Жоғары сапалы оптикалық элементтерді алмаз өңдеу әдісі
Diamond turning
Жылтыр алмасты кесу әдісі – оптикалық элементтерді (кристалдар, металл, пластик) жасаудың жоғары дәлдікті механикалық өңдеуі. Қалыптар жасауда да қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Дамыған оптикалық элементтерді жасау әдісі
Method for making advanced optical elements
Алмазды бұру – алмаз ұшы бар кескіш құралды қолдана отырып бұру. Бұл табиғи немесе синтетикалық алмаз ұшы бар құрал-саймандармен жабдықталған токарлық немесе одан туындаған машиналық құралдарды (мысалы, бұрауыш-диірмендер, айналмалы ауыстырғыштар) пайдалана отырып, дәлдік элементтерін механикалық өңдеу процесі. Кейде бір нүктелі алмазды бұру (SPDT) термині қолданылады, бірақ басқа токарлық жұмыстар сияқты, "бір нүктелі" атауы кейде тек номиналды болады (доңғалақты құрал ұштары және контурлы құралдар қолданылуы мүмкін). Алмазды бұру процесі кристалдардан, металдардан, акрилден және басқа материалдардан жоғары сапалы асфералық оптикалық элементтерді өндіру үшін кеңінен қолданылады. Пластикалық оптика көбінесе алмазды бұрылған қалыптарды пайдалану арқылы қалыпталады. Алмазды бұру арқылы жасалған оптикалық элементтер телескоптарда, бейнепроекторларда, зымырандарды бағыттау жүйелерінде, лазерлерде, ғылыми зерттеу аспаптарында және көптеген басқа жүйелер мен құрылғылардағы оптикалық жиналымдарда қолданылады. Бүгінде SPDT-ның көп бөлігі компьютерлік сандық басқару (CNC) станоктарында жүзеге асырылады. Алмаз ұнтақтау, тегістеу және жылтырату сияқты басқа да өңдеу процестерінде де қолданылады. Алмазды бұрылған беттердің айқын жарқырауы жоғары және басқа дәстүрлі өңделген беттерден айырмашылығы, қосымша жылтырату немесе полировкалау қажеттілігі туындамайды.
Diamond turning is turning using a cutting tool with a diamond tip. It is a process of mechanical machining of precision elements using lathes or derivative machine tools (e. g., turn mills, rotary transfers) equipped with natural or synthetic diamond tipped tool bits. The term single point diamond turning (SPDT) is sometimes applied, although as with other lathe work, the "single point" label is sometimes only nominal (radiused tool noses and contoured form tools being options). The process of diamond turning is widely used to manufacture high quality aspheric optical elements from crystals, metals, acrylic, and other materials. Plastic optics are frequently molded using diamond turned mold inserts. Optical elements produced by the means of diamond turning are used in optical assemblies in telescopes, video projectors, missile guidance systems, lasers, scientific research instruments, and numerous other systems and devices. Most SPDT today is done with computer numerical control (CNC) machine tools. Diamonds also serve in other machining processes, such as milling, grinding, and honing. Diamond turned surfaces have a high specular brightness and require no additional polishing or buffing, unlike other conventionally machined surfaces.
Процесс
Алмаздық токарлық – көп сатылы процесс. Өндірістің бастапқы кезеңдері жоғары дәлдіктің бірнеше CNC токарлық станогы арқылы жүзеге асырылады. Соңғы өндіріс кезеңдерінде субнанометрлік деңгейдегі беттік өңдеу және субмикрометрлік формалық дәлдікті алу үшін алмаз ұшты токарлық құрал қолданылады. Беттік өңдеу сапасы токарлық станок қалдырған ойыстардың ең жоғарғы нүктесі мен ең төменгі нүктесі арасындағы қашықтық арқылы өлшенеді. Форманың дәлдігі – идеалды мақсатты формадан орташа ауытқу ретінде өлшенеді. Өңдеу сапасы мен форманың дәлдігі өндіріс процесі бойына контактілік және лазерлік профилометрлер, лазерлік интерферометрлер, оптикалық және электрондық микроскоптар сияқты құралдармен бақыланады. Алмаздық токарлық көбінесе инфрақызыл оптика жасау үшін қолданылады, себебі ұзын толқын ұзындықтарында оптикалық өнімділік беттік өңдеу сапасына онша сезімтал болмайды, сондай-ақ қолданылатын көптеген материалдарды дәстүрлі әдістермен жылтырату қиын. Температураны бақылау өте маңызды, өйткені беттік қабат жарық толқынының ұзындығынан қысқа қашықтық өлшемдерінде дәл болуы керек. Өңдеу кезінде температураның бірнеше градусқа өзгеруі бет пішінін өзгертіп, әсер етуі мүмкін. Басты шпиндель температураның ауытқуын болдырмау үшін сұйық салқындатқышпен салқындатылуы мүмкін. Бұл процесте қолданылатын алмаздар төмен бағытта берік, бірақ құралдың тозуы кристалл анизотропиясы мен өңделетін материалға өте тәуелді.
Diamond turning is a multi stage process. Initial stages of machining are carried out using a series of CNC lathes of increasing accuracy. A diamond tipped lathe tool is used in the final stages of the manufacturing process to achieve sub nanometer level surface finishes and sub micrometer form accuracies. The surface finish quality is measured as the peak to valley distance of the grooves left by the lathe. The form accuracy is measured as a mean deviation from the ideal target form. Quality of surface finish and form accuracy is monitored throughout the manufacturing process using such equipment as contact and laser profilometers, laser interferometers, optical and electron microscopes. Diamond turning is most often used for making infrared optics, because at longer wavelengths optical performance is less sensitive to surface finish quality, and because many of the materials used are difficult to polish with traditional methods. Temperature control is crucial, because the surface must be accurate on distance scales shorter than the wavelength of light. Temperature changes of a few degrees during machining can alter the form of the surface enough to have an effect. The main spindle may be cooled with a liquid coolant to prevent temperature deviations. The diamonds that are used in the process are strong in the downhill regime but tool wear is also highly dependent on crystal anisotropy and work material.
Құрал машинасы
Ең жақсы сапаны қамтамасыз ету үшін табиғи алмастар өңдеу процесінің соңғы кезеңдерінде бір нүктелі кесу элементтері ретінде қолданылады. CNC SPDT токарлық станогы микрометрлік деңгейдегі тегіс беті бар жоғары сапалы гранит негізінің үстінде орналасқан. Гранит негізі қатты негізде ауа серігінде орналасқан, бұл жұмыс бетінің қатаң түрде көлденең болуын қамтамасыз етеді. Станоктың құрамдас бөліктері гранит негізінің үстіне орналастырылып, жоғары қысымды ауа жастығы немесе гидравликалық серігі арқылы жоғары дәлдікпен қозғалуы мүмкін. Өңделетін деталь ауалық ұстағышқа арнайы теріс қысыммен бекітіледі және әдетте микрометрді қолдана отырып қолмен центрленеді. Ұстағыш өзі оны айналдыратын электрмотордан жеке ауа серігімен бөлінген. Кесу құралы электрмоторлар мен пьезоэлектрлік актuatorлардың үйлесімі арқылы субмикрондық дәлдікпен қозғалады. Басқа CNC станоктары сияқты, құралдың қозғалысы компьютерде жасалған координаттар тізімімен басқарылады. Әдетте, жасалатын деталь алдымен компьютерлік дизайн (CAD) моделі арқылы сипатталады, содан кейін компьютерлік өндіріс (CAM) бағдарламасын пайдалана отырып G-кодына түрлендіріледі, ал G-коды машинаның басқару компьютерімен кесу құралын жылжыту үшін орындалады. Соңғы бет резеңке кесу режимін сақтау үшін кесу өткелдерінің сериясы арқылы қол жеткізіледі. Алмаздық өңдеудің баламалы әдістеріне алмаздық ұшқыш кесу және алмаздық фрезерлеу жатады. Алмаздық ұшқыш кесу дифракциялық торларды және тиісті контурлы алмаз пішіндерімен басқа сызықтық үлгілерді жасау үшін қолданылуы мүмкін. Алмаздық фрезерлеу шар тәрізді алмаз құралын қолдана отырып, жылтыр кесу әдістері арқылы асфералық линзалар тізбектерін жасау үшін пайдаланылуы мүмкін.
For best possible quality natural diamonds are used as single point cutting elements during the final stages of the machining process. A CNC SPDT lathe rests atop a high quality granite base with micrometer surface finish quality. The granite base is placed on air suspension on a solid foundation, keeping its working surface strictly horizontal. The machine tool components are placed on top of the granite base and can be moved with high degree of accuracy using a high pressure air cushion or hydraulic suspension. The machined element is attached to an air chuck using negative air pressure and is usually centered manually using a micrometer. The chuck itself is separated from the electric motor that spins it by another air suspension. The cutting tool is moved with sub micron precision by a combination of electric motors and piezoelectric actuators. As with other CNC machines, the motion of the tool is controlled by a list of coordinates generated by a computer. Typically, the part to be created is first described using a computer aided design (CAD) model, then converted to G code using a computer aided manufacturing (CAM) program, and the G code is then executed by the machine control computer to move the cutting tool. The final surface is achieved with a series of cutting passes to maintain a ductile cutting regime. Alternative methods of diamond machining in practice also include diamond fly cutting and diamond milling. Diamond fly cutting can be used to generate diffraction gratings and other linear patterns with appropriately contoured diamond shapes. Diamond milling can be used to generate aspheric lens arrays by annulus cutting methods with a spherical diamond tool.
Сапаны бақылау
Алмаздық бұру процесіндегі барлық автоматтандыруға қарамастан, соңғы нәтижеге қол жеткізуде адам операторы әлі де маңызды рөл атқарады. Сапаны бақылау алмаздық бұру процесінің маңызды бөлігі болып табылады және әрбір өңдеу кезеңінен кейін, кейде кескіш құралдың әрбір өтуінен кейін қажетті. Егер қате бірден анықталмаса, кесу кезеңдерінің кез келгенінде тіпті ең кішкентай қате де жарамсыз бұйымға әкеледі. Алмаздық бұру арқылы жасалған оптикалық элементтердің сапасына қойылатын қатаң талаптар қателіктерге мүлдем жол бермейді. SPDT өндіріс процесінде жарамсыз бөлшектердің салыстырмалы түрде жоғары үлесі пайда болады, оларды кездіру қажет. Осының салдарынан, өндіріс құны дәстүрлі жылтырату әдістерімен салыстырғанда жоғары. SPDT процесімен өндірілетін оптикалық компоненттердің көлемі салыстырмалы түрде көп болғанымен, бұл процесті, әсіресе жылтыратылған оптикалық бұйымдар өндірісімен салыстырғанда, жаппай өндіріс деп санауға болмайды. Әрбір алмаздық бұру арқылы жасалған оптикалық элемент жеке-жеке, көптеген қол еңбегімен өндіріледі.
Despite all the automation involved in the diamond turning process, the human operator still plays the main role in achieving the final result. Quality control is a major part of the diamond turning process and is required after each stage of machining, sometimes after each pass of the cutting tool. If it is not detected immediately, even a minute error during any of the cutting stages results in a defective part. The extremely high requirements for quality of diamond turned optics leave virtually no room for error. The SPDT manufacturing process produces a relatively high percentage of defective parts, which must be discarded. As a result, the manufacturing costs are high compared to conventional polishing methods. Even with the relatively high volume of optical components manufactured using the SPDT process, this process cannot be classified as mass production, especially when compared with production of polished optics. Each diamond turned optical element is manufactured on an individual basis with extensive manual labor.