Вскоре после начала обдирки громкий хруст сменится на легкое шипение. Это значит, что абразив измельчился, и его надо заменить на новую порцию. Равномерно распределив абразив по поверхности, снова смочим его, не скупясь на воду. Во время обдирки абразив срабатывается довольно быстро и расходуется его сравнительно много. Довольно скоро заготовка покроется достаточно толстым слоем сработанного абразива, который будет мешать. Сотрем тряпкой сработанный абразив и продолжим обдирку.
Если через 20--30 минут непрерывной работы снять заготовку и к матовой поверхности приложить металлическую линейку с ровным без зазубрин краем, то можно заметить, что между линейкой и зеркалом образовался просвет. Линейка опирается на края заготовки, а центр заготовки заметно "провис". Это означает, что поверхность заготовки принимает вогнутую форму. Теперь надо замерить фокусное расстояние этого, пока еще очень несовершенного, зеркала. Обильно смочим зеркало водой и попробуем поймать солнечный зайчик от смоченной поверхности. Повернем зеркало мокрой (рабочей) стороной к Солнцу, примерно перпендикулярно к падающим лучам. На стену, где расположено окно, направим зайчик, и, приближая или удаляя зеркало от стены, постараемся добиться того, чтобы зайчик стал как можно меньше и ярче. Добившись наименьшего диаметра зайчика, измерим расстояние от зеркала до стены с помощью достаточно длинной, разделенной на сантиметры палки. Это
Рис. 12. Определение радиуса кривизны мокрого зеркала.
и будет фокусное расстояние зеркала. В ходе тонкой шлифовки и полировки это фокусное расстояние может слегка измениться, но в основном оно задается во время обдирки. Чем больше глубина вогнутой поверхности зеркала (эта глубина в центре заготовки называется стрелкой кривизны), тем короче фокусное расстояние. Кстати говоря, радиус кривизны зеркала в два раза больше его фокусного расстояния.
В пасмурные дни поступим иначе: рядом с яркой лампой установим экран так, чтобы он был защищен от прямого света лампы. Устанавливаем зеркало так, чтобы зайчик света падал на экран (рис. 12). Приближая или удаляя зеркало от экрана, добиваемся того, чтобы зайчик света стал маленьким и принял форму волоска лампы. Добившись максимальной резкости, измерим расстояние от зеркала до экрана. Если экран и лампа одинаково удалены от зеркала, то это расстояние и есть радиус кривизны зеркала, который в свою очередь равен двум фокусным расстояниям. Делим расстояние от зеркала до экрана пополам и получаем величину фокусного расстояния зеркала.
Фокусное расстояние можно измерить и другим способом. Измерим просвет между зеркалом и прямолинейным краем металлической линейки (стрелку кривизны). Для этого нарежем неширокие (5 мм) полоски бумаги, например тетрадной. Сложим 20--30 полосок стопкой и измерим толщину стопки, плотно сжав ее. Разделив толщину стопки на число бумажек, получим толщину каждой бумажки. Подкладывая бумажки в центре зеркала, будем время от времени прикладывать линейку до тех пор, пока линейка не ляжет плотно на бумажки. После этого, умножив число полосок на толщину одной полоски, получим величину стрелки прогиба поверхности зеркала, а затем и фокусное расстояние по формуле
где R -- радиус кривизны зеркала, D -- диаметр зеркала, х -- стрелка кривизны.
Если на первых порах точность определения фокусного расстояния описанным методом приблизительно равна точности "мокрого" метода и составляет примерно мм, то при переходе к тонкой шлифовке точность непосредственного измерения фокуса смоченного зеркала резко возрастает. На последних стадиях шлифовки эта точность составляет мм.
8. КАКИМ ДОЛЖПО БЫТЬ ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ ЗЕРКАЛА?
Прежде всего введем новое понятие: относительное отверстие. Относительным отверстием объектива (зеркала или линзы) называется отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию. Относительное отверстие всегда выражается дробью с единицей в числителе, например 1/3, 1/10, 1/6,5 и т. д. Между прочим, значения "диафрагмы", нанесенные на оправу фотообъектива,-- это знаменатели относительных отверстий объектива. Если "диафрагма" равна 2,8, то относительное отверстие объектива равно 1/2,8. В астрономической оптике "диафрагма" называется относительным фокусным расстоянием или "относительным фокусом". Например, если фокусное расстояние нашего зеркала равно 1200 мм, а его диаметр равен 150 мм, то относительное отверстие равно 1/8, а относительный фокус 8.
Чем меньше относительное отверстие, тем меньше сказывается на качестве изображения сферическая аберрация зеркала, которая состоит в том, что лучи параллельного пучка света после отражения от сферической поверхности не собираются в одну точку, так как фокусное расстояние центральной части сферического зеркала больше фокусного расстояния крайних зон. Эта разница обычно невелика, но ее достаточно, чтобы заметно портить изображение (рис. 13). Сфера
Параболоид
Рис. 13. Отражение пучка параллельных лучей от сферического и параболического зеркала.
Совершенно свободно от сферической аберрации параболоидальное зеркало. Параболоид вращения имеет на крайних зонах меньшую, чем в центре, кривизну. Благодаря этому фокусное расстояние крайних зон несколько больше, чем у сферического зеркала. Но сделать параболоидальное зеркало сложнее.
Впрочем, при достаточно малых относительных отверстиях сферическая аберрация так мала, что изображение практически не искажается, и такое зеркало может быть названо идеальным. Табл. 5 дает наименьший относительный фокус V сферического зеркала для выбранного диаметра D, при котором изображения становятся идеальными. Разумеется, можно выбрать относительный фокус еще больше (а относительное отверстие меньше), и изображения будут оставаться по-прежнему идеальными, но нельзя выбирать относительный фокус меньше, чем указано в таблице.
Т а б л и ц а 5
D
70
100
130
150
200
250
300
V
6,30
7,05
7,70
8,08
8,89
9,58
10,18
В табл. 6, наоборот, показана зависимость диаметра зеркала от выбранного относительного фокуса.
Т а б л и ц а 6
V
3
4
5
6
7
8
10
D
7,7
18,2
35,5
63,3
97,4
145,4
284,0
Таким образом, наше 150-миллиметровое зеркало должно иметь относительный фокус не менее 8,08. Иначе говоря, его фокусное расстояние должно быть в 8,08 раза больше диаметра. Нетрудно подсчитать, что фокусное расстояние зеркала не должно быть короче 1212 мм. Конечно, нет нужды выдерживать эту величину с высокой точностью. Достаточно принять фокусное расстояние равным 1200 мм или 1300 мм. Остановимся, например, на первой величине. Проверяя фокусное расстояние у смоченного водой зеркала, остановим обдирку, когда фокусное расстояние станет приблизительно равным выбранному. Лучше, если оно будет на 2--3 см больше, так как в ходе тонкой шлифовки оно несколько уменьшится.
9. ШЛИФОВАЛЬНИК
Для тонкой шлифовки нужен шлифовальник. Проще всего его сделать, подобрав металлический или пластмассовый круг тех же, что и зеркало, диаметра и толщины. Кроме того, потребуется примерно 50-- 60 мл эпоксидной смолы. Для изготовления шлифовальника положим зеркало на горизонтальную поверхность рабочей стороной вверх (рис. 14).
Рис. 14. Зеркало с бумажным бортиком перед изготовлением шлифовальника.
Кружок полиэтилена еще не уложен на зеркало.
Сделаем бортик из толстой бумаги, который должен приподниматься над краем зеркала на 2,5-- 3 мм. Пространство между бортиком и фаской на зеркале заделаем пластилином, предварительно скатав его тонким жгутиком. Важно, чтобы в пластилине не оказалось ямок, лежащих ниже поверхности зеркала. В эти ямки затечет смола, образовав выступы, которые потом не дадут "стянуть" шлифовальник с зеркала. Обильно смажем зеркало маслом со всех сторон (можно применить любое масло, в том числе подсолнечное или сливочное). Поверх смазанной поверхности уложим круглый лист полиэтилена того же, что и зеркало, диаметра.
Нужно проследить за тем, чтобы между краем полиэтилена и бортиком не было больших щелей, куда может затечь смола. Поэтому щель между бумажным бортиком и полиэтиленом лучше заделать пластилином, как и фаску. Смажем маслом и бортик. Все эти меры необходимы для того, чтобы эпоксидная смола не приклеилась к зеркалу. В небольшой посудине разведем смолу, тщательно перемешав собственно смолу-компаунд и отвердитель.
Рис. 15. Канавки на поверхности эпоксидной смолы. Поверхность смолы уже пришлифована к зеркалу.
После тщательного перемешивания смолы выльем ее на полиэтилен. Заливаем до тех пор, пока смола не поднимется до края бортика. Нельзя перемешивать смолу уже на полиэтилене, так как она может подтечь под него. После этого кладем на поверхность смолы приготовленную металлическую или пластмассовую пластину. Для того чтобы смола лучше приклеилась к металлу, с поверхности металла надо удалить следы жира, для чего ее надо тщательно протереть ацетоном или спиртом и сильно поцарапать.
Оставим диск на смоле и дадим ей затвердеть. Обычно на это уходит 8--12 часов. Для верности снимем шлифовальник с зеркала через сутки.
После того как мы снимем с зеркала шлифовальник и полиэтилен, мы увидим поверхность, далекую от идеальной сферы. На поверхности смолы будут видны небольшие ямки и бугорки, которые, впрочем, в основной своей массе будут сошлифованы и не помешают работе шлифовальника.
Для того чтобы абразивный порошок легче распределялся по всей поверхности шлифовальника, надо ножовкой по металлу пропилить в смоле канавки (рис. 15) через 30--40 мм. Канавки помогают быстрому перемещению абразивной суспензии и равномерному ее распределению на поверхности шлифовальника, Кроме того, канавки полезны еще и потому, что в них проваливаются случайные крупные зерна абразива, не успевая поцарапать поверхность зеркала. Если канавок нет, это зерно будет кататься между шлифовальником и зеркалом до тех пор, пока не разрушится. В этом случае оно успеет прочертить длинную царапину.
10. ШЛИФОВКА
Получив нужное нам углубление, мы должны сгладить матовость на поверхности зеркала. Это делается с помощью более тонких абразивов. Шлифовальник теперь располагается внизу, а зеркало наверху. Вспомним, что эпоксидная смола, которой покрыт наш шлифовальник, мягче стекла, поэтому матовость на зеркале получается примерно вдвое тоньше, чем при шлифовке металлическим шлифовальником. Начиная шлифовку на пластмассовом шлифовальнике, применим все тот же абразив No 25, следя за тем, как матовость становится тоньше по мере шлифовки. Только хорошо прошлифовав этим номером абразива, перейдем к No 12, а затем к No 6.
Вообще надо стремиться к тому, чтобы по мере уменьшения размеров зерен их диаметры уменьшались вдвое. Конечно, можно перейти к абразиву, размеры зерен которого меньше предыдущего в 1,4 раза, но крайне нежелательно переходить через более крутую ступеньку, когда средний размер зерен фракции меньше предыдущего в 3 или 4 раза. В этом случае тоже можно хорошо прошлифовать поверхность, затратив больше, чем обычно, времени, но лучше не рисковать так как можно не заметить мелких ямок, оставшихся от предыдущего номера абразива. Эти ямки, если их много, сильно рассеивают свет и снижают контраст изображения в телескопе. Поэтому лучше при переходе к следующему номеру абразива придерживаться уменьшения размера зерен в 2 или 1,4 раза.
Рис. 16. Движение шлифовальника и зеркала при шлифовке.
Шлифпорошки No 25, No 12, No 6 наносим на шлифовальник чайной ложечкой, а воду рукой, смачивая в воде пальцы и брызгая на шлифовальник. Микропорошки М28, М20, М14 и т. п. наносим иначе. Насыплем в мягкую пластмассовую бутылочку с завинчивающейся крышкой микропорошок. Нальем кипяченой воды и, взболтав абразивную суспензию, дадим ей отстояться и сольем излишек воды. Сделаем в крышке толстой иглой. отверстие диаметром около 1 мм. Еще лучше, если крышка снабжена трубочкой, как, например, у бутылочек для бензина к зажигалкам.
Взбалтываем абразивную суспензию, наклоняем бутылочку отверстием вниз и, нажимая на стенки, выдавливаем струйкой суспензию на шлифовальник. Взбалтывать суспензию надо не до дна, так как на дне бутылки бывают случайные крупные частички, которые могут поцарапать зеркало.
Во время шлифовки применяем только центральный штрих (когда центр зеркала движется по диаметру шлифовальника) со смещением центра зеркала на 1/3 диаметра. Вынос делаем всегда в одну сторону, например от себя. Сдвинув таким образом зеркало, возвращаем его обратно. После двух-трех штрихов поворачиваем столик с укрепленным на нем шлифовальником на 300 и одновременно поворачиваем зеркало правой рукой в противоположную сторону примерно на половину угла поворота шлифовальника. После этого делаем еще 2--3 штриха. Впрочем, не обязательно выдерживать такую последовательность штрихов и поворотов. Важнее другое -- шлифовка должна идти равномерно по разным азимутам, зеркало должно сдвигаться в среднем на 1/3 диаметра, но не больше (рис. 16). Некоторые любители шлифуют, сдвигая зеркало в обе стороны на 1/3 радиуса зеркала. Штрихи длиннее 1/3 радиуса приводят к тому, что на краю зеркала появляется "завал", уменьшение кривизны крайней зоны зеркала или, что одно и то же, увеличение радиуса кривизны. Этот дефект в сильно утрированном виде показан на рис. 17,а. Штрихи короче 1/4 диаметра приводят к появлению зональных ошибок, а также "подвернутого края", когда в центре кривизна меньше, чем на краях (рис. 17, б),
Рис. 17. Наиболее часто встречающиеся ошибки поверхности вогнутого зеркала:
завал края (а) и подвернутый край (б).
Чтобы проверить, имеет ли зеркало эти отступления от сферы, промоем зеркало и шлифовальник и высушим их. Прочертим на зеркале простым карандашом несколько диаметральных линий. Осторожно уложим зеркало на сухой шлифовальник и сделаем несколько штрихов. В случае завала карандашные линии сотрутся на средних зонах, а при подвернутом крае - на краю и в центре.
Нельзя злоупотреблять, этими испытаниями, так как на сухом без абразива шлифовальнике зеркало может легко поцарапаться. Поэтому к этим исследованиям прибегнем только в том случае; когда зеркало при движении по шлифовальнику начинает "цепляться". Это указывает на возможный завал края. Если же зеркало движется слишком легко и как бы стремится соскользнуть со шлифовальника, то это указывает на возможный подвернутый край.
Если обнаружен завал края, укоротим штрих до 1/4--1/5 диаметра, если подвернутый край -- увеличим штрих до 2/5 диаметра.
Надо избегать быстрых и резких движений; они должны быть плавными, а чисто полных штрихов не должно превышать двух в секунду при диаметре зеркала 150 мм.
11. ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ СКОРОСТЬ ШЛИФОВКИ?
Скорость шлифовки прежде всего зависит от абразива, которым она ведется. Табл. 7 показывает относительную твердость различных естественных и искусственных материалов, применяемых в качестве шлифующих абразивов.
Во время обдирки стараются применить самые твердые материалы. Те же материалы применяются при грубой шлифовке. На последних стадиях шлифовки
Т а б л и ц а 7
Наименование материала
Относительная твердость
Наименование материала
Относительная твердость
Кварцевый песок
Наждак
Корунд
1.0
1,4
2,0
Карбид кремния
Карбид бора
Алмаз
2,9--3,3
4,8--4,9
10,0
применяются несколько более мягкие абразивы, например корунд. Из электрокорунда приготавливаются микропорошки от М40 и мельче.
Конечно, мы не можем рассчитывать на то, что удастся достать искусственный алмаз, но можно постараться достать карбид кремния или карбид бора, разумеется, нескольких номеров.
Во-вторых, большое влияние на скорость шлифовки, впрочем, как и полировки, оказывает давление на зеркало, Считается [12], что наилучшее давление на инструмент 800 г на 1 см2.
Однако для того, чтобы наше 150-миллиметровое зеркало, имеющее площадь 177 см3, подвергнуть такому давлению, надо поставить на него груз массой более 140 кг. Ни профессионалы, ни любители не используют оптимальное в смысле скорости шлифовки давление и обычно ограничиваются давлением около 5 кПа (50 Г/см2). Для того чтобы создать такое давление на шлифовальнике, надо поставить на зеркало груз массой около 9 кг. Практически в любительской практике применяются еще меньшие давления, так как трудно передвигать зеркало, если на нем стоит тяжелый груз, Поэтому 150-миллиметровое зеркало нагружается грузом массой 2--3 кг, и удельное давление составляет 1--1,5 кПа или 10-- 15 Г/см2.
Нужно помнить еще об одном обстоятельстве, которое принуждает избегать больших давлений при обработке астрономических зеркал. Речь идет о деформациях заготовки при больших нагрузках, что может привести к грубым ошибкам на поверхности зеркала. Поэтому на последних стадиях тонкой шлифовки примем давление 1--1,5 кПа как оптимальное и не будем намного превышать эту величину.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23