СПОСОБ ШЛИФОВАНИЯ И ПОЛИРОВАНИЯ СТЕКЛА Российский патент 2016 года по МПК C03C15/02 C03C19/00 

Изобретение относится к технологии производства силикатного остекления, в частности к технологии механической и химической обработки крупногабаритных силикатных стеклозаготовок 3D-формы, используемых для изготовления многослойных изделий конструкционной оптики (ИКО).

Стеклозаготовки для изделий авиационного остекления, для обработки которых предлагается данное изобретение, представляют собой тонкую стеклянную оболочку толщиной 3-5 мм и площадью около 1,5 м², имеющую 3D-форму двойной кривизны со значительной стрелой прогиба в поперечном направлении (около 400-600 мм) и в продольном направлении (около 100-200 мм).

Технология изготовления силикатных 3D-оболочек, используемых в дальнейшем для создания ИКО, имеющих форму сложной геометрии, осуществляется методом управляемой деформации стеклопакета (принудительного моллирования), состоящего из нескольких плоских стеклозаготовок размером около 2500×1500 мм.

После формообразования на поверхности стеклозаготовок остаются дефекты (т.н. «отпечатки») от разделительного (антиадгезивного) покрытия, которое наносят на поверхность стекла для предотвращения слипания стеклозаготовок в процессе формообразования. Отпечатки обычно имеют размеры - в глубину до 150-200 мкм и в диаметре более 1-5 мм. Распределяясь хаотически по всей поверхности, отпечатки приводят к значительному снижению оптических характеристик силикатных 3D-оболочек. Для получения заданных оптических характеристик, требуемых для силикатных 3D-оболочек, при производстве ИКО необходимо дополнительное шлифование и полирование поверхности.

Известны способы шлифования и полирования плоских или сферических оптических заготовок на шлифовально-полировальных станках путем механической обработки поверхности абразивными порошками [Ходаков Г.С., Кудрявцева Н.Л. Физико-химические процессы полирования оптического стекла. М.: Машиностроение, 1985. 220 с.]. В этих случаях осуществляется механическая обработка стеклозаготовки, установленной между нижним и верхним шпинделями, имеющими вращательное движение, а верхний шпиндель создает необходимое давление для осуществления процесса механической обработки стеклозаготовки.

Недостатком данного способа является то, что способ применим только для обработки геометрически простых поверхностей плоских и сферических, имеющих ось симметрии (вращения).

Известен также станок для шлифования и полирования асферических оптических деталей [Патент на изобретение №294439 (SU 294439 A1, МПК В24В 13/02]. Он пригоден для механической обработки асферических изделий.

Недостатком данного способа является то, что способ применим для обработки поверхностей, относящихся к первой группе, имеющих ось симметрии, и ко второй группе, обладающей двумя плоскостями (цилиндры, конусы, торы).

Оба вышеперечисленных способа неприменимы для шлифования, полирования силикатных 3D-оболочек, имеющих сложную геометрическую поверхность, состоящую из сопряжения поверхностей разного порядка.

Обработка невозможна также из-за невозможности осуществления вращательного движения шпинделей совместно с стеклозаготовкой.

Поверхность 3D-формы рассматриваемых оболочек - это сложная поверхность, представляющая собой плавное сопряжение поверхностей различных геометрических форм (плоских и криволинейных). Придать вращение такой стеклозаготовке в процессе обработки в настоящее время не представляется возможным, обработка таких поверхностей возможна только за счет перемещения по обрабатываемой поверхности вращающегося обрабатывающего инструмента.

В настоящее время наблюдается интенсивное развитие парка станков нового поколения, обладающих большой степенью свободы, это (пятикоординатные) обрабатывающие центры. Однако обработка на них в настоящее время невозможна в связи с отсутствием в станках функций обработки (шлифовки полировки) поверхностей (тонких стеклянных) оболочек. Единственным решением данной проблемы на сегодняшний день при обработке 3D-формы сложной геометрии остается применение только ручной обработки. Принимая во внимание площадь и толщину стеклозаготовки, ручная обработка одной 3D-оболочки с соблюдением всех требуемых переходов занимает очень много времени.

Соблюдение всех требуемых переходов при обработке является необходимым условием получения поверхности стеклозаготовки с высокими оптическими и прочностными характеристиками. Соблюдение последовательного перехода от крупных фракций абразивов к более мелким фракциям является неотъемлемым правилом классической обработки оптических поверхностей, согласно которому глубина нарушенного абразивом поверхностного слоя стекла, снижающего прочность стекла до недопустимых значений, равняется 70% от диаметра абразивного порошка. Исходя из этого каждый последующий абразив после первого самого крупного абразивного порошка должен выработать нарушенный слой предыдущим порошком, от которого остается уже свой нарушенный слой, но с меньшей шероховатостью и т.д. до полировального порошка.

Известны также способы повышения прочности шлифованного стекла методом химического травления [Альтах О.Л., Саркисов П.Д. Шлифование и полирование стекла и стеклоизделий. М.: Высшая школа, 1988. 231 с.]. По этому методу шлифованную поверхность изделий из кварцевого стекла обрабатывают водным раствором, содержащим фторид-ионы. Это приводит к растворению нарушенного поверхностного слоя, однако шероховатость поверхности при этом увеличивается.

Известны полировочные растворы [Патент на изобретение №2301204, Щепочкина Ю.А. RU 2301204 C1, МПК С03С 15/02 (2006.01)]. Применение растворов для полировки без механической обработки также не позволяет получить полированную поверхность, так как отпечатки также растравливаются в глубину.

Наиболее близким к заявленному является способ шлифования и полирования стекла с помощью шлифпорошков [Справочник технолога-оптика, И.Я. Бубис и др., Л., Машиностроение, 1983 - прототип], при котором производится последовательное (поэтапное) шлифование стекла с помощью шлифпорошков с последовательным уменьшением зернистости их и окончательным полированием стекла.

Недостатком данного способа является недопустимо большое количество этапов (т.н. «переходов») шлифования и большая продолжительность процесса обработки поверхности при ручной шлифовке стеклозаготовок.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение шероховатости шлифованной поверхности изделий, сокращение времени обработки силикатных 3D-оболочек до оптического качества, получение прочности, сопоставимой с прочностью исходного стекла, необходимых для производства ИКО.

Задача решается следующим образом. Поверхность силикатной 3D-оболочки обрабатывают абразивным микропорошком, например М60, на глубину 150-200 мкм для выравнивания поверхности до глубины отпечатков или немного глубже. Эта операция занимает относительно немного времени, а глубина нарушенного слоя после обработки составит около 60 мкм.

После механической обработки стеклозаготовку травят в водном растворе кислот (HF-H₂SO₄-H₂O) на глубину 50-60 мкм. Далее поверхность стеклозаготовки обрабатывают микропорошком М28 на глубину 20-30 мкм с последующим травлением поверхности стеклозаготовки на глубину 20-30 мкм. Далее обрабатывают поверхность стеклозаготовки микропорошком М14 на глубину 10-12 мкм, после чего проводят глубокое травление на глубину 200-250 мкм. После операции глубокого химического травления проводят окончательную полировку поверхности полирующим порошком «Фторопол» марки «У» на глубину 2-5 мкм.

Данный режим обработки обеспечивает необходимое оптическое качество поверхности стекла.

Ниже изобретение иллюстрируется конкретными примерами осуществления предлагаемого способа.

Пример 1

Стеклозаготовку подвергают обработке в несколько этапов.

На первом этапе стекло шлифуют микропорошком марки М60 на глубину 120-150 мкм в течение примерно 4-6 час. Затем шлифованную поверхность подвергают травлению в водном растворе, содержащем 15 мас. % HF, 10 мас. % H₂SO₄, 75 мас. % H₂O, при температуре раствора 20°C и продолжительности травления 3 мин. Далее стекло промывают водой с температурой 40°C в течение примерно 5 мин. После этого проводят дополнительное травление в водном растворе, содержащем 15 мас. % HF, 10 мас. % H₂SO₄, 75 мас. % H₂O, при температуре раствора 20°C и продолжительности травления 5 мин с последующей промывкой водой с температурой 40°C в течение примерно 10 мин.

На втором этапе стекло шлифуют микропорошком марки М28 на глубину 20-30 мкм в течение примерно 8-10 час. Затем шлифованную поверхность подвергают травлению в водном растворе, содержащем 15 мас. % HF, 10 мас. % H₂SO₄, 75 мас. % H₂O, при температуре раствора 20°C и продолжительности травления 3,5 мин. Далее стекло промывают водой с температурой 40°C в течение примерно 10 мин.

На третьем этапе стекло шлифуют микропорошком марки M14 на глубину 10-15 мкм в течение примерно 15-18 час. Затем шлифованную поверхность подвергают травлению в водном растворе, содержащем 15 мас. % HF, 10 мас. % H₂SO₄, 75 мас. % H₂O, при температуре раствора 20°C и продолжительности травления 3 мин. Далее стекло промывают водой с температурой 40°C в течение примерно 5 мин. После этого стекло подвергают нескольким дополнительным циклам травления при тех же условиях, обеспечивая время травления 7, 10 и 14 мин, с промежуточной промывкой продолжительностью по 5 мин.

На четвертом этапе стекло подвергают полировке с использованием порошка «Фторопол-У» в течение 100-120 часов, обеспечивая величину съема примерно 5 мкм.

Продолжительность процессов шлифования и полирования пропорциональна площади изделия.

Пример 2

Процесс проводят аналогично примеру 1, при этом температуру травильного раствора поддерживают на уровне 10-11°C, а время травления на первом этапе составляет - для первого травления - 4,5 мин, второго травления - 7,5 мин. На втором этапе время травления составляет 5,5 мин, на третьем соответственно - 4,5; 10,5; 15 и 21 мин.

Пример 3

Процесс проводят аналогично примеру 1, при этом температуру травильного раствора поддерживают на уровне 25°C, а время травления на первом этапе составляет - для первого травления - 2 мин, второго травления - 3,5 мин. На втором этапе время травления составляет 2,5 мин, на третьем соответственно - 2; 5; 7 и 10 мин.

Изобретение относится к технологии производства крупногабаритных силикатных стеклозаготовок 3D-формы. Технический результат изобретения заключается в уменьшении шероховатости шлифованной поверхности изделий, сокращении времени обработки силикатных 3D-оболочек до оптического качества. На начальной стадии шлифовку осуществляют порошком марки М60 на глубину 120-150 мкм в течение 4-6 ч, затем шлифованную поверхность подвергают воздействию травильного раствора при температуре раствора 10-25°С и продолжительности травления 2-7,5 мин с последующей промывкой водой с температурой 40°С в течение 10 мин. Далее на промежуточной стадии стекло шлифуют микропорошком марки М28 на глубину 20-30 мкм в течение 8-10 ч, после чего шлифованную поверхность подвергают травлению в травильном растворе в течение 2,5-5,5 мин, с последующей промывкой водой с температурой 40°С в течение 10 мин. На окончательной стадии стекло шлифуют микропорошком марки М14 на глубину 10-15 мкм в течение 15-18 ч, после чего шлифованную поверхность подвергают многократному травлению в травильном растворе при температуре 20°С с общей продолжительностью травления 24-51 мин, после каждого цикла травления стекло промывают водой с температурой 40°С в течение 5 мин, затем стекло подвергают окончательной полировке в течение 100-120 часов. Травильный раствор содержит компоненты в следующих соотношениях, мас.%: HF - 15, H₂SO₄ - 10, H₂O - 75.

Способ шлифования и полирования крупногабаритных стеклозаготовок, включающий начальную, промежуточную и окончательную стадии шлифования поверхности стеклозаготовки шлифпорошком, отличающийся тем, что на начальной стадии шлифовку осуществляют порошком марки М60 на глубину 120-150 мкм в течение 4-6 ч, затем шлифованную поверхность подвергают воздействию травильного раствора, содержащего воду, плавиковую и серную кислоты, при температуре раствора 10-25°С и продолжительности травления 2-7,5 мин с последующей промывкой водой с температурой 40°С в течение 10 мин, после чего на промежуточной стадии стекло шлифуют микропорошком марки М28 на глубину 20-30 мкм в течение 8-10 ч, после чего шлифованную поверхность подвергают травлению в травильном растворе в течение 2,5-5,5 мин, затем стекло промывают водой температурой 40°С в течение 10 мин, после чего на окончательной стадии стекло шлифуют микропорошком марки М14 на глубину 10-15 мкм в течение 15-18 ч, после чего шлифованную поверхность подвергают многократному травлению в травильном растворе при температуре 20°С с общей продолжительностью травления 24-51 мин, после каждого цикла травления стекло промывают водой с температурой 40°С в течение 5 мин и затем подвергают окончательной полировке в течение 100-120 ч, причем травильный раствор содержит компоненты в следующих соотношениях, мас.%:
HF 15 H₂SO₄ 10 H₂O 75