SUPERVISOR
Peiman Mosaddegh,Seyed Mohsen Safavi
پیمان مصدق (استاد راهنما) سید محسن صفوی (استاد مشاور)
STUDENT
Seyed hosein Hashemi
سیدحسین هاشمی ریزی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Design and Fabrication of Polishing Tool to Produce Optical Flat and Spherical lenses with ?/2 surface accuracy
Due to the widespread and growing use of optical lenses in the aerospace industry and optics devices, many researches have been done to develop and optimize their the manufacturing process. As a result of using visible light in the lenses, high surface quality is strongly needed. Being considered as the last and most important step in the manufacturing of lenses, polishing is taken into consideration more than other steps. Computer Control Polishing (CCP) is one of the most advanced polishing techniques in which a small flexible tool moves along the tool path under the controlled feed rate and pressure. Therefore material removal could be controlled all over the tool path using feed rate variation. To this end, considering surface initial profile, the tool would bass the valley areas faster than the peak ones. In this study, CCP method is developed based on tool path discretization. By using this method on a 3-axis CNC machine, a flat and a spherical lens were polished and surface roughness was decreased to around 300 nanometer for Peak to Valley. To polish flat lenses, some flat tools with different diameter were designed and fabricated. Tool material removal rate can be considered as the most important input parameter of the CCP method. In this study, tool material removal rates was obtained by the empirical tests and then to evaluate the tools performances, some polishing testes were operated and using feed rate controlling method, a flat lens with initial surface roughness of 3.5? (2.22 micro meters) was polished and finally surface roughness was reduced to 0.49? (309 nm) for PV where ? is Helium-Neon laser wavelength (632nm). To apply CCP method for polishing spherical lenses, two kind of tool were fabricated, one is joint tool and the other is spherical tool. The tools are able to polish and move on the spherical and aspherical surfaces using a 3-axis CNC machine. Being predictable or having a constant material removal rate during polishing process is one of the important properties of the tools in this method. Moreover, both tools are able to keep the force constant and keep the force vector perpendicular to the surface during the polishing that leads to a constant MRR. By using the joint tool and feed rate control method, a concave lens with 154 mm in diameter and 319.73 of reduce curvature was polished using spiral tool path strategy. The initial surface roughness was 3? (1.89 micro meters) for PV and after polishing was reduced to 0.5?. Because of changing the relative velocity of spherical tool during movement on the spherical lenses, the material removal rete is variable. For this reason, a model was presented to determine the material removal rate function of spherical tool by using Preston and Hertzian equations and then Preston Constance was calculated using empirical testes. Finally by spherical tool and feed rate controlling method, a polishing test was performed on a concave lens. The surface roughness was reduced from 1.76? to 0.6? for PV Key words Computer Control Polishing, Spherical Lenses, Polishing Tool, Tool Influence Function, Surface Accuracy
با توجه به گسترش و کاربرد روزافزون لنزهای اپتیکی در صنایع هوافضا، پزشکی، اپتیک و.... و همچنین پیچیده بودن فرایند ساخت و پرداخت آنها تحقیقات و پژوهش های زیادی در دنیا در راستای توسعه و بهینه سازی فرایند ساخت آنها صورت گرفته است. امروزه به دلیل استفاده از نورهای با طول موج مرئی در لنزها، نیاز به لنزهایی با دقت و صافی سطح بالا افزایش یافته است. فرایند پرداخت به عنوان آخرین و پر اهمیت ترین مرحله در ساخت لنز، بیشتر از دیگر مراحل مورد توجه قرار گرفته است. یکی از پیشرفته ترین روش های پرداخت لنزها، تکنولوژی پرداخت تحت کنترل کامپیوتر می باشد. در این روش پرداخت معمولا ابزاری کوچک و انعطاف پذیر تحت فشار و سرعت کنترل شده روی سطح حرکت کرده و خطای سطح را کاهش می دهد. نرخ براده برداری در این روش در حین حرکت ابزار برروی نقاط مختلف سطح کنترل می گردد. معمولا نرخ براده برداری در این روش با کنترل سرعت خطی ابزار کنترل می گردد (سرعت خطی زیاد منجر به براده برداری کمتر و سرعت خطی کمتر منجر به براده براری بیشتر می شود). با توجه به خطای اولیه سطح، سرعت های حرکتی ابزار تعیین می گردد تا خطای سطح کم شده و به سطح ایده آل نزدیک شود. در این پروژه با بومی سازی تکنولوژی و دانش پرداخت تحت کنترل کامپیوتر و با استفاده از ابزارهای طراحی و ساخته شده لنزهای تخت و کروی با استفاده از ماشین CNC سه محوره پرداخت شدند و به صافی سطح حدود300 نانومتر برای PV رسیدند. که در آن PV فاصله نقطه ماکزیمم تا مینیمم سطح می باشد. به منظور پرداخت لنزهای تخت، ابزارهایی با قطرهای متفاوت طراحی و ساخته شدند. نرخ براده برداری ابزار یکی از پارامترهای مهم ورودی نرم افزارهای شبیه سازی فرایند پرداخت می باشد که مرز بین شبیه سازی و عملیات واقعی پرداخت می باشد. در اینجا با استفاده از روش عملی و آزمایش، منحنی نرخ براده برداری ابزارها بدست آمد. با استفاده از روش کنترل سرعت، سطح لنز تختی باصافی سطح اولیه?5/3 (221/2 میکرومتر) برای PV در دو پاس، پرداخت شده و صافی سطح به ?49/ 0 (309 نانومتر) برای PV رسید. که در آن ? طول موج لیزر هلیوم نئون برابر با 632 نانومتر می باشد. به منظور پرداخت سطوح کروی، دو ابزار یکی مفصل دار و دیگری کروی ارائه گردید. ابزارهای ارائه شده می توانند با استفاده از یک دستگاه CNC سه محوره برروی سطوح کروی و غیر کروی حرکت کنند و عملیات پرداخت را انجام دهد. مهمترین ویژگی ابزار، توانایی در حفظ نرخ براده برداری و یا قابل پیش بینی بودن آن می باشد. ابزارهای ارائه شده در این پژوهش قابلیت حفظ نیرو و راستای آن در جهت عمود به سطح را دارا می باشند. با استفاده از ابزار مفصل دار ساخته شده و استفاده از روش کنترل سرعت سطح لنز کروی مقعری به شعاع 319.73 میلی متر و قطر 154 میلی متر با استفاده از استراتژی حرکتی اسپیرال تحت 3 پاس پرداخت شد. صافی سطح اولیه برابر با ?001/3 (896/1 میکرومتر) برای PV بوده که پس از پاس سوم پرداخت صافی سطح به ?504/0 کاهش یافت. مدلی برای تابع نرخ براده برداری ابزار کروی با استفاده از رابطه پرستون و توزیع تنش هرتزین ارائه گردید وثابت پرستون ابزار کروی با استفاده از انجام آزمایش بدست آمد. سپس لنزی کروی با شعاع سطح 73/319 میلی متر توسط ابزار کروی و با استفاده از روش کنترل سرعت پرداخت شد و صافی سطح آن از ?764/1 (114/1 میکرومتر) به ?626/0 (395 نانومتر)برای PV بهبود یافت. کلمات کلیدی: 1- پرداخت تحت کنترل کامپیوتر 2- لنزهای اپتیکی 3- ابزار پرداخت 4- منحنی نرخ براده برداری ابزار 5-صافی سطح