Оптическое кварцевое стекло и стеклокристаллические ситаллы марок Zerodur и Астроситалл обладают уникальной прозрачностью, химической стойкостью и околонулевым коэффициентом теплового расширения. Из них изготавливают облегченные зеркала космических телескопов, лазерные кюветы и пластины интерферометров. Однако экстремальная хрупкость оптических сред делает традиционную механическую обработку невозможной без образования сколов. Интеграция ультразвукового ассистирования шпинделя позволяет реализовать квазипластичный режим съема припуска алмазным инструментом без трещин.
Особенности оптического стекла и ситаллов
Аморфная структура плавленого кварца и кристаллическая фаза ситаллов характеризуются высоким модулем упругости при минимальной вязкости разрушения K1c менее одного МПа*м^0.5. Традиционное резание вызывает распространение радиальных и боковых трещин на глубину до ста микрометров под обработанную поверхность. Это ослабляет оптическую деталь и делает ее непригодной для глубокого вакуума. Предотвращение трещинообразования требует строгого контроля толщины срезаемого слоя.
Расчет критической глубины перехода из хрупкого режима в пластический для ситалла выполняется по формуле:
Фрезерные станки с ЧПУ
Весь раздел →
Фрезерный станок с ЧПУ MILLMASTER VMM-1050 G3
Фрезерный станок с ЧПУ MILLMASTER VMM-1050 F4
Фрезерный станок с ЧПУ MILLMASTER VMM-845 G3
d_crit_glass = 0.12 * (E_glass / H_v_glass) * (K_1c_glass / H_v_glass)^2где параметр E_glass обозначает модуль упругости стекла, величина H_v_glass задает микротвердость, коэффициент K_1c_glass определяет вязкость разрушения оптической среды.
Кинематика ультразвукового ассистирования инструмента
Пьезоэлектрический ультразвуковой привод сообщает алмазной фрезе продольные гармонические колебания с частотой от двадцати до сорока килогерц и регулируемой амплитудой от двух до восьми микрометров. В процессе каждого ультразвукового цикла режущие алмазные зерна периодически выходят из контакта со стеклом на доли мгновения. Это кардинально снижает среднюю силу резания, предотвращает термоудар в зоне контакта и облегчает гидродинамический вынос стеклянного шлама потоком смазочно-охлаждающей жидкости.
Ультразвуковое фрезерование оптических стекол требует постоянного резонансного автоподбора рабочей частоты генератора при изменении тепловой нагрузки на шпиндельный узел.
Преимущества ультразвуковой обработки ситаллов и кварца включают следующие технологические факторы:
- Снижение контактных сил резания в три-пять раз по сравнению с классическим шлифованием.
- Полное предотвращение образования сколов на острых фасках и кромках оптических деталей.
- Увеличение скорости съема хрупкого материала при сохранении целостности заготовки.
- Снижение шероховатости поверхности до значений Ra 0.05 мкм прямо на фрезерном станке.
Подобрать оборудование под вашу задачу
Реализация квазипластичного микрорезания
При поддержании глубины резания ниже порога d_crit_glass скалывание материала заменяется пластическим сдвигом и выглаживанием поверхности алмазными зернами. Процесс пластичного съема припуска формирует гладкую полупрозрачную поверхность без подповерхностного нарушенного слоя. Это в пять раз сокращает время последующей финишной оптической полировки зеркал и призм на полировально-доводочных станках.
Фрезерные станки с ЧПУ
Весь раздел →
Фрезерный станок с ЧПУ MILLMASTER VMM-855S
FPV-30G фрезерный станок с ЧПУ
Фрезерный станок с ЧПУ RS 6090TT
- Черновое ультразвуковое фрезерование контура крупнозернистыми алмазными фрезами D46.
- Получистовой проход мелкозернистым инструментом D15 с глубиной резания пять микрометров.
- Пластическое финишное выглаживание алмазным инструментом зернистостью 2-4 мкм.
- Контроль отсутствия внутренних напряжений детали в поляризованном свете полярископа.
| Оптический материал | Твердость по шкале Мооса | Коэффициент КТР (20-300 C), 10^-6 1/K | Шероховатость после ультразвука Ra, мкм |
|---|---|---|---|
| Кварцевое стекло КУ-1 | 7.0 | 0.55 | 0.04 - 0.08 |
| Ситалл Zerodur (Германия) | 7.5 | 0.02 | 0.03 - 0.06 |
| Астроситалл СО-115М | 7.5 | 0.05 | 0.03 - 0.06 |
Подбор алмазных микрофрез на гальванической связке
Фрезерование сложных полостей в оптических деталях выполняют монолитными твердосплавными фрезами с гальваническим алмазным слоем высокой концентрации. Точный подбор гранулометрии алмазного порошка исключает образование глубоких единичных царапин на поверхности детали. Промывка зоны контакта водными растворами с поверхностно-активными веществами предотвращает слипание частиц стеклянной пыли и засаливание рабочей части алмазного инструмента.
Применение водорастворимых моющих СОЖ обеспечивает идеальное охлаждение и химическую нейтральность к оптике.
Контроль оптической чистоты поверхности деталей
Финишная оценка качества обработанных кварцевых деталей проводится с использованием лазерных интерферометров белого света и оптических микроскопов темного поля. Отсутствие трещин и раковин подтверждает целостность структуры материала после ультразвукового воздействия. Изготовленные по данной технологии элементы лазерной оптики и астрономические зеркала демонстрируют абсолютную стабильность оптической формы при экстремальных перепадах температур в космическом пространстве.
