Модернизация технологии производства оптических деталей коллиматорных прицелов

Размещено на http://www.allbest.ru/

федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждениевысшегообразования

«Вологодскийгосударственныйуниверситет»

Институт машиностроения, энергетики и транспорта

наименованиеинститута

Кафедратехнологии машиностроения

наименованиекафедры

АВТОРЕФЕРАТ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

Машиностроение

Инновационные технологии в машиностроении

Модернизация технологии производства оптических деталей коллиматорных прицелов

Егорова Яна

Вологда

2019г.



ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Успешное развитие оптического производства напрямую зависит от освоения новых технологических процессов, совершенствования имеющихся технологических процессов, изготовления оптических деталей из новых материалов с особыми свойствами, улучшения качества выпускаемой продукции, а также от создания среды для создания и развития инноваций.

В современном оптическом производстве обрабатываются оптические материалы разного химического состава, которые обладают различными свойствами. Зачастую это оказывает значительное влияние на производственный процесс. Важно обладать знаниями, уметь своевременно принимать ответственные технологические решения, препятствовать образованию брака. Для этого необходимо непрерывно совершенствоваться, изучать новые технологии в оптическом производстве и применять их на практике.

Цель данной работы заключается в расшивке «узкого места» технологического процесса изготовления оптической детали коллиматорного прицела, которое было обнаружено в ходе проведения анализа работы участка, путем модернизации.

В оптическом производстве, так же как в любой отрасли машиностроения, принципиально важна качественная обработка деталей. Каждая операция, входящая в технологических процесс изготовления оптической детали, влияет на получаемый результат. Без правильно выполненного процесса шлифования не удастся добиться требуемой чистоты и качества поверхности после полирования, некачественно отполированная деталь негативно повлияет на процесс нанесения покрытия, плохо нанесенное покрытие может привести к расклейке двух склеенных деталей.

Таким образом, очевидна взаимосвязь всех технологических операций и их влияние на конечный результат. Это свидетельствует о необходимости повышения производительности, обеспечения стабильности получения годных деталей.

В первой главе рассмотрены оптические материалы, виды оптических деталей, а также их свойства.

Оптические детали изготавливаются из материалов, которые прозрачны для лучей света и имеют высокую оптическую однородность. Детали из таких материалов должны сохранять форму и прецизионную точность обработанных поверхностей в течение всего срока эксплуатации, а также обладать стойкостью к воздействию механических усилий и климатических факторов.

Важнейшим показателем возможности использования материала в качестве оптического служит его способность образовывать полированные поверхности высокой степени чистоты. Кроме того, в ряде случаев оптические материалы должны обладать и рядом особых свойств, например, избирательно пропускать свет, иметь стойкость к радиационному излучению и др.

Материалами, которые обладают такими свойствами, являются оптические неорганические и органические стекла, оптические кристаллы и керамика.

В данной работе будут рассматриваться оптические стекла, поскольку именно они получили наибольшее распространение в качестве оптического материала, потому что обладают хорошими технологическими и эксплуатационными качествами.

Стеклом называется аморфное вещество, полученное путем переохлаждения расплава определенного химического состава, приобретающее в результате увеличения вязкости свойства твердого тела, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

Стекла обладают определенными признаками:

Ч аморфное состояние вещества;

Ч твердость при обычной температуре;

Ч прозрачность, хотя бы для некоторой части спектра видимого изучения;

Ч малая теплопроводность;

Ч малая электропроводность;

Ч стойкость к реагентам атмосферы и воды;

Ч однородность по всему объему.

Стекла, обладающие такими признаками, называются промышленными, техническими или оптическими, в зависимости от их назначения. В их состав входят окислы, делящиеся на кислотные (SiO₂, B₂O₂, P₂O₅), основные (CaO, Na₂O, K₂O, BaO), а также двойного действия (Al₂O₃).

Определение оптического стекла в узком смысле звучит так: это материал, который идет на изготовление деталей оптических систем приборов и отличается наивысшими показателями качества, связанными с однородностью и повторяемостью свойств, по всему объему.

Оптические детали нужны для пропускания и отраженияпучков света, а также для изменения спектрального состава этих пучков, смены направления хода луча и изменения его свойств. Оптическая деталь - это оптический материал, ограниченный в пространстве тремя видами поверхностей: исполнительными, вспомогательными и свободными.

В зависимости от геометрической формы и назначения, оптические детали делятся на следующие виды: линзы, призмы, клинья, зеркала, сетки, светофильтры, защитные стекла и другие.

Согласно определению А.В. Сулима, линзой называется сферическая оптическая деталь, ограниченная двумя преломляющими поверхностями.

Типы линз и ход лучей в них представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Типы линз:

1 - двояковыпуклая; 2 - плоско-выпуклая; 3 - вогнуто-выпуклая; 4 - двояковогнутая; 5 - плоско-вогнутая; 6 - выпукло-вогнутая; 7 - колпачок; 8 - шарик

Призма - это плоская оптическая деталь, ограниченная преломляющими плоскостями, расположенными под углом рисунок 1.2.

Рисунок 1.2 - Типы призм:

1 - прямоугольная; 2 - ромбическая; 3 - пентапризма; 4 - призма с крышей

Основное назначение призмы - изменять направление хода луча, оборачивать изображение. Помимо этого, применение призм в оптической системе уменьшает размеры приборов и делает их удобными в эксплуатации.

Клин - это плоская оптическая деталь, ограниченная в пространстве двумя преломляющими плоскостями, расположенными под небольшим углом от нескольких угловых минут до нескольких градусов.

Пластина - это оптическая деталь, ограниченная двумя параллельными преломляющими плоскостями. Пластины могут быть любой конфигурации и иметь форму квадрата, прямоугольника, круга или обладать сложной несимметричной геометрией. Кроме того, они могут иметь скосы, пазы, лыски. Основной задачей пластины в приборе является защита других оптических деталей от атмосферных условий (защитные стекла), для выделения световых лучей нужного цвета (светофильтры). или в качестве сеток для измерительных целей. Сетками называются пластины, на которые наносятся гравировку и условные знаки. Пластины, на которые планируется нанесение сеток, на этапе шлифовки и полировки называются в производстве подложками для сеток.

Зеркало - это оптическая деталь с одной отражающей поверхностью или одной отражающей и одной преломляющей поверхностью. Зеркала могут быть как плоскими, так и сферическими. Плоские зеркала используются для изменения направления луча,в то время как задача сферическихзеркалал -получение изображения. На исполнительную полированную поверхность зеркала наносится покрытие, например, тонкий слой серебра, или чередующиеся слои веществ с высокими и низкими показателями преломления.

В зависимости от требований к оптической детали и выполняемых ею функций, осуществляется выбор марки стекла, поскольку разные марки стекла обладают различными свойствами.Однако помимо специальных свойств, характерных для определенного типа стекла, есть общие принципиально важные свойства, которые актуальны для всех оптических стекол. Они таковы: высокая прозрачность, чистота, однородность и заданный коэффициент преломления.

Свойства стекла делятся на несколько групп, а именно:

1. Механические свойства:

1.1 прочность;

1.2 твердость;

1.3 хрупкость;

1.4 упругость.

2. Тепловые свойства:

2.1 удельная теплоемкость;

2.2 теплопроводность;

2.3 тепловое расширение;

2.4 термостойкость;

2.5 температура спекания.

3. Химические свойства

3.1 устойчивость к действию влажной атмосферы (например, для силикатныых стекол принято деление на: А неналетоопасные, Б промежуточные, В налетоопасные);

3.2 устойчивость к действию пятнающих реагентов (как для силикатных, так и для несиликатных стекол характерно деление на следующие группы: I непятнающиеся, II средней пятнаемости, III пятнающиеся, IV нестойкие стекла, требующие применения защитных покрытий).

Бесцветные оптические стекла условно делятся на две группы: кроны и флинты. Это деление связано с тем историческим периодом, когда для исправления хроматических аберраций в объективе была впервые применена пара линз из двух стекол, названных крон и флинт. Флинтовые стекла имеют значительно больший показатель преломления и меньший коэффициент дисперсии, чем кроновые. Это достигается за счет введения в состав стекла окислов свинца. Таким образом, флинты - это стекла, имеющие в составе более 3% PbO.

На любом оптическом чертеже в правом верхнем углу можно увидеть особую таблицу, состоящую из трех блоков: требования к оптическому стеклу (показатели качества оптических стекол), требования к обработке (показатели качества оптических деталей) и справочные требования.

К первому блоку относятся требования к оптическому стеклу, как к сырью, т. е. их обязан обеспечить стекловаренный завод. К таким требованиям относятся:

1. отклонение от показателя преломлениям n_e;

2. отклонение от средней дисперсииn_F'- n_C';

3. оптическая однородность;

4. двулучепреломление;

5. показатель ослабления е_А;

6. бессвильность;

7. пузырность.

Второй блок относится к требованиям на обработку. В него входят требования к отклонению поверхности N, отклонению ее формыN, чистоте поверхности P, допуску на пирамидальность, клиновидность, разнице углов в 45^о и т. д.

Вторая глава посвящена технологии изготовления оптической детали.

Шлифование и полирование оптических поверхностей занимает в среднем 90% трудоемкости всего технологического процесса. Научное представление процессов полирования и шлифования свидетельствует об их единстве, поскольку именно механическое воздействие в обоих процессах имеет превалирующее значение, в то время как химическое воздействие воды второстепенно. Так же о единстве этих двух процессов свидетельствует и то, что при обработке поверхности, как при шлифовании, так и при полировании стекло разрушается, и в том же процессе образуется новая поверхность, качественно отличающаяся от исходной поверхности. Закономерности процессов шлифования довольно полно изучены и отражены в специальной литературе такими авторами, как М.Н. Семибратов, В.Г. Зубаков и другими. Однако следует помнить, что хоть процессы полирования и шлифования сходны, они так же имеют и существенные различия.

В технологическом процессе обработки заготовок оптических деталей операции шлифования направлены на удаление припуска, придание детали заданных размеров и формы, подготовку поверхности по шероховатости к последующему полированию или завершение обработки вспомогательных поверхностей. Существует грубое и тонкое шлифование.

Грубое шлифование необходимо для снятия шамотной корки, большей части припуска, сохранения слоя припуска расчетной толщины для последующего уточнения размеров и формы детали. Производится до тех пор, пока поверхность не будет характеризоваться шероховатостью 20-40 мкм.

Тонкое шлифование придает заготовке размеры, заданные чертежом детали, подготавливает форму и шероховатость исполнительных поверхностей для последующего полирования.

Шлифование может вестись как закрепленными абразивными зернами, там и суспензиями абразивных порошков.

К исполнительной поверхности, которая прошла технологическую операцию тонкого шлифования, предъявляется несколько главных требований.

1. Размеры дефектов шлифованных поверхностей (царапины, точки, выколки) не должны превышать оговоренные техническими требованиями. Их контролируют при помощи шестикратной лупы.

2. Размеры микронеровностей на шлифованных поверхностях по всех обработанной площади должны быть одинаковыми.

3. Геометрическая форма шлифованных поверхностей должна быть совершенной. Погрешности формы могут быть как общими в виде некоторой цилиндричности сферической или плоской поверхности, так и местными: круговыми, зональными или несимметрично расположенными буграми и ямами.

4. Расположение исполнительных оптических поверхностей одна относительно другой должно быть выдержано в пределах допуска.

Полирование как операция в технологическом процессе производится после тонкого шлифования. К этому моменту заготовка уже обработана до размеров, заданных чертежом детали. Таким образом, операция полирования предназначена для уменьшения микронеровностей, т. к. шероховатость поверхности после процесса полирования установлена равной 0,05-0,1 мкм, а также процесс полирования необходим для придания исполнительным поверхностям полной прозрачности для прохождения света и обеспечения заданных значений N, N, P.

Полирующие порошки состоят из окислов металлов (железа, церия, лантана) с размерами зерен 0,2-5 мкм. Они взвешены в воде и находятся между притирающимися поверхностями полировальника и стекла.

Полировальник имеет рабочий слой из смолы или из сукна. Рабочая поверхность вязкого полировальника, благодаря пластической деформации, выглаживается по шлифованной поверхности.

Зерна срезают вершины рельефного слоя, и они сразу становятся гладкими, то есть полированными. При дальнейшей обработке размеры полированных площадок увеличиваются, а высота неровностей уменьшается.

Шлифование длится минуты, в то время как полирование - часы. В среднем время полирования превышает время шлифования в 20 раз.

Появление дефектов чистоты на исполнительных поверхностях усиливается при длительном полировании, которое бывает необходимо для удаления трещиноватого слоя в стекле, и зависит в большей степени от недостаточной чистоты полирующих материалов, а также культуры чистоты в производственных помещениях. Таким образом, полировальный инструмент, рабочее место, одежда и руки оптика должны оберегаться от попадания абразивных порошков, потому что их зерна царапают поверхность.

Круглое шлифование линз, иначе называемое центрированием, требуется для обработки детали по диаметру до размера, заданного чертежом, а также совмещения ее геометрической оси с оптической осью. До этой технологической операции они не совпадают и находятся под углом из-за погрешности установки заготовок при обработке преломляющих поверхностей.

На преломляющие и отражающие поверхности оптических деталей наносят покрытия - тонкие пленки различных веществ. Это позволяет изменять оптические характеристики деталей и придавать им новые свойства.

Покрытия могут иметь разное количество слоев, т. е. быть однослойными, двухслойными, многослойными, а также состоять из чередующихся слоев пленок различных веществ. В зависимости от назначения и физических свойств покрытия делятся на группы.

Наиболее распространенным способом соединения оптических деталей является их склеивание. Зачастуютехнология склеивания оптических деталей состоит из следующих операций.

1. Подготовка деталей, которая состоит из двух последовательно выполняемых операций: комплектации деталей и промывки склеиваемых поверхностей органическими растворителями.

2. Подготовка клея, в зависимости от выбранной марки клея.

• Нанесение клея производится с помощью специальной стеклянной палочки-капельницы на верхнюю вогнутую поверхность нижней линзы. Затем накладывается верхняя линза и круговыми движениями притирается к нижней. оптический стекло коллиматорный призма

3. Юстировка и фиксация найденного положения деталей выполняется с помощью центрировочных микроскопов с коллиматором.

4. Удаление клея с боковых поверхностей выполняется механически.

5. Выдержка склеенных деталей.

6. Контроль склеенных деталей выполняется по расклейкам и царапинам.

В третьей главе подробно рассмотрен технологический процесс изготовления линзы. Проведен анализ основных технологических операций для изготовления оптической детали коллиматорного прицела открытого типа, и сделан вывод о необходимости модернизации технологии.

Технологический процесс изготовления детали должен обеспечивать возможность изготовления изделия в соответствии с рабочей конструкторской документацией на него. Это позволит реализовать базовые показатели технологичности конструкции изделия, а также выполнить требования техники безопасности и охраны труда.

В основе разработки технологических процессов лежат два принципа - экономический и технический. Технический принцип отвечает за обеспечение выполнения всех требований чертежа и технических условий на изготовление, в то время как задача экономического принципа - выполнить эти требования с минимальными затратами таких ресурсов, как сырьевые, энергетические и человеческие. Таким образом, разработка технологического процесса - это поиск оптимального для производства способа перехода от полуфабриката к готовой детали или сборочной единице.

Прицел коллиматорный открытого типа предназначен для точной наводки спортивного и охотничьего оружия по различным целям, в том числе по быстродвижущимся. Такой прицел представлен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Прицел коллиматорный открытого типа

Как видно на рисунке, исходя из конструкции корпуса, оптическая деталь имеет достаточно сложную геометрическую форму и представляет собой часть линзы.

Получение оптической детали такой формы достигается путем распиловки двух склеенных линз согласно конструкторской документации. Таким образом, чтобы изготовить требующуюся оптическую деталь, требуется изготовить вогнуто-выпуклую линзу и мениск, потом произвести их склеивание, чтобы получить оптическую деталь, и затем провести распиловку полученной склейки согласно чертежу.

Обобщенная схема технологического процесса обработки заготовок линз представлена на рисунке 3.2.

Все операции обработки заготовок линз делятся на три группы:

Ч грубое шлифование исполнительных поверхностей и диаметра;

Ч тонкое шлифование и полирование исполнительных поверхностей, центрирование и фасетирование;

Ч дополнительная обработка заготовок - нанесение покрытий и склеивание.

Первоначально распиловка склеенной оптической детали, которая на операции распиловки является заготовкой, производилась на распиловочном станке алмазным отрезным кругом. Оставлялись внушительные припуски по краю на дальнейшую шлифовку вручную, и, как следствие, из одной заготовки можно было получить только одну готовую деталь.

Кроме того, поскольку заготовка не наклеивалась на приспособление, а зажималась в тисках, в момент входа и выхода режущего инструмента зачастую происходил раскол детали, т. е. неисправимый брак.

Поскольку шлифовка контура в размер производилась вручную, это занимало длительное время и снижало производительность. Дело в том, что помимо подгонки в размер, необходимо также выдержать параллельность боковых граней, соответственно, это тоже удлиняло время обработки и повышало риск возникновения брака. Кроме того, скругления на краях по контуру так же наносились вручную, ввиду чего имел место технологический брак, когда рабочий не мог нанести вручную требуемый радиус. Если он получался меньше, деталь впоследствии не поместится в корпус, если больше - будет зазор, который приведет к несоответствию товарного вида изделия.

Рисунок 3.2- Обобщенная схема технологического процесса обработки заготовок линз

Так же причиной отхода большого количества деталей в брак служили выколки на ребрах боковых поверхностей,полученные в результате распиливания без использования необходимого наклеечного приспособления. Такие выколкине всегда можно закрыть фаской. Если размер нанесенной фаски будет превышать заданное значение в чертеже, это приведет к уменьшению светового диаметра, что недопустимо для дальнейшей работы прицела.

Таким образом, очевидна необходимость модернизации технологической операции распиловки для повышения производительности, обеспечения стабильного получения качественных деталей, сокращения ручного труда, снижения количества неисправимого брака.

Технологическую операцию распиловки предлагается производить в два этапа на фрезерном станке с числовым программным управлением.

Прежде всего, заготовка покрывается защитным лаком по два слоя на каждую исполнительную полированную поверхность.

Первый этап: на заготовке, наклеенной с помощью воска на разработанное наклеечное приспособление, алмазным отрезным кругом по управляющей программе наносятся три пропила с припусками. Поскольку требуемые на дальнейшую обработку припуски гораздо меньше, из одной заготовки можно получить две готовые детали.

В ходе модернизации было разработано и изготовлено наклеечное приспособлениедля первого этапа обработки. Данное приспособление изготовлено из стали, имеет возможность быть зажатым в тиски фрезерного станка. Кольцо необходимо для предотвращения растрескивания заготовки во время распиловки, а также помогает правильно расположить заготовку в момент наклеивания. Оно является съемным, что позволяет легко промыть приспособление от остатков воска, в котором мог остаться шлам стекла. Промывать приспособление необходимо для предотвращения образования царапин на последующих обрабатываемых деталях.

После первого этапа две получившиеся заготовки переклеиваются так же с помощью воска на другое наклеечное приспособление. Оно отличается от предыдущего тем, что у него отсутствует фиксирующее кольцо по контуру. Это нужно для того, чтобы впоследствии алмазный инструмент мог произвести фрезеровку по контуру.

Далее производится фрезеровка детали по контуру с помощью алмазной головки согласно управляющей программе.

Таким образом, после модернизации практически полностью исключается ручной труд, за исключением нанесения фасок по контуру, а также вдвое увеличивается количество получаемых годных деталей из прежнего количества заготовок.

Вышеперечисленные факторы значительно уменьшили время обработки одной детали, практически исключили образование брака, повысили производительность.

Кроме того, вследствие модернизации стопроцентно исключены ошибки геометрической формы получаемой детали, поскольку финишная обработка ведется на станке с ЧПУ по управляющей программе.

В приложениях представлена конструкторская и технологическая документация на изготовление оптической детали коллиматорного прицела, а также текст управляющей программы для станка с числовым программным управлением.



ВЫВОДЫ И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В ходе работы было проведено исследованиесвойств оптических материалов, их разновидностей, а также показателей качества. Помимо этого, были рассмотрены виды оптических деталей, их особенности и назначение.

Для того, чтобы принять решение о необходимости модернизации технологического процесса изготовления оптической детали коллиматорного прицела, был проведен подробный анализ основных технологических операций, таких как шлифование, полирование, центрирование, нанесение покрытий и склеивание, а также рассмотрен типовой технологический процесс изготовления линзы.

В ходе анализа было определено «узкое место», это та операция, на которой отходило большое количество деталей из-за несоответствия требованиям чертежа.

Были выяснены причины брака, а именно отсутствие наклеечного приспособления, обработка вручную, и, как следствие, сложность выдерживания требований чертежа, больше количество сколов по краю деталей.

Из вышеизложенного был сделан вывод о необходимости модернизации технологии путем обработки оптической детали на станке с числовым программным управлением, разработке и изготовлении специализированных наклеечных приспособлений для двух последовательных операций распиливания и фрезерования, выбору необходимого алмазного инструмента для этих операций и разработке управляющей программы для станка.

После изготовления пробной партии был сделан вывод о целесообразности внедрения модернизированного технологического процесса, поскольку результат был однозначно положительным. Ввиду того, что обработка стала более точной, из одной заготовки стало возможным получить две готовые детали. Это существенно повысило производительность. Кроме того, случаи раскола детали на вхоже и выходе алмазного отрезного круга практически исключились, а количество выколок на ребрах торцевых граней деталей значительно снизилось.

Так же в ходе работы был разработан технологический процесс на изготовление линзы, входящей в склейку, технологический процесс на склеивание двух линз и технологический процесс после модернизации на операции распиливания и фрезерования оптической детали по контуру.

Поставленная цель работы успешно выполнена.

Размещено на Allbest.ru