eng
Выпуск #3/2022
В. В. Лапшин, Е. М. Захаревич, А. С. Нарикович, А. С. Коротков, И. И. Лятун, А. А. Снигирев
Разработка технологии изготовления твердосплавных пуансонов с линейным параболическим профилем
Разработка технологии изготовления твердосплавных пуансонов с линейным параболическим профилем
Просмотры: 982
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.3.184.196
В статье описана технология обработки твердосплавных пуансонов с линейным параболическим профилем. Представлена кинематика обработки рассматриваемых поверхностей. Для обеспечения необходимой кинематики на имеющемся в наличии оборудовании разработана дополнительная линейная ось станка. Также разработана методика правки кромки шлифовальных головок на определенный радиус. Представлена методика контроля обработанного профиля. Приведены результаты применения разработанных методик для обработки пуансонов с использованием различных шлифовальных головок.
В статье описана технология обработки твердосплавных пуансонов с линейным параболическим профилем. Представлена кинематика обработки рассматриваемых поверхностей. Для обеспечения необходимой кинематики на имеющемся в наличии оборудовании разработана дополнительная линейная ось станка. Также разработана методика правки кромки шлифовальных головок на определенный радиус. Представлена методика контроля обработанного профиля. Приведены результаты применения разработанных методик для обработки пуансонов с использованием различных шлифовальных головок.
Теги: diamond grinding dressing grinding heads punches x-ray refractive lenses алмазное шлифование правка пуансоны рентгеновские преломляющие линзы шлифовальные головки
Разработка технологии изготовления твердосплавных пуансонов с линейным параболическим профилем
В. В. Лапшин 1, Е. М. Захаревич 1, А. С. Нарикович 2, А. С. Коротков 2, И. И. Лятун 2, А. А. Снигирев 2
ООО «Научно-производственное объединение Асферика», Москва, Россия
Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта, Калининград, Россия
В статье описана технология обработки твердосплавных пуансонов с линейным параболическим профилем. Представлена кинематика обработки рассматриваемых поверхностей. Для обеспечения необходимой кинематики на имеющемся в наличии оборудовании разработана дополнительная линейная ось станка. Также разработана методика правки кромки шлифовальных головок на определенный радиус. Представлена методика контроля обработанного профиля. Приведены результаты применения разработанных методик для обработки пуансонов с использованием различных шлифовальных головок.
Ключевые слова: алмазное шлифование, правка, пуансоны, шлифовальные головки, рентгеновские преломляющие линзы
Статья получена: 28.04.2022
Статья принята: 12.05.2022
Введение
Использование рентгеновской преломляющей оптики для развития методов фокусировки и имиджинга рентгеновского излучения (РИ) с целью исследований микро- и нано-объектов успешно ведется уже 25 лет [1]. С момента первой экспериментальной демонстрации их использования рентгеновские преломляющие линзы прочно вошли в инструментарий современных специализированных источников синхротронного излучения благодаря ряду преимуществ: они легко настраиваются, относительно нечувствительны к разориентации и механическим колебаниям, а также способны выдерживать высокие термические и радиационные нагрузки [2–4]. По сравнению с рентгеновскими зеркалами и кристаллическими монохроматорами, линзы не меняют направления распространения первичного пучка рентгеновских лучей, что существенно упрощает оптическую схему синхротронных станций.
Первые преломляющие линзы представляли собой ряд цилиндрических отверстий, выполненных в блоке алюминия, формируя составную преломляющую линзу (СПЛ).
Большое количество отверстий позволило компенсировать слабый эффект преломления рентгеновского излучения и, как следствие, получить приемлемое фокусное расстояние в диапазоне энергий от 5 до 40 кэВ. Согласно теории волновой оптики, подобная фокусирующая линза имеет сильные сферические аберрации, вызванные круглым профилем отверстий. Решением проблемы сферических аберраций является использование параболического профиля линз [5].
Принцип работы рентгеновской линзы аналогичен принципу работы классической оптической линзы и основан на эффекте преломления, но при этом показатель преломления материалов для рентгеновского излучения меньше единицы, что определяет вогнутый профиль фокусирующей оптики. В зависимости от формы профиля одиночных линз, формирующих СПЛ, можно выделить два типа – для одномерной и двумерной фокусировки РИ. Следовательно, форма профиля углубления для одномерной фокусировки имеет линейный параболический профиль, а для двумерной фокусировки форма профиля представляет собой параболоид вращения. Непосредственное влияние на предельное разрешение линзы и качество передаваемого линзой изображения оказывает не только внутренняя структура материала, но и совершенство геометрических характеристик линзы – точность профиля линзы и шероховатость оптической поверхности [6].
Решение задачи получения высококачественного параболического профиля линзы в первую очередь достигается за счет изготовления специальных твердосплавных пресс-форм с малым радиусом закругления (до 50 мкм), малой ошибкой формы профиля (менее 1 мкм) и высокой чистотой поверхности (RMS ~10 нм) с использованием ультрапрецизионных токарных станков с ЧПУ [7]. При этом для изготовления пуансонов с формой параболоида вращения не требуется изменения кинематических схем механической обработки. В то время как для изготовления пуансонов с линейным параболическим профилем необходимо изменение технологического процесса обработки деталей. В данной работе представлены результаты разработанной технологии обработки пуансонов с линейным параболическим профилем.
Обрабатываемая деталь (рис. 1) представляет собой твердосплавный стержень диаметром 6 мм, на одном торце которого выполнен выступ, имеющий в сечении форму параболы. Линейный параболический выступ также имеет обнижения с двух сторон, и его длина составляет 4 мм. Также вдоль всего стержня имеется лыска.
Параболический профиль (рис. 2) описывается следующей формулой:
z = ax2,
где а – параметр, который отвечает за кривизну параболы и определяется потребителем изделия. Основание параболы должно иметь радиус скругления не более 0,1 мм.
К детали предъявляются следующие требования по точности и качеству:
Особенности кинематики обработки изделий
Обработка твердосплавных пуансонов с параболическим профилем типа тела вращения была рассмотрена в статьях [8, 9]. Но для изготовления пуансона с линейным параболическим профилем кинематика обработки, описанная в статьях, не подходит.
Вместо двух линейных и двух круговых осей необходимо использовать три линейные и одну круговую ось. Для этого необходимо выполнять обработку на 3‑х координатном станке.
По координатам Х и Z производится формирование профиля параболы, а по оси Y инструмент или деталь должны совершать колебательные движения, при этом на один двойной ход по оси Y приходится смещение на 1 шаг по контуру (рис. 3).
Так как к обрабатываемым поверхностям пуансона предъявляются высокие требования по точности и качеству поверхности, то необходимо использовать ультрапрецизионное оборудование. В станочном парке ООО «НПО Асферика» имеется ультрапрецизионный станок с ЧПУ «Асферика-Ф3», который обладает следующими конструктивными особенностями:
Так как станок имеет всего две линейные оси перемещения (X, Z), то в стандартной комплектации станка пуансоны с линейным параболическим профилем обработать невозможно. Для того, чтобы выполнить обработку, была разработана дополнительная ось Y (рис. 4), которая бы обеспечивала колебательные перемещения заготовки в вертикальном направлении. Так как к заготовкам предъявляются высокие требования к качеству обработки, то дополнительная ось Y также оснащена аэростатическими направляющими.
Ось Y состоит из следующих основных элементов: основание, аэростатические направляющие, шип, пневматический цилиндр. Шип перемещается на аэростатических направляющих вверх-вниз при помощи пневматического цилиндра, при этом суммарный ход составляет 25 мм. Плавность перемещения заготовки по оси Y достигается за счет использования пневматического цилиндра в прецизионном исполнении.
Таким образом за счет дополнительной оси Y на станке «Асферика-Ф3» можно обеспечить обработку пуансонов с линейным параболическим профилем. Сама заготовка закрепляется в оправке, закрепленной на шипе оси Y, и совершает колебательные движения.
Шлифовальный шпиндель с абразивным инструментом устанавливается на каретке оси Z станка, а ось Y – на оси X станка.
Технология правки абразивного инструмента
Для обработки твердосплавных пуансонов использованы алмазные шлифовальные головки с различной зернистостью и связками.
Для того, чтобы выполнить обработку параболической поверхности с точностью формы до 1 мкм, необходимо знать радиус шлифовальной головки R (рис. 5). При этом радиус должен быть 0,1 мм или меньше (для обеспечения радиуса у основания параболы) и не варьироваться, а иметь одинаковое значение вдоль всего периметра.
Обычно шлифовальные головки не имеют какого-либо конкретного радиуса на кромке и имеют переменное значение вдоль периметра. Для обеспечения необходимого радиуса шлифовальной головки необходимо выполнить операцию правки. Как правило, для шлифовальных головок выполняется правка по наружной цилиндрической поверхности при помощи правильных карандашей или роликов. Однако для обработки деталей, рассматриваемых в статье, необходимо выполнить профильную правку шлифовальных головок по радиусу.
Для выполнения такой правки разработана специальная наладка, реализованная на станке «Асферика-Ф3». Схема правки показана на рис. 6 и 7. Заправляемая шлифовальная головка закреплялась на высокоскоростном аэростатическом шлифовальном шпинделе, который устанавливался на оси Z станка. Правильный круг закрепляли в шлифовальном шпинделе, установленном на кронштейне оси Х. При этом ось вращения правильного круга располагалась перпендикулярно оси вращения заправляемой головки. При правке правильный круг проходит вдоль образующей заправляемой головки по заданной траектории, формируя необходимый радиус R (рис. 7).
В качестве правильного круга использован шлифовальный круг с многослойным композиционным электролитическим покрытием на основе никеля. Зернистость алмаза правильного круга составляла 125–160 мкм.
По разработанной технологии выполнена правка шлифовальных головок (рис. 8), примененных для черновой и чистовой обработки пуансонов с линейным параболическим профилем.
Черновая обработка пуансонов выполнена при помощи шлифовальной головки с зернистостью алмаза 100–125 мкм на металлической связке фирмы Haefeli (Швейцария).
Перед проведением операции правки на радиус шлифовальную головку рассматривали с помощью микроскопа с целью определения текущего состояния кромки, а также с целью определения необходимого съема материала при правке. На рис. 9а показано первоначальное состояние кромки шлифовальной головки. Видно, что кромка головки изношена, так как ранее была использована на других шлифовальных операциях, и не имеет четко выраженного радиуса, требуемого для обработки пуансонов.
Правка черновой головки выполнена за несколько проходов, причем суммарный съем составил 0,08 мм на диаметр. Режимы правки: частота вращения правильного круга 20 000 об / мин, частота вращения заправляемой шлифовальной головки 10 000 об / мин, скорость обработки по контуру 10 мм / мин. За каждый проход с заправляемой головки выполнялся съем 0,01 мм на диаметр.
После правки с помощью микроскопа проводили контроль полученного радиуса шлифовальной головки. На рис. 9b показан пример замера заправленной шлифовальной головки. Как видно из рисунка, дефекты, которые изначально присутствовали на головке, были устранены, и полученный радиус скругления составляет R = 0,1 мм.
