Підвищення якості поверхневої електронної обробки виробів з оптичного скла

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

РУДЬ МАКСИМ ПЕТРОВИЧ

УДК 621.9.048.7

ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ПОВЕРХНЕВОЇ ЕЛЕКТРОННОЇ ОБРОБКИ ВИРОБІВ З ОПТИЧНОГО СКЛА

Спеціальність 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі фізики Черкаського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:	доктор технічних наук, професор Ващенко В`ячеслав Андрійович, Черкаський державний технологічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри фізики
Офіційні опоненти:	доктор технічних наук, професор Осипенко Василь Іванович, Академія пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля МНС України
	кандидат технічних наук Гордієнко Валентин Іванович, НВК „Фотоприлад” Міністерства промислової політики України, заступник генерального директора

Захист відбудеться 21.09. 2009 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ-56, проспект Перемоги, 37, корпус 19, ауд. 435

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ-56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розіслано 17.08. 2009 р.

Вчений секретар д.т.н., професор Л.Ф. Головко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних умовах розвитку оптичного приладобудування із залученням технологій обробки оптичних матеріалів перспективним є створення виробів із покращеними техніко-експлуатаційними характеристиками (надійність, термін експлуатації) та показниками якості (значення залишкових напружень, шорсткість поверхні, форма поверхні) для оптичних елементів датчиків, лазерних систем, вимірювальних систем тощо.

Традиційні технології оптичного виробництва (глибоке шліфування-полірування, хімічне, хіміко-механічне і полум'яне промислове полірування) не дозволяють отримати оптичні поверхні, які задовольняють вимоги Міжнародного стандарту ISO 10110-1/14, а саме, поверхні зі сформованими на них бездефектними, хімічно і оптично однорідними поверхневими шарами з гарантованими середньостатистичними мікронерівностями меншими 5 нм.

В роботах авторів Дудка Г.В., Лісоченка В.Г., Ващенка В.А., Канашевича Г.В., Бондаренка М.О., Яценко І.В. та ін. було запропоновано та розвинуто метод обробки поверхонь оптичних матеріалів низькоенергетичним стрічковим електронним потоком (СЕП).

Проте подальший розвиток і вдосконалення запропонованого методу в оптичному виробництві обмежені низкою невирішених питань. У зоні фізичної дії електронного потоку на оптичне скло відбуваються складні та швидкоплинні фізико-хімічні процеси (дифузія, плавлення, випаровування матеріалу та інші), тому постає необхідність гнучкого керування впливом електронного потоку на поверхню оптичного скла. Наявні на сьогодні методи діагностики СЕП не дозволяють здійснювати оперативний контроль та стабілізацію розподілу енергії в електронному потоці. Тому питання оперативної діагностики енергетичних характеристик СЕП є актуальним і може бути вирішеним при застосуванні сучасних засобів автоматичного керування. Також керування процесом електронної обробки здійснюється в основному в ручному режимі, автоматизованими є лише окремі етапи обробки (попередній нагрів та охолодження оптичних матеріалів).

Необхідною умовою автоматизації методу електронної обробки оптичних матеріалів (ЕООМ) є наявність математичної моделі процесу, яка дозволить визначати технологічні параметри обробки необхідні для досягнення заданого стану поверхні оптичного скла.

Таким чином, дослідження методів оптимального керування швидкістю переміщення стрічкового електронного потоку, а також керування та контролю розподілу енергії електронного потоку стрічкової форми є актуальним завданням. Вирішення цього завдання дозволить підвищити повторюваність результатів обробки і якість виробів з оптичного скла (мікрогеометрію та техніко-експуатаційні властивості поверхонь).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в лабораторіях „Вакуумної техніки і електронно-променевих методів обробки” „Прикладної оптики і атомно-силової мікроскопії” кафедри фізики Черкаського державного технологічного університету в рамках держбюджетних робіт: „Технологічні основи отримання металізованих покриттів на виробах мікрооптики і наноелектроніки електронно-променевим методом” (номер державної реєстрації 0103U003689), „Діагностика функціональних шарів у виробах мікрооптики і наноелектроніки, отриманої електронними технологіями” (номер державної реєстрації 0106U004500).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності технології електронної обробки поверхонь оптичних деталей шляхом оптимального керування та оперативної діагностики параметрів електронного потоку.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались такі завдання:

Встановити вплив параметрів керування СЕП (швидкості переміщення, прискорювальної напруги, струму електронного потоку) на показники якості електронної обробки (середньоарифметичні нерівності, середньоквадратичне відхилення оптичної контрольованої поверхні від заданої теоретичної поверхні та повторюваність результатів обробки) поверхонь пластин з оптичного скла марки К8.

Модифікувати технологічну установку для ЕООМ шляхом впровадження системи автоматизованого керування переміщенням електронного потоку по поверхні оброблюваного матеріалу і системи діагностики розподілу енергії електронного потоку стрічкової форми по його перерізу.

Розробити метод діагностики розподілу густини струму електронного потоку стрічкової форми в процесі обробки оптичного скла.

Розробити математичну модель оптимального керування процесом електронної обробки оптичних матеріалів використовуючи яку дослідити вплив просторово-енергетичних параметрів СЕП на розподіл температури в оптичному склі.

Розробити методики визначення параметрів якості поверхонь оптичних пластин оброблених низькоенергетичним електронним потоком стрічкової форми за даними, отриманими методами атомно-силової мікроскопії та інтерферометрії, порівняти розраховані й отримані експериментально результати.

Розробити рекомендації щодо автоматизації процесу електронної обробки пластин з оптичного скла для оптичних деталей.

Об'єкт дослідження - процеси взаємодії стрічкового електронного потоку та поверхні оптичного скла.

Предмет дослідження - вплив параметрів стрічкового електронного потоку та швидкості його переміщення на розподіл температури та якість виробів з оптичного скла.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на основі загальних положень теорій рухомого керування системами з розподіленими параметрами, взаємодії електронних потоків з речовиною, теплопровідності й теплообміну, методів математичної статистики. Експериментальні дослідження якісних характеристик поверхонь проводилися з використанням методів оптичної мікроскопії, оптичної поляриметрії, інтерферометрії, атомно-силової мікроскопії (АСМ).

Наукова новизна отриманих результатів.

Отримав подальший розвиток метод поверхневої обробки оптичного скла стрічковим електронним потоком в частині діагностики та контролю характеристик потоку, програмного керування потужністю та швидкістю електронного потоку при багатопрохідних режимах обробки.

Досліджені енергетичні характеристики СЕП (питома потужність та форма її розподілу, коефіцієнт зосередженості, товщина потоку) та встановлені їх залежності від керуючих параметрів СЕП (струм розжарення катоду, прискорювальна напруга, відстань від гармати до поверхні).

Вперше встановлено закономірності впливу накопичуваного на поверхні оптичного скла заряду при електронній обробці на розподіл густини струму в низькоенергетичному СЕП при різних температурах попереднього нагріву скла.

Розроблено новий метод оптимального керування процесом обробки оптичного скла, який завдяки чисельному рішенню зворотної задачі теплопровідності дозволяє визначати потужність та закон переміщення СЕП при багатоцикловій обробці і реалізувати рівномірний розподіл температури вздовж оброблюваної поверхні.

Практична цінність отриманих результатів. Практично застосовуються на вітчизняних та зарубіжних підприємствах такі результати роботи:

Алгоритм керування процесом електронної обробки (ЕО) оптичного скла, який розраховується з використанням моделі оптимального керування і реалізується розробленою системою автоматизованого керування, дозволив зменшити середньоарифметичну висоту залишкових нерівностей по всій обробленій поверхні з Ra = 40...60 нм до Ra = 3...5 нм; зменшити середньоквадратичне відхилення оптичної контрольованої поверхні з N = 5…10 до 1…2, залишкові термонапруження не перевищують 0,2…0,4 МПа, збільшити вихід придатної продукції з 25…30% до 65…70%. Вироби після ЕО за розробленим алгоритмом застосовуються при виготовленні деталей лазерної техніки та елементів тензометричних датчиків на НВК ”Фотоприлад” та ПНВП “Механотрон” (м. Черкаси), що дозволило підвищити термін придатності деталей в 1,5 рази, також оброблені пластини використовуються ТДВ ”Микротестмашины” (м. Гомель) як тест-зразки при виготовленні обладнання АСМ.

Елементи розробленої системи автоматизованого керування (САК): система керування та контролю температури при термообробці виробів ТОВ "Олександрійська ливарна компанія" (м. Олександрія) дозволила підвищити точність контролю температури; система керування механізмом переміщення виробів при виготовленні промислової автоматики на ДП ”Оризон-універсал” (м. Сміла).

У навчальному процесі Черкаського державного технологічного університету, в навчальних курсах "Теплотехніка", "Інформаційно-вимірювальні системи", "Дослідження і проектування вбудованих комп'ютерних систем" застосовуються практично такі результати:

Пакет прикладних програм для розрахунку на ПК оптимальних параметрів СЕП (потужність і закон руху) при отриманні заданого розподілу температури на поверхні пластини з оптичного скла використовувався при проведенні лабораторних та практичних занять з курсу "Теплотехніка".

Методика визначення параметрів якості поверхонь оптичних пластин, оброблених низькоенергетичним електронним потоком стрічкової форми, із застосуванням методів АСМ (NT-206) та інтерферометрії (ИТ-100 і МИИ-4), яка дозволяє визначати розподіл середньої висоти нерівностей Ra по поверхні пластини та середньоквадратичне відхилення оптичної поверхні від теоретичної. Методика використовувалась при проведенні лабораторних та практичних занять з курсів "Теплотехніка" та "Інформаційно-вимірювальні системи".

Розроблена система автоматизованого керування використовувалась при проведенні лабораторних та практичних занять з курсів "Інформаційно-вимірювальні системи" та "Дослідження і проектування вбудованих комп'ютерних систем".

Особистий внесок здобувача. Автором розроблено метод оперативного визначення розподілу енергії СЕП при обробці оптичних матеріалів. Розроблена математична модель процесу обробки і система автоматизованого керування технологічним процесом ЕООМ, а саме: центральний блок керування, система керування переміщенням заготівок і зондування електронного потоку. Вдосконалена система керування попереднім нагрівом оптичних деталей і система керування параметрами електронної гармати. Проведені експерименти з зондування СЕП, визначення режимів фінішної ЕООМ, які задовольняють параметри якості згідно з вимогами міжнародного стандарту ISO 10110-1/14. Автор особисто і разом із співробітниками кафедри фізики провів впровадження результатів розробок і досліджень на вітчизняних та зарубіжних підприємствах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися і обговорювалися на восьми Міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах: "Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях" (сел. Славське, Львівської обл., 2002, 2005, 2007); "Прогрессивные технологии и системы машиностроения" (м. Донецьк, 2002 р); "Динаміка наукових досліджень" (Дніпропетровськ, 2005, 2006); "Датчики, приборы и системы - 2007" (м. Ялта, 2007 р.); "Машиностроение и техносфера ХХI века" (м. Севастополь, 2007 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи наведено в 16 наукових публікаціях, серед яких: 7 статей у виданнях, які входять до переліку ВАК України, 2 патенти на винахід, 7 тез доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, 5 додатків, переліку використаних джерел зі 167 найменувань. Повний обсяг роботи становить 180 сторінок і включає 70 рисунків, 14 таблиць, 39 сторінок додатків, 18 сторінок переліку використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. У вступі показана актуальність теми дисертаційного дослідження, сформульована мета, задачі і основні положення, які виносяться на захист, наведені наукова новизна і практична цінність результатів досліджень, відомості щодо апробації публікацій та використання результатів дослідження.

Перший розділ. Розглянуто основні критерії ефективності обробки пластин з оптичного скла для оптичних деталей: середньоарифметичні нерівності рельєфу, середньоквадратичне відхилення оптичної поверхні від теоретичної, залишкові термонапруження.

Аналіз наявних методів контролю розподілу густини енергії електронного потоку показав, що такі методи розроблялися для вимірювання розподілу в аксіально-симетричних електронних потоках для процесів обробки металів, тому застосування їх для дослідження розподілу енергії СЕП при обробці оптичного скла не дає повної інформації про енергетично-просторові характеристики потоку.

Огляд сучасних систем керування установками електронної обробки дозволив встановити, що вони розроблені для керування процесами обробки металів і не можуть бути застосовані для керування ЕО оптичного скла у зв'язку з суттєвою різницею у фізико-хімічних процесах, які відбуваються в цих матеріалах при електронній обробці.

Особливості математичного опису процесів при ЕООМ дозволяють віднести їх до особливого класу - систем з розподіленими параметрами (СРП) і рухомим впливом. Найширші можливості оптимального керування станом СРП з рухомим впливом відкриваються при рішенні задач s-керування з довільним законом руху s(t) джерела. Сьогодні не існує загального аналітичного рішення задач керування такими системами. Проте сучасні математичні пакети програм дозволяють успішно розв'язувати такі задачі, використовуючи чисельні методи оптимізації.

За результатами проведеного аналізу науково-технічної і патентної літератури були сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ. В цьому розділі міститься опис модернізованого технологічного оснащення, а також методів дослідження параметрів якості виробів після ЕО.

Модернізована установка для ЕООМ створена на базі універсальної вакуумної установки УВН-74П3 і включає спеціальне технологічне оснащення: електронну гармату Пірса, що формує електронний потік стрічкової форми, піч попереднього нагріву і завершального охолоджування, механізм переміщення оптичних пластин, високовольтне джерело живлення, мікропроцесорну систему автоматизованого керування технологічним процесом.

Основні технологічні характеристики установки: мінімальний залишковий тиск у вакуумній камері Р0 = 510-5 Па, температура попереднього нагріву 300...1400 К, точність підтримки температури ±1 К, швидкість переміщення об'єкту обробки 0,5…8 см/с, точність підтримання швидкості не менше 1%, точність позиціонування об'єкту обробки ±50 мкм, робочий хід об'єкта обробки 300 мм, прискорювальна напруга електронної гармати Uпр = 0…12 кВ, стабільність прискорювальної напруги ±1%, струм розжарення катода Iк = 0…50 А, стабільність струму ±5%, повний струм електронного потоку Iпот = 0…500 мА, стабільність струму потоку ±5%.

Визначення параметрів якості оптичних виробів оброблених електронним потоком, проводилося з використанням комплексу, до якого входять: поляриметр-полярископ ПКС-250 (визначались залишкові напруження в оптичному склі), оптичний мікроскоп МБС-9 (використовувався для визначення дефектів поверхні розміром більше 5 мкм), атомно-силовий мікроскоп NT-206V (визначення розподілу залишкових мікронерівностей Ra по всій поверхні виробу обробленого електронним потоком), мікроінтерферометр МИИ-4, інтерферометр ИТ-100 (визначався відхил профілю реальної оптичної контрольованої поверхні від теоретичної).

Рис. 1. Структурна схема модернізованої установки для електронної обробки оптичного скла з мікропроцесорною САК: МК1 - мікропроцесорний блок керування потужністю електронного потоку; МК2 - мікропроцесорний блок зондування електронного потоку; МК3 - мікропроцесорний блок керування температурним режимом заготівок; МК4 - мікропроцесорний блок керування електроприводом; ЦБ - центральний блок автоматизованої системи керування; БК1 - блок керування струмом розжарення катода; БК2 - блок керування прискорювальною напругою; RS-232 - стандартний електричний інтерфейс для послідовного зв'язку автоматизованої системи з ПК; CAN - стандарт промислової мережі, орієнтований на об'єднання різних виконавчих пристроїв і датчиків у єдину мережу

Третій розділ. Наведено опис розробленої САК, а також методик, які були розроблені за участю автора при проведенні експериментальних досліджень параметрів ЕО.

З метою підвищення ефективності ЕО автор розробив систему автоматизованого керування (рис. 1), яка дозволяє в автоматичному режимі здійснювати технологічний процес ЕООМ. А саме: автоматичну зміну і стабілізацію параметрів електронної гармати (прискорювальної напруги і струму розжарення катода), моніторинг аварійних станів (відновлення прискорюючої напруги після високовольтного пробою, відключення живлення в разі обриву катода), проведення вимірювання зондового струму з серії зондів (максимум 13 зондів), та передавання виміряних даних як на ПК оператора, так і на центральний блок САК, здійснення автоматичного регулювання температури попереднього нагріву і завершального охолоджування, а також переміщення столика з розташованими на ній оптичними пластинами і системою зондування за заданим алгоритмом.

Рис. 2. Схеми зондування електронного потоку стрічкової форми на виході з електронної гармати (а) і на поверхні оптичного матеріалу (б): Іеміс - струм емісії катоду: Іпот - струм електронного потоку; 1 - електронна гармата Пірса; 2 - стрічковий електронний потік; 3 - вольфрамові зонди; 4 - керамічний ізолятор; 5 - рухома платформа; 6 - зондовий модуль; 7 - колектор; 8 - оптичний матеріал

Для оперативного визначення форми, розмірів і розподілу густини струму СЕП запропоновані методики, в основу яких покладено метод зондування електронного потоку вольфрамовими зондами. Основними відмінностями розроблених методик від наявних є такі: можливість проведення зондування електронних потоків стрічкової форми в одному циклі з електронною обробкою в режимі реального часу; можливість визначення впливу накопичення заряду на поверхні скла на розподіл енергії в стрічковому електронному потоці; простота математичної обробки зондових характеристик.

Зондування СЕП спрямовано на визначення форми, розмірів і розподілу густини струму електронного потоку і проводилося за схемами, представленими на рис. 2, а саме: на виході з електронної гармати (рис. 2, а) і на поверхні оптичного матеріалу (рис. 2, б). У результаті зондування за схемою, представленою на рис. 2, а, встановлено, що крива поперечного розподілу густини струму СЕП при різних режимах роботи набуває таких форм (рис. 3). Це пов'язано з відмінностями конструкції електронно-оптичної системи, використаної електронної гармати, від ідеальної оптики Пірса (спрощена пласка форма анода, заміна плаского катода круглим та ін.), а також з явищем накопичення негативного заряду на поверхні скла. Оскільки такі відхилення неминучі, для реалізації ефективної обробки необхідно враховувати їх вплив на формування електронного потоку, що дозволяє запропонований метод зондування. Запропонована методика також дозволила встановити, що при застосуванні модулятора електронної гармати шириною 60 мм робоча ширина СЕП (зона, вздовж якої відхилення густини струму не перевищує 5%) складає приблизно 45 мм.

Рис. 3. Форма розподілу густини струму електронного потоку при режимах: (а) Uпр = 4 кВ, Iп = 100 мА; (б) Uпр = 4 кВ, Iп = 150 мА; (в) Uпр = 4 кВ, Iп = 200 мА. Відстань між анодом ЕГП та вимірювальним зондом - 40 мм

У результаті зондування за схемою, представленою на рис.2, б, встановлено залежність розподілу густини струму по профілю електронного потоку, який діє на поверхню оптичного скла при різних температурах його попереднього нагріву (рис. 4).

Встановлена оптимальна температура попереднього нагріву - 800 К, при якій дія накопичення поверхневого заряду на електронний потік мінімальна.

Визначення точності розробленої методики зондування виконувалось порівнянням струму з колектора 7 (рис. 2, а) з інтегралом по повному розподілу СЕП. Розбіжність становила не більше 10-15%.

Рис. 4. Розподіл густини струму на поверхні оптичного матеріалу при різних температурах попереднього нагріву скла

Четвертий розділ. В даному розділі представлено математичну модель процесу електронної обробки пластин з оптичного скла К8, яка дозволяє визначати оптимальні потужність і закон переміщення електронного потоку, необхідні для отримання заданого розподілу температури на поверхні заготівки.

Задача оптимального керування сформульована у вигляді задачі рівномірного нагріву поверхні.

Для розподіленого об'єкту, стан якого визначений в зоні , необхідно визначити допустиме керування у вигляді інтенсивності джерела і закону його переміщення () (метод s-керування) таке, що виконується умова оптимуму

, (1)

де - максимальне відхилення стану поверхні скла від заданого з точністю е; const - задана температура на поверхні заготівки в момент сходження електронного потоку з поверхні пластини tк; - розрахована температура поверхні у момент часу tк; - максимальна потужність електронного потоку; - діапазон регулювання потужності електронного потоку; - зона дії електронного потоку (визначається параметрами механізму переміщення).

Розв'язання поставленої задачі включає такі етапи: побудова математичної моделі розв'язання прямої задачі теплопровідності для досліджуваного об'єкту, вибір методу пошуку рішення оптимізаційної задачі, реалізація пошукового алгоритму керування на ПЕОМ.

Цифрова модель розв'язання прямої задачі теплопровідності побудована з використанням пакету кінцево-елементного моделювання фізичних процесів COMSOL Multiphysics.

Рис. 5. Алгоритм пошуку розв'язання задачі керування процесом ЕО оптичних матеріалів

Перевагами цієї моделі є врахування впливу втрат тепла на випромінювання з поверхні виробу, реальної форми розподілу густини струму в електронному потоці, переміщення електронного потоку по поверхні з непостійною швидкістю.

Пошук оптимальних параметрів обробки проводиться методом градієнтного спуску (шляхом підбору значень і на основі багаторазового розрахунку прямої задачі), що значно спрощує завдання пошуку розв'язання. Використаний при цьому алгоритм пошуку рішення представлений на рис. 5.

Реалізація алгоритму здійснена в системі візуального моделювання Simulink (яка є складовою математичного пакету MATLAB). Результатом розрахунку є оптимальне керування у вигляді

, (2)

де - потужність електронного потоку, Вт; k(x) - розподіл енергії електронного потоку відносно його центру; - закон руху об'єкту обробки у вигляді функції з лінійних відрізків, м.

У результаті застосування запропонованої моделі були розраховані оптимальні параметри електронної обробки і , які дозволяють отримувати рівномірний розподіл температури на поверхні оптичного скла. Результатом обробки за розрахованими даними є рівномірно оплавлена поверхня.

Для досягнення більш рівномірного розподілу температури та зменшення температурних градієнтів запропоновано застосувати багатопрохідний метод обробки оптичного скла. Сутність даного методу полягає в проведенні обробки за декілька проходів стрічкового електронного потоку по поверхні оптичної заготовки. Для кожного проходу закон руху СЕП та його потужність розраховується за розробленим алгоритмом (рис. 5) з врахуванням розподілу температури в оптичному склі після попередніх проходів. Застосування розробленої САК дозволяє здійснювати автоматичне керування параметрами ЕО (прискорювальна напруга, струм розжарення катода, швидкість переміщення оптичної заготовки) і отримувати температурне поле в оптичному склі з мінімальним відхиленням від розрахованого.

На рис. 6 наведено приклад розрахованих за розробленим алгоритмом (рис. 5) технологічних параметрів багатопрохідної ЕО та розрахований розподіл температури на поверхні оптичного скла після кожного проходу електронного потоку. При цьому кількість проходів та температурний режим поверхні оптичного скла після кожного проходу визначались з врахуванням експериментальних даних та фізичної моделі електронної обробки оптичного скла.

Застосування цього методу дозволяє підвищити якість та рівномірність параметрів поверхні оптичного скла К8 (відхилу профілю поверхні від заданої, висоти залишкових мікронерівностей).

Рис. 6. Розраховані параметри електронної обробки оптичної пластини (50Ч20Ч4 мм, скло К8) за 4 проходи електронного потоку: (а) закон руху джерела по поверхні заготовки; (б) розрахований розподіл температури на поверхні заготовки після кожного проходу(в момент часу tк); k(x) = 5105 м-2

1-й прохід ()	3-й прохід ()
2-й прохід ()	4-й прохід ()

П'ятий розділ. В цьому розділі наведено експериментальні дослідження показників якості оптичних пластин оброблених із застосуванням розробленого обладнання та запропонованих методик наведених в розділах 2, 3. Вимірювання параметрів якості проводились на обладнанні та з використанням методик представлених в розділі 2. Об'єктами дослідження були пластини прямокутної форми (80144; 80224; 50204 мм) (загальна кількість - 50 зразків) з оптичного скла марки К8. Метою даного розділу є встановлення впливу параметрів керування електронної обробки на основні показники якості оптичних виробів та розробка рекомендацій щодо практичного впровадження вдосконаленого методу електронної обробки пластин з оптичного скла.

Рис. 7. Результати дослідження розподілу середньої висоти мікронерівностей по поверхні оптичних пластин методом атомно-силової мікроскопії: (а) до електронної обробки, (б) однопрохідна ЕО при стабільних параметрах (Uпр = 3 кВ, Iп = 150 мА, V = 5 см/с), (в) багатопрохідна ЕО (за технологічним циклом рис. 6)

Рис. 8. Інтерферометричні дослідження профілю оптичних поверхонь оброблених електронним потоком (МИИ-4): ?N - місцева похибка поверхні в одиницях ширини інтерференційної смуги

Було проведено такі дослідження: визначення розподілу середньої висоти мікронерівностей поверхні оптичних виробів після обробки методом атомно-силової мікроскопії (прилад NT-206V, точність приладу ±0,2 нм); визначення відхилу оптичної контрольованої поверхні від заданої теоретичної поверхні оптичних виробів, інтерферометричним методом (прилади МИИ-4, ИТ-100, точність приладу 0,1 ширини смуги); визначення залишкових термонапружень у виробах методом оптичної поляриметрії (ПКС-250, точність приладу 0,2 МПа).

Рис. 9. Візуальний інтерферографічний аналіз поверхні оптичних пластин оброблених, електронним потоком (ИТ-100): (а) - поверхня, оброблена за базовою технологією; (б) - поверхня, оброблена методом багатопрохідної керованої ЕО; m - похибка поверхні; s - ширина смуги; h - кривизна поверхні

Результати дослідження поверхонь оптичного скла, обробленого із застосуванням запропонованої методики багатопрохідної обробки за прогнозованими оптимальними параметрами ЕО показали, що мікрорельєф поверхні зменшується з Ra = 40...60 нм до Ra = 3...5 нм, по всій площі обробленої поверхні, при цьому відхилення локальних значень Ra не перевищує 50% від середнього по поверхні; відхил оптичної контрольованої поверхні від заданої теоретичної поверхні не перевищує для загальної похибки N = 1…2, для місцевої похибки ?N = 0,2…0,3; залишкові внутрішні термонапруження не перевищують 0,2 МПа.

Також у п'ятому розділі на основі проведених досліджень показано практичне використовування результатів дисертаційної роботи на зарубіжних і вітчизняних підприємствах (ТДВ “Мікротестмашини” (м. Гомель, Білорусь), НВК ”Фотоприлад”, НВПФ “Механотрон” (м. Черкаси, Україна), ТОВ "Олександрійська ливарна компанія" (м. Олександрія, Україна), ДП "Оризон-універсал", (м. Сміла, Україна) і в учбовому процесі Черкаського державного технологічного університету.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

електронний обробка деталь поверхня

В дисертаційній роботі знайдено нове рішення науково-технічного завдання підвищення ефективності технології електронної обробки пластин з оптичного скла К8 для оптичних виробів шляхом оптимального керування та оперативної діагностики параметрів електронного потоку, що відповідно до мети і поставлених завдань дослідження, відображено у таких результатах:

Вдосконалення технологічної установки за рахунок автоматизованого керування переміщенням об'єкту обробки, зондування електронного потоку, керування електронною гарматою та тепловим режимом об'єкту обробки, а також розв'язок задачі оптимального керування дозволили реалізувати рівномірний розподіл температури поверхні при електронній обробці оптичного скла. В результаті було підвищено якість поверхневої обробки та повторюваність результатів технологічного експерименту в 2-3 рази, а також підвищено гнучкість методу поверхневої електронної обробки оптичних матеріалів.

Розроблений метод діагностики розподілу густини струму низькоенергетичного електронного потоку стрічкової форми дозволив у режимі реального часу визначати та корегувати параметри електронного потоку (товщину, коефіцієнт зосередженості та густину енергії ) в процесі електронної обробки оптичного скла.

Вдосконалено термічний цикл електронної обробки шляхом встановлення залежності розподілу густини струму СЕП від температури попереднього нагріву оптичного скла та оптимізації температури попереднього нагріву.

Розв'язок задачі оптимального керування системами з рухомим впливом для процесу поверхневої електронної обробки методом s-керування дозволив визначити в режимі реального часу оптимальні потужність і закон переміщення електронного потоку при багатоцикловій обробці.

Методика визначення параметрів якості поверхонь оптичних пластин, оброблених низькоенергетичним електронним потоком стрічкової форми, із застосуванням методів АСМ (NT-206) та інтерферометрії (ИТ-100 і МИИ-4), яка дозволяє визначати розподіл середньої висоти нерівностей Ra по поверхні пластини та середньоквадратичне відхилення оптичної поверхні від теоретичної.

Дослідження виробів після ЕО показали середньоарифметичну висоту залишкових нерівностей по всій обробленій поверхні, яка становить Ra = 3...5 нм; середньоквадратичний відхил оптичної контрольованої поверхні N = 1…2, залишкові термонапруження не перевищують 0,2…0,4 МПа, вихід придатної продукції складає 65…70%. Ці показники повністю відповідають вимогам ДСТУ ISO 10110-1/14.

Основні результати роботи застосовуються на вітчизняних та зарубіжних підприємствах. На НВК ”Фотоприлад”, ПНВП “Механотрон” м. Черкаси проводилась ЕО деталей лазерної техніки та елементів тензометричних датчиків, що дозволило збільшити термін служби виробів у 1,5 рази. На ТДВ ”Микротестмашины” м. Гомель оброблені пластини використовуються як тест-зразки при виготовленні обладнання АСМ. На ТОВ "Олександрійська ливарна компанія" м. Олександрія впроваджена система керування та контролю температури при термообробці виробів, що дозволило підвищити точність контролю температури. На ДП ”Оризон-універсал” м. Сміла впроваджена система керування механізмом переміщення виробів при виготовленні промислової автоматики, що дозволило підвищити стабільність руху привода в 1,5 рази.



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Рудь М.П. Визначення розподілу густини струму стрічкового електронного потоку / Рудь М.П. // Вісник Черкаського державного технологічного університету. Спецвипуск. - 2007. - С.148-150.

2. The express-diagnostics of band electronic stream / [M.P. Rud, V.P. Boyko, Yu.I. Kovalenko, M.A. Bondarenko, G.V. Kanashevich, V.A. Vaschenko] // Вісник Черкаського державного технологічного університету, №3, 2005. - С.49-51.

3. Здобувачем розроблено зондовий модуль та мікропроцесорну систему зняття та обробки зондових характеристик, які отримуються при зондуванні електронного потоку стрічкової форми.

4. Автоматизація переміщень заготівок при формуванні функціональних шарів в оптичних матеріалах електронною обробкою / [Г.В. Канашевич, М.П. Рудь, В.А. Ващенко, В.П. Бойко, М.О. Бондаренко, І.В. Яценко] // Радиоэлектроника и информатика. - 2004, №4. - С.54-58.

5. Здобувачем розроблена електронна схема мікропроцесорної системи керування електроприводом та програмне забезпечення цієї системи, що дозволяє виконувати переміщення оптичних заготівок при електронній обробці за алгоритмом, отриманим із зовнішньої ПЕОМ.

6. Канашевич Г.В. Механізми переміщення та затискні пристосування для обробки скла електронним променем / Г.В. Канашевич, В.М. Захаров, М.П. Рудь // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту, 2000, №4 - С. 57-62.

7. Здобувачем розроблено схему механізму переміщення з касетним завантаженням заготівок та схему затиску заготівок циліндричної форми.

8. Вплив режимів електронно-променевої обробки на властивості поверхневих шарів оптичних керамік / [В.А. Ващенко, Г.В. Канашевич, П.П. Дмитренко, М.О. Бондаренко, М.П. Рудь] // Вісник Сумського державного університету. - 2001. - №9(30)-10(31). - С.154-161.

9. Здобувачем проведено електронну обробку оптичних керамік при різних параметрах обробки (швидкості переміщення та потужності електронного потоку.

10. Влияние режимов электронно-лучевой обработки на свойства поверхностных слоев оптических стекол / [В.А. Ващенко, Г.В. Канашевич, П.П. Дмитренко, М.П. Рудь, М.А. Бондаренко] // Вісник Сумського державного університету. - 2002. - №5(38)-6(39). - С.99-105.

11. Здобувачем проведено електронну обробку оптичних стекол при різних параметрах обробки (швидкості переміщення та потужності електронного потоку.

12. Автоматизована система моделювання процесу електронної обробки оптичних матеріалів / [І.В. Дробот, Т.Ю. Уткіна, М.О. Бондаренко, М.П. Рудь] // Вісник Черкаського державного технологічного університету, 2006, № 3, С. 38-41.

13. Здобувачем проведено експериментальні дослідження для оцінки точності математичного моделювання.

14. Пат. 4752 Україна, МКИ С03В29/00; Н01J37/305. Пристрій для електронно-променевої обробки виробів / Канашевич Г.В., Бондаренко М.О., Рудь М.П., Ващенко В.А., Яценко І.В. (Україна); Заявл. 20.02.04; Опубл. 15.02.2005; Бюл.№2.

15. Пат. 4177 Україна, МКИ С03В29/00; Н01J37/305. Пристрій для електронно-променевого полірування виробів / Канашевич Г.В., Коваленко Ю.І., Бондаренко М.О., Ващенко В.А., Бойко В.П., Рудь М.П., Яценко І.В. (Україна); Заявл. 20.02.04; Опубл. 17.01.2005; Бюл. №1.

16. Участь у створенні винаходу всіх співавторів однакова.

17. Рудь М.П. Автоматизована система керування процесом електронної обробки оптичних матеріалів. “Машиностроение и техносфера XXI века” / Рудь М.П. // Сборник трудов XIV международной научно-технической конференции в г. Севастополе 17-22 сентября 2007 г. в 5-ти томах. - Донецк: ДонНТУ, 2007. Т. 3. - С. 230-233.

18. Оптимальное управление параметрами электронно-лучевой установки при обработке элементов интегральной оптики / [В.А. Ващенко, Д.М. Краснов, Г.В. Канашевич, М.П. Рудь, И.В. Яценко] // Матеріали другої міжнародної промислової НТК «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях». - сел. Славське, Львівскої обл., Карпати, 25 лютого - 1 березня 2002 г., С.95.

19. Здобувачем проведено експериментальні дослідження залежності показників якості елементів інтегральної оптики від швидкості переміщення електронного потоку при електронній обробц.

20. Математическое моделирование и расчет влияния параметров ленточного электронного луча на процессы обработки изделий микрооптики и наноэлектроники / [В.А. Ващенко, Д.М. Краснов, Г.В. Канашевич, Г.Н. Дубровская, М.А. Бондаренко, И.В. Яценко, М.П. Рудь] // Международный сборник научных трудов «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» - Донецк: ДонГТУ. - 2002. - Вып.20. - С.60-64.

21. Здобувачем проведені дослідження впливу швидкості переміщення електронного потоку на залишкові мікронерівності поверхонь виробів мікрооптики.

22. Автоматична система експрес-діагностики розподілу енергії електронного пучка стрічкової форми по його перерізу / [Г.В. Канашевич, В.А. Ващенко, М.П. Рудь, В.П. Бойко, Ю.І. Коваленко] // Матеріали П'ятої щорічної Промислової конференції з міжнародною участю та виставки “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”. - сел. Славське, Львівської обл., Карпати, 21-25 лютого 2005. - С.296-298.

23. Здобувачем розроблено метод експрес-діагностики стрічкового електронного потоку за допомогою зондового модуля у вигляді гребінки та програмне забезпечення розрахунку за зондовими даними реального розподілу густини струму в електронному потоці.

24. Рудь М.П. Система керування рухом заготівок з оптичних матеріалів при термічній електронній обробці / М.П. Рудь, В.А. Ващенко, В.П. Бойко // Матеріали І Міжнародної науково-практичної конференції „Науковий потенціал світу - 2004”, - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - С.62-63.

25. Здобувачем розроблено механізм переміщення та систему керування механізмом переміщення заготовок з оптичного скла при електронному поліруванні.

26. Визначення розподілу густини струму стрічкового електронного потоку при обробці оптичних матеріалів / [М.П. Рудь, Г.В. Канашевич, В.П. Бойко, Ю.І. Коваленко, М.О. Бондаренко, І.В. Яценко, В.А. Ващенко] // Матеріали V Міжнародної науково-практичної конференції „Динаміка наукових досліджень - 2006”, Том 7. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2006. - С.45-47.

27. Здобувачем розроблено методику та виготовлено зондовий пристрій, проведено експериментальні дослідження для визначення розподілу густини струму стрічкового електронного потоку при обробці оптичних матеріалів.

28. Впровадження комп'ютеризованої системи керування в процес електронної обробки оптичних матеріалів / [М.П. Рудь, Г.В. Канашевич, В.П. Бойко, Ю.І. Коваленко, М.О. Бондаренко, І.В. Яценко, В.А. Ващенко] // Матеріали Шостої щорічної Промислової конференції з міжнародною участю та виставки “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях”. - сел. Славське, Львівскої обл., Карпати, 2007, С. 255-256.

29. Здобувачем запропоновано схему системи керування та розроблено її програмне забезпечення.



АНОТАЦІЯ

Рудь М.П. Підвищення якості поверхневої електронної обробки виробів з оптичного скла. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - процеси фізико-технічної обробки. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2009.

В роботі розглянуто вплив процесу керування технологічними параметрами стрічкового електронного потоку на якість поверхонь оброблених оптичних пластин. Модифіковане технологічне обладнання. Розроблено метод діагностики розподілу густини струму низькоенергетичного електронного потоку стрічкової форми. Вдосконалено метод електронної обробки оптичного скла, який дозволяє підвищити якість поверхневої обробки за рахунок автоматичного керування швидкістю переміщення СЕП вздовж оброблюваної поверхні та багатоциклового руху СЕП. Результати роботи мають практичне використання на вітчизняних і закордонних підприємствах.

Ключові слова: електронний потік, оптичне скло, системи автоматизованого керування (САК), теплофізичний процес, оптимальне керування системами з рухомим впливом.



АННОТАЦИЯ

Рудь М.П. Повышение качества поверхностной электронной обработки изделий из оптического стекла. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы физико-технической обработки. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2009.

В работе рассмотрено влияния параметров управления ленточным электронным потоком (скорости перемещения, ускоряющего напряжения, тока электронного потока) на показатели качества электронной обработки (среднеарифметические микронеровности, отклонение профиля реальной поверхности от идеальной, глубину проплавленного слоя, остаточные термонапряжения в стекле, повторяемость результатов) поверхностей пластин из оптического стекла марки К8 подготовленных под оптические изделия. Разработана система автоматизированного микропроцессорного управления процессом электронной обработки оптических изделий, которая включает управление скоростью электронной обработки, стабилизацию плотности распределения энергии электронного потока и позволяет повысить повторяемость результатов технологического эксперимента в 2-3 раза. Построена математическая модель с использованием физико-математических программных пакетов, которая позволяет в режиме реального времени рассчитывать оптимальные мощность и закон перемещения электронного потока при получении заданного равномерного распределения температуры на поверхности изделия. Используя результаты моделирования, разработан алгоритм управления процессом электронной обработки оптического стекла, реализованный разработанной системой автоматизированного управления. Предложен метод экспресс-диагностики контроля распределения плотности тока низкоэнергетического электронного потока ленточной формы, который позволяет в автоматическом режиме определять параметры электронного потока (ширину, коэффициент сосредоточенности, плотность энергии с погрешностью не более 15%) в пролетном канале без учета влияния мишени на электронный поток и в процессе обработки оптического стекла с учетом влияния его диэлектрических свойств (накопление заряда на поверхности стекла). Получены новые экспериментальные данные по распределению низкоэнергетического ленточного электронного потока на поверхности оптического стекла и установлены зависимости коэффициента сосредоточенности, ширины и формы электронного потока от температуры предварительного нагрева оптического материала, которые позволили оптимизировать термический цикл электронной обработки оптического стекла. Сформулированы рекомендации по температурному режиму предварительного нагрева оптического стекла в процессе его электронной обработки. С использованием разработанных системы автоматизированного управления процессом электронной обработки и математической модели оптимального управления обработкой оптических пластин усовершенствован метод электронной обработки оптического стекла, который позволяет за счет автоматического управления скоростью перемещения электронного потока и его многоциклового движения получать равномерное распределение температуры вдоль обрабатываемой поверхности с целью повышения качества обработки (остаточные микронеровности уменьшаются с Ra = 40...60 нм до Ra = 3...5 нм, среднеарифметическое отклонение оптической контролируемой поверхности уменьшается с N = 5…10 до N = 1…2 ширины интерференционной полосы, остаточные термонапряжения находятся в пределах 0,2…0,4 МПа). Результаты работы нашли практическое применение на отечественных и зарубежных предприятиях.

Ключевые слова: электронный поток, оптическое стекло, системы автоматизированного управления (САУ), теплофизический процесс, оптимальное управление системами с подвижным воздействием.



SUMMARY

Rud' M.P. Improvement of quality of surface electron treatment of optical glass wares. - Manuscript.

Dissertation submitted for Candidate of technical sciences degree, specialty 05.03.07 - process of physic-technical machining - The National Ukraine Technical University “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2009.

Dissertation is devoted to the influence of process of technological parameters control of band electron stream (BES) on quality of surfaces of the treated optical plates. The technological equipment is modified. The method of diagnostics of density current distributing of band form low-energy electron stream is developed. The new electron treatment of optical glass method, which allows improving quality of surface treatment due to automatic control of BES speed moving along the treated surface and BES multicycle motion is developed. The results of research found their practical use in domestic and foreign enterprises.

Keywords: an electron stream, optical glass, automated control systems, thermal processes, optimal treatment of systems with movable effect.

Размещено на Allbest.ru

...