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)

8 Ścierniwa wymiary Rodzaj szlifowania Oznaczenie Wielkość ziarna [µm] Zgrubne wstępne p Zgrubne wykańczające p Dokładne I F ,7 27,7 Dokładne II F ,3 16,3 Dokładne III F ,3 11,8 Dokładne IV F ,3 8,3 Dokładne V F 800 7,3 5,5

9 Ścierniwa - rodzaje KORUND NATURALNY trójtlenek glinu Al 2 O 3 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 Al 2 O 3 obecnie syntetycznie produkowany z dodatkiem SiO 2 i TiO 2, twardość: 9, 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) (4,5 µm),

10 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 B 4 C otrzymywany z węgla i boru w temperaturze 2500 C twardy, 9,3 wg Mohsa, wg Knoopa często zastępuje diament stosowany w obróbce ultradźwiękowej i obróbce materiałów bardzo twardych

11 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, kg/mm2 przewodność cieplna lepsza od miedzi 20 W/cm K odporność na korozję Przezroczysty od głębokiego UV do dalekiej IR

12 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

13 Ścierniwa - rodzaje DIAMENT SYNTETYCZNY Proces osadzania chemicznego z fazy gazowej (Chemical Vapor Deposition)

14 Ścierniwa - rodzaje DIAMENT SYNTETYCZNY zarodkowanie Warstwa diamentu na krzemie

15 Szlifowanie proszkami ściernymi Zjawiska elementarne towarzyszące obróbce Kruszenie Ślizganie Toczenie się ziaren, uderzenia Wcieranie produktu obróbki w szczeliny Działania chemiczne Przemieszczenia plastyczne

16 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

17 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

18 Szlifierka Schemat mechanizmu mimośrodowego szlifierko-polerki 1 mimośród 2 korbowód 3 drążek 4 wózek 5 ramię 6 wodzik

19 Szlifierka Mechanizm mimośrodowy szlifierko-polerki

20 Szlifierka

21 Szlifowanie

22 Szlifowanie

23 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

24 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 obr/min Nacisk pneumatyczny : kg/cm 2

25 Docieranie Tarcze docierające Pastylki diamentowe

26 Docieranie

27 Polerowanie Proces stopniowego wygładzania mikronierówności powierzchni 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 CO 2

28 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

29 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

30 Polerowanie - narzędzia 1 - Część metalowa żeliwo, aluminium 2 - Warstwa elastyczna lub plastyczna

31 Polerowanie Tradycyjne smoły polerskie - termoplastyczne kompozycje paku drzewnego, kalafonii, masy kablowej asfaltu, także wosku przy obróbce materiałów bardzo miękkich Korekcja kształtu narzędzia przez podcinanie

32 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)

33 Polerowanie

34 Polerowanie Kinematyka obrabiarek Ruch narzędzia względem przedmiotu: - swobodny - wymuszony Ruch zabieraka : - wahliwy - kołowy - chaotyczny

35 Polerowanie

36 Proszki polerskie Tlenek żelaza - czerwony, >99,5%, ~1µm Tlenek ceru ( ~ 50 odmian), % 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

37 Proszki polerskie Tlenek cyrkonu < 1µm, czasem mieszany z tlenkiem ceru i Al 2 O 3 b. wydajny w obróbce wykładziną sprężystą, oftalmika, optyka precyzyjna,polerowanie smołowe szkła, wykładzinami syntetycznymi : Ge, Si, ceramika, plastik, metale Tlenek chromu Cr 2 O 3 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 Al 2 O 3 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

38 Polerowanie

39 Polerowanie

40 Polerowanie czoła światłowodów

41 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

42 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)

43 Kontrola geometrii kształtu powierzchni Sprawdziany szklane Płaskie płytki okrągłe lub czworokątne Kuliste kulki, półkule, dokładne soczewki płasko-wypukłe i płasko-wklęsłe Średnica o około % 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

44 Pomiary interferencyjne 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 P P P 2 A d pr = λ 2sinϕ ϕ

45 Wzorzec promienia Wykonanie kulki szklanej o promieniu wzorca. Pomiar średnicy kulki szklanej za pomocą pasometru wyskalowanego wysokością płytek wzorcowych. Dokładność średnicy wynosi 0,1 µm

46 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 %.

47 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.

48 Interferogram I ( x, y) = a+ bcosφ( x, y) a - tło b - modulacja kontrastu, Φ - faza interferogramu Φ π L = 2 λ L różnica dróg optycznych Jasny prążek parzysta wielokrotność π, różnica dróg optycznych jest parzystą wielokrotnością długości fali λ Ciemny prążek nieparzysta wielokrotność π różnica dróg optycznych jest nieparzystą wielokrotnością długości fali λ

49 Interferometr Fizeau monochromatyczne źródło światła przysłona otworkowa F OB płytka światłodzieląca F OB obiektyw powierzchnie wzorcowe

50 Interferometr Fizeau

51 Pomiar promienia krzywizny soczewki 1. Ustawienie powierzchni badanej w ognisku wiązki laserowej 2. Ustawienie najlepszych prążków interferencyjnych.

52 Pomiar promienia krzywizny soczewki 1. Ustawienie powierzchni badanej w ognisku wiązki laserowej 2. Ustawienie najlepszych prążków interferencyjnych.

53 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.

54 Pomiar promienia krzywizny soczewki Metoda strzałki ugięcia

55 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

56 Centrowanie soczewek Oś geometryczna oś powierzchni walcowej, tworzącej obwód soczewki Oś optyczna prosta przechodząca przez środki krzywizn powierzchni sferycznych Centrowanie eliminuje klinowatość soczewek powodującą niepokrywanie się osi geometrycznej z osią optyczną

57 Centrowanie soczewek Ustawienie i zamocowanie soczewki, tak by oś optyczna pokrywała się z osią wrzeciona Szlifowanie obwodu soczewki

58 Centrowanie soczewek sposoby mocowania

59 Fazowanie

60 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

61 Metody wytwarzania powierzchni asferycznych 1. 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