По аналогичной технологии выполнена правка чистовой шлифовальной головки. Шлифовальная головка с зернистостью алмаза 7–10 мкм на полиуретановой связке была изготовлена по специальному заказу в ООО НПК «Электрокристалл» (Россия). На рис. 10а, b показаны замеры чистовой шлифовальной головки до и после правки. Правка выполнена на тех же режимах, что и для черновой шлифовальной головки. Полученный радиус составил также R = 0,1 мм.
Технология обработки пуансонов
Для обработки пуансонов с линейным параболическим профилем для станка «Асферика Ф‑3» была спроектирована специальная наладка. Схема обработки показана на рис. 11. Шлифовальная головка устанавливалась в высокоскоростной аэростатический шпиндель, закрепленный на кронштейне каретки Z. Обрабатываемая заготовка закреплялась на оправке, установленной на шипе оси Y. При обработке заготовка совершала колебательные движения в вертикальной плоскости, при этом на каждый двойной ход происходило смещение шлифовальной головки относительно заготовки по заданной траектории. Необходимая траектория обеспечивалась за счет одновременного перемещения кареток по осям Х и Z. Управляющая программа обеспечивает равномерный шаг по профилю параболы. Вместе с дополнительной вертикальной осью Y на каретке оси Х также располагалась наладка на правку шлифовальных головок.
Профиль параболы формировался обработкой с двух сторон отдельно, при этом для того, чтобы обеспечить отсутствие нестыковок на вершине параболы, осуществлялась точная привязка шлифовальной головки с двух сторон заготовки.
Разработанная технология обработки заготовок состоит из следующих этапов:
Результаты обработки пуансонов
По разработанной технологии был обработан ряд пуансонов с различным параболическим профилем. Формула, описывающая параболическую поверхность, была задана заказчиком изделий.
Обработка (рис. 12) выполнена на следующих режимах:
Последовательность формирования профиля параболической поверхности показана на рис. 13. Контроль обрабатываемых изделий выполнялся на видеоизмерительном микроскопе. 2D-профиль требуемой формы поверхности при помощи специального ПО микроскопа накладывался на получаемое изображение, и таким образом производилась оценка оставшегося припуска. На рис. 13 показана последовательность получения параболы типа 1 и 2. Обработанная деталь до и после обработки обнижений показана на рис. 14.
Выходной контроль пуансонов был выполнен на уникальной научной установке «Научно-образовательный многофункциональный комплекс подготовки и проведения синхротронных исследований» (УНУ «SynchrotronLike») с применением метода высокоразрешающей радиографии на основе микрофокусного лабораторного источника рентгеновского излучения MetalJet (с характеристической линией 9,251 кэВ (Ga Kα) и системой моторизованных подвижек [10]). Для регистрации изображений с высоким пространственным разрешением использовалась камера Rigaku с размером пиксела 0,55 мкм. Расстояние между источником излучения и образцом (комплектом пуансонов) составляло 38,3 см, а расстояние между образцом и камерой – 1,2 см. Основными критериями выбора метода измерения характерных параметров были выбраны воспроизводимость и достоверность результатов измерений, а также простота реализации и универсальность метода. На рис. 15 представлено радиографическое изображение комплекта пуансонов с номинальным радиусом 500 мкм (рис. 15а). Анализ полученных изображений и измерение точности параболического профиля пуансонов (рис. 15b, c) был выполнен с помощью метрологического подхода, применяемого для диагностики рентгеновских СПЛ [11].
По результатам исследования качества пуансонов и их соответствия проектным требованиям было экспериментально показано, что предложенная технология обработки пуансонов с линейным параболическим профилем обеспечивает необходимую точность параболической поверхности инструмента для изготавливаемых преломляющих линз, полностью удовлетворяющих требованиям современных источников синхротронного излучения.
Выводы
Разработана и реализована на практике технология обработки пуансонов с линейным параболическим профилем. Для обеспечения кинематики обработки на имеющемся в наличии оборудовании разработана дополнительная вертикальная ось Y с аэростатическими направляющими. Также представлена технология правки шлифовальных головок с определенным радиусом кромки.
По разработанной технологии обработан ряд пуансонов с линейным параболическим профилем. Исследование качества и точности обработанных поверхностей показали, что достигнута необходимая точность и шероховатость поверхности. Также подтверждена возможность выполнения заправки шлифовальных головок на требуемый радиус.
Исследование точности заправленных шлифовальных головок и точность профиля обработанных пуансонов выполнено при помощи видеоизмерительного микроскопа.
Перспективой развития разработанной технологии обработки пуансонов является создание ультрапрецизионного станка, позволяющего повысить автоматизацию и производительность. Такой станок должен иметь следующие особенности:
Разработкой и изготовлением станков такого типа по техническому заданию заказчика занимается ООО «НПО Асферика».
Благодарность
В работе использовано оборудование уникальной научной установки «Научно-образовательный многофункциональный комплекс подготовки и проведения синхротронных исследований» (УНУ «SynchrotronLike»). Экспериментальное исследование высокоточного инструмента было поддержано из средств программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» БФУ им. И. Канта. Приобретение необходимых расходных материалов было выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по гранту № 075-15-2021-1362.
REFERENCES
Snigirev A. et al. A compound refractive lens for focusing high-energy X-rays. Nature. 1998. 384(6604): 49–49. DOI: 10.1038/384049a0.
Roth T. et al. Materials for x-ray refractive lenses minimizing wavefront distortions: 6. MRS Bull. 2017. Vol. 42, № 6. P. 430–436. DOI: 10.1557/mrs.2017.117.
Snigireva I., Polikarpov M., Snigirev A. Diamond X-Ray Refractive Optics. Synchrotron Radiation News. 2021; 1–9.; DOI: 10.1080/08940886.2021.2022387..
Narikovich A. et al. CRL-based ultra-compact transfocator for X-ray focusing and microscopy: 4. J. Synchrotron Radiat. 2019; 26(4). DOI:10.1107/S1600577519005708.
Lengeler B. et al. Parabolic refractive X-ray lenses: 3. J. Synchrotron Radiat. 2002; 9(3): 119–124. DOI:10.1107/S0108767305099125.
Lyatun I. I., Goikhman A. Y., Ershov P. A., Snigireva I. I., Snigirev A. A. On the Problem of the Metrology of Refractive X-ray Optics. J. Surf. Investig. X-Ray Synchrotron Neutron Tech. 2015; 9(3): 446–450. DOI: 10.1134/S1027451015030076.
Tummler J. Development of Compound Refractive Lenses for Hard X Rays. A Novel Instrument in Hard X-ray Analysis. – Aachen: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH). 2000.
Shavva M. A., Grubyi S. V. Diamond Grinding of Hard-Alloy Punches Using Wheels With a Multilayer Composite Electrolytic Coating. Russian Engineering Research. 2020;40(10): 826–832. DOI: 10.3103/S1068798X2010024X.
Шавва М. А., Грубый С. В. Алмазное шлифование твердосплавных пуансонов шлифовальными кругами с многослойным композиционным электролитическим покрытием. Вестник машиностроения. 2020;7:41–47. DOI 10.36652/0042-4633-2020-7-41-47.
Shavva M. A., Grubyi S. V. Sherokhovatost’ poverkhnosti tverdosplavnikh puansonov pri shlifovanii almaznimi krugami, izgotovlennimi po tehnologii mnogosloinogo kompozicionnogo electroliticheskoko pokritiya. Izvestiya vysshikh ychebnikh zavedeniy. Mashinostroeniye. 2018; 9 (702):10–17. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-9-10-17.
Шавва М. А., Грубый С. В. Шероховатость поверхности твердосплавных пуансонов при шлифовании алмазными кругами, изготовленными по технологии многослойного композиционного электролитического покрытия. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018; 9(702):10–17. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-9-10-17.
Barannikov A., Shevyrtalov S., Zverev D., Narikovich A., Sinitsyn A., Panormov I., Snigireva I., Snigirev A. Laboratory complex for the tests of the X-ray optics and coherence-related techniques. Proc. SPIE 11776. EUV and X-ray Optics, Sources, and Instrumentation, 117760D (18 April 2021). DOI: 10.1117/12.2582687.
Narikovich A., Zverev D., Barannikov A., Lyatun I., Panormov I., Sinitsyn A., Snigireva I., Snigirev A. Metrological approach for diagnostics of x-ray refractive lenses. AIP Conference Proceedings. 2020; 2299:060006. DOI: 10.1063/5.0031371.
АВТОРЫ
Лапшин Василий Владимирович, старший инженер-исследователь, ООО «Научно-производственное объединение Асферика»,
lapshin_v@aspherica.ru, Москва, Россия
ORCID: 0000-0002-6971-8534
Захаревич Евгений Мефодьевич, главный технолог, ООО «Научно-производственное объединение Асферика», zaharev@gmail.com, Москва, Россия
ORCID: 0000-0001-6997-3335
Нарикович Антон Сергеевич, инженер-исследователь, Балтийский Федеральный Университет им. Иммануила Канта, anarikovich@kantiana.ru, г. Калининград, Россия.
ORCID: 0000-0003-2570-1818
Коротков Александр Сергеевич, лаборант, Балтийский Федеральный Университет им.и Иммануила Канта, askorotkov9@gmail.com, г. Калининград, Россия.
ORCID: 0000-0001-9425-8368
Лятун Иван Игоревич, научный сотрудник, Балтийский Федеральный Университет им. Иммануила Канта, ILyatun@kantiana.ru, г. Калининград, Россия.
ORCID: 0000-0002-4988-8077
Снигирев Анатолий Александрович, к. ф.‑ м. н., профессор, директор МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс», Балтийский Федеральный Университет им. Иммануила Канта, ASnigirev@kantiana.ru, г. Калининград, Россия.
ORCID: 0000-0002-8892-1925
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Лапшин В. В., Захаревич Е. М.: разработка технологии изготовления пуансонов, технология заправки шлифовальных головок; Нарикович А. С.: анализ литературы, описание результатов, формирование выводов исследования; Коротков А. С.: сбор экспериментальных данных, табличное и графическое представление результатов; Лятун И. И.: постановка методики исследование, проведение исследований и формирование выводов исследования; Снигирев А. А.: внес существенный вклад в концепцию и дизайн исследований, осуществил критический пересмотр статьи на предмет важного интеллектуального содержания, одобрил окончательную версию статьи перед ее подачей для публикации.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы утверждают, что у них нет конфликта интересов. Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива. Все авторы принимали участие в написании рукописи в части своего вклада в работу.
В. В. Лапшин 1, Е. М. Захаревич 1, А. С. Нарикович 2, А. С. Коротков 2, И. И. Лятун 2, А. А. Снигирев 2
ООО «Научно-производственное объединение Асферика», Москва, Россия
Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта, Калининград, Россия
В статье описана технология обработки твердосплавных пуансонов с линейным параболическим профилем. Представлена кинематика обработки рассматриваемых поверхностей. Для обеспечения необходимой кинематики на имеющемся в наличии оборудовании разработана дополнительная линейная ось станка. Также разработана методика правки кромки шлифовальных головок на определенный радиус. Представлена методика контроля обработанного профиля. Приведены результаты применения разработанных методик для обработки пуансонов с использованием различных шлифовальных головок.
Ключевые слова: алмазное шлифование, правка, пуансоны, шлифовальные головки, рентгеновские преломляющие линзы
Статья получена: 28.04.2022
Статья принята: 12.05.2022
Введение
Использование рентгеновской преломляющей оптики для развития методов фокусировки и имиджинга рентгеновского излучения (РИ) с целью исследований микро- и нано-объектов успешно ведется уже 25 лет [1]. С момента первой экспериментальной демонстрации их использования рентгеновские преломляющие линзы прочно вошли в инструментарий современных специализированных источников синхротронного излучения благодаря ряду преимуществ: они легко настраиваются, относительно нечувствительны к разориентации и механическим колебаниям, а также способны выдерживать высокие термические и радиационные нагрузки [2–4]. По сравнению с рентгеновскими зеркалами и кристаллическими монохроматорами, линзы не меняют направления распространения первичного пучка рентгеновских лучей, что существенно упрощает оптическую схему синхротронных станций.
Первые преломляющие линзы представляли собой ряд цилиндрических отверстий, выполненных в блоке алюминия, формируя составную преломляющую линзу (СПЛ).
Большое количество отверстий позволило компенсировать слабый эффект преломления рентгеновского излучения и, как следствие, получить приемлемое фокусное расстояние в диапазоне энергий от 5 до 40 кэВ. Согласно теории волновой оптики, подобная фокусирующая линза имеет сильные сферические аберрации, вызванные круглым профилем отверстий. Решением проблемы сферических аберраций является использование параболического профиля линз [5].
Принцип работы рентгеновской линзы аналогичен принципу работы классической оптической линзы и основан на эффекте преломления, но при этом показатель преломления материалов для рентгеновского излучения меньше единицы, что определяет вогнутый профиль фокусирующей оптики. В зависимости от формы профиля одиночных линз, формирующих СПЛ, можно выделить два типа – для одномерной и двумерной фокусировки РИ. Следовательно, форма профиля углубления для одномерной фокусировки имеет линейный параболический профиль, а для двумерной фокусировки форма профиля представляет собой параболоид вращения. Непосредственное влияние на предельное разрешение линзы и качество передаваемого линзой изображения оказывает не только внутренняя структура материала, но и совершенство геометрических характеристик линзы – точность профиля линзы и шероховатость оптической поверхности [6].
Решение задачи получения высококачественного параболического профиля линзы в первую очередь достигается за счет изготовления специальных твердосплавных пресс-форм с малым радиусом закругления (до 50 мкм), малой ошибкой формы профиля (менее 1 мкм) и высокой чистотой поверхности (RMS ~10 нм) с использованием ультрапрецизионных токарных станков с ЧПУ [7]. При этом для изготовления пуансонов с формой параболоида вращения не требуется изменения кинематических схем механической обработки. В то время как для изготовления пуансонов с линейным параболическим профилем необходимо изменение технологического процесса обработки деталей. В данной работе представлены результаты разработанной технологии обработки пуансонов с линейным параболическим профилем.
Обрабатываемая деталь (рис. 1) представляет собой твердосплавный стержень диаметром 6 мм, на одном торце которого выполнен выступ, имеющий в сечении форму параболы. Линейный параболический выступ также имеет обнижения с двух сторон, и его длина составляет 4 мм. Также вдоль всего стержня имеется лыска.
Параболический профиль (рис. 2) описывается следующей формулой:
z = ax2,
где а – параметр, который отвечает за кривизну параболы и определяется потребителем изделия. Основание параболы должно иметь радиус скругления не более 0,1 мм.
К детали предъявляются следующие требования по точности и качеству:
- шероховатость поверхности параболического профиля должна составлять Ra не более 0,01 мкм;
- точность формы параболического профиля составляет 1 мкм;
- торец на котором выполнен выступ должен иметь отклонение от плоскостности 1 мкм и шероховатость не более Ra не более 0,01 мкм;
- параболический профиль должен быть параллелен плоскости лыски с точностью 1 мкм.
Особенности кинематики обработки изделий
Обработка твердосплавных пуансонов с параболическим профилем типа тела вращения была рассмотрена в статьях [8, 9]. Но для изготовления пуансона с линейным параболическим профилем кинематика обработки, описанная в статьях, не подходит.
Вместо двух линейных и двух круговых осей необходимо использовать три линейные и одну круговую ось. Для этого необходимо выполнять обработку на 3‑х координатном станке.
По координатам Х и Z производится формирование профиля параболы, а по оси Y инструмент или деталь должны совершать колебательные движения, при этом на один двойной ход по оси Y приходится смещение на 1 шаг по контуру (рис. 3).
Так как к обрабатываемым поверхностям пуансона предъявляются высокие требования по точности и качеству поверхности, то необходимо использовать ультрапрецизионное оборудование. В станочном парке ООО «НПО Асферика» имеется ультрапрецизионный станок с ЧПУ «Асферика-Ф3», который обладает следующими конструктивными особенностями:
- аэростатические направляющие на линейных осях Х и Z;
- станина станка установлена на виброизолирующих опорах;
- использование прямых линейных приводов;
- минимально программируемое перемещение 10 нм.
Так как станок имеет всего две линейные оси перемещения (X, Z), то в стандартной комплектации станка пуансоны с линейным параболическим профилем обработать невозможно. Для того, чтобы выполнить обработку, была разработана дополнительная ось Y (рис. 4), которая бы обеспечивала колебательные перемещения заготовки в вертикальном направлении. Так как к заготовкам предъявляются высокие требования к качеству обработки, то дополнительная ось Y также оснащена аэростатическими направляющими.
Ось Y состоит из следующих основных элементов: основание, аэростатические направляющие, шип, пневматический цилиндр. Шип перемещается на аэростатических направляющих вверх-вниз при помощи пневматического цилиндра, при этом суммарный ход составляет 25 мм. Плавность перемещения заготовки по оси Y достигается за счет использования пневматического цилиндра в прецизионном исполнении.
Таким образом за счет дополнительной оси Y на станке «Асферика-Ф3» можно обеспечить обработку пуансонов с линейным параболическим профилем. Сама заготовка закрепляется в оправке, закрепленной на шипе оси Y, и совершает колебательные движения.
Шлифовальный шпиндель с абразивным инструментом устанавливается на каретке оси Z станка, а ось Y – на оси X станка.
Технология правки абразивного инструмента
Для обработки твердосплавных пуансонов использованы алмазные шлифовальные головки с различной зернистостью и связками.
Для того, чтобы выполнить обработку параболической поверхности с точностью формы до 1 мкм, необходимо знать радиус шлифовальной головки R (рис. 5). При этом радиус должен быть 0,1 мм или меньше (для обеспечения радиуса у основания параболы) и не варьироваться, а иметь одинаковое значение вдоль всего периметра.
Обычно шлифовальные головки не имеют какого-либо конкретного радиуса на кромке и имеют переменное значение вдоль периметра. Для обеспечения необходимого радиуса шлифовальной головки необходимо выполнить операцию правки. Как правило, для шлифовальных головок выполняется правка по наружной цилиндрической поверхности при помощи правильных карандашей или роликов. Однако для обработки деталей, рассматриваемых в статье, необходимо выполнить профильную правку шлифовальных головок по радиусу.
Для выполнения такой правки разработана специальная наладка, реализованная на станке «Асферика-Ф3». Схема правки показана на рис. 6 и 7. Заправляемая шлифовальная головка закреплялась на высокоскоростном аэростатическом шлифовальном шпинделе, который устанавливался на оси Z станка. Правильный круг закрепляли в шлифовальном шпинделе, установленном на кронштейне оси Х. При этом ось вращения правильного круга располагалась перпендикулярно оси вращения заправляемой головки. При правке правильный круг проходит вдоль образующей заправляемой головки по заданной траектории, формируя необходимый радиус R (рис. 7).
В качестве правильного круга использован шлифовальный круг с многослойным композиционным электролитическим покрытием на основе никеля. Зернистость алмаза правильного круга составляла 125–160 мкм.
По разработанной технологии выполнена правка шлифовальных головок (рис. 8), примененных для черновой и чистовой обработки пуансонов с линейным параболическим профилем.
Черновая обработка пуансонов выполнена при помощи шлифовальной головки с зернистостью алмаза 100–125 мкм на металлической связке фирмы Haefeli (Швейцария).
Перед проведением операции правки на радиус шлифовальную головку рассматривали с помощью микроскопа с целью определения текущего состояния кромки, а также с целью определения необходимого съема материала при правке. На рис. 9а показано первоначальное состояние кромки шлифовальной головки. Видно, что кромка головки изношена, так как ранее была использована на других шлифовальных операциях, и не имеет четко выраженного радиуса, требуемого для обработки пуансонов.
Правка черновой головки выполнена за несколько проходов, причем суммарный съем составил 0,08 мм на диаметр. Режимы правки: частота вращения правильного круга 20 000 об / мин, частота вращения заправляемой шлифовальной головки 10 000 об / мин, скорость обработки по контуру 10 мм / мин. За каждый проход с заправляемой головки выполнялся съем 0,01 мм на диаметр.
После правки с помощью микроскопа проводили контроль полученного радиуса шлифовальной головки. На рис. 9b показан пример замера заправленной шлифовальной головки. Как видно из рисунка, дефекты, которые изначально присутствовали на головке, были устранены, и полученный радиус скругления составляет R = 0,1 мм.
По аналогичной технологии выполнена правка чистовой шлифовальной головки. Шлифовальная головка с зернистостью алмаза 7–10 мкм на полиуретановой связке была изготовлена по специальному заказу в ООО НПК «Электрокристалл» (Россия). На рис. 10а, b показаны замеры чистовой шлифовальной головки до и после правки. Правка выполнена на тех же режимах, что и для черновой шлифовальной головки. Полученный радиус составил также R = 0,1 мм.
Технология обработки пуансонов
Для обработки пуансонов с линейным параболическим профилем для станка «Асферика Ф‑3» была спроектирована специальная наладка. Схема обработки показана на рис. 11. Шлифовальная головка устанавливалась в высокоскоростной аэростатический шпиндель, закрепленный на кронштейне каретки Z. Обрабатываемая заготовка закреплялась на оправке, установленной на шипе оси Y. При обработке заготовка совершала колебательные движения в вертикальной плоскости, при этом на каждый двойной ход происходило смещение шлифовальной головки относительно заготовки по заданной траектории. Необходимая траектория обеспечивалась за счет одновременного перемещения кареток по осям Х и Z. Управляющая программа обеспечивает равномерный шаг по профилю параболы. Вместе с дополнительной вертикальной осью Y на каретке оси Х также располагалась наладка на правку шлифовальных головок.
