Финишное полирование оптических поверхностей является критически важной и наиболее наукоёмкой операцией в технологической цепочке изготовления высокоточное оптики. Достижение нанометровой шероховатости и точности формы в доли длины волны света требует реализации эффективного химико-механического механизма, в котором химическое модифицирование поверхностного слоя материала предшествует его механическому удалению [1, 2]. Для силикатных стёкол, к которым относится широко применяемое в оптике стекло марки К8, эталонным абразивом для такого процесса является оксид церия CeO₂. Его эффективность традиционно связывают с уникальным сочетанием оптимальной твёрдости и высокой химической активности по отношению к SiO₂, основе стекольной сетки.

Однако на рынке присутствуют различные марки полировального церия, отличающиеся как по цене, так и по ключевым характеристикам: гранулометрическому составу, чистоте и, что наиболее существенно, по процентному содержанию активного материала оксида церия. В условиях импортозамещения актуальной становится задача объективной оценки того, как именно химическая активность, количественно выражаемая в содержании CeO₂, влияет на практическую эффективность обработки, в первую очередь, на скорость достижения заданных параметров качества.

Целью настоящего исследования является экспериментальная оценка влияния химической активности полировальных порошков CeO₂ с разным содержанием основного компонента на скорость финишной обработки сферических поверхностей оптического стекла К8 в условиях, моделирующих серийное производство.

Для проведения сравнительного анализа были выбраны два абразивных материала:

1. « Cerox 1663» (Solvay, Франция): массовая доля оксида церия в пересчёте на редкоземельные элементы — 60–70 %, общая массовая доля редкоземельные элементы >90 %. Цвет — белый/кремовый.
2. « Модипол А» (Россия): массовая доля оксида церия в пересчёте на редкоземельные элементы — 41–45 %, общая массовая доля редкоземельные элементы — 81 %. Цвет — жёлто-коричневый.

Объектом обработки служили сферические заготовки радиус 70.47 мм из оптического стекла К8, закрепленные на блоке эластичным методом с использованием смоляных подушек. Каждый блок содержал 33 заготовки. Предварительно все поверхности были приведены к идентичному состоянию посредством трёхступенчатого алмазного шлифования М28, М20, М14 до шероховатости Ra = 0.63 мкм, что гарантировало одинаковые стартовые условия [4].

Для исключения влияния побочных факторов были строго стандартизированы все режимные параметры:

– Давление на блок: 400 Н.

– Частота вращения полировальника: 350 об/мин.

– Частота вращения блока: 80 дв. ход/мин.

– Подача суспензии: 150 мл/мин.

Полировальные суспензии готовились по единому рецепту 4 кг абразивного порошка на 5 л дистиллированной воды соотношение 1.25. Значение pH каждой суспензии доводилось раствором HNO₃ до 6.0 ± 0.5.

Критерием скорости процесса служило общее время, необходимое для достижения поверхностью заданного финишного качества. Качество определялось комплексно: Визуальный класс чистоты не хуже 1-го класса по ГОСТ 11141–84 (отсутствие видимых под рассеянным светом царапин шириной свыше 0.004 мм). Контроль пробными стеклами и интерферометром. Критерием считалось появление устойчивой интерференционной картины с минимальным числом колец 3–4 кольца Ньютона.

Таблица 1

Сравнительные результаты полирования разными марками CeO₂

Полученные данные однозначно указывают на прямую зависимость между химической активностью абразивного порошка и скоростью технологического процесса. Сокращение времени цикла на 15 минут (13 %) при использовании «Cerox 1663» является прямым следствием более интенсивного протекания химической стадии полирования.

Согласно общепринятой химико-механической модели, процесс полирования стекла включает гидролиз поверхностного слоя кремнезёмной сетки водой из суспензии: ≡Si–O–Si≡ + H₂O → 2≡Si–OH. Оксид церия выступает катализатором этой реакции [3]. Более высокая концентрация активного церия в суспензии «Cerox 1663» приводит к увеличению скорости образования гидратированного слоя (слоя Бейлига), который имеет пониженную механическую прочность и легко удаляется механическим воздействием абразивных частиц. Таким образом, лимитирующей стадией цикла «реакция–удаление» становится быстрее, что увеличивает суммарную скорость съёма материала.

Важным подтверждением роли химического фактора, а не просто абразивного, служит сопоставимая итоговая шероховатость Ra ≈ 7 нм при разном времени обработки. Если бы доминировал чисто механический износ, более длительное время полирования «Модиполом А» могло бы привести к меньшей шероховатости, чего не наблюдается. Это свидетельствует о том, что оба материала способны достичь предельно гладкой поверхности, но для менее активного абразива этот процесс требует большего времени для последовательного удаления более тонких, но менее химически модифицированных слоёв.

Выводы

1. Экспериментально доказано, что химическая активность полировального порошка CeO₂, напрямую зависящая от процентного содержания активного оксида церия, является ключевым фактором, определяющим скорость финишной обработки оптического стекла К8. Увеличение массовой доли CeO₂ с 41–45 % до 60–70 % позволяет сократить время полировального цикла на 13 %.
2. Более высокая химическая активность абразива обеспечивает не только увеличение скорости съёма материала, но и повышение стабильности технологического процесса, что выражается в увеличении выхода годной продукции на 18 % и лучшей равномерности качества.
3. Для отечественного производства перспективным направлением является разработка и доводка полировальных составов с повышенным содержанием активного CeO₂ и улучшенной гранулометрией, что позволит достичь конкуренции с зарубежными аналогами по технологической эффективности.

Литература:

1. Ходаков Г. С. Физико-химические процессы полирования оптического стекла. — М.: Машиностроение, 1985.
2. Семибратов М. Н. Технология обработки оптических деталей. — М.: Машиностроение, 1975.
3. Беляков Ю. М., Гайнутдинов И. С., Лукин А. В., Мельников А. Н., Насыров З. А., Павлычева Н. К., Пряхин Ю. А. Оптические материалы и технологии. Учеб. пособие. — Казань.: Казан. гос. техн. ун-та, 2008.
4. Окатова М. А. Справочник технолога-оптика. 2-е изд. — СПБ.: Политехника, 2004.
5. ГОСТ 11141–84. Стекло оптическое. Методы контроля качества поверхности. — М.: Издательство стандартов, 1984.