Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Метод изготовления передовых оптических элементов.
Method for making advanced optical elements
Алмазная токарная обработка – это точение с использованием режущего инструмента с алмазным наконечником. Это процесс механической обработки прецизионных элементов на токарных станках или станках производного типа (например, токарно-фрезных станков, роторных станков), оснащенных инструментальными вставками с натуральными или синтетическими алмазными наконечниками. Иногда используется термин "одноточечная алмазная обработка" (SPDT), хотя, как и в других токарных операциях, обозначение "одноточечная" не всегда является буквальным (инструменты с закругленными режущими кромками и профильными инструментами также применяются). Процесс алмазной токарной обработки широко используется для изготовления высококачественных асферических оптических элементов из кристаллов, металлов, акрила и других материалов. Пластиковая оптика часто изготавливается методом литья под давлением с использованием пресс-форм, изготовленных алмазной токарной обработкой. Оптические элементы, изготовленные методом алмазной токарной обработки, применяются в оптических системах телескопов, видеопроекторов, систем наведения ракет, лазеров, научных приборов и множества других систем и устройств. Большая часть современных операций алмазной токарной обработки выполняется на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Алмазы также используются в других процессах обработки, таких как фрезерование, шлифование и хонингование. Поверхности, обработанные алмазом, обладают высокой зеркальной отражающей способностью и не требуют дополнительной полировки или шлифовки, в отличие от поверхностей, обработанных традиционными методами.
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
Алмазная обработка — это многостадийный процесс. Первичные этапы обработки выполняются с использованием серии токарных станков с ЧПУ, последовательно повышающих точность. На заключительных этапах производственного процесса используется токарный инструмент с алмазным наконечником для достижения шероховатости поверхности на уровне менее нанометра и точности формы менее микрометра. Качество шероховатости поверхности измеряется как расстояние между высшей и низшей точками канавок, оставленных токарным станком. Точность формы измеряется как среднее отклонение от идеальной целевой формы. Качество шероховатости поверхности и точность формы контролируются на протяжении всего производственного процесса с использованием такого оборудования, как контактные и лазерные профилометры, лазерные интерферометры, оптические и электронные микроскопы. Алмазная обработка чаще всего используется для изготовления инфракрасной оптики, поскольку при больших длинах волн оптические характеристики менее чувствительны к качеству шероховатости поверхности, а также из-за того, что многие используемые материалы трудно поддаются традиционной полировке. Контроль температуры имеет решающее значение, поскольку поверхность должна быть точной на расстояниях, меньших длины волны света. Изменения температуры всего на несколько градусов во время обработки могут изменить форму поверхности настолько, что это повлияет на результат. Основной шпиндель может охлаждаться жидкостью для предотвращения температурных отклонений. Алмазы, используемые в процессе, обладают высокой прочностью при резании, но износ инструмента также сильно зависит от кристаллической анизотропии и обрабатываемого материала.
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.
Инструментальный станок
Для достижения наилучшего качества в качестве режущих элементов точечного контакта на заключительных этапах обработки используются природные алмазы. Токарный станок с ЧПУ SPDT установлен на высококачественном гранитном основании с качеством обработки поверхности, соответствующим микрометру. Гранитное основание размещается на воздушной подушке на прочном фундаменте, обеспечивая строгую горизонтальность рабочей поверхности. Компоненты станка размещены на гранитном основании и могут перемещаться с высокой точностью с помощью воздушной подушки высокого давления или гидравлической подвески. Обрабатываемая деталь крепится к воздушному патрону с использованием отрицательного давления воздуха и обычно центрируется вручную с помощью микрометра. Сам патрон отделен от электродвигателя, приводящего его во вращение, еще одной воздушной подушкой. Режущий инструмент перемещается с субмикронной точностью благодаря комбинации электродвигателей и пьезоэлектрических актуаторов. Как и в других станках с ЧПУ, движение инструмента контролируется списком координат, генерируемых компьютером. Обычно деталь, которую необходимо изготовить, сначала описывается с помощью модели компьютерного проектирования (CAD), затем преобразуется в G-код с помощью программы компьютерного производства (CAM), а затем G-код выполняется компьютером управления станком для перемещения режущего инструмента. Окончательная поверхность достигается серией режущих проходов для поддержания режима пластической деформации при резании. Альтернативные методы алмазной обработки, применяемые на практике, включают алмазную круговую резку и алмазное фрезерование. Алмазная круговая резка может использоваться для создания дифракционных решеток и других линейных структур с алмазами соответствующей формы. Алмазное фрезерование может использоваться для изготовления массивов асферических линз методом кольцевой резки с использованием сферического алмазного инструмента.
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.
Контроль качества
Несмотря на всю автоматизацию, применяемую в процессе алмазной токарной обработки, оператор по-прежнему играет ключевую роль в достижении конечного результата. Контроль качества является важнейшей частью процесса алмазной токарной обработки и необходим после каждого этапа механической обработки, а иногда – после каждого прохода режущего инструмента. Если даже незначительная ошибка на любом из этапов резки не будет обнаружена немедленно, это приведет к браку детали. Чрезвычайно высокие требования к качеству алмазно-токарной оптики практически не допускают ошибок. Процесс производства ТППП (SPDT) дает относительно высокий процент бракованных деталей, которые необходимо отбраковывать. В результате, производственные затраты высоки по сравнению с традиционными методами полировки. Даже при относительно большом объеме выпускаемых оптических компонентов, изготовленных методом ТППП (SPDT), этот процесс нельзя отнести к массовому производству, особенно в сравнении с производством полированной оптики. Каждый алмазно-токарный оптический элемент изготавливается индивидуально с применением значительного ручного труда.
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.