Профиль параболы формировался обработкой с двух сторон отдельно, при этом для того, чтобы обеспечить отсутствие нестыковок на вершине параболы, осуществлялась точная привязка шлифовальной головки с двух сторон заготовки.
Разработанная технология обработки заготовок состоит из следующих этапов:
- Черновая обработка заготовки с целью выполнения обнижения с двух сторон от параболы;
- Метрологический контроль заготовки и черновой шлифовальной головки;
- Правка черновой шлифовальной головки для выполнения обработки по контуру;
- Метрологический контроль заправленной шлифовальной головки;
- Обработка требуемого профиля заготовки при помощи черновой шлифовальной головки;
- Метрологический контроль обработанной заготовки и коррекция управляющей программы в системе ЧПУ;
- Повторение пунктов 5 и 6 до достижения минимального отклонения обработанного профиля от теоретического. При необходимости требуется повторно выполнять правку шлифовальной головки;
- Правка чистовой шлифовальной головки;
- Обработка требуемого профиля заготовки при помощи чистовой шлифовальной головки;
Метрологический контроль обработанной заготовки;
- Повторение пунктов 9 и 10 до достижения требуемой шероховатости обрабатываемого профиля;
- Разворот заготовки на 90° и обработка обнижений линейного параболического профиля с двух сторон.
Результаты обработки пуансонов
По разработанной технологии был обработан ряд пуансонов с различным параболическим профилем. Формула, описывающая параболическую поверхность, была задана заказчиком изделий.
Обработка (рис. 12) выполнена на следующих режимах:
- частота вращения шлифовальной головки 20000 об / мин;
- величина смещения по профилю параболы на двойной шаг: 5 мкм при черновой обработке, 2 мкм при чистовой обработке.
- длительность двойного хода 1,7 секунды.
Последовательность формирования профиля параболической поверхности показана на рис. 13. Контроль обрабатываемых изделий выполнялся на видеоизмерительном микроскопе. 2D-профиль требуемой формы поверхности при помощи специального ПО микроскопа накладывался на получаемое изображение, и таким образом производилась оценка оставшегося припуска. На рис. 13 показана последовательность получения параболы типа 1 и 2. Обработанная деталь до и после обработки обнижений показана на рис. 14.
Выходной контроль пуансонов был выполнен на уникальной научной установке «Научно-образовательный многофункциональный комплекс подготовки и проведения синхротронных исследований» (УНУ «SynchrotronLike») с применением метода высокоразрешающей радиографии на основе микрофокусного лабораторного источника рентгеновского излучения MetalJet (с характеристической линией 9,251 кэВ (Ga Kα) и системой моторизованных подвижек [10]). Для регистрации изображений с высоким пространственным разрешением использовалась камера Rigaku с размером пиксела 0,55 мкм. Расстояние между источником излучения и образцом (комплектом пуансонов) составляло 38,3 см, а расстояние между образцом и камерой – 1,2 см. Основными критериями выбора метода измерения характерных параметров были выбраны воспроизводимость и достоверность результатов измерений, а также простота реализации и универсальность метода. На рис. 15 представлено радиографическое изображение комплекта пуансонов с номинальным радиусом 500 мкм (рис. 15а). Анализ полученных изображений и измерение точности параболического профиля пуансонов (рис. 15b, c) был выполнен с помощью метрологического подхода, применяемого для диагностики рентгеновских СПЛ [11].
По результатам исследования качества пуансонов и их соответствия проектным требованиям было экспериментально показано, что предложенная технология обработки пуансонов с линейным параболическим профилем обеспечивает необходимую точность параболической поверхности инструмента для изготавливаемых преломляющих линз, полностью удовлетворяющих требованиям современных источников синхротронного излучения.
Выводы
Разработана и реализована на практике технология обработки пуансонов с линейным параболическим профилем. Для обеспечения кинематики обработки на имеющемся в наличии оборудовании разработана дополнительная вертикальная ось Y с аэростатическими направляющими. Также представлена технология правки шлифовальных головок с определенным радиусом кромки.
По разработанной технологии обработан ряд пуансонов с линейным параболическим профилем. Исследование качества и точности обработанных поверхностей показали, что достигнута необходимая точность и шероховатость поверхности. Также подтверждена возможность выполнения заправки шлифовальных головок на требуемый радиус.
Исследование точности заправленных шлифовальных головок и точность профиля обработанных пуансонов выполнено при помощи видеоизмерительного микроскопа.
Перспективой развития разработанной технологии обработки пуансонов является создание ультрапрецизионного станка, позволяющего повысить автоматизацию и производительность. Такой станок должен иметь следующие особенности:
- три линейные управляемые оси на аэростатических опорах (X, Y, Z);
- одна круговая ось С, также выполненная на аэростатических опорах для точного поворота пуансона;
- наличие высокоскоростного аэростатического шлифовального шпинделя (ось S);
- наличие шпинделя для правки шлифовальных головок (ось S1);
- наличие встроенного микроскопа для контроля заготовок и шлифовальных головок на станке.
Разработкой и изготовлением станков такого типа по техническому заданию заказчика занимается ООО «НПО Асферика».
Благодарность
В работе использовано оборудование уникальной научной установки «Научно-образовательный многофункциональный комплекс подготовки и проведения синхротронных исследований» (УНУ «SynchrotronLike»). Экспериментальное исследование высокоточного инструмента было поддержано из средств программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» БФУ им. И. Канта. Приобретение необходимых расходных материалов было выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по гранту № 075-15-2021-1362.
REFERENCES
Snigirev A. et al. A compound refractive lens for focusing high-energy X-rays. Nature. 1998. 384(6604): 49–49. DOI: 10.1038/384049a0.
Roth T. et al. Materials for x-ray refractive lenses minimizing wavefront distortions: 6. MRS Bull. 2017. Vol. 42, № 6. P. 430–436. DOI: 10.1557/mrs.2017.117.
Snigireva I., Polikarpov M., Snigirev A. Diamond X-Ray Refractive Optics. Synchrotron Radiation News. 2021; 1–9.; DOI: 10.1080/08940886.2021.2022387..
Narikovich A. et al. CRL-based ultra-compact transfocator for X-ray focusing and microscopy: 4. J. Synchrotron Radiat. 2019; 26(4). DOI:10.1107/S1600577519005708.
Lengeler B. et al. Parabolic refractive X-ray lenses: 3. J. Synchrotron Radiat. 2002; 9(3): 119–124. DOI:10.1107/S0108767305099125.
Lyatun I. I., Goikhman A. Y., Ershov P. A., Snigireva I. I., Snigirev A. A. On the Problem of the Metrology of Refractive X-ray Optics. J. Surf. Investig. X-Ray Synchrotron Neutron Tech. 2015; 9(3): 446–450. DOI: 10.1134/S1027451015030076.
Tummler J. Development of Compound Refractive Lenses for Hard X Rays. A Novel Instrument in Hard X-ray Analysis. – Aachen: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH). 2000.
Shavva M. A., Grubyi S. V. Diamond Grinding of Hard-Alloy Punches Using Wheels With a Multilayer Composite Electrolytic Coating. Russian Engineering Research. 2020;40(10): 826–832. DOI: 10.3103/S1068798X2010024X.
Шавва М. А., Грубый С. В. Алмазное шлифование твердосплавных пуансонов шлифовальными кругами с многослойным композиционным электролитическим покрытием. Вестник машиностроения. 2020;7:41–47. DOI 10.36652/0042-4633-2020-7-41-47.
Shavva M. A., Grubyi S. V. Sherokhovatost’ poverkhnosti tverdosplavnikh puansonov pri shlifovanii almaznimi krugami, izgotovlennimi po tehnologii mnogosloinogo kompozicionnogo electroliticheskoko pokritiya. Izvestiya vysshikh ychebnikh zavedeniy. Mashinostroeniye. 2018; 9 (702):10–17. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-9-10-17.
Шавва М. А., Грубый С. В. Шероховатость поверхности твердосплавных пуансонов при шлифовании алмазными кругами, изготовленными по технологии многослойного композиционного электролитического покрытия. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018; 9(702):10–17. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-9-10-17.
Barannikov A., Shevyrtalov S., Zverev D., Narikovich A., Sinitsyn A., Panormov I., Snigireva I., Snigirev A. Laboratory complex for the tests of the X-ray optics and coherence-related techniques. Proc. SPIE 11776. EUV and X-ray Optics, Sources, and Instrumentation, 117760D (18 April 2021). DOI: 10.1117/12.2582687.
Narikovich A., Zverev D., Barannikov A., Lyatun I., Panormov I., Sinitsyn A., Snigireva I., Snigirev A. Metrological approach for diagnostics of x-ray refractive lenses. AIP Conference Proceedings. 2020; 2299:060006. DOI: 10.1063/5.0031371.
АВТОРЫ
Лапшин Василий Владимирович, старший инженер-исследователь, ООО «Научно-производственное объединение Асферика»,
lapshin_v@aspherica.ru, Москва, Россия
ORCID: 0000-0002-6971-8534
Захаревич Евгений Мефодьевич, главный технолог, ООО «Научно-производственное объединение Асферика», zaharev@gmail.com, Москва, Россия
ORCID: 0000-0001-6997-3335
Нарикович Антон Сергеевич, инженер-исследователь, Балтийский Федеральный Университет им. Иммануила Канта, anarikovich@kantiana.ru, г. Калининград, Россия.
ORCID: 0000-0003-2570-1818
Коротков Александр Сергеевич, лаборант, Балтийский Федеральный Университет им.и Иммануила Канта, askorotkov9@gmail.com, г. Калининград, Россия.
ORCID: 0000-0001-9425-8368
Лятун Иван Игоревич, научный сотрудник, Балтийский Федеральный Университет им. Иммануила Канта, ILyatun@kantiana.ru, г. Калининград, Россия.
ORCID: 0000-0002-4988-8077
Снигирев Анатолий Александрович, к. ф.‑ м. н., профессор, директор МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс», Балтийский Федеральный Университет им. Иммануила Канта, ASnigirev@kantiana.ru, г. Калининград, Россия.
ORCID: 0000-0002-8892-1925
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Лапшин В. В., Захаревич Е. М.: разработка технологии изготовления пуансонов, технология заправки шлифовальных головок; Нарикович А. С.: анализ литературы, описание результатов, формирование выводов исследования; Коротков А. С.: сбор экспериментальных данных, табличное и графическое представление результатов; Лятун И. И.: постановка методики исследование, проведение исследований и формирование выводов исследования; Снигирев А. А.: внес существенный вклад в концепцию и дизайн исследований, осуществил критический пересмотр статьи на предмет важного интеллектуального содержания, одобрил окончательную версию статьи перед ее подачей для публикации.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы утверждают, что у них нет конфликта интересов. Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива. Все авторы принимали участие в написании рукописи в части своего вклада в работу.
Отзывы читателей
