CC BY
58
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
