Рабочие процессы прецизионной обработки полимеров

6.1. Характеристика оптических полимеров и изделий

Производство синтетических материалов, среди которых особое место занимают оптические полимеры находят широкое применение при создании:

§ детекторов для нового поколения ускорителей элементарных частиц,

§ оптико-волоконной связи,

§ диагностической медицинской аппаратуры,

§ солнечных конверторов,

§ радиационных дозиметров и др.

Наиболее широкое распространение среди оптических полимеров получили материалы на основе полистирола (ПС) и полиметилметакрилата (ПММА), получаемые путем полимеризации соответствующих мономеров (в частности стирола) с добавкой люминесцирующих наполнителей. Наличие органических люминофоров приводит к эффекту люминесценции, т.е. излучению под действием различного вида энергии (радиации, световых потоков, ускоренных.элементарных частиц и др.).

Для прохождения возникшего свечения по оптическому полимерному изделию с минимальными потерями его поверхности необходимо придать параметры минимальной шероховатости (R_а<0.06 мкм), обеспечить бездефектность поверхностного слоя и в ряде случаев высокую точность.

Самым распространенным методом формообразования оптических изделий является обработка резанием, потенциально способная обеспечить стабильно высокие световые характеристики (прозрачность, светопоглощение, излучательную способность) изделия.

Сложность реализации этих процессов состоит в том, что полимерные оптические материалы весьма чувствительны к температурно-силовым деформациям (температура плавления около 80 С), воздействию окружающей среды, что требует создания нетрадиционных технологических процессов их обработки.

Изготовление различных типов оптических изделий (крупногабаритных изделий, изделий со сложным петлеобразным внутренним контуром под световоды диаметром не более 1,1 мм, световоды и др.) требует сугубо индивидуальных решений, структурной и параметрической оптимизации технологического процесса в сочетании с высокой прецизионностью и новым уровнем функциональных свойств.

6.2. Механика резания полимеров

Возникающая деформация полимерного материала при резании ведет к появлению механолюминесценции, которая характеризуется интенсивностью излучения фотонов и может быть использована в качестве меры процессов деформации и разрушения, происходящих при направленном воздействии режущего клина на полимер.

Проведенные исследования [1] микромеханики резания показывают, что оптические полимеры необходимо обрабатывать на низких и высоких скоростях резания с возможно меньшими сечениями срезаемого слоя.

6.3. Устойчивость технологической системы при обработке полимерных оптических изделий

При обработке изделий полимерной оптики важнейшую роль играет динамическая устойчивость технологической системы, без которой невозможно обеспечить высокие характеристики их микро- и макрогеометрии. При фрезеровании основным источником возмущений динамической системы являются автоколебания и вынужденные колебания, возникающие в результате импульсного воздействия сил при врезании и выходе инструмента.

Изменяя параметры технологической системы (массу, жесткость, демпфирование, режимы резания), можно прогнозировать зону динамической устойчивости системы, которая будет обеспечивать требуемые показатели колебания микро- и макрогеометрии поверхности оптических изделий.

6.4. Тепловые явления

Температура резания является одним из важнейших физических факторов обработки, так как от ее уровня зависит степень термической деструкции оптических полимерных изделий. Термическая деструкция, которая активно развивается при температурах свыше 80 С, играет отрицательную роль в формировании поверхностного слоя и функциональных свойств оптических изделий.

При малых скоростях резания тепловой поток распространяется на значительную глубину под обработанной поверхностью заготовки, в то же время затрагивая на длине небольшой участок обработанной поверхности.

В зоне средних скоростей наблюдается интенсивный рост температуры. Столь резкое повышение температуры для материалов, обладающих низкой теплостойкостью при условии получения высокого качества поверхности с минимальной термической деструкцией, диктует необходимость обработки с низкими скоростями фрезерования, в пределах 25-60 м/мин.

В зоне средних скоростей глубина деструкции может достигать 0,8 - 1,0 мм, что приводит к появлению значительных термодефектов в поверхностном слое заготовки.

Высокие температуры резания ухудшают экологические показатели производства, т.к. приводят к снижению молекулярной массы и термической деструкции полистирола.

При высоких скоростях резания (свыше 1000 м/мин) вязко-упругая деформация переходит в хрупкое разрушение, что приводит к меньшему тепловыделению. Происходит локализация зоны разрушения, что приводит к уменьшению трения в контакте пары «обрабатываемый материал - режущий инструмент». Диапазон высоких скоростей может быть весьма предпочтительным при прецизионной обработки, но здесь решающим фактором становятся вибрационные явления технологической системы, что связано с ухудшением шероховатости обработанной поверхности.

Изучение влияния свойств инструментальных материалов на температуру показывает несомненное преимущество алмазного инструмента. Быстрорежущая сталь и твердый сплав приводят к росту температуры в зоне резания на 20-45 %.

6.5. Износостойкость режущего инструмента

Радиус округления режущих кромок инструментов играет решающую роль в формировании поверхностного слоя полимерных оптических материалов. Минимально возможное его значение (ρ<1 мкм) обеспечивает получение оптически прозрачной поверхности изделия. Для прецизионной обработки оптической поверхности целесообразно применять природный монокристаллический алмаз, который имеет высокую теплопроводность и минимальный коэффициент трения. На чистовых операциях фрезерования монокристаллический алмаз практически не подвергается износу, не наблюдается увеличение радиуса округления кромок. Однако применение инструмента из природных монокристаллических алмазов на всех операциях обработки полимерной оптики экономически малоэффективно. Это обусловлено как его высокой стоимостью. так и разбросом показателей долговечности. Быстрорежущий инструмент Р9, который может обеспечить начальный радиус округления ρ = 4 - 8 мкм. подвергается заметному изнашиванию со стороны полимерных материалов. С учетом жестких требований к качеству обработки необходим правильный выбор критерия затупления режущего инструмента.

При обработке полимерных композитов инструментами обычной и сверхвысокой твердости отсутствует период катастрофического изнашивания, так как ему всегда предшествует недопустимое ухудшение качества обработанной поверхности изделия. В этих случаях используют критерий технологического износа.

6.6. Качество обработанной поверхности

Качество обработки изделий полимерной оптики оценивается комплексом параметров, характеризующих микронеровность и состояние материала поверхностного слоя.

Для оптических изделий разработан критерий достаточной шероховатости (КR_z=R_z<λ´10³), который связывает численным соотношением параметр шероховатости и длину оптической волны (λ нм) пропускаемого через детектор светового пучка.

Параметр достаточной шероховатости должен быть обеспечен на этапе лезвийной обработки, а величина шероховатости по параметру R._а должна находиться в пределах значений, не превышающих 0,06…0,05 мкм.

6.7. Эксплутационные свойства оптических полимерных изделий

Под эксплуатационными свойствами оптических полимерных изделий понимают стабильно высокие световые (функциональные) характеристики при максимально возможных сроках их работоспособности.

Функциональные характеристики оптических изделий зависят от состава и свойств полимерной композиции, от условий и особенностей процесса механической обработки оптических поверхностей.

Важнейшими показателями качества оптических полимеров являются их прозрачность в видимой области спектра (величина светового выхода) и высокая излучательная способность (люминесценция), а также долговечность, способность готовых изделий сохранять уровень этих характеристик в течение длительного срока эксплуатации.

Важным фактором при изготовлении оптических изделий является применение смазочно-охлаждающих технологических сред, которые улучшают качество поверхностного слоя. По данным же исследовательского центра США лучшие результаты получены с применением охлажденного воздуха в зоне резания.

6.8. Оптимизация процесса

Прецизионная обработка прежде всего отличается от традиционных методов минимальными толщинами срезов, высокими требованиями к шероховатости получаемой поверхности, точности изделия, качеству поверхностного слоя. Как и любой процесс резания, прецизионную обработку необходимо оптимизировать.

В качестве критерия оптимизации целесообразно использовать технологический фактор - максимальный съем материала.

На модель накладываются следующие ограничения:

• ограничение по динамической устойчивости технологической системы. Основное условие устойчивости технологической системы состоит в том, что суммарный вектор колебания системы не должен превышать вектора амплитуды предельного значения шероховатости поверхности;

• ограничение по максимально допустимой глубине резания определяется экспериментально, исходя из требований к микро- и макропрофилю оптической поверхности;

• ограничение по термодеструкции полимера накладывается в виде функции, которая получается экспериментально и учитывает возможно предельную температуру (θ < 80 ^oС) на поверхности полимера, не допускающую деструкцию материала.

1. Каковы основные закономерности микромеханики процесса лезвийной обработки оптических полимеров?

2. Какие основные температурные закономерности при лезвийной обработке оптических полимеров?

3. Объясните влияние инструментального материала на шероховатость обработанной поверхности оптических полимеров.

4. Какова методология оптимизации режимов резания при прецизионной обработке оптических полимерных изделий?

Лекция 6 (10)