Optisen pinnanlaadun sorvaus

Abstract

Työssä tutkittiin timanttityöstetyn, optisesti toiminnallisen pinnan laatua. Tarkoituksena oli tutkia millaisia, pinnanlaatuun vaikuttavia mikrorakenteita pintaan muodostuu. Tavoitteena oli myös selvittää laskennallisen ja toteutuneen pinnankarheuden suhdetta, sekä jos mahdollista, löytää ohjeelliset työstöarvot peilipintojen sorvaukseen.

Tutkimusta varten sorvattiin nanotyöstökoneella pinnankarheudeltaan laskennallisesti määriteltyjä testipintoja. Pintojen todellinen pinnankarheus mitattiin ja tuloksia verrattiin laskennallisiin karheuksiin. Mittauksen yhteydessä muodostetuista topografisista kuvioista tutkittiin pinnan mikrorakenteita sekä syitä niiden muodostumiseen. Testeissä verrattiin myös valon diffraktion määrää testipinnoilla.

Tulosten perusteella timanttityöstetty optinen pinta on aina ominaisuuksiensa suhteen kompromissi. Tutkimuksen mukaan sorvauksessa käytettävän nirkonsäteen pienennys edesauttaa hyvän pinnankarheuden saavuttamista. Tällöin kuitenkin joudutaan syöttönopeutta pienentämään, mikä puolestaan kasvattaa valon diffraktion määrää pinnassa. Tuloksista selviää myös, ettei laskennallinen pinnankarheus vastaa todellisuutta. Vaikka erot mitattujen ja laskennallisten pinnankarheuksien välillä ovat vain muutamia nanometrejä, ovat ne kuitenkin moninkertaisia teoreettiseen pinnankarheuteen verrattuna.

Tutkimus antoi hyödyllistä tietoa pinnankarheuden muodostumisesta ja sen laskentaan liittyvistä epävarmuuksista. Tulokset ovat kuitenkin vasta suuntaa antavia ja kattavan työstötapahtuman suunnitteluohjeistuksen luomiseksi olisi suoritettava jatkotestejä. Näillä testeillä tutkittaisiin työstettävän materiaalin vaikutusta lopputulokseen, sekä sitä, muuttuuko laskennallisen ja toteutuneen pinnankarheuden ero suoraan verrannollisesti suhteessa nirkonsäteeseen.

This thesis was a research about quality of diamond turned optically functional surfaces. The aim was to study what kind of micro structures affecting the quality of the surface, were formed during the diamond turning process. In addition, the relationship between the calculated and the measured surface roughness was studied. Finally, the suitable machining parameters for turning mirror surfaces were assessed.

For this research several test surfaces which were specified by their theoretical surface roughness were made with the ultra-precision machine. The actual surface roughness of test surfaces was measured and compared with the calculation results. The topographical microstructure of the test surfaces was examined to determine the causes of microstructure formation. Moreover, the amount of diffraction on the test surfaces was estimated.

Based on the results, the diamond turned optical surface is always a compromise between the different surface properties. When the tool nose radius was reduced, it resulted a positive effect on the surface roughness. However, in this case it would be necessary to decrease the feed rate, which in turn results increased diffraction of light. The results also show that the calculated surface roughness does not correspond to reality. While the differences between the measured and the calculated roughness are only a few nanometers, in fact, the measured values are multiple times higher compared to the theoretical values.

In conclusion, this study provided useful information about the formation of surface roughness and the uncertainties related to the calculation. The results are only indicative and, thus, for the creation of comprehensive guidelines for the machining, further tests should be executed.