Technologia elementów optycznych

dr inż. Michał Józwik

pokój 507a

jozwik@mchtr.pw.edu.pl

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