Тема: Зеркала из нержавеющей стали для любительского "кассегрена" (Прочитано 6180 раз)

Владимеч · « : 22 Листопада 2016, 17:49:05 »

Настоящая статья была подготовлена автором «К печати» в 2007 году. Вышла «В свет» под названием «Нержавеющая сталь в качестве материала для зеркал любительского телескопа Кассегрена» на страницах Астронета в марте 2012-го.
Журнал для любителей астрономии «Небосвод» опубликовал статью под тем же названием в мае 2012 года (5-й номер)
      На форуме Астрополиса 13 июня 2016 года в лаконичном сообщении автор поделился опытом изготовления астрономических зеркал из металла.
      Сегодня предлагаемая форумчанам статья заново отредактирована и дополнена расчетами, чертежами, рисунками, фотографиями.



Черновол Владимир Анатольевич

ЗЕРКАЛА
ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ

ДЛЯ ЛЮБИТЕЛЬСКОГО
ТЕЛЕСКОПА КАССЕГРЕНА

Опыт изготовления

Одесса
2007-2016

ПАМЯТИ ОТЦА
- УЧИТЕЛЯ И ТОВАРИЩА -

ЧЕРНОВОЛА
АНАТОЛИЯ ИВАНОВИЧА

Владимеч

Владимеч

Feci, quod potui, faciant, meliora potentes.
Сделал, что мог, и пусть, кто может, сделает лучше.

Любители телескопостроения в качестве материала для своих зеркал в настоящее время используют стекло. И это оправдано. Обработка стекла, оптические качества которого не играют никакой роли, сравнительно несложна, и оно хорошо принимает полировку. Металлическое покрытие, тускнеющее со временем, легко возобновляется. Вместе с тем, опрометчивым будет утверждение, что стекло, в случае небольших любительских телескопов, является лучшим материалом для астрономических зеркал.
Условия, предъявляемые к стеклу, сводятся к двум основным: стекло должно быть хорошо отожженным (не закаленным) и иметь достаточную толщину. Третье, желательное, его свойство - это возможно малый коэффициент теплового расширения. Дело в том, что при перепадах температуры воздуха температура внешних и внутренних слоев зеркала в силу низкой теплопроводности стекла выравнивается очень медленно. Образующиеся механические напряжения искажают не только его размеры и кривизну, но и форму, особенно его краевой части ("эффект края").
Иллюминаторное стекло (наиболее ходовой сорт стекла в любительском телескопостроении) сполна подвержено этой деформации. Достать же заготовку из специального оптического стекла для большинства любителей - непреодолимая трудность. Но если материал обладает достаточно большой теплопроводностью, то при изменении температуры окружающей среды размеры и кривизна зеