Научная статья на тему 'Разработка приборов активного контроля размерных параметров изделий с использованием сапфировых измерительных наконечников'

Разработка приборов активного контроля размерных параметров изделий с использованием сапфировых измерительных наконечников Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
256
58
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
САПФИРОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ НАКОНЕЧНИК / САПФИРОВОЕ ОКНО / ПРИБОР АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ / ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР / ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / SAPPHIRE MEASURING TIP / SAPPHIRE WINDOW / ACTIVE CONTROL DEVICE / LASER INTERFEROMETER / FIBER OPTIC TRANSDUCER

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Леун Евгений Владимирович

В статье рассмотрены три семейства приборов активного контроля размеров изделий с высокои низкокогерентными лазерными интерферометрами, волоконно-оптическими преобразователями и измерительными наконечниками с оптическими окнами из сапфира. Определена нагрузочная способность сапфировых окон и показана возможность их механического контакта с изделиями с прерывистой поверхностью.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Леун Евгений Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Development of advanced active control devices of dimensional parameters MIC products, aerospace industry, instrument making, mechanical engineering and machine-tool with using sapphire measuring tips

There are considered the three families of high-precision and multifunctional active control devices (ACD) product size using laser interferometers highand low-coherence and fiber optic transducers (FOT) and measuring tip with optical sapphire windows. There is determined the carrying capacity of sapphire windows and the possibility of mechanical contact with the products with discontinuous surface.

Текст научной работы на тему «Разработка приборов активного контроля размерных параметров изделий с использованием сапфировых измерительных наконечников»

УДК 681.2.084

Е. В. ЛЕУН

Научно-производственное предприятие им. С. А. Лавочкина, Московская область, г. Химки

РАЗРАБОТКА ПРИБОРОВ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ РАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САПФИРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ НАКОНЕЧНИКОВ

В статье рассмотрены три семейства приборов активного контроля размеров изделий с высоко- и низкокогерентными лазерными интерферометрами, волоконно-оптическими преобразователями и измерительными наконечниками с оптическими окнами из сапфира. Определена нагрузочная способность сапфировых окон и показана возможность их механического контакта с изделиями с прерывистой поверхностью.

Ключевые слова: сапфировый измерительный наконечник, сапфировое окно, прибор активного контроля, лазерный интерферометр, волоконно-оптический преобразователь.

Введение. Разработке и исследованию систем измерений геометрических параметров изделий и технологических процессов посвящены труды многих советских и российских ученых: С. С. Во-лосова, Г. Д. Бурдуна, Е. И. Педя, А. В. Высоцкого, М. П. Соболева, М. И. Этингофа, Н. Н. Маркова, В. В. Кондашевского, В. А. Иванова, В. И. Леуна, В. И. Телешевского, Б. Н. Маркова, Н. Н. Марковой, А. В. Федотова и других. Их научные достижения заложили основу для создания новых высокоточных и многофункциональных приборов активного контроля (ПАК). Объектами контроля для таких ПАК часто являются высокоточные детали авиационных и ракетных двигателей (плунжеры, гильзы, золотники, клапаны), изделия инструментального производства (сверла, зенкеры, развертки, фрезы, протяжки, метчики) и другие.

Известно, что измерительный наконечник в составе ПАК выполняет функцию контактного щупа, положение которого определяется, как правило, с помощью индуктивных преобразователей перемещений с диапазоном измерения - 1—3 мм и точностью измерений - 1 мкм.

Переход на новый технологический уровень с более высокими значениями диапазона и точности измерений, а также широкими функциональными возможностями был предложен автором в результате разработки трех семейств ПАК с лазерными интерферометрами, волоконно-оптическими преобразователями (ВОП) и измерительными наконечниками с использованием окон (вставок) из высокопрочных и оптически прозрачных материалов: алмаза, сапфира, рубина и других. Их применение рассмотрено в данной статье на примере одноконтактных ПАК размеров изделий с прерывистыми поверхностями на круглошлифовальных станках.

1. ПАК с высокопрочным и оптически прозрачным наконечником. В данном разделе рассмотрен представитель первого семейства ПАК с возможно-

стями преимущественно контактного определения положения 1н поверхности изделия, а также температуры наконечника tн и изделия I [1]. Его схема изображена на рис. 1 и включает в себя измерительный стержень 1; измерительный наконечник 2 с оптическим окном 3; фрикционный привод 4, управляемый сигналом иупр; оптическую схему, состоящую из светоделителя 5; оптических фильтров 6 и 7, работающих с лазерным интерферометром 8 и пирометром 9 и настроенных на пропускание соответственно лазерного 10 (как правило, длин волн 0,63 мкм для Ие-Ые-лазера) и инфракрасного (ИК) 11 (в диапазоне 3—15 мкм) излучений.

В процессе обработки изделия шлифовальным кругом фрикционный привод 4 под действием управляющего сигнала иупр задает движение измерительному наконечнику 2, компенсирующее съем металла с обеспечением контакта с поверхностью изделия, периодически погружающегося во впадину между выступами изделия и выходом на них с возможностью его фрикционного проскальзывания. Все перемещения измерительного наконечника 2 измеряются лазерным интерферометром 8, формируя на своем выходе сигнал N (¡н), соответствующий положению внешней поверхности выступов детали, связанной с размером этой детали.

В данном семействе ПАК удалось существенно улучшить технические характеристики приборов, что позволяет осуществлять измерения, исключая все механические передаточные звенья из процесса преобразования.

Следует выделить два интересных варианта освещения лазерным излучением окна 3: фронтальное (рис. 1) и под углом полного внутреннего отражения. В первом случае полностью компенсируется погрешность от износа окна 3, но значительное влияние внешних условий, в т.ч. потока смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), стружки, от наличия/отсутствия контакта с изделием, усложняет

Рис. 1. Схема ПАК с оптически прозрачным наконечником, освещаемым лазерным излучением фронтально

Рис. 2. Схема ПАК с биспиральным ВОП при бесконтактных измерениях

режим работы лазерного интерферометра 8. Во втором случае компенсация износа осуществляется лишь частично, но зато влияние внешних условий на работу лазерного интерферометра практически исключено — и окно 3 может выполнять функцию идеального отражателя.

Лазерный интерферометр 8 формирует выходной цифровой сигнал №(1) = 4к. №1/Х, где кинш — коэффициент интерполяции; ¡а — перемещение измерительного наконечника 2 относительно заданной нулевой координаты; X — длина волны лазерного излучения 10.

Современные лазерные интерферометры позволяют получить точность измерений < 0,01 мкм.

Измерения уровня ИК-излучения 12 с помощью пирометра 9 позволяют определить температуры наконечника tн и изделия I отдельно друг от друга, формируя выходной сигнал N(tн, t ). Их разделение после фотоэлектрического преобразования и формирования электрического сигнала может быть реализовано за счет фильтрации или детектирования. Это обусловлено тем, что доля ИК-излучения 12, связанная с температурой изделия t , является модулированной, а ее параметры зависят от частоты вращения и количества выступов изделия.

Такое бесконтактное измерение температуры с точностью на уровне 0,5 — 2 °С, характерным для многих современных пирометров, позволяет также внести коррекцию температурной погрешности при измерения размеров изделия.

Дальнейшее развитие конструкции ПАК связано с реализацией бесконтактных измерений положения поверхности обрабатываемого изделия и обсуждается в следующем разделе.

2. ПАК с низкокогерентным интерферометром и ВОП. Известно, что созданию высокоточных интерференционных бесконтактных ПАК размеров изделий препятствуют существенные ограничения, связанные с нарушением когерентности лазерного излучения при его прохождении через СОЖ и отражении от шероховатой поверхности. В связи с этим автором было разработано второе семейство ПАК с использованием низкокогерентного лазерного интерферометра, схема которого вместе с биспи-ральным ВОП изображена на рис. 2.

Конструктивно схема такого ПАК близка к описанному выше устройству (рис. 1), а отличия заключаются во введении внутрь измерительного наконечника перед оптическим окном биспираль-ного ВОП 1, состоящего из входного 2, выходного 3 и общего 4 световодов и комплекта линз 5 для приема-передачи лазерного и ИК-излучений. Кроме того, вместо высококогерентного использован низкокогерентный интерферометр 6 с циклическим режимом измерения по сигналу иупр2.

Рис. 3 Биспиральный ВОП

С помощью ВОП реализуются амплитудные («грубые») и интерференционные («точные») измерения за счет выполнения функции амплитудного датчика с фиксированным рабочим диапазоном, а также полупрозрачного светоделителя для низкокогерентного интерферометра 6.

Спиральная закрутка многомодовых световодов в ВОП осуществляется для придания соответствующей спиральной траектории движения большей части распространяющихся по нему световых лучей. Благодаря этому уменьшается угол освещения внутренней стороны торца ВОП и увеличивается доля световых лучей, отразившихся от нее и последовавших обратно.

Так торец ВОП для освещающих его световых лучей выполняет роль полупрозрачного светоделителя и, изменяя параметры такого ВОП, а именно количество витков и шаг закрутки, управляет соотношением между долей вышедших за пределы торца ВОП световых лучей и отразившихся от него обратно, получая нужное соотношение, например 50/50 или 30/70.

Биспиральный ВОП создается путем скрутки двух световодов, нагрева и их сплавления при температуре, которая обычно для полимерных световодов составляет 70 — 90 °С, для кварцевых — 1100-1200 °С при силе натяга 50-500 г. Такой ВОП (рис. 3) с диаметром не более 1,0-2,0 мм, массой не более 1 г ранее был изготовлен из кварц-полимерного волокна КП-200 с диаметром сердцевины 200 + 0,2 мкм [2].

Для повышения пространственного разрешения путем фокусирования световых лучей на выходе ВОП перед оптическим окном может быть введена линза или оптическое окно может быть выполнено в виде линзы, как в [3]. При сканировании подобным ВОП поверхности изделия можно получить профиль поверхности, как

Рис. 5. Схема ПАК (а) для измерения размеров изделия, шероховатости поверхности и угла ее наклона и температуры и расположение оптических пучков в нем (б)

это было сделано низкокогерентным волоконным интерферометром в [4] (рис. 4а — в).

Измерения низкокогерентным интерферометром 6 позволяют определить с точностью не менее чем 0,1 — 0,5 мкм положения поверхностей изделия и наконечника (по положению торца ВОП), формируя выходной сигнал N(1^ 1). Окно прозрачности световодов позволяет пропускать как лазерное, так и излучение ИК-диапазона и измерения температуры наконечника Ьн и изделия Ьизд с формированием соответствующего выходного сигнала N(1^ Ь ). Формирование сигнала осуществляется аналогично ПАК, изображенному на рис. 1.

3. Универсальный ПАК для измерения размеров изделия, шероховатости поверхности и угла ее наклона и температуры. Представитель третьего семейства ПАК (рис. 5а) с оптически прозрачным окном 1 на измерительном наконечнике 2 объединил достоинства предыдущих двух и является универсальным, позволяя осуществлять контактные и бесконтактные измерения. Его работа основана на том, что, согласно рис. 5б, два лазерных пучка 3 и 4, расположенные в плоскости ХО7, формируются и используются высококогерентным интерферометром из оптического блока 5 для высокоточного измерения смещений измерительного стержня 6 с измерительным наконечником 6, освещая его под углом полного внутреннего отражения.

Центральный оптический пучок 7 сформирован и используется низкокогерентным интерферометром также из оптического блока 5 для измерения положения изделия при бесконтактных измерениях. В результате его прохождения насквозь через окно 1 и освещения поверхности изделия в диаграмме отражения выделены два сектора, формирующие два оптических потока 8 и 9, следующие в плоскости ХОУ, для измерения шероховатости

поверхности Яа и угла а ее наклона. Этим достигается расширение функциональных возможностей.

Как и в предыдущих двух случаях, по ИК-излучению 10, пространственно совмещенному с центральным оптическим пучком 7 и следующему от окна 1 в оптический блок 5, определяются температуры измерительного наконечника Ьн 2 и изделия Ь .

изд

Перемещение измерительного наконечника осуществляется системой управления 11 за счет привода 12 и введенного фрикционно-винтового механизма с винтовой передачей «винт — гайка», образованной винтом 13 и гайкой 14, встроенной в измерительный стержень 6.

Отличительной чертой этого механизма является возможность создания управляемого перемещения измерительного наконечника 6 и изменения значения фрикционного трения по сигналу ифв от системы управления 11 на пьезоэлемент 15. При этом может быть задано нужное постоянное значение фрикционного трения или осуществлено управление его значением синхронно с текущим положением измерительного наконечника 6 так, чтобы при его выходе на выступ детали уменьшить трение, но и не допустить его отрыва от поверхности выступа.

Дополнительной для данного ПАК является возможность реализации стробоскопического режима измерений, при котором измерения положения поверхности изделия, ее шероховатости и угла наклона, осуществляемые некогерентным интерферометром, синхронизируются с его текущим положением.

4. Выбор материала для измерительного наконечника. Среди высокопрочных и оптически прозрачных материалов наилучшими для использования в качестве оптических окон измерительных

наконечников могут стать алмаз, муассанит (карбид кремния), сапфир, рубин и другие. Однако самый доступный из них — сапфир.

Сапфир является оксидом алюминия (химическая формула Л1203), характеризуется высокой твердостью (9 по Моосу), имеет коэффициент преломления света 1,762—1,778 и температуру плавления 2040 °С.

5. Нагрузочная способность сапфировых окон к механическому контакту. Использование сапфировых окон в измерительных наконечниках ПАК возможно только при их устойчивости к последствиям механического контакта с изделием, имеющим прерывистую поверхность: импульсных ударных нагрузок, возникающих при выходе из впадины на выступ, и трения скольжения к нему. Последствия этого могут приводить к растрескиванию, появлению сколов и дефектов, нарушению монолитности, вплоть до разрушения и истирания.

Для оценки возможности использования сапфировых окон к ударному нагружению сравним удельные давления, возникающие в процессе выхода наконечника F'уд из впадины на выступ при контроле размеров изделий с прерывистой поверхностью, и ударное нагружение F"уд сапфировых стержней, не приводящее к их механическому разрушению.

Итак, согласно [5] максимальное усилие Fн возникает при контроле размеров изделий с прерывистой поверхностью в процессе выхода наконечника из впадины на выступ и достигает 3 Н. Принимая во внимание, что выступ изделия 1в шириной 1 мм в процессе этого контактирует по всей ширине измерительного наконечника шириной 6 мм, общая площадь контакта 5к, включая площадь цилиндрического сапфирового окна диаметром 1 мм, составляет 6 10-6 м2. Поэтому максимальное значение удельного давления F'уд, приходящегося равномерно на всю площадь контакта, в т.ч. на сапфировое окно, определится как Р = F /Б, = 500 103 Н/м2.

уд н к

В [6] рассмотрен процесс ударного на-гружения сапфировых стержней вдоль осей А- и С-ориентаций, при котором в них не появлялись растрескивания, скалывания и другие дефекты. На стержень диаметром йс= 19 мм с высоты Л =1,5 м сбрасывали стальной цилиндрический ударник диаметром 16 мм и массой ту= 76,78 г с закругленным сферическим концом. Исходя из сферической формы торца ударника и высокой твердости сапфира можно предположить, что ударное нагружение приходилось не более чем по 10 % всей площади круглого сапфирового стержня

Усилие от удара сброшенного ударника можно оценить исходя из динамики ударного нагружения с помощью выражения

Сравним полученные значения оценки удельных усилий, действующих на сапфировое окно в измерительном наконечнике F'yg при выходе из впадины на выступ и ударном нагружении сапфира F"yg max. Как видно, F' < F" и их отношение F" /F'

^ уд уд max уд max уд

превышает 29,4, обеспечивая, как минимум, 29-кратный запас по ударной прочности. Это означает, что сапфировые окна могут успешно использоваться в измерительных наконечниках ПАК размеров изделий с прерывистой поверхностью.

Учитывая это, также можно определить минимальную ширину выступа ¡в детали, усилие которого не приведет к деструкции сапфирового окна, т.е. F' =F" =F /5=14,71 106 Н/м2. И для изме-

уд уд max н k ' ^

рительного наконечника шириной 6 мм значение l составит и 34 мкм, соответствуя, вероятно,

в mm ' J ' i '

острой кромке ножа.

Оценка устойчивости сапфира к трению скольжения, возникающему при его контакте с поверхностью изделия, после его выхода на выступ также важна. Очевидно, что такое воздействие можно уподобить механической обработке самого сапфира поверхностью изделия, выполняющего роль шлифовального круга с существенно меньшей твердостью, т.к. твердость нержавеющих сталей уступает твердости сапфира до 7 крат.

Теоретически и экспериментально доказано, что «...все материалы независимо от их твердости и хрупкости в процессе механической обработки претерпевают переход от хрупкого режима удаления материала к пластическому, если подача достаточно мала.». Подобное многократно наблюдалось для природного и синтетического алмазов, сапфира, корундовой керамики и изумрудов. Отсутствие хрупкого разрушения экспериментально было подтверждено на примере резания алмазных пластин алмазным кругом 12А2 (АЧК) 250 x 20 x 5 АСМ 7/5 ВФ1 (связка на основе костной муки 150 %-й концентрации) с частотой вращения от 1000 до 6000 об/мин и скоростью до 30 мкм/мин [6]. При таких условиях резки добивались качества поверхности с шероховатостью не хуже R =0,032 мкм.

z

Известно, что средняя скорость износа, например, стандартных измерительных наконечников, как правило, не превосходит 1 мкм за 8-часовую смену, что составляет и 2 нм/мин [5]. Если допустить подобный износ сапфировых наконечников, то следует признать близость такого процесса механической обработки к полированию или притирке. И получаемая от такого механического воздействия поверхность сапфира будет выполнять условие сохранения когерентности лазерного излучения с длиной волны Х = 0,63 мкм

F" =m v/t,

уд у

(1)

R <Х/6,

(3)

где I — время воздействия сброшенного ударника для абсолютно упругого удара по сапфиру и его значение не более 0,001 с; V — скорость сброшенного ударника на момент удара, определяемая выражением V = 2 • g • к.

С учетом этого выражение (1) для расчета удельного давления можно представить в следующем виде:

F"уд = 40-mу V2 • g • h /р • dc2 • t.

(2)

При подстановке в (2) всех приведенных выше значений получим максимальное значение Г' «14,71 106 Н/м2.

ее можно приравнять к зеркальной и использовать для работы с высококогерентными интерферометрами.

Повышение износоустойчивости и снижение трения скольжения сапфирового окна при механическом контакте возможны при создании на нем регулярного микрорельефа с микрокарманами, которые могут быть созданы с помощью техники фотолитографии (рис. 6а) и вакуумного напыления металла и последующего отжига (рис. 6б) [8]. Геометрические размеры (длина, ширина, высота) таких микрокарманов сапфировых окон зависят от семейства ПАК. В частности, при использовании вместе

а б

Рис. 6. Варианты регулярного микрорельефа на поверхности сапфирового окна с использованием техники фотолитографии (а) и вакуумного напыления металла и последующего отжига (б)

с высококогерентным интерферометром размеры не должны превышать Х/6. При совместной работе с низкокогерентным интерферометром это ограничение полностью снимается.

Выводы.

1. Создано, предложено к опытно-конструкторской отработке и использованию три семейства высокоточных и многофункциональных ПАК для контроля размеров изделий с сапфировыми измерительными наконечниками.

2. Расчетами показано, что нагрузки, возникающие при контроле размеров изделий с прерывистыми поверхностями, не приводят к деструктивным явлениям сапфировых окон.

3. Для снижения трения скольжения на поверхности сапфировых окон измерительных наконечников предложено наносить регулярный микрорельеф, геометрические параметры которого индивидуальны для высоко- и низкокогерентных интерферометров ПАК.

Библиографический список

1. Пат. 2557381 РФ, МПК В 24 В 49/00, С 01 В 7/12. Способ активного контроля линейных размеров в процессе обработки изделия и устройство для его реализации / Леун Е. В., Леун А. В. ; заявитель и патентообладатель ООО «Измираль» (ЯИ). — № 2013152692 ; заявл. 28.11.2013 ; опубл. 20.07.2015, Бюл. № 20.

2. Пат. 2573661 РФ, МПК С 01 Б 23/22. Способ измерения уровня жидкости и устройство с нерегулярной биспирально-конической световодной структурой для его реализации / Коренев М. С. ; заявитель и патентообладатель Коренев Михаил Стефанович ; опубл. 27.09.2015, Бюл. № 27.

3. Контроль лазерной обработки поликристаллических алмазных пластин методом низкокогерентной оптической интерферометрии / В. В. Кононенко [и др.] // Квантовая электроника. - 2005. - Т. 35, вып. 7. - С. 622-626.

4. Пат. 38570 РФ, МПК С 02 В 6/26. Устройство ввода излучения в сапфировое волокно / Стрюков Д. О., Шикунова И. А., Курлов В. Н. ; заявитель и патентообладатель ФГБУ науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) ; опубл. 20.03.2014.

5. Леун, В. И. Повышение эффективности технологии изготовления и точности измерения линейных размеров прецизионных деталей приборов, машин и изделий инструментального производства средствами автоматического контроля : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.14, 05.11.01 / Леун Владимир Исидорович // ИТМО. - СПб., 1994. - 25 с.

6. Сильченко, О. Б. Теория и методы размерно-регулируемой и бездефектной обработки твердоструктурных минералов резанием : автореф. дис. . д-ра техн. наук : 05.13.07 / Сильченко Ольга Борисовна. - М., 2000. - 317 с.

7. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса распространения волн в сапфировых стержнях / А. Н. Шупиков [и др.]. - Режим доступа : ЬИр^/героБНогу. kpi.kharkov.Ua/bitstream/KhPI-Press/14124/1/vestnik_ HPI_2014_57_Shupikov_Teoreticheskoe.pdf (дата обращения: 11.03.2016).

8. Бабаев, В. А. Атомно-силовая микроскопия в изучении шероховатости сверхгладкой кристаллической поверхности и разработке технологии сапфировых подложек с регулярным микрорельефом / В. А. Бабаев, А. Э. Муслимов, А. В. Буташин. -Режим доступа : http://cyberleninka.ru/article/n/atomno-silovaya-mikroskopiya-v-izuchenii-sherohovatosti-sverhgladkoy-kristallicheskoy-poverhnosti-i-razrabotke-tehnologii-sapfirovyh (дата обращения: 11.03.2016).

ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 18.04.2016 г. © Е. В. Леун

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.