Грубая обработка деталей — «заготовка». Обработка деталей из стекла начинается с подбора или изготовления заготовки. Стекло можно разрезать алмазной пилой, стальным диском с абразивом, или даже проволокой из стали, меди или нихрома. При этом деталь должна вращаться на шпинделе. Проволока при вращении прижимается к стеклу, смачивается абразивной суспензией и медленно перематывается против движения детали для компенсации её износа. Так можно разрезать цилиндры любого размера перпендикулярно оси. В суспензию, для липкости, полезно добавить процентов пятьдесят пчелиного мёда. Производительность процесса мала.
Толстое листовое стекло можно расколоть зубилом с победитовой напайкой или разрезать термически, подогревая лист паяльником перед трещиной, которую можно инициировать надрезом напильником или ударом стеклодувного ножа по краю листа. Этим методом можно резать даже кварц, но тогда греть заготовку следует небольшой горелкой на гремучем газе. Трещина будет идти к месту нагрева. Так удобно разделять заготовки на примерно равные части. Отрезать полоски таким методом весьма затруднительно. Края (углы) не очень толстой заготовки можно «обгрызать» плоскогубцами или слесарными тисками, «обрывая» захваченные кусочки стекла с одновременным слабым сжатием. Похожим методом стекольщики подгоняют ширину стекла. Для такой работы алмазный стеклорез имеет пазы в металлической части.
После разделки стекла заготовки круглят или обдирают грубым абразивом на близкую форму (например, призмы), не забывая о том, что при последующей шлифовке размер заготовки уменьшится. Слой стекла, который требуется снять для удаления следов обработки предыдущим абразивом, следует оставлять толщиной примерно в два размера зёрен этого абразива. Обычно при этом одну из поверхностей назначают «базовой» и проводят все измерения относительно неё.
Проще всего круглить стекло на железной планшайбе свободным абразивом, приклеив заготовку к металлическому цилиндру или толстостенной трубке из железа. Обычно точность диаметра может быть не высокой и такой приём для мелких деталей вполне подходит. Более качественно и быстро эту работу можно сделать алмазным кругом на специальном или модернизированном металлорежущем станке. Деталь при этом зажимается в центрах через мягкую прокладку между металлическими оправками, или приклеивается смолой к зажатой в патроне металлической оправке.
Если при приклейке в слой смолы поместить тонкую листовую резину, то она «разгружает» склейку от местных напряжений и деталь держится гораздо лучше. Мелкие заготовки лучше клеить эпоксидной смолой через резину. Приклеивая стекло, следует помнить, что его быстрое охлаждение (если это не кварц или ситалл) ведёт к неизбежному растрескиванию стеклянной детали. Поэтому охлаждать сборку следует медленно, особенно защищая от охлаждения края стеклянного диска. Можно сборку завернуть в толстый слой тряпок.
Круг устанавливается в дополнительном шпинделе на суппорте станка. Для такой работы подходит и мелкозернистый круг из карбида кремния, но алмазные круги сейчас настолько доступны, что заменять их другими нецелесообразно. Наилучшая связка такого круга — медная. Все остальные быстро разрушаются. Сразу после работы круг на другой (не медной) связке необходимо промыть и высушить. Ещё лучше сушить при повышенной температуре (до ста градусов) и время от времени пропитывать его минеральным маслом. При отсутствии круга можно приклеить кусок стекла к планшайбе и высверлить из неё заготовку трубчатым сверлом из железа. Так же можно сверлить отверстия в зеркалах. Заготовку, пока приклеечная смола ещё мягкая, следует тщательно отцентровать. Для этого каким-либо подходящим карандашом на ходу станка делают метки на заготовке и сдвигают заготовку в нужном направлении.
Толщину стенки трубки-сверла не следует брать слишком малой (оптимальная — около миллиметра) её следует снабдить прорезями для лучшего проникновения абразива в рез. Сверло можно держать в руках, не очень сильно прижимая его к стеклу. Процесс сверления занимает несколько часов. Время от времени следует срезать на токарном станке изношенную рабочую кромку, что позволит получить цилиндрическую заготовку или отверстие более правильной формы.
Можно также округлить заготовку на шпинделе классическим способом, применяя для этой работы хомутик из жести и абразивный порошок с водой. При работе не следует применять слишком большие обороты, так как абразив будет сбрасываться с инструмента и работа резко замедлится. В этом отношении карбид кремния гораздо лучше наждака. Он и работает быстрее и лучше удерживается на детали.
Ободрав заготовку по диаметру, принимаются за её рабочие поверхности. Их делают такими, как требуется: или плоскими, или другой формы (сферические, асферические, цилиндр, конус и т.д.). Обдирку опять же можно делать алмазным кругом на специальном станке или свободным абразивом на шлифовальнике-контрдетали из железа (чугуна) или алюминия. Стойкое к сошлифовыванию железо следует применять для серийного производства, а алюминий — для единичного, так как инструмент из него проще сделать, а его быстрый износ может быть даже выгоден при подгонке кривизны. Остальные металлы не имеют преимущества перед ними и могут применяться в случае, если они легко доступны.
Инструмент, если это возможно, желательно делать немного больше детали (процентов на десять–двадцать). Такой инструмент требует для сохранения радиуса детали или увеличенного штриха или сдвинутого, нецентрального штриха по хорде. При этом возрастают относительные скорости инструмента и детали. Это ускоряет работу и улучшает распределение абразива. Разумеется, в этом случае инструмент помещают внизу. Его навинчивают на шпиндель, а деталь прижимают руками и медленно вращают, одновременно перемещая по шлифовальнику. Абразив добавляют по мере надобности. Скорость вращения шпинделя следует делать возможно большей, но не такой, чтобы сброс абразива мешал работе. Инструмент должен быть всегда покрыт абразивной суспензией, иначе возможно присасывание к нему детали, которая может вырваться из рук, что ведёт к аварии. Нажимая на тот или другой край детали, можно исправлять её клиновидность и подгонять углы у призм. Кстати, клиновидность часто выгоднее устранять шлифовкой вручную на остановленной планшайбе. Если устранения «клина» не требуется, то деталь следует медленно вращать, избегая неравномерного износа. Контролировать её размеры при грубой обдирке можно штангенциркулем.
Особо ходовым инструментом при обдирке служит «план» — «планшайба» из железа возможно большего диаметра и толщиной 10-20 миллиметров. Её следует проточить на токарном станке и время от времени править на плоскость шабером из твёрдого сплава или куском абразивного круга. Применяется она для грубой и средней шлифовки небольших плоскостей, торцов трубок, призм, блоков. Планшайбу надо тщательно выставить на шпинделе, иначе её биения раскачивают станок, подшипники и сильно мешают работе. Тонкую шлифовку таких деталей удобно делать на большом и толстом стеклянном диске вручную. Это резко упрощает и ускоряет работу.
При ручной работе следует прижимать деталь к шлифовальнику с силой примерно вдвое меньшей, чем максимально достижимая данным мастером. Иначе руки быстро устают. Это касается и грубой и мелкой шлифовки и полировки также. Тонкостенные детали следует прижимать к инструменту, сообразуясь с их прочностью.
Иногда для обдирки единичных круглых деталей (не блоков!) удобно применять невысокое кольцо с толстыми стенками из железа или чугуна, к которому приварена (привинчена) поперечина с гнездом для поводка. Такой инструмент при работе (от края до края с очень небольшим выходом за край) с частым штрихом или даже при простом вращении помещённой снизу детали, позволяет быстро выбрать углубление или срезать края для обработки выпуклой поверхности. (В последнем случае следует особо остерегаться сколов). Вместо железного инструмента можно использовать алмазный чашечный круг (лучше — с медной связкой) которому нельзя позволять быстро вращаться на поводке. Стекло должно «набегать» на алмазный круг в одном направлении, так как иначе алмазные зёрна вырываются из связки и инструмент быстро тупится. Он же позволяет прекрасно отшлифовать алюминиевый шлифовальник. Алмаз с водой (так же, как и любой абразивный круг с керамической связкой) быстро срезает алюминий и не тупится при этом. Наоборот, на железе и некоторых стёклах (в частности — на иллюминаторном) алмаз «засаливается» и работа резко замедляется. Повторяем, что подгонку кривизны шлифовальников, кроме алмаза и шабера, можно делать и шлифовкой обычным абразивным кругом с водой, применяя его, как шлифовальник малого размера.
Опять же повторим, что алмазный инструмент хорошо работает только в том случае, если стекло относительно алмазной поверхности движется в одном направлении. Если алмазному кругу позволить вращаться, как и происходит при оптической «притирке», то зёрна алмаза вырываются из связки и инструмент тоже «тупится».
Для крупных деталей, если нужно снять много стекла, для грубой обдирки можно применить и порошки из твёрдых сплавов типа ТК или ВК. Их можно получить, разбивая отработанные твердосплавные пластинки для токарных резцов молотком между цилиндрами из твёрдой стали с надетым на них металлическим кольцом («алмазная ступка»). Работать следует обязательно в очках. Полученный порошок следует просеять и опять раздробить крупную фракцию. Оптимальный размер зерна зависит от размеров детали и может быть около полумиллиметра. Такой абразив изнашивается медленно, заменяя примерно тысячу частей обычного карбида кремния. Из шлама его можно извлечь магнитом. При работе следует применять кольцевой инструмент с широкой кромкой из стали, подсыпая очень малые количества порошка и подливая воду. Поверхность детали получается исключительно грубой. Из-за толстого трещиноватого слоя обязателен запас по толщине один-два миллиметра, который затем удаляется обычным обдирочным абразивом.
Наилучший абразив для обдирочных работ — зелёный карбид кремния «КЗ». Он прочен и твёрд, его зёрна хорошо удерживаются на планшайбе. Чуть хуже — чёрный карбид кремния «КЧ». Карбид бора шлифует хорошо, и хотя он дорог, но годится для обработки самых твёрдых материалов (в том числе и самого карбида кремния). Окись алюминия, корунд, наждак в этом отношении хуже, хотя тоже вполне могут применяться. Песок в качестве абразива может применяться только для обработки самых мягких стёкол. Например, астроситалл он совершенно не шлифует. В исключительных случаях, для самых твёрдых материалов может применение и порошок алмаза. Это касается самых мелких порошков, расход которых невелик. Для мягких материалов алмаз в виде свободного абразива применять не имеет смысла.
Некоторые сведения об абразивах.
Если нет готового абразива, то можно взять и измельчить подходящий абразивный круг. Пригодны остатки кругов от «Болгарки». Все обычные абразивы не портятся до температуры красного каления, и, если круг имеет органическую связку, то её можно просто выжечь в подходящих условиях. Затем абразив следует промыть водой и в мокром виде просеять через подходящее сито, сквозь которое проходит основная его фракция. Металлические загрязнения можно удалить кислотами и магнитом (железные опилки). Перед извлечением железных опилок абразив следует прокалить для удаления масла и органики. Круг на керамической связке проще всего разбить молотком на металлической плите. Чтобы куски круга не разлетались, на плиту кладут кольцо из металла или пластика.
Шлам после обдирки стекла подлежит регенерации. Его следует промыть водой сквозь сито, смыть самые мелкие фракции и опять пустить в работу до полного износа. Скорость работы с таким абразивом не уменьшается. Из его мелкой фракции, просеиванием или классификацией в воде, можно получить более мелкие шлифпорошки. Их желательно протравить крепкой плавиковой кислотой для удаления стеклянного шлама. (Опасно! Работать в очках и во дворе. Пары её и брызги очень ядовиты.) На абразивы она практически не действует.
Мелкие порошки особенно чувствительны к загрязнению крупными царапающими примесями, поэтому их лучше всего промыть струёй воды сквозь мелкое сито. Встречается хорошее металлическое полотно (например, от топливных фильтров) с ячейкой сорок микрон. Более мелкие сетки имеют часто более плотную структуру (как у ткани) и их использовать не удаётся.
Микропорошки с размером зёрен 30-5 микрон можно получить взмучиванием шлама в воде и отстаиванием. Лучше применять специально измельчённый абразив, в котором нет стеклянного шлама. По способу получения они называются «минутниками». Например, фракция, которая не оседает за 30 минут, но оседает за час, называется «тридцатиминутником». В промышленности классификацию ведут в конических сосудах, в которую снизу с постоянной скоростью подают воду. Каждая фракция абразива при этом занимает свой слой, в котором её скорость оседания уравновешивается скоростью подъёма воды. Отбирая сифоном жидкость с определённого уровня, можно чётко классифицировать порошки. Мешающим фактором при этом служат пузырьки воздуха и органические загрязнения, которые уносят вверх крупные зёрна. В любом случае, классифицированный микропорошок следует промыть струёй воды через чистое сито в 40 микрон. Все работы по приготовлению мелких абразивов требуют аккуратности, педантичности и ясного понимания того, что же собственно делается.
Автор однажды приготовил вполне приличные порошки из круга «КЗ» с керамической связкой, который он измельчил молотком и, вместе со стальными шариками размером в 20 миллиметров, поместил в плотно завинченный цилиндр из стали. Цилиндр этот был привязан к пилораме и проболтался там целый рабочий день. Измельчённый порошок пришлось отмывать от железа соляной кислотой. После классификации были получены порошки от 40 микрон до «120-минутника».
Расход микропорошков при правильной работе невелик, и приготовленных таким образом запасов может хватить надолго. Эти порошки, если в них нет стекла, можно хранить в высушенном состоянии. Стеклянный шлам, разлагаясь, при высыхании, может их сцементировать. Тогда порошок следует слегка растереть на чистом стекле с водой и пустить в работу.
Органические растворители.
При изготовлении оптических деталей приходится смывать с них остатки смолы, клеев, и абразивных материалов. Часто эти вещества не растворяются водой. Для их растворения приходится применять другие жидкости.
Есть растворители «водоподобные», «керосиноподобные», и промежуточные, все они, в свою очередь, либо ядовиты, либо нет.
Водоподобные растворители смачивают стекло и не смачивают парафин, воск, гудрон. Это: вода, водные растворы этилового спирта. Если таким растворителем стирать со стекла остатки смолы, то стекло очищается полностью, а смола переходит на обтирочный материал (вату, ветошь). Поэтому для окончательного удаления смолы со стекла лучше применять спирт с небольшой (10 – 20% добавкой воды. Чистый спирт растворяет канифоль, но не растворяет воск. Спирт в смеси с бензином растворяет и то и другое. Чистый бензин или керосин канифоль сильно размягчает, но не растворяет. Шеллак хорошо растворяется в спирте. Ацетон (водоподобный) хорошо растворяет всё, кроме воска и парафина. Он является вообще очень хорошим растворителем и растворяет даже некоторые пластики и лаковые плёнки.
Для работы с оптикой достаточно керосина (размачивание смолы на деталях, протирка деталей станков), спирта для окончательной чистки и ацетона для особо приставучих смол. Керосин можно заменить автобензином (более огнеопасен и ядовит), уайтспиритом, дизтопливом (менее огнеопасно). Для растворения смолы спирт заменяет ацетон и наоборот. Вместо этилового можно применять изопропиловый и даже бутиловый спирт, но они имеют более сильный запах. Петролейный и серный (диэтиловый, эфир для наркоза) эфиры очень огнеопасны, особенно последний. Метилового спирта следует остерегаться. Он ядовит даже в малых дозах, и виде паров, портит зрение. Проникает через кожу. Определить его можно по запаху (он пахнет киноплёнкой). Не следует применять также бензол.
Хорошими растворителями являются и сложные эфиры типа амил или бутилацетатов. Они не дорогие и растворяют всё подряд. (Кстати! Добавлять их в эпоксидные смолы нельзя, так как они портят отвердитель и смола не может застыть.)
Метиловый спирт и хлорированные растворители (хлороформ, четырёххлористый углерод, дихлорэтан) можно применять только в особых случаях. (Например, для склейки пластиков). Это ядовитые вещества, опасные как в виде паров, так и при попадании на кожу. Они являются кумулятивными ядами и могут вызвать хроническое или острое отравление. Работать с ними надо под тягой или на открытом воздухе. Хлорированные растворители очень летучи и испаряются даже из бутылок с притёртой пробкой, загрязняя воздух в лаборатории. Для предотвращения этого шлиф надо смазать мёдом или сахарным сиропом. Такая смазка герметизирует шлиф и не растворяется в содержимом бутылки.
Сильным и особо вредным ядом является этиловый спирт при приёме внутрь. Если поместить рядом все могилы умерших от злоупотребления этанолом мастеровитых товарищей, то этот ряд наверняка несколько раз окружит Землю по экватору. При попадании на кожу рук и вдыхании паров он безвреден.
Иногда применяют смеси спирта с бензином. Они хороши и в качестве смазки при обработке алюминия.
При развинчивании резьбы из алюминия она иногда заедает. Тогда надо смочить её спиртом, иначе неизбежно повреждение деталей.
Применяют и более хитрые растворители — разогретое минеральное масло, которое растворяет полиэтилен или горячий глицерин. Горячий глицерин применяют для расклейки склеенных бальзамином деталей. (Сильно дымит и воняет). Остатки приставшего полирита с деталей смывают соляной кислотой с добавкой восстановителей - гидрохинона, оловянной пыли или двухлористого олова. Такая смесь растворяет полирит, восстанавливая окись церия до трёхвалентного состояния. Для рук она вредна.
«Хромовая смесь» — хромпик в смеси с концентрированной серной кислотой медленно уничтожает органику, кроме парафина и почти не действует на обычные стёкла. Растворы щелочей растворяют канифоль и частично, органику, особенно, кожу и сильно разрушают стекло. Горячей щёлочью можно пользоваться только для очистки неполированных деталей.
Растворители являются предметом постоянного пользования и должны постоянно же быть под рукой. Для чистки деталей после расклейки блоков их помещают в кастрюльку с бумагой на дне с керосином или слегка подогретым дизтопливом. После растворения смолы, вытирают мягкой, простиранной ветошью, либо укладывают на сложенную в несколько раз газетную бумагу. Дальнейшая чистка идёт спиртом или ацетоном. Остатки загрязнений с полированных поверхностей стирают сухой чистой ватой, подышав на стекло.
Загрязнённую органическими растворителями ветошь нельзя хранить в лаборатории из-за загрязнения воздуха и пожароопасности. Сжигать ветошь после работы с хлорированными растворителями и вообще, с веществами, содержащими хлор, например, хлорвинилом, нельзя. При этом образуется диоксин, крайне стойкое и ядовитое даже в самых малых количествах вещество. Наличие в сжигаемом веществе хлора заметно по сильной копоти и зелёной окраске пламени. По этой же причине надо избегать горения проводов в хлорвиниловой изоляции.
Каким инструментом делать промежуточную и тонкую шлифовку?
Шлифовать порошками меньше двадцати микрон можно на металлическом инструменте, однако, при этом возможны царапины и неправильности формы детали. Лучше применять стеклянный инструмент. Он может быть двух типов: Сплошной (например, контрдеталь равного размера) или с отдельными шлифующими сегментами, наклеенными на металлическую подложку. Следует заметить, что материал детали и шлифовальника совсем необязательно должен быть одинаков. Отличные поверхности дают сегменты из оконного стекла, но можно применять даже пластмассы. Они, впрочем, дают поверхности, с менее однородной матовостью.
Сплошной инструмент (если он сам не является деталью, например, если делаются две линзы, с поверхностями для последующей склейки) часто неудобен. Для своего изготовления он требует стеклянного диска равного размера, распределение абразива в зазоре между ним и деталью неравномерное (на краях он крупнее), при неправильной работе шлифовальник может слипнутся с деталью намертво. При этом повышен риск царапин. Очень удобно шлифовать мелкие диски и блоки на толстом иллюминаторном стекле мелкими абразивами (блок сверху), но астрозеркало или линза размером 200-300 мм требует сегментного инструмента.
Изготовить его можно так: Ободрав тем или иным способом деталь (на большом шлифовальнике, кольцом, алмазом), к ней «на краску», точнее – «на машинное масло» притирают будущий шлифовальник, заготовку которого отливают из любого алюминия. (Разумеется, не на зеркало, а на металлическую плиту, в кольцо из жести. На металл нужно постелить стеклоткань с «серебрином» которой оборачивают трубы теплотрасс, либо аккуратно насыпать ровный слой мелкого песка. На песок лить алюминий нужно очень аккуратно! Защита глаз очками обязательна! Попадание воды в форму приводит к сильными и опасным взрывам!) Отливку зажимают в патроне токарного станка, грубо протачивают на нужный радиус и притирают к будущему шлифовальнику деталь, слегка смазанную маслом. Лучше это делать, остановив станок. (При этой работе следует остерегаться травм! Токарный станок — устройство весьма опасное!) На металле остаются тёмные следы в месте контакта. Эти места срезают резцом или шабером из напильника или тыльной стороной сломанного ножовочного полотна. Вместо шабера можно использовать подходящий токарный резец. Иногда шабер полезно напаять победитом. При работе следует соблюдать особую осторожность! Подобрать рукава, тесёмки, длинные волосы! Таким образом, подгоняют шлифовальник к детали. Дальнейшая приработка идёт при обдирке. Подшабривая шлифовальник, можно подгонять кривизну детали.
Окончив обдирку, а затем и промежуточную шлифовку стомикронным абразивом, шлифовальник моют, кладут лицевой стороной вверх на электроплитку и нагревают до шипения слюны. Это нужно для того, чтобы из пор металла удалить остатки воды. На поверхность инструмента раскладывают шлифующие сегменты — квадратики из обычного оконного или фотостекла. Более тонкое фотостекло и меньшие квадратики применяют для меньших и более кривых поверхностей, их обычный размер — 2020 мм. Снимать фаски на них не следует. Это увеличивает риск появления царапин из-за затягивания крупных зёрен абразива под шлифовальник. Приклеивают их, раскладывая на горячую поверхность металла кусочки сплава воска с канифолью (на одну часть воска — две части канифоли и немного чёрной смолы, для закраски). Воск затекает под стекло сам. Всплывающие квадратики нужно поправить и прижать гвоздём. Непроклеек и пузырей быть не должно! Вокруг квадратиков должна быть сплошная галтелька. Это позволяет дочиста отмыть инструмент от абразива щёткой.
Такой инструмент быстро притирается к детали, прекрасно распределяет абразив по поверхности. Поэтому добавлять его можно кисточкой с краю, а не в центр, как при сплошном инструменте. Регулировать кривизну детали можно изменением длины штриха и ослаблением краевой зоны инструмента при частом штрихе. Для этого сбивают квадратики на краю отвёрткой и молотком. Шлифовальник такого типа, по понятным соображениям, следует всегда помещать сверху детали. К тому же, подгонять кривизну, меняя местами деталь и инструмент, можно только при небольших деталях. (То, что при шлифовке «нормальной» шлифовке полноразмерным шлифовальником находится сверху, всегда приобретает «яму» а то, что снизу — «бугор»). Неудобство металлостеклянного шлифовальника проявляется только при обработке крутых выпуклых поверхностей, абразив с которых стекает к краям. В этом случае его следует добавлять небольшими порциями ближе к центру детали.
Соотношение абразива и воды следует выдерживать в пропорции один к трём. При слишком жидкой и слишком густой суспензии повышается риск царапин. В первом случае — из-за непосредственного контакта деталей. Во втором — из-за «сгребания» абразива с детали.
Литература.
1. Д.Д. Максутов. Изготовление и исследование астрономической оптики. Москва, «Наука», 1984 г.
2. Д.Стронг. Техника физического эксперимента. Лениздат, 1948 г.
3. Некоторые особенности обработки стекла при изготовлении (астрономической) оптики в кустарных условиях. Глава 1. Общие положения.
Бондаренко Ю. Н., Маяки 2018 г.
