Способ обработки оптических поверхностей

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ путем распыления материала детали потоком ионов, направленным под углом к обрабатываемой поверхности при одновременном ее вращении, отличающийся тем, что, с целью повышения качества обработки, перед распылением на материал детали потока ионов, проводят ее нагрев до температуры, соответствующей температуре нагрева ионным источником, но не превышающей температуру отжига, со скоростью, не превышающей пороговой скорости нагрева материала детали, а распыление прекращают при визуальном обнаружении однородного свечения детали и ореола вокруг нее.

Изобретение относится к производству оптических деталей, в частности к финишной обработке полированных оптических деталей.
Целью изобретения является повышение качества обработки оптических поверхностей.
На фиг. 1 приведено устройство для реализации способа ионного распыления; на фиг. 2 график изменения температуры нагрева детали от времени распыления при разных углах бомбардировки ионами аргона поверхности детали; на фиг. 3 график изменения установившейся температуры от угла бомбардировки панели аргона разной мощности ионного потока.
Устройство содержит вакуумную камеру 1 со смонтированным окном 2, в котором установлен стол-держатель 3 с механизмом 4 вращения, ионный источник 5, деталь 6. В вакуумную камеру для контроля качества покрытия встроен микроскоп 7.
Суть способа заключается в следующем (фиг. 1). Контролируемую деталь 6 помещают на стол 3, который имеет пять степеней свободы и расположен в вакуумной камере 1, которая откачивается до предельного давления 10^-6 мм рт. ст. после чего деталь 6 нагревают до температуры меньше температуры отжига, причем не превышающей температуры возможного нагрева ионным источником. Нагрев производят со скоростью, не превышающей пороговой скорости нагрева. Затем стол 3 с деталью 6 начинают вращать с помощью механизма 4 вращения. Затем на поверхность 8 детали 6 распыляют ионный поток 9 под углом 60^о 80^о, используя ионный источник 5. За процессом распыления непрерывно наблюдают через окно 2 в камере 1. По достижении однородного свечения поверхности 8 детали 6 и ореола 10 вокруг детали 1 процесс распыления прекращают. Затем проводят контроль поверхности 8 детали 6 с помощью микроскопа 7 с увеличением порядка 100^*, который вмонтирован в вакуумную камеру 1 и позволяет, не разгерметизируя камеру 1, проводить контроль поверхности 8.
Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем. При взаимодействии ускоренных ионов с поверхностью твердого тела процесс распыления сопровождается нагревом детали. Как видно из фиг. 2, изменение температуры имеет определенную зависимость от времени. По истечении некоторого времени процесс нагрева стабилизируется или изменение температуры незначительно, т.е. при данном угле бомбардировки ионами поверхности ионный источник может нагреть деталь только до определенной температуры. В начальный момент распыления скорость нагрева очень высокая и возникает разница температур между температурами на поверхности детали и внутри нее. Возникающий градиент температур влияет на образование механических напряжений в детали, а те в свою очередь влияют на оптические свойства и геометрические параметры детали. Поэтому для устранения температуры, т.е. устранения разности температур на поверхности и внутри детали, последнюю нагревают со скоростью, не превышающей пороговой скорости нагрева детали, вызывающей возникновение в ней механических напряжений.
При нагреве детали возможно невосстановление исходных геометрических размеров детали и потеря ее формы, поэтому нагревать деталь необходимо до температуры, не превышающей температуру отжига. Однако при работе с высокими температурами усложняется процесс работы с оптической деталью, увеличивается трудоемкость. Отсюда температуру нагрева нужно брать минимально возможную, но привести в соответствие с температурой, до которой может нагреть деталь ионный источник, бомбардируя ионами поверхность детали, ведь ионный источник имеет конкретную мощность. Температуру, до которой может нагреть ионный источник, можно уменьшить, увеличивая угол. Оптимальная температура нагрева выбирается из следующих соображений, чтобы предполагаемый способ был достоверным и нетрудоемким.
Эффект проявления скрытого дефекта полированной поверхности объясняется различием коэффициента распыления материала детали и материала, заполняющего дефект. Для надежности вскрытия дефектов проводится контроль не только поверхности, но и процесса распыления. Контроль за процессом распыления проводят как по однородности излучения самой поверхности детали, так и по свечению ореола вокруг нее. Материалы при взаимодействии ускоренных ионов с твердым телом излучают электромагнитные волны определенной длины. При распылении наступает такой момент, при котором стравится инородный материал, заполняющий дефекты, и распыливаться будет только один материал материал детали, а отсюда ускоренные ионы, взаимодействуя с одним материалом, вызывают однородное излучение одного цвета.
Зная материал детали, ее размеры, температуру отжига, скорость нагрева, температуру неответственного охлаждения, т. е. температуру, при которой возможно самостоятельное охлаждение детали (такая температура, для которой скорость охлаждения детали при разгерметизации камеры не превышает предельно допустимую, а значит, не вносятся механические напряжения), параметры ионного источника, зависимость Т=f(t) и Т=f( ), и учитывая, что коэффициент распыления, а значит, и скорость распыления материала зависят от угла бомбардировки, выбираем угол бомбардировки ускоренными ионами поверхности детали так, чтобы меньше нагревать деталь, но сохранять высокую скорость распыления.
П р и м е р 1. Предлагаемым способом проводили выявление скрытых дефектов на полированных поверхностях несимметричных двояковыпуклых линз диаметром 73 мм, ограниченных двумя сферическими поверхностями с радиусами R 103,51 и 414,0 мм и боковой цилиндрической поверхностью, толщина в центре d 12,2 мм. Линзы из стекла марки КУ-1. Поверхности линз шлифовали порошком М20, М10, а затем полировали поляритом на станке 2ШП-200 М с двух сторон до требуемых размеров. Точность деталей: N=1, N=0,1 (где N отступление от заданного радиуса; N местные ошибки), класс чистоты поверхностей Р=I-III. Погрешность измерения N и N в кольцах не более соответственно 0,5 и 0,04, d 0,002 мм. Количественная оценка чистоты поверхностей определялась по методике ГОСТ 11141-84. Перед контролем поверхности детали ее предварительно очищали. В качестве базовой установки, на которой проводили испытания способа, использовали установки УВН-71П-3. В качестве ионного источника использовали автономный ионный источник типа "Радикал". Устойчивый режим работы источника U= 1,5-4 кВ, j= 10-20 А/м². Пучок ионов представляет кольцо с внешним диаметром 0,1 м на расстоянии от источника до поверхности детали 0,25 м, толщина кольца 0,03 м. Температура отжига стекла марки КУ-1 равна 980^оС, скорость нагрева данных линз 2^оС/мин, температура неответственного охлаждения 200^оС, зависимость установившейся температуры от угла бомбардировки при разных параметрах ионного источника представлена на фиг. 3.
Линзы из стекла марки КУ-1 закрепляют на столе в вакуумной камере. Откачивают камеру до давления 1х10^-6 мм рт. ст. После чего начинают нагрев. Для равномерности вскрытия дефектов столику с деталью придают вращение. Скорость вращения 50 об/мин. В начальный момент бомбардировки поверхности детали на ней заметно неоднородное свечение поверхности. Цвет поверхности: пятна розового, темно-синего и фиолетового цвета. После приобретения однородного цвета (светло-розового) на поверхности детали и появления однородного ореола розового цвета вокруг поверхности детали, процесс прекращают. Время вскрытия дефектов равно 0,5-2,5 мин. После окончания процесса распыления, не разгерметизируя камеры, деталь подводится под микроскоп и исследуется поверхность. Если обнаружены царапины и они не соответствуют требованиям чертежа, деталь достают из камеры и отдают на доработку (брак по чистоте). Если деталь соответствует требованиям чертежа, деталь отправляется на дальнейшие операции. На данной установке можно многократно проводить операции ионно-лучевой обработки и контроля качества поверхности, не разгерметизируя камеру. Как показывают испытания на линзах, если нарушен технологический процесс полировки, выявляются царапины (чистота поверхности ухудшается). Замечено, что в течение 0,5-2,5 мин появляется однородное свечение. Если проводить дальнейшую ионно-лучевую обработку, то некоторые царапины растравливаются и увеличиваются в размерах, а некоторые стравливаются и исчезают вовсе.
Результаты испытаний показывают, что данным способом возможно выявить скрытые дефекты. Однако при бомбардировке под углом 0-60^о возникает брак деталей по местной ошибке (ухудшается N), а при бомбардировке под углом больше 80^о достоверность способа уменьшается. Таким образом, угол бомбардировки лежит в пределах 60^о 80^о.
П р и м е р 2. Предлагаемым способом проводят выявление скрытых дефектов на полированых деталях из электрооптического материала (ДКДР дидейтерий фосфорнокислый калий). Деталь представляет собой плоскопараллельную пластину 28х10х0,5 мм, возможная скорость нагрева 15^оС/ч, температура отжига 152^оС, температура неответственного охлаждения 40^оС. Детали изготовлены из гигроскопического кристаллического материала с температурой фазового перехода 156^оС. Как и в предыдущем случае, детали размещают на столе 3 в камере 1 (фиг. 1) и откачивают камеру до давления P_o=10^-6 мм рт. ст. после чего деталь нагревают до 70^оС. Данной температуре соответствует угол бомбардировки поверхности детали =80^о при j=10 A/м² и U=2 кВ ионного источника (см. фиг. 3, кривая 3). Время до однородного свечения розового цвета составляет 2 мин. После операции контроля проводят охлаждение со скоростью 0,5^оС/мин до 40^оС, после чего напускают воздух и процесс выявления скрытых дефектов заканчивается. Результаты испытаний данного способа показывают, что, если нарушается процесс полировки (например, нарушается последовательность обработки абразивными порошками или не снята необходимая толщина материала), то с помощью предлагаемого способа всегда обнаруживаются скрытые дефекты.
При увеличении угла бомбардировки ускоренными ионами поверхности детали больше 80^о время вскрытия дефекта увеличивается, а достоверность вскрытия уменьшается, так как царапина при обработке скользящим пучком остается в тени, да и скорость распыления падает до 0 при >80^о, а при =90^о скорость распыления равна нулю. Эксперимент показал, что при обработке данным способом пластин из ДКДР при угле =85^о время вскрытия дефектов 5-10 мин, но не всегда удавалось обнаружить дефекты, хотя при углах меньше 80^о, на этих же деталях дефекты были вскрыты.
Изобретение относится к производству оптических деталей, в частности к обработке полированных оптических деталей из металлов и диэлектриков. Целью изобретения является повышение качества обработки оптических поверхностей. Способ заключается в том, что процесс ионной обработки оптической детали к поверхности, при этом обрабатываемую деталь вращают. Новым является то, что перед операцией ионного распыления деталь нагревают до температуры, соответствующей температуре нагрева ионным источником, но не превышающей температуру отжига, а ионное распыление производят с непрерывным визуальным контролем. По достижении однородного свечения детали и ореола вокруг нее процесс прекращают. 3 ил.