231330

- 1 - MỞ ĐẦU Ngày nay các máy móc, thiết bị quang học và quang điện tử không chỉ là những phương tiện dùng trong nghiên cứu, giáo dục và giải trí mà ngày càng trở thành một công cụ sản xuất trực tiếp ra các loại sản phẩm hàng hóa, đặc biệt là các sản phẩm công nghệ cao. Nhờ có ưu điểm đưa ra độ chính xác rất cao, phép đo không tiếp xúc, có độ tin cậy và lặp lại cao và có khả năng truyền tải. Các phương pháp đo đạc quang học và quang - điện tử ngày càng đóng vai trò to lớn. Thiết bị đo lường quang - điện tử càng tiên tiến thì sản xuất càng được tự động hoá, chất lượng sản phẩm được nâng cao, nguyên vật liệu, thời gian, năng lượng cho một đơn vị sản phẩm càng được tiết kiệm. Đất nước ta đang trong tiến trình hội nhập quốc tế, điều đó có nghĩa là tỷ trọng hàm lượng chất xám và công nghệ cao trong các sản phẩm và dịch vụ làm ra phải được nâng lên. Tất cả các ống kính, thiết bị quang học được sử dụng ở nước ta đều phải nhập ngoại kể từ loại rất đắt như hiển vi cắt lớp, ống kính chụm ảnh trong thể thao, máy quay phim trong điện ảnh . cho đến những sản phẩm thông dụng như kính lúp, ống nhòm . Do đó việc chủ động thiết kế chế tạo được các thiết bị quang học sẽ có một ý nghĩa rất to lớn không chỉ về mặt kinh tế mà còn có tính bí mật đối với quốc phòng và an ninh. Tự động hoá quá trình gia công và đo lường là việc tích hợp điều khiển tự động, cơ khí, quang học, tin học, điện tử . cho các nguyên công như phay, mài nghiền, đánh bóng và định tâm . cũng như đo đạc tự động ngay trong quá trình sản xuất như đo độ cầu, đo vòng quang . Trình độ gia công quang học ở nước ta hiện nay ở mức độ thấp. Hiện nay chỉ có một vài nhà máy gia công quang học: Nhà máy Z123 thuộc Tổng cục Công nghiệp và Quốc phòng, Viện Kỹ thuật Công an, Cty Kính mắt Hà - 2 - Nội. Nhưng chất lượng sản phẩm chưa cao nên rất cần những thiết bị gia công chi tiết quang có chất lượng cao. Hiện tại các sản phẩm làm ra chủ yếu là do tay nghề người thợ mà chưa có ứng dụng khoa học hiện đại (tin học, điện tử, tự động hoá…). Được sự giúp đỡ của Viện Vật lý và Điện tử – Viện Khoa học Việt Nam và các đồng nghiệp, lần đầu tiên ở Việt Nam đã thiết kế và chế tạo thành công 01 máy đánh bóng PM-300 (Polishing Machine-300) có điều khiển áp lực gia công (bù sai số gia công) và điều khiển tốc độ động cơ mở rộng phạm vi gia công sản phẩm, nhằm đáp ứng nhu cầu gia công quang học của Xưởng Quang - Điện tử – Viện Vật lý và Điện tử. Hướng tới chúng tôi chế tạo để đáp ứng nhu cầu gia công quang học ở trong nước. Từ cơ sở nghiên cứu trên luận văn gồm bốn chương sau: Chương 1: Tổng quan về mài nghiền và đánh bóng chi tiết quang. Chương 2: Thiết kế máy mài và đánh bóng chi tiết quang PM-300. Chương 3: Mô phỏng động học và điều chỉnh máy PM-300 Chương 4: Kết quả thực nghiệm trên máy PM-300 Trong một thời gian ngắn, với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm gia công quang học còn ít nên tôi không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp, bổ sung của các đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! - 3 - CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÀI NGHIỀN VÀ ĐÁNH BÓNG CHI TIẾT QUANG 1.1 Khái niệm về mài nghiền bề mặt bằng hạt mài tự do Mài nghiền là một phương pháp gia công tinh đạt độ chính xác cao (độ nhám bề mặt rất nhỏ) hạt mài được sử dụng có kích thước rất nhỏ. Mài nghiền được thực hiện theo nguyên lý sau (hình 1.1): Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý mài nghiền 1-đĩa mài, 2-đĩa gá, 3chi tiết Đĩa mài (1) quay quanh trục cố định, đĩa gá vừa quay quanh trục của mình và vừa lắc qua lại. Để hình thành quá trình mài nghiền cần phải có các điều kiện sau: - Có áp lực của bề mặt chi tiết lên bề mặt dụng cụ - Có chuyển động tương đối giữa bề mặt chi tiết và dụng cụ - Có sự đối tiếp giữa bề mặt chi tiết và dụng cụ - Có huyền phù mài ở giữa bề mặt dụng cụ và chi tiết. Mài nghiền được sử dụng trong các lĩnh vực như: gia công cơ khí, gia công quang học, gia công gốm sứ… Tuy nhiên chúng có những đặc điểm chung là: - 4 - - Sử dụng các lưỡi cắt của hạt mài, số lượng hạt mài tham gia cắt lớn nhưng áp lực và vận tốc cắt lại không lớn. - Quá trình chuyển động của hạt mài là không có quy luật (hỗn độn), do đó vết cắt không lặp lại. - Mài nghiền có năng suất thấp 1.2 Bản chất cắt gọt của quá trình mài nghiền và đánh bóng Phương pháp mài nghiền và đánh bóng thuỷ tinh quang học bằng hạt mài tự do được sử dụng khi có các yêu cầu cao về độ chính xác tạo hình bề mặt chi tiết gia công. Thuỷ tinh trước khi đưa vào đánh bóng phải qua các nguyên công gia công sơ bộ cưa, phay và mài nghiền. Quá trình nghiền tinh bằng hạt mài tự do là nguyên công cuối trước khi chuyển sang đánh bóng nó có tính chất quyết định đến hình dạng hình học của sản phẩm. Hình 1.2: Nguyên lý cắt gọt của hạt mài tự do Quá trình nghiền bằng hạt mài tự do được trình bày trên hình 2.1, lực va đập R hướng theo đường nối các đỉnh hạt mài là lực gây ra sự phá vỡ thuỷ tinh, làm biến dạng dụng cụ và nghiền vỡ hạt. Lực R là tác nhân chính gây ra các - 5 - vết nứt hình nón theo các góc từ 90 0 ÷150 0 . Chiều cao lớp nổi h chiếm từ 4 1 3 1 ÷ kích thước hạt. Dưới lớp nổi là lớp nứt có chiều sâu F = ( 2 ÷ 4 )h. Khi giảm kích thước hạt, chiều sâu lớp nổi và lớp nứt cũng giảm.Chiều cao đỉnh nhấp nhô sẽ giảm dần khi dùng bột mịn hơn. Lực R được phân tích thành hai thành phần : Lực F n có phương vuông góc với vectơ vận tốc V tđ nhằm đảm bảo tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết, đồng thời gây biến dạng đàn hồi bề mặt. Lực F t hướng tiếp tuyến với bề mặt gia công gây mòn dụng cụ và tạo thành ngẫu lực làm lăn đảo hạt mài. Khi dụng cụ chuyển động tương đối so với chi tiết sẽ tạo ra lực cắt R tác dụng lên các hạt liên kết gây nên các vết xước trên bề mặt thuỷ tinh, làm bề mặt bị nứt vỡ thành những mảnh nhỏ. Thành phần lực tiếp tuyến F t của lực R hướng một góc 180 0 với vectơ vận tốc tương đối V td làm tách các mảnh thuỷ tinh ra khỏi bề mặt. Thành phần lực F n tác động lên thuỷ tinh gây ra các vết nứt hình côn và phá huỷ bề mặt, đồng thời làm hạt mài găm vào bề mặt dụng cụ. Lực liên kết mòn dần theo thời gian, lực cắt đặt vào đó tăng lên làm chúng bong ra khỏi liên kết, lúc đó sẽ xuất hiện các hạt găm mới. Dung dịch phụ trợ thường là nước có vai trò làm mát và ngăn ngừa kính bị vỡ nứt. Ngoài tác dụng cuốn trôi các hạt mài cùng các mảnh vỡ thuỷ tinh, nước còn thấm vào các rãnh nứt vỡ trên bề mặt kính, tạo ra phản ứng hoá học làm trương bề mặt thuỷ tinh giúp tăng tốc quá trình cắt gọt. Hạt mài càng nhỏ thì độ nhám của bề mặt càng nhỏ và thời gian đánh bóng càng được rút ngắn. Tất nhiên đối với từng kích thước hạt mài cần phải thay đổi đĩa mài kim loại cho phù hợp. - 6 - Quá trình mài nghiền và đánh bóng được thực hiện trên cùng một máy và điều kiện xảy ra quá trình đánh bóng cũng giống như mài nghiền. Nhưng quá trình đánh bóng có những đặc điểm riêng như sau: - Hạt đánh bóng có kích thước nhỏ dưới 1µm và có độ cứng thấp ( 5÷6 đối với Fe 2 O 3 , 6÷7 đối với CeO 2 (theo thang Mhors)). - Bề mặt đánh bóng được phủ một lớp nhựa đánh bóng mềm, đàn hồi. Với những đặc điểm như vậy bản chất của quá trình đánh bóng như sau: - Dưới tác động của áp lực và vận tốc tương đối các hạt mài găm vào bề mặt dụng cụ đánh bóng để xâm nhập vào bề mặt thuỷ tinh và cào xước nó, vì vậy mà các nhám bị bào mòm đi. - Do ma sát giữa đỉnh nhọn của nhám và lớp nhựa đánh bóng ma sinh nhiệt làm cho các đỉnh nhọn chảy ra và điền đầy các nhám rồi đóng rắn. Đến khi toàn bộ bề mặt bị san phẳng sẽ trở nên nhẵn bóng. - Với hoạt tính của nước sẽ xảy ra hiện tược thuỷ phân trong các vết rạn nứt và tạo thành keo thuỷ tinh. Trong điều kiện áp suất và nhiệt độ của quá trình đánh bóng các keo này có tác hàn kín các vết nứt làm cho bề mặt thuỷ tinh trở nên trong suốt. 1.3 Thiết bị và quy trình gia công bề mặt phẳng chi tiết quang 1.3.1 Máy gia công bề mặt phẳng chi tiết quang Chế tạo các chi tiết quang học là một phần của quá trình chế tạo một thiết bị quang học. Các thiết bị để chế tạo một chi tiết quang bao gồm: máy cưa (tạo phôi), máy phay (gia công sơ bộ), máy mài nghiền và đánh bóng (gia công tinh), máy định tâm và thiết bị phủ màng. Cụm trên máy gia công bề mặt phẳng chi tiết quang bằng hạt mài tự do được trình bày trong hình 1.3. - 7 - Máy mài có cụm trên kiểu đòn bản lề có thể gia công các mặt phẳng và mặt cầu. Động cơ truyền chuyển động cho bát mài 1 quay tròn và đồng thời làm đĩa gá chi tiết 2 vừa tự quay quanh tâm của nó và vừa lắc đi lắc lại theo quỹ đạo của cần lắc 4 nhờ chuyển động của tay quay 5. Đầu tốc cầu 3 gắn với một cánh tay đòn luôn tự lựa trong ổ côn ở mặt trên đĩa gá chi tiết 2. Khi cho máy chạy, chốt cầu ở cần lắc sẽ kéo đĩa mài chuyển động theo. Hình 1.3: Sơ đồ cụm trên máy mài và đánh bóng chi tiết quang. 1- Bát mài, 2- Đĩa gá chi tiết, 3- Đầu tốc cầu, 4- Cần lắc, 5- Tay quay. Vật liệu dụng cụ vừa có khả năng mang hạt mài, giữ hạt mài lại vừa chịu mài mòn. Vì vậy vật liệu dụng cụ thường làm bằng gang xám. Bột mài được cấp liên tục hoặc gián đoạn vào bề mặt chi tiết gia công và dụng cụ mài với các độ hạt khác nhau. Quá trình mài nghiền và đánh bóng được bắt đầu kể từ lúc truyền cho chi tiết và dụng cụ một chuyển động tương đối và đảm bảo sự tiếp xúc giữa hai bề mặt chi tiết gia công và dụng cụ dưới tác dụng của áp lực và lớp huyền phù mài. Áp lực được tạo ra nhờ các quả nặng, lò xo hoặc khí nén. Trong luận văn này tôi nghiên cứu quá trình mài nghiền và đánh bóng chi tiết quang trên máy PM-300 có cơ cấu cụm trên sử dụng cơ cấu đòn bản - 8 - lề. Cơ cấu cụm trên dùng để tạo thành chuyển động lắc của khâu trên và tạo áp lực mài. 1.3.2 Quy trình công nghệ gia công chi tiết quang Quá trình gia công cắt gọt chi tiết quang là những khâu quan trọng trong toàn bộ quá trình chế tạo một chi tiết quang. Chúng không chỉ đóng vai trò quyết định trong việc tạo ra hình dạng và độ chính xác của sản phẩm mà còn chiếm một thời gian gia công rất lớn. Ngoài ra các thiết bị gia công cũng là những loại đắt tiền. Chính vì thế mà hầu hết mọi nghiên cứu về quá trình gia công chi tiết quang (bản chất cắt gọt, chế tạo các vật liệu cắt gọt và thiết bị gia công mới nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu suất . ) đều tập trung vào công nghệ cắt gọt. Quá trình gia công chi tiết quang thường được thực hiện như sau: 1.3.2.1 Nguyên công tạo phôi: Cắt hoặc đúc, ép phôi Phôi trước khi đưa vào tạo hình thường được cắt từ khối thuỷ tinh (dùng trong sản xuất đơn chiếc hoặc sản xuất loạt nhỏ), ép phôi (dùng trong sản xuất loạt nhỏ và vừa) và đúc phôi (dùng trong sản xuất loạt lớn). Nguyên công tạo phôi có độ chính xác thấp, lượng dư lớn. 1.3.2.2 Nguyên công Phay (tạo hình sơ bộ) Tạo hình sơ bộ các bề mặt quang được thực hiện trên các máy phay truyền thống hoặc máy CNC là phương pháp gia công chính xác và kinh tế. Sau khi phay thô lượng dư cho độ dày ở tâm cần phải đủ để đảm bảo thực hiện các nguyên công mài nghiền và đánh bóng. Nguyên công phay có thể thực hiện theo 2 bước phay thô và phay tinh đối với bề mặt yêu cầu chính xác cao. - 9 - Phương pháp phay cho năng suất cao nhưng để lại trên bề mặt sản phẩm các vết dao ăn. 1.3.2.3 Nguyên công mài nghiền Mài nghiền là một trong những nguyên công quan trọng trong quá trình gia công các linh kiện quang học. Đó là một quá trình cắt gọt bằng hạt mài tự do theo hình dạng của một bát mài định hình. Do sự chuyển động tương đối giữa đĩa mài và sản phẩm mà các hạt mài tự do bị lăn theo. Độ nhám bề mặt đạt được sau khi mài nghiền tinh phải đạt từ 0.5 đến 0.1 µm. Nhiệm vụ của quá trình mài nghiền là tạo hình dạng hình học chính xác cũng như chuẩn bị một bề mặt có chất lượng mịn (không còn các vết nứt tế vi) cho công đoạn đánh bóng tiếp sau. Trong quá trình mài, vị trí tương đối giữa chi tiết và đĩa mài phụ thuộc vào chủng loại thiết bị được sử dụng. Nếu mài mặt phẳng tự động, đĩa mài luôn được đặt ở phía dưới, trong khi sản phẩm được đặt ở bên trên. Khi mài mặt cầu ta cần phân ra hai trường hợp sau: bề mặt sản phẩm lồi thì đĩa mài đặt ở trên và bề mặt sản phẩm lõm thì đĩa mài đặt ở phía dưới. Do có sự chuyển động tương đối giữa sản phẩm và đĩa mài nên hạt mài luôn bị đẩy ra phía ngoài rìa, do đó bề mặt vùng rìa ngoài thấu kính hoặc đĩa gá chi tiết luôn thô hơn vùng ở giữa. Vì vậy trong các khâu mài mịn tiếp theo, cần phải gia công phần rìa trước, sau đó mới mài dần vào vùng trung tâm. Đối với chi tiết có độ chính xác cao, giai đoạn cuối bắt buộc phải mài nghiền siêu tinh bằng cát mịn F7. Ở đây lượng cắt gọt ít, tốc độ chậm, áp lực mài nhỏ, đảm bảo cho mặt đều, mịn. Dụng cụ mài nghiền siêu tinh được chế tạo bằng hợp kim đồng. Phương pháp này thường được áp dụng cho các sản phẩm có kích thước nhỏ: thí dụ kính hiển vi có đường kính ≤ 4 mm và các linh kiện có chiều dày ≤ 1 mm. Lượng dư cắt gọt ở nguyên công này vào cỡ - 10 - 0.015 mm. Bề mặt mài không có vết rỗ, không xước, phải đều. Vết rỗ chỉ được phép ≤ 3 µm và đạt kích thước cuối cùng của sản phẩm. Năng suất và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc vào loại thuỷ tinh, kích thước và chất lượng hạt mài, tốc độ cắt . Cuối cùng chất lượng của một mặt mài nghiền đúng quy cách phải đáp ứng các yêu cầu sau: không còn các vết của cát mài thô từ các của nguyên công trước, có độ nhám rất nhỏ, không có vết sước . 1.3.2.4 Nguyên công đánh bóng Đánh bóng là một nguyên công quan trọng nhất trong toàn bộ quy trình công nghệ gia công quang học. Nó chiếm tới 65 - 80% thời gian chế tạo một bề mặt chi tiết quang. Đối với nguyên công đánh bóng dưỡng phẳng đường kính >120 mm với độ chính xác 0,5 ÷ 1 vòng quang thì thời gian đánh bóng chiếm tới 80% thời gian gia công, thậm chí còn hơn. Sau khi nghiền tinh bề mặt thuỷ tinh độ bóng còn thấp và độ nhám lớn. Để cho ánh sáng truyền qua cần phải tăng độ bóng các bề mặt khúc xạ của chi tiết quang (bản phẳng, lăng kính). Cũng qua nguyên công đánh bóng các bề mặt này sẽ có được kích thước về độ phẳng, cũng như hình dạng theo yêu cầu (các góc lăng kính .). Khi đánh bóng tự động bề mặt phẳng, chi tiết luôn được đặt ở dưới và dụng cụ được đặt ở trên. Có thể nói rằng đánh bóng là khâu quan trọng nhất trong toàn bộ dây chuyền công nghệ chế tạo các chi tiết quang học. Thiết bị và dụng cụ đánh bóng có cấu tạo tương tự như trong nguyên công mài nghiền. Điểm khác biệt là đĩa đánh bóng ở đây được phủ một lớp nhựa có tính chất đàn hồi và bột đánh bóng có tác dụng cắt như các hạt mài. Cho đến nay người ta vẫn chấp nhận cả 3 quá trình sau xảy ra đồng thời trong quá trình đánh bóng: