Nghiên cứu công nghệ gia công chóp khí động học từ gốm quang học KO-12

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 34, 12-2014 103 Nghiên cứu công nghệ gia công chóp khí động học Từ gốm quang học ko-12 Nguyễn quang hiệp*, nguyễn ngọc hưng **, trần mạnh tùng **, TRần văn hiến *** Tóm tắt: Trên cơ sở nghiên cứu các đặc điểm về cấu trúc, tính chất của gốm quang học KO-12 và lựa chọn sơ đồ gia công, quy trình công nghệ gia công chóp khí động học từ gốm quang học KO-12 sử dụng trang thiết bị hiện có trong nước đã được xây dựng. Kết quả đo kiểm chất lượng sản phẩm sau khi gia công cho thấy, sản phẩm có các chỉ tiêu kỹ thuật đạt yêu cầu đề ra và có chất lượng tương đương với chóp khí động học do LB Nga gia công, chế tạo. Từ khóa: Gia công quang học, Gốm quang học KO-12, Chóp khí động học. 1. mở đầu Chóp khí động học (hay còn gọi là chóp rẽ dòng) là một linh kiện quang học trong hệ thống quang học đầu tự dẫn hồng ngoại của các loại vũ khí thế hệ mới. Nó thường có hình dạng chỏm cầu để đảm bảo lực cản khí động học của không khí là nhỏ nhất. Ngoài ra, chóp khí động học được làm từ vật liệu có độ truyền qua tốt trong dải phổ hồng ngoại. Độ truyền qua này không những phụ thuộc vào vật liệu làm chóp khí động học mà còn phụ thuộc rất lớn vào chất lượng gia công như: độ sạch bề mặt, độ nhám bề mặt, sai lệch kích thước, Gốm quang học KO-12 là vật liệu quang học đa tinh thể với thành phần chính là MgF2 nhận được từ phương pháp ép nóng chân không trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao [1]. Với hệ số dãn nở nhiệt nhỏ, chiết suất ít phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ và độ truyền qua trong dải phổ hồng ngoại là tương đối lớn nên gốm quang học KO-12 thường được sử dụng để chế tạo chóp khí động học. Tại nước ta hiện nay, bên cạnh các thông tin về gốm KO-12 còn rất hạn chế thì chưa có bất cứ công bố khoa học nào về gia công cơ khí, mài vật liệu này. Hơn nữa, khi nghiên cứu các tài liệu công nghệ về gia công gốm quang học KO-12 [2] nhận thấy rằng, các trang thiết bị công nghệ hiện có của chúng ta chưa thực sự phù hợp. Do đó, việc nghiên cứu công nghệ gia công cơ khí gốm quang học KO-12 và mài chóp khí động học trên cơ sở các trang thiết bị hiện có là yêu cầu cấp thiết. 2. Công nghệ gia công gốm quang học ko-12 và chóp khí động học 2.1. Đặc điểm cấu trúc và tính chất của gốm quang học KO-12 Cấu trúc gốm quang học đa tinh thể KO-12 được tạo bởi các hạt tinh thể có kích thước từ 0,2ữ0,5μm (hình 1.a), có định hướng tinh thể ngẫu nhiên, có biên hạt rất rõ ràng; còn thuỷ tinh quang học có cấu trúc dạng vô định hình (hay chính xác hơn là cấu trúc tinh thể vô định hình) (hình 1.b). Các tính chất cơ học quan trọng của gốm quang học KO-12 và một số mác thuỷ tinh quang học phổ biến được đưa ra trong bảng 1. Vật lý N. Q. Hiệp, ,T. V. Hiến, "Nghiên cứu công nghệ gia công gốm quang học KO-12." 104 (a) (b) Hình 1. (a) Hình ảnh cấu trúc tinh thể gốm KO-12; (b) hình ảnh cấu trúc thuỷ tinh quang học. Bảng 1. Cơ tính của gốm quang học KO-12 và một số thuỷ tinh quang học [1]. Vật liệu Khối lượng riêng,  , g/cm2 Độ cứng theo Moss Độ cứng tế vi, GPa Mô đun Young E, GPa Mô đun dịch chuyển G, GPa Hệ số Poission  ứng suất uốn  uốn, GPa Hệ số giãn nở nhiệt,  ã106, 1/oC Gốm KO-12 3,18 6,0-6,5 6,8-7,2 145,7 55,4 0,316 0,11-0,12 11,0 Thuỷ tinh K8 2,52 5,0-6,0 7,0-7,5 80,7 33,4 0,209 0,15-0,21 760 Thuỷ tinh ЛК7 2,30 5,0-6,0 6,0-6,5 67,9 28,5 0,191 0,15-0,18 440 Thuỷ tinh ТФ3 4,46 5,0-6,0 4,7-5,0 55,1 22,5 0,221 0,14-0,18 950 Từ bảng 1 thấy rằng, gốm quang học KO-12 và các loại thuỷ tinh quang học thông dụng có độ cứng tương đương nhau. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết luận trong [1, 4] khi cho rằng, hiệu suất mài và độ nhám bề mặt của gốm KO-12 khác biệt rất ít so với thủy tinh quang học K8. Vì thế, ở các nguyên công tạo phôi ban đầu, phay tròn, mài mịn có thể sử dụng các thiết bị và dụng cụ tương tự như khi gia công thuỷ tinh quang học K8. Mặt khác, khi gia công cơ khí, do gốm KO-12 và thuỷ tinh quang học có cấu trúc khác nhau nên sẽ có cơ chế phá huỷ khác nhau. Các nghiên cứu cho rằng, khi mài gốm quang học thì sự phá huỷ và bong tróc vật liệu xảy ra trước tiên tại các biên giới hạt hoặc các chỗ tích tụ hạt [1, 3, 4]. Khi đó, sự lan truyền của vết nứt xuất hiện khi va đập giữa hạt mài và bề mặt mài sẽ bị ngăn chặn bởi cấu trúc dạng đa tinh thể của gốm quang học. Thuỷ tinh quang học là vật liệu tinh thể vô định hình, do không có biên giới hạt như gốm quang học nên sự lan truyền các vết nứt khi gia công sẽ dễ dàng hơn và đi sâu hơn vào bên trong vật liệu. Chính vì điều này mà gốm quang học có chiều sâu của lớp bề mặt bị hư hại thấp hơn so với thuỷ tinh. Do đó, sự khác nhau khi gia công gốm quang học KO-12 và thuỷ tinh quang học chỉ có thể xảy ra ở nguyên công đánh bóng và rà bóng do tốc độ lấy vật liệu đi, chiều sâu lớp bề mặt bị hư hại và độ nhám của bề mặt nhận được ở nguyên công mài mịn là khác nhau. Mặt khác, khi gia công gốm KO-12, ở nguyên công mài mịn và đánh bóng cần thêm nguyên công rà bóng, bởi khác với thủy tinh quang học, ở gốm quang học không xảy ra hiện tượng thuỷ hoá (tác dụng với nước). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 34, 12-2014 105 2.2. Gia công chóp khí động học làm từ gốm quang học KO-12 2.2.1. Các yêu cầu kỹ thuật Chóp khí động học có hình dạng chỏm cầu, yêu cầu về độ đồng nhất cơ tính và quang học cao, không được phép tồn tại các khuyết tật trên bề mặt và bên trong vật liệu. Ngoài ra, khi gia công phải đảm bảo không hình thành ứng suất dư, biến dạng phôi và đảm bảo độ đồng nhất về chiều dày. Trên hình 2 là bản vẽ phôi (hình 2.a) và chi tiết chóp khí động học sau khi gia công (hình 2.b). Bảng 2 trình bày các chỉ tiêu kỹ thuật của chóp sau khi gia công. (a) (b) Hình 2. (a) Các thông số cấu hình của phôi chóp khí động học, (b) chi tiết sau khi gia công. Trong các chỉ tiêu kỹ thuật đó thì các giá trị của độ suy giảm bức xạ hồng ngoại ở hai bước sóng λ1=2àm và λ2=4,5àm tương ứng là 2 m   và 4,5 m   sẽ tự động đạt được khi các chỉ số khác đạt yêu cầu do sử dụng phôi từ vật liệu gốm KO-12 của LB Nga đã được kiểm định chất lượng. Chính vì vậy, vấn đề quan tâm ở đây là lựa chọn chế độ công nghệ, vật liệu mài và đánh bóng để đảm bảo các chỉ tiêu về số vòng quang N , sai lệch vòng quang N , độ sạch P , độ nhám bề mặt zR , đường kính thông quang O , sai lệch các kích thước bán kính cong bề mặt R và độ dày rìa  . Bảng 2. Chỉ tiêu kỹ thuật của chóp khí động học sau khi gia công [2]. Các chỉ tiêu kỹ thuật 2 m   , cm-1 4,5 m   , cm-1 N N P R O , mm Rz, μm  theo dìa, mm Giá trị 0,189 0,06 5 1 V 0,1% 51 0,05 0,015 2.2.2. Mô hình gia công chóp khí động học Do chi tiết chóp khí động học có hình dạng chỏm cầu, yêu cầu về độ đồng nhất về chiều dày rất cao nên cần phải lựa chọn phương pháp gia công hợp lý nhằm kiểm soát được sai lệch kích thước trong quá trình gia công. Bề mặt chi tiết thô, tức là chi tiết sau nguyên công mài mịn bằng bột mài thô, có sai lệch về hình dạng và kích thước so với chi tiết theo thiết kế bằng lượng dư gia công. Khi gia công chi tiết dạng chỏm cầu bằng phương pháp mài nghiền tự do, lượng dư này luôn luôn bị giới Vật lý N. Q. Hiệp, ,T. V. Hiến, "Nghiên cứu công nghệ gia công gốm quang học KO-12." 106 hạn bởi hai mặt cầu: mặt cầu của phôi ban đầu (chi tiết thô) và mặt cầu của chi tiết cần gia công. Lượng dư này được phân bố không đồng đều theo diện tích bề mặt được gia công. Có ba trường hợp phân bố lượng dư giữa các nguyên công như sau: lượng dư nhỏ nhất tại biên, lượng dư phân bố đều và lượng dư nhỏ nhất tại đỉnh chỏm cầu (hình 3). Trong quá trình gia công, tâm hình học của bề mặt gia công luôn luôn biến đổi và có xu hướng tiến về phía tâm chi tiết theo thiết kế, nghĩa là (Rphôi-R)→0. Hình 3. (a) Sơ đồ phân bố lượng dư giữa các nguyên công nhỏ nhất Zmin tại biên, (b) lượng dư phân bố đều, (c) lượng dư nhỏ nhất Zmin tại đỉnh chỏm cầu. Từ sơ đồ phân bố lượng dư trên ta lựa chọn các tham số của dụng cụ và chế độ thiết bị để chủ động tạo ra phân bố cường độ mài mòn phù hợp với phân bố lượng dư. Ví dụ, trong trường hợp Zmin tại biên thì sẽ tăng cường độ mài mòn ở đỉnh; khi Zmin tại đỉnh chỏm cầu thì tăng cường độ mài mòn ở biên. Bằng cách này có thể nhanh chóng đạt được độ chính xác hình học của chi tiết. Trong quá trình gia công chi tiết chóp khí động học chúng tôi lựa chọn sơ đồ gia công phân bố lượng dư nhỏ nhất tại rìa khi sử dụng dụng cụ gia công dạng nấm mài, bát mài và thiết bị gia công hiện có nhằm kiểm soát độ sai lệch hình dạng và độ đồng nhất về chiều dày. 2.2.3. Tiến trình công nghệ gia công chóp khí động học Trên cơ sở các nghiên cứu ở trên, nhóm tác giả đề xuất sơ đồ tiến trình công nghệ gia công chi tiết chóp khí động học (hình 4). Mài mịn gốm quang học KO-12 được tiến hành bằng bột mài theo thứ tự M28→M20→M10 với kích thước hạt trung bình tương ứng là 28μm, 20μm và 10μm. Nguyên công mài mịn bằng bột mài M28 được tiến hành trên máy mài một trục Д-150, còn bột mài M20, M10 - trên máy mài mịn 6ШП-100M. Sau đó tiến hành đánh bóng bằng bột mài ôxit CeO2 (2ữ3μm) được dùng để đánh bóng thuỷ tinh và bột kim cương ACM 2/0, ACM 1/0, ACM 0,5/0 với các kích thước hạt tương ứng là 2μm, 1μm và 0,5μm được pha với nước cất nhằm lựa chọn bột đánh bóng phù hợp. Nguyên công đánh bóng được thực hiện trên máy đánh bóng 6ПД-100А. Nguyên công rà bóng bằng nước cũng được thực hiện trên máy đánh bóng 6ПД-100А. Vật liệu đánh bóng và rà bóng là keo đánh bóng СП-3 trên cơ sở nhựa thông có độ nhớt lg 8,5 9,0   ở 25oC, chất làm Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 34, 12-2014 107 mát và bôi trơn là nước cất. Trong quá trình đánh bóng và rà bóng, chất lượng bề mặt được kiểm tra bằng dưỡng kiểm và kính lúp. Hình 4. Sơ đồ tiến trình công nghệ gia công chi tiết chóp khí động học bằng gốm quang học KO-12. Kết quả đánh bóng gốm quang học KO-12 bằng ôxit CeO2 theo quy trình công nghệ gia công thuỷ tinh quang học K8 không cho kết quả mong muốn. Bề mặt không đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật ( ,N N ) theo yêu cầu, lớp gốm KO-12 bị mài mòn rất ít. Điều này được giải thích là do ôxít CeO2 có độ cứng tương đương với gốm KO-12 và như vậy không thể sử dụng bột này để đánh bóng gốm KO-12. Việc sử dụng bột kim cương ACM 1/0 để đánh bóng đảm bảo nhận được giá trị vòng quang và sai lệch hình dạng ( ,N N ) theo yêu cầu nhưng trên bề mặt chi tiết còn có nhiều vết xước nhỏ và không thể loại bỏ được ở nguyên công rà bóng nhằm đạt độ sạch bề mặt ( P V ); còn khi sử dụng bột kim cương ACM 2/0 thì trên bề mặt có những vết xước thô hơn so với khi dùng bột kim cương ACM 1/0. Chính vì vậy, nhóm tác giả đã chuyển sang sử dụng bột kim cương mịn hơn ACM 0,5/0. Sau khi rà bóng bằng nước cất cả ba thông số ( , ,N N P ) đều đạt yêu cầu. Tuy nhiên sử dụng bột kim cương ACM 0,5/0 kéo dài thời gian đánh bóng rất lâu, tới gần 4h so với khoảng 2h khi sử dụng bột ACM 1/0. 3. đo kiểm chất lượng chi tiết sau gia công Chóp khí động học sau khi gia công xong được kiểm tra các chỉ tiêu về độ truyền qua, độ nhám bề mặt, xác định vòng quang và sai lệch vòng quang, độ sạch bề mặt và so sánh với chóp khí động học do phía LB Nga gia công. a) b) Hình 5. (a) Chóp khí động học sau khi gia công, (b) hình ảnh đo số vòng quang bằng dưỡng thuỷ tinh. Vật lý N. Q. Hiệp, ,T. V. Hiến, "Nghiên cứu công nghệ gia công gốm quang học KO-12." 108 Kết quả đo số vòng quang bằng dưỡng thuỷ tinh cho kết quả 5N  , phù hợp với yêu cầu thiết kế (hình 5). Sai số hình dạng bề mặt chóp khí động học sau gia công hoàn thiện được kiểm tra bằng giao thoa kế VeriFire XP/D (hình 6), trong đó d là độ rộng của vân giao thoa, Δd là độ cong của vân giao thoa. Kết quả hình ảnh giao thoa đã chỉ ra rằng sai số vòng quang 1N  , đảm bảo độ chính xác về hình dạng theo yêu cầu kỹ thuật đề ra. Hình 6. Hình ảnh đo sai lệch hình dạng chóp khí động học sau gia công. Kết quả chụp ảnh bề mặt chi tiết chóp khí động học sau khi gia công hoàn thiện trên kính hiển vi quang học Observer.D1M thấy rằng, chất lượng bề mặt gia công tương đương với chất lượng của phía Nga (hình 7). Trên bề mặt có những vết xước mờ, điểm chấm nhỏ, chất lượng tương ứng với cấp V độ sạch bề mặt (theo GOST 11141-84 của LB Nga [5]). Kết quả đo độ nhám và công tua bề mặt chi tiết sau gia công hoàn thiện trên thiết bị Veeco Dektak 150 cho kết quả độ nhám Rz=10ữ30Ǻ, nhỏ hơn nhiều so với bước sóng hồng ngoại từ mục tiêu (1ữ6μm) nên sẽ không ảnh hưởng đến khả năng cho bức xạ hồng ngoại truyền qua của chóp khí động học; còn bề mặt vật liệu sau khi rà bóng tương đối đồng nhất (hình 8). a) b) Hình 7. (a) Hình ảnh bề mặt chi tiết sau gia công hoàn thiện trong nước, (b) hình ảnh bề mặt sản phẩm của LB Nga. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 34, 12-2014 109 Hình 8. Giản đồ công tua bề mặt chi tiết sau gia công. Các phép đo độ truyền qua của bức xạ hồng ngoại trong dải bước sóng từ 1ữ7μm được thực hiện trên thiết bị FT/IR-6300. Kết quả đo kiểm (hình 9) thấy rằng chóp khí động học cho hơn 80% bức xạ hồng ngoại đi qua trong dải bước sóng từ 1,5ữ6,5μm. Độ truyền qua của phôi kém hơn so với sản phẩm gia công hoàn thiện là do ảnh hưởng của độ dày và chất lượng bề mặt của phôi. Sản phẩm gia công hoàn thiện có chiều dày mỏng hơn và chất lượng bề mặt tốt hơn. Từ đây, có thể xác định được các chỉ số suy giảm bức xạ hồng ngoại tại hai bước sóng λ1=2àm và λ2=4,5àm tương ứng với hai kênh làm việc của đầu tự dẫn hồng ngoại theo công thức sau [1]: ( ) ( 1/ ) lg ( ),      trong đó, σ là chiều dày của mẫu đo, mm; ( )  là hệ số truyền qua của bức xạ hồng ngoại. Kết quả tính toán: 1 1( ) 0,038cm   và 12( ) 0,033cm   , như vậy giá trị của chúng thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đã đề ra (bảng 2). Hình 9. Giản đồ đo độ truyền qua bức xạ hồng ngoại của: 1 - phôi từ vật liệu gốm KO-12; 2 - chóp khí động học sau khi gia công. 4. Kết luận Như vậy, dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, nhóm tác giả đã lựa chọn được phương pháp gia công và xây dựng được quy trình công nghệ Vật lý N. Q. Hiệp, ,T. V. Hiến, "Nghiên cứu công nghệ gia công gốm quang học KO-12." 110 gia công chóp khí động học từ gốm quang học KO-12 trên cơ sở các trang thiết bị hiện có trong nước. Các kết quả đo kiểm chứng minh rằng, các chi tiêu kỹ thuật của sản phẩm sau gia công đạt yêu cầu đề ra và tương đương với sản phẩm của LB Nga. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện mục tiêu từng bước làm chủ công nghệ gia công, chế tạo chóp khí động học nói riêng và toàn bộ cụm vỏ đầu tự dẫn hồng ngoại của các loại vũ khí thế hệ mới nói chung. Tài liệu tham khảo [1]. Окатов М.А. “Справочник технолога-оптика”. Политехника Санкт-Петербург, 2004. - 679 с. [2]. “Техническое описание и инструкция по эксплуатации 9К38 ТО”. М: Военное издательство, 1987. – 136 c. [3]. Hao Hu, Yifan Dai, Chaoliang Guan, Ziqiang Yin, Zhaoze Li. “Deterministic manufacturing technologies for polycrystalline magnesium fluoride conformal domes”. Proc. SPIE 7655, 5th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies: Advanced Optical Manufacturing Technologies, 765526, October 06, 2010. [4]. Гаврищук Е.М. “Влияние условий полирования на качество обработки оптических поверхностей элементов из селенида цинка для изделий, работающих в ИК диапазоне”. Прикладная физика, 2005. № 5. С. 107−111. [5]. ГОСТ 11141-84. “Детали оптические. Классы чистоты поверхностей. Методы контроля”.М.: Изд-во стандартов, 1984. - 15 с.. abstract Research of TECHNOLOGICAL processing for the aerodynamic dome made of Optical ceramics KO-12 Basing on the research of structure characteristics and properties of optical ceramics KO-12 and the selection procedure diagram, the authors have proposed the technological process for processing the aerodynamic dome made of optical ceramics KO-12 by on currently existing equipments. The results of quality testing of final product show a good agreement with the predetermined requirements and equivalent of Russian Federation´s product. Keywords: Optical manufacturing, Optical ceramics KO-12, Aerodynamic domes Nhận bài ngày 11 tháng 07 năm 2014 Hoàn thiện ngày 28 tháng 09 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 12 năm 2014 Địa chỉ: * ** *** Bộ môn Khí tài quang học - Học viện Kỹ thuật Quân sự; Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; Xí nghiệp X23 - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng.