Технология изготовления высокоточных крупногабаритных облегченных асферических зеркал с высокой стабильностью формы поверхности

Размещено на http://allbest.ru

ОАО “Лыткаринский завод оптического стекла”

Технология изготовления высокоточных крупногабаритных облегченных асферических зеркал с высокой стабильностью формы поверхности

М.А. Абдулкадыров, А.П. Патрикеев, В.Е. Патрикеев, А.П. Семенов

Лыткарино, Московская обл.

В ОАО ЛЗОС уже много лет ведутся работы по изготовлению облегченных и тонких зеркал различной конфигурации для различного использования диаметром до 4000 мм. Астроситалл обладает высокими прочностными характеристиками и малым коэффициентом теплового расширения. Для Астроситалла СО-115М =0±1.5x10^-7 К^-1, предел прочности 78 МПа, модуль упругости 93900 МПа.

Благодаря таким уникальным характеристикам он много лет с успехом используется для изготовления наземных и космических зеркал. Размерная стабильность Астроситалла, т.е. линейные искажения материала, должны быть меньше искажений конструктивных материалов систем разгрузок, интерфейсных элементов и оправ, используемых в составе оптико-электронного прибора для достижения высокого качества изображения.

Размерная стабильность Астроситалла:

- обеспечивает сохранность рабочей формы поверхности зеркала за время всего срока эксплуатации и не превышает 10-20 нм (RMS);

- обеспечивает сохранение свойств при создании напряжений в зеркале, температурных перепадов, изменении давления в пределах 10-20 нм (RMS) при деформациях с натяжениями в диапазоне от -10 МПа до +10 МПа и при воздействии температуры в диапазоне от -40 ?C до +105 ?С);

- обеспечивает сохранение шероховатости рабочей поверхности в процессе эксплуатации при условии отсутствия химического разрушающего воздействия кислотно-щелочной среды.

Основными требованиями, предъявляемыми к конструкции оптических элементов являются:

а) качество рабочей поверхности зеркала, характеризующееся среднеквадратичным отклонением (RMS) отраженного от него волнового фронта (как правило, в пределах 0.03-0.05, л = 0,6328 мкм), которое должно быть обеспечено при обработке и сохранено в приборе, использующим данное зеркало;

б) минимальная масса конструкции зеркала, при обеспечении достаточной в пределах допуска жесткости и прочности к эксплуатационным нагрузкам узла зеркала в составе оптического прибора.

Астроситалл имеет высокую размерную стабильность, которая проверена в течение нескольких десятилетий изготовления и эксплуатации оптических приборов². Кроме того, в настоящее время широко используются методы шлифования и полирования оптических деталей в напряженно-деформированном состоянии. И в этом случае результаты будут более достоверными и успешными, если после снятия напряжений поверхность вернется в исходное расчетное состояние, т.е. пластические деформации минимальны при определенном силовом воздействии.

Как правило, зеркала облегчаются с тыльной стороны выборками трапецеидальной или треугольной формы. Наружный и внутренний края зеркала подкреплены ребрами жесткости. Облегчение зеркал может достигать 80% при условии сохранения требуемой жесткости данной конструкции. После выбора варианта облегчения зеркала проводится оптимизация его геометрических размеров с целью получения максимальной жесткости конструкции при ее минимальной массе. Варьируемыми параметрами являются высота зеркала, толщина рабочей поверхности, количество и толщина ребер. При выборе толщины ребер необходимо учитывать технологические возможности изготовления. Оптимизация размеров проводится при расчете конечно-элементной модели зеркала с использованием пакета конечно-элементного анализа. Например, для детали диаметром 1900 мм. по жесткости оптимальным выбором является треугольная структура (таблица 1).

Таблица 3. Выбор оптимальной структуры облегчения

(диаметр D=1900 мм, толщина H=300 мм, H/D=1/6.3, R=7600, D/f=1/2, толщина ребра d= 6 мм, толщина подповерхностного монолитного слоя до структуры облегчения t=10 мм, Базировка по краевой окружности. M_F - масса сплошного зеркала, кг; M_L - Масса облеченного зеркала, кг; W_F - прогиб сплошного зеркала, мкм; W_L - прогиб облегченного зеркала, мкм)

Использование треугольной структуры облегчения при изготовлении - наиболее сложный процесс. Оптимальным выбором будет зеркало с треугольной структурой с размером ячейки 120 мм, коэффициентом жесткости K_W=1.43 и коэффициентом облегчения 82,7%.

Показана высокая степень сохранения размерной стабильности Астроситалла при изменении климатических условий и при возникновении нагрузок. КТЛР в заготовках концентрируется в районе 0.10.2*10^-7. Вообще же существуют критерии отбора заготовок по КТЛР и возможен процесс изготовления заготовки с заданной величиной КТЛР.

Современные требования по КТЛР, например для заготовок, предполагают, что абсолютное значение КТЛР всех заготовок по всем измеренным образцам удовлетворяет требованиям 100х10^-9K^-1, а среднее значение КТЛР заготовок при эксплуатационной температуре (-10С +20С) должно быть порядка 0±50х10^-9K^-1.

Размерная стабильность пяти сортов стеклокерамики с низким КТР, использующихся в производстве астрономических зеркал, измерялась в диапазоне от -40С до +90С и представлена в статье D.B. Hall¹. Были протестированы материалы Zerodur, Zerodur M, Astrositall, Clearceram 55 , Clearceram 63.

Детальное сравнение трех различных марок Astrosital, двух различных марок Zerodur и одной марки Zerodur M показывает, что в диапазоне температур -40С … +90С размерная стабильность и характеристики однородности у двух марок Astrositall несколько лучше, чем у двух остальных материалов.

Результаты выявляют небольшое преимущество Astrositall особенно с точки зрения пониженной изотермальной деформируемости в диапазоне от -40С до +90С. Изотермальная деформируемость, наблюдаемая при всех температурах, наиболее выражена при пониженных температурах (fig. 5-10). Это первые опубликованные данные результатов сравнения этих двух материалов, полученные при идентичных процедурах тестирования.

Для получения однозначного сравнения характеристик КТЛР и тепловых деформаций у различных материалов была разработана стандартизованная процедура термостатирования с использованием линейных изоляторов.

Для проведения испытаний использовались заготовки диаметром 500 и 450 мм и толщиной соответственно 70 и 55 мм. Для них определялась форма отраженного волнового фронта и механические параметры деталей.

Кроме того, испытаниям подвергались 20 образцов для измерения КТЛР и образцы с отражающим покрытием. К настоящему времени завершен цикл испытаний соответствующий 40 годам. По результатам данных испытаний можно сделать главный вывод:

- форма оптической поверхности не изменяется в пределах погрешности измерений RMS<6 нм,

- КТР меняется в пределах 110^-8 С^-1. Погрешность измерений 510^-9 С^-1.

Здесь на рис. 2 представлено суммарное изменение КТЛР в заготовке, видна общая тенденция сохранения КТЛР. На рис. 3 представлен график среднего значения КТЛР по образцам верхнего и нижнего слоя в процессе испытаний за 40 циклов, соответствующих 40 годам и виден градиент КТЛР в пределах 5x10^-9 на толщине заготовки в 250 мм.

С целью проверки упругих свойств материала Астроситалл СО-115М проводились испытания при деформациях с натяжениями в диапазоне от -10 МПа до +10 МПа и при воздействии температуры в диапазоне от -40 ?C до +105 ?С.

Для этого выполнялись операции по деформации образца. В результате расчетов проведенным методом конечных элементов с использованием ПО ANSYS, было установлено, что натяжения ±10 МПа возникают в материале объекта испытаний в результате приложения в центр силы равной 333Н при закреплении в двух противоположных крайних точках.

Результаты деформационных испытаний приведены на рис. 4 (левый график). Испытания с изменением температурного режима проводились в термобарокамере.

Охлаждение до -40C со скоростью не более 20°С в час. Образец выдерживался при температуре -40°±2°С 1 час. Затем температура в камере повышается до +105±2°С со скоростью не более 20°С в час.

Образец выдерживался температуре +105°С±2°С 1час. Затем температура в камере понижается до нормальной со скоростью не более 20°С в час. Такие циклы повторялись несколько раз. По результатам контроля построен график рисунок 4 (правый).

Результаты проведенных испытаний показали, что материал Астроситалл СО-115М при деформациях с натяжениями в диапазоне от -10 МПа до +10 МПа и при воздействии температуры в диапазоне от -40?C до +105?С остается упругим в пределах 10 нм RMS поверхности (рис. 4).

Наглядным примером влияния длительных внешних воздействий на астрономические зеркала из Астроситалла являются два облегченных зеркала диаметром 1500 мм, изготовленные в 1992 г. Исходное значение RMS(W)=0.030 . После 17 лет хранения первого зеркала его ошибка составила RMS(W)=0.042 (декабрь 2009 года).

На втором зеркале после 18 лет хранения ошибка составила RMS(W)=0.044 (октябрь 2010). После снятия покрытия и повторной частичной полировки RMS(W) < 0.030. Можно считать, что качество формы поверхности за длительный срок практически не изменилось.

Еще пример деформационного воздействия на заготовку из Астроситалла - изготовление внеосевого сегмента зеркала диаметром 1520 мм, и толщиной 50 мм методом упругой деформации. Работа проводилась в рамках эксперимента по изготовлению модели прототипа наиболее удаленного сегмента зеркала телескопа E-ELT.

Размах ошибки 203 мкм. Чтобы изготовить такую поверхность необходимо изогнуть заготовку в обратную сторону, отшлифовать сферу и снять деформации. В этом случае будет изготовлена асферика, которую затем надо довести до требований спецификации программно-управлемым шлифованием малым инструментом.

Внутренние эквивалентные напряжения, возникающие при таком изгибе составляют величину 1.68 МПа в центре. Напряжения вполне допустимые для заготовок из Астроситалла с соответствующими геометрическими параметрами. Деформация заготовки осуществляется регулируемыми по высоте микрометрическими упорами с помощью прижимных механизмов. зеркало телескоп диаметр

Толщина подложки выбиралась такой, чтобы ее собственные деформации были малы по сравнению с деформацией рабочей детали. Как видно из сравнительного анализа (рис. 5,6), реально полученная форма модели прототипа похожа на теоретически предсказанный результат, что свидетельствует о достаточно надежном поведении материала Астроситалл по сохранению размерной стабильности.

Литература

1. Hall, D.B., “Dimensional stability tests over time and temperature for several low-expansion glass ceramics,” Applied optics 35,10, 1673-1678, (1996).

2. M. A. Abdulkadyrov, A. N. Ignatov, A. P. Patrikeev, A. P. Semenov, Y. A. Sharov "Astrositall application in astronomical and space optics production". Proceedings of SPIE, Vol. 8450, p. 84502L, 2012.

Аннотация

Технология изготовления высокоточных крупногабаритных облегченных асферических зеркал с высокой стабильностью формы поверхности. М.А. Абдулкадыров, А.П. Патрикеев, В.Е. Патрикеев, А.П. Семенов. ОАО “Лыткаринский завод оптического стекла”, Лыткарино, Московская обл. Тел.: +7 495 552-1547, E-mail: lastro@mtsmail.ru; http://www.lzos.ru

Описана технология изготовления астрономических и космических зеркал из Астроситалла, включая его свойства и стабильность данных свойств с течением времени, приведены результаты долгосрочных испытаний материала.

Размещено на Allbest.ru