Đang tải... (xem toàn văn)
Trong bài viết này, một phương pháp mới sử dụng công cụ đánh bóng bởi hỗn hợp bùn lỏng từ tính MLS kết hợp với robot 6 trục tự do đã được đề xuất cho việc đánh bóng bề mặt thấu kính quang học. Trong đó sự phân bố của các hạt mài được phát hiện bằng SEM và EDX.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Các nghiên cứu đánh bóng bề mặt thấu kính quang học sử dụng hỗn hợp đánh bóng linh hoạt Basic research in aspheric elements surface polishing using a flexible polishing compound Nguyễn Minh Quang*, Nguyễn Tiến Tùng Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội * Email: nmqy1984@gmail.com Tel: 0984030988 Tóm tắt Từ khóa: Bùn lỏng từ tính; Thấu kính quang học; Đánh bóng; Nhám bề mặt Trong báo này, phương pháp sử dụng cơng cụ đánh bóng hỗn hợp bùn lỏng từ tính MLS kết hợp với robot trục tự đề suất cho việc đánh bóng bề mặt thấu kính quang học Trong phân bố hạt mài phát SEM EDX Sau đó, q trình hình thành nên hình dạng dụng cụ đánh bóng ổn định theo thời gian khảo sát Một phôi gia công hợp kim nhơm dạng coi yếu tố thấu kính quang học (aspheric elements) với bán kính đường kính cong vơ hạn chấp nhận cơng trình Khu vực đánh bóng mặt cắt ngang sau lần đánh bóng 30 phút ghi lại Trong khu vực đánh bóng hình thành với vịng trịn đồng tâm đạt với kích thước đường kính ngồi Ø34mm, kích thước đường kính Ø15mm, việc loại bỏ lượng dư vật liệu xác định chiều cao lớn độ nhám bề mặt Ra giảm từ 125 nm với phôi ban đầu xuống cịn 11 nm sau 90 phút đánh bóng Qua nhận thấy phương pháp đề suất có khả đánh bóng cho bề mặt thấu kính quang học Abstract Keywords: Magnetic liquid slurry; optical lenses; Polishing; Surface roughness Ngày nhận bài: 10/8/2018 Ngày nhận sửa: 04/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/8/2018 This paper proposes a new method of polishing using the magnetic liquid slurry (MLS) combined with the 6-axis robot for the polishing the surface of optical lenses First, the distribution of grinding particles was detected by SEM and EDX Then, the shape formation of a gradually stable over time polishing device was investigated In this paper, it is accepted that an workpiece made from aluminum-alloy sheets can be considered an aspheric element with an infinite curvature radius The polished area and the cross sections formed every 30 minutes after the polishing process are recorded The polished area is formed with obtained concentric circles These concentric circles have an outer diameter of Ø34mm and inner diameter of Ø15mm The process of removing material residue was determined by the highest height and the surface roughness (Ra) decreased from 125 nm with the initial workpiece to 11 nm after 90 minutes of polishing Therefore, it can be concluded that the proposed method is capable of polishing the optical lens surface HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Bề mặt thành phần quang học thường sử dụng bao gồm mặt phẳng, mặt cầu mặt thấu kính Đặc biệt, yếu tố quang học hình thấu kính có tầm quan trọng ngày tăng lĩnh vực quang học hiệu suất bật chúng việc cải thiện chất lượng hình ảnh cho hệ thống quang học giảm tổng chi phí so với phần tử quang cầu [1] Các yếu tố thấu kính phân loại thành đối xứng trục không đối xứng trục, với yếu tố phân loại thành bề mặt tự bề mặt trục [2] Các yếu tố thấu kính truyền thống có dạng parabol, hyperboloid elip dạng đối xứng Chúng sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp như: ngành cơng nghiệp quốc phịng, hàng khơng vũ trụ, ngành y tế, ngành công nghiệp laser lĩnh vực thương mại khác Các sản phẩm bao gồm hệ thống quang học đối xứng ba trục, kính viễn vọng, kính thiên văn, thấu kính máy ảnh kỹ thuật số, thiết bị thông minh Những thiết bị quang học địi hỏi vật liệu có khối lượng thấp, độ bền độ cứng cao, độ dẫn nhiệt thích hợp, dễ gia cơng sản xuất chi phí thấp Do đó, vật liệu thơng thường cho thấu kính quang học chia thành: Nhóm kim loại (nhôm, berili), nhựa quang học (TPX, SAN), tinh thể quang học (đất kiềm flouride, tinh thể laser), vật liệu IR (kim loại Gecmani, Silic) kính [3] Tuy nhiên, nhu cầu ngày tăng độ xác, dung sai, hiệu suất khả làm việc khiến nhà nghiên cứu khác thác loại vật liệu CFC, SiC vật liệu đặc biệt khác Các loại vật liệu không giá thành cao mà cịn khơng có khơng đáng tin cậy cho tất ứng dụng Trong nhơm hợp kim thích hợp trường hợp [4] Trong cơng trình hợp kim nhơm 6061 chọn cho tiến trình thí nghiệm NGUN LÝ ĐÁNH BĨNG VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM Hình đưa sơ đồ đánh bóng bề mặt thấu kính cơng cụ đánh bóng MLS sử dụng robot trục tự nhằm đánh bóng bề mặt thấu kính Một thiết bị đánh bóng MLS bao gồm nam châm vĩnh cửu hình trụ rỗng có kích thước đường kính ngồi Ø30, kích thước đường kính Ø9, chiều cao 20 mm, cường độ từ trường 0.5T Một nhôm mang hỗn hợp MLS, hai động cơ, đai truyền động cho đĩa nhôm mang MLS, thiết bị gắn bàn máy robot Khi động quay truyền chuyển động quay cho nam châm, lúc từ trường quay tạo công cụ đánh bóng MLS hình thành Động tạo chuyển động quay cho đĩa mang MLS thông qua truyền đai Động cấu kẹp phôi gắn đầu cuối robot trục tự nhằm tạo chuyển động quay cho phôi quanh trục động Một khoảng cách làm việc h góc nghiêng so với phơi gia cơng θ thiết lập cách điều khiển vị trí đầu robot trục tự Trong đó: n3, n2 n1 tốc độ quay phôi, chứa MLS trục quay nam châm, tương ứng Hình mô tả nguyên lý lấy lượng dư gia cơng Trong cụm sắt từ hình thành hạt sắt bon tác dụng từ trường quay sợi xenlulose tác động lên hạt mài, hình thành nên dụng cụ cắt linh hoạt Bên cạnh động n3 tạo chuyển động tương đối phôi hạt mài nhằm loại bỏ lượng dư gia công Thành phần hỗn hợp MLS sử dụng thí nghiệm sau: Chất lỏng từ tính (40%); Hạt mài Al2O3 kích thước 1μm (12%); -cellulose (3%); Bột sắt bon kích thước 7μm (45%) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Sơ đồ q trình đánh bóng hỗn hợp MLS Phôi gia công, Màng đỡ MLS, Nam châm, Hỗn hợp MLS Hình Thiết lập thí nghiệm Hình Nguyên lý loại bỏ lượng dư gia cơng Trong q trình chuẩn bị mẫu nhằm quan sát phân bố mài mòn, θ đặt 0o, khoảng cách làm việc thiết lập vị trí h = mm, độ lệch tâm nam châm r = mm Tốc độ quay nam châm, phôi gia công, đĩa mang hỗn hợp MLS thiết lập là: n3 = 500 (vòng/ph); n2 = 450 (vòng/ph); n1= 150 (vòng/ph) Thời gian đánh bóng thực phút, mẫu vữa MLS lấy tiến hành sấy khô cách tự nhiên sau phân tích thành phần ngun tố Al (chính hàm lượng Al2O3 tham gia vào q trình loại bỏ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 lượng dư gia công) bề mặt làm việc mẫu mặt cắt ngang bề mặt vữa MLS khảo sát bở SEM phân tích EDX Một khảo sát khả đánh bóng MLS thời gian tiến hành thực thay đổi giá trị: khoảng lệch tâm r, tốc độ quay nam châm, khối lượng MLS cung cấp Trong tốc độ quay phơi giữ cố định 300 (vòng/phút) Một loạt tiến trình thí nghiệm thực nhằm khẳng định tính khả thi phương pháp đề suất Sau q trình thí nghiệm, phơi làm nước sấy khô 15 phút, độ nhám bề mặt hình ảnh mặt cắt ngang lưu lại Trong thí nghiệm đánh bóng, sau phút hỗn hợp MLS tăng cường nhằm đảm bảo khả đánh bóng KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân phối hạt mài Hình Sự phân bố hỗn hợp MLS với ảnh SEM vi mơ phân tích EDX vị trí làm việc khác Hình Cơng cụ đánh bóng hình thành theo thời gian, chiều rộng, chiều cao, độ lệch tâm r Hình (a) cho thấy hình ảnh phần phía mặt cắt ngang mẫu MLS, hình (b) cho thấy ảnh SEM vi mơ ảnh phân bố EDX cho khu vực khác bề mặt làm việc Phân HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 tử Al hạt mài Al2O3 thể màu xanh lục phân tích ánh xạ EDX Qua phân tích nhận thấy nguyên tố Al quan sát bề mặt mặt cắt ngang, cho thấy hạt mài phân bố lớp vữa MLS Điều chứng minh hạt mài trộn làm cụm sắt tác động từ trường quay trình hoạt động 3.2 Dụng cụ đánh bóng Thời gian hình thành cuối củng dụng cụ đánh bóng với khoảng cách lệch tâm r khác thể hình Qua hình ảnh nhận thấy khoảng lệch tâm r lớn mm, thời gian hình thành rút ngắn xuống giây Đặc biệt, khoảng lệch tâm r = mm, hình thành cơng cụ đánh bóng cuối với hỗn hợp MLS tạo vòng tròn đồng tâm Tuy nhiên độ lệch tâm r tăng lên giảm so với khoảng cách mm, hình dạng trở nên xấu không đồng dẫn đến khối lượng hỗn hợp MLS rìa vịng trịn trở nên lớn nhỏ làm cho khả đánh bóng dụng cụ đánh bóng bị suy yếu Do đó, thí nghiệm đánh bóng, độ lệch tâm đặt khoảng cách mm Ảnh hưởng r chiều rộng cuối chiều cao tối đa thể Khi tăng độ lệch tâm r, chiều rộng tăng nhẹ sau giảm chút Ban đầu chiều cao lớn sau giảm sau tăng dần trở lại Như có mối quan hệ xấu liên quan đến chiều rộng Điều khối lượng MLS cung cấp giá trị không đổi (1ml) nhằm tạo chiều cao giới hạn tăng chiều rộng tăng lên Như thể hình (a), tốc độ vòng quay nam châm tăng lên, chiều rộng chiều cao không đổi, thời gian hình thành giảm mạnh Trong hình thành ban đầu hỗn hợp MLS (1 ml) tồn khoảng hở Khi nam châm quay, từ trường quay điều khiển vữa MLS để tạo thành cơng cụ đánh bóng hình vành khăn để khoảng hở loại bỏ thời gian tạo thành công cụ đánh bóng ổn định phụ thuộc vào tốc độ quay nam châm Thể tích vữa MLS cung cấp ảnh hưởng đến chiều rộng chiều cao, hai có mối quan hệ tích cực với thể tích cung cấp Thời gian để hình thành cơng cụ đánh bóng giảm gần 62% thể tích MLS cung cấp tăng từ 0,5ml lên 1ml, sau xu hướng giảm thể tích cung cấp tăng Thể tích vữa MLS cung cấp nhiều tạo khoảng hở xảy trạng thái ban đầu, rút ngắn thời gian hình thành dụng cụ đánh bóng a) b) Hình Ảnh hưởng tốc độ quay nam châm cung cấp vữa MLS thời gian hình thành cuối cơng cụ đánh bóng MLS HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.3 Tính khả thi phương pháp đánh bóng a) b) Hình Vùng đánh bóng với tiết diện mặt cắt ngang nhám bề mặt gia công biến đổi theo thời gian đánh bóng Một phơi hợp kim nhơm dạng kích thước 50x50x5 mm coi loại yếu tố thấu kính với bán kính cong vô hạn chấp nhận thực nghiệm coi kết thí nghiệm điển hình Hình (a) cho thấy hình ảnh quang học vùng đánh bóng với mặt cắt A-A sau 30 phút đánh bóng với tốc độ quay phơi n3 = 250 (vịng/phút), vận tốc quay đĩa mang MLS n2 = 450 (vòng/phút), vận tốc quay nam châm n1 = 500 (vòng/phút), chiều cao đánh bóng h = 3,5 mm, góc nghiêng θ = 60, thể tích vữa MLS = 1,5 ml Khi khu vực đánh bóng hình thành với hai vịng trịn đồng tâm với kính thước đường kính ngồi Ø34 mm kích thước đường kính Ø15 mm Trong thơng số d chiều sâu biên dạng lớn loại bỏ Do q trình loại bỏ lượng dư gia cơng tính giá trị d Hình ảnh vi mơ 3D bề mặt làm việc đánh bóng thay đổi độ nhám bề mặt làm việc Ra trình đánh bóng ghi lại theo thời gian Mỗi điểm vẽ cho giá trị Ra giá trị trung bình giá trị Ra đo vị trí khác vùng đánh bóng Độ nhám bề mặt Ra giảm nhanh 44% 15 phút đầu tiên, bề mặt làm việc tiếp tục làm nhẵn q trình đánh bóng sau, cuối giảm từ 125nm với phôi ban đầu xuống 10,789 nm sau 90 phút đánh bóng hình (b) Rõ ràng, q trình đánh bóng độ sâu khu vực đánh bóng tăng lên, tức là, việc loại bỏ vật liệu tăng lên Ra giảm Theo thí nghiệm này, chứng minh phương pháp có khả loại bỏ lượng dư vật liệu bề mặt làm việc đạt độ bóng đến mức Nano KẾT LUẬN Bài báo đề xuất phương pháp đánh bóng cho bề mặt thấu kính với cơng cụ đánh bóng MLS Các thí nghiệm tiến hành kết tóm tắt sau: 1) Mẫu MLS khô tạo nhằm quan sát phân bố hạt mài Các hạt mài phân bố đồng không bề mặt mẫu mà mặt cắt ngang Qua nhận thấy hạt mài trộn hỗn hợp MLS tạo dụng cụ cắt tác động từ trường HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2) Thời gian hình thành nên dụng cụ đánh bóng cuối cơng cụ đánh bóng MLS ghi lại độ lệch tâm r khác nhau, tốc độ quay nam châm khối lượng vữa MLS cung cấp Độ lệch tâm yếu tố quan trọng để đạt cơng cụ đánh bóng MLS có hình vành khăn thích hợp 3) Các thí nghiệm tiến hành nhằm xác minh tính khả thi q trình đánh bóng thực với phơi gia công hợp kim nhôm dạng Lượng dư gia cơng loại bỏ hình vành khăn cơng cụ đánh bóng bề mặt làm việc tạo dạng Nano (Ra = 10,789 nm) đạt sau đánh bóng 90 phút Vì vậy, phương pháp có khả đánh bóng bề mặt thấu kính, có nhiều giá trị khoa học nên tiếp tục nghiên cứu tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F J Chen, S H Yin, Profile error compensation in ultra-precision grinding of aspheric surfaces with on-machine measurement, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 50 (2010) 480-486 [2] D L Xue , Z Y Zhang , X J Zhang, Computer controlled polishing technology for middle or small aspheric lens, Optics & Precision Engineering, 27 (2001) 524-525 [3] Ronald R Willey, Robert E Parks, Optomechanical Engineering Handbook, Boca Raton, 1999 [4] R T Horst, N Tromp, R Navarro, Directly polished lightweight aluminum mirror, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 7018 (2008) 701808701808-10 [5] S Scheiding, O Stenzel, S Gliech, Metal mirrors with excellent figure and roughness, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, (2008) 317-347 [6] K J Moeggenborg, S Reggie, Low-scatter bare aluminum optics via chemical mechanical polishing, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 7060 (2008) 706002-706002-8 [7] F Chen, S Yin, Fabrication of small aspheric moulds using single point inclined axis grinding, Precision Engineering, 39 (2015) 107-115 [8] D Vukobratovich, J P Schaefer, Large stable aluminum optics for aerospace applications, Optomechanics 2011: Innovations and Solutions Optomechanics 2011: Innovations and Solutions, 8125 (2011) 81250T-81250T-13 [9] Youliang Wang, Yongbo Wu, A novel magnetic field-assisted polishing method using magnetic compound slurry and its performance in mirror surface finishing of miniature Vgrooves AIP Advance, 6(2016)056602-1-6 [10] A Beaucamp, Y Namba, I Inasaki, Finishing of optical moulds to λ /20 by automated corrective polishing, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 60 (2011) 375-378 [11] A K Singh, S Jha, P.M Pandey, Magnetorheological Ball End Finishing Process, Materials &Manufacturing Processes, 27(2012) 389-394 ... nghiệm NGUN LÝ ĐÁNH BĨNG VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM Hình đưa sơ đồ đánh bóng bề mặt thấu kính cơng cụ đánh bóng MLS sử dụng robot trục tự nhằm đánh bóng bề mặt thấu kính Một thiết bị đánh bóng MLS bao... HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Bề mặt thành phần quang học thường sử dụng bao gồm mặt phẳng, mặt cầu mặt thấu kính Đặc biệt, yếu tố quang học hình thấu kính. .. khả loại bỏ lượng dư vật liệu bề mặt làm việc đạt độ bóng đến mức Nano KẾT LUẬN Bài báo đề xuất phương pháp đánh bóng cho bề mặt thấu kính với cơng cụ đánh bóng MLS Các thí nghiệm tiến hành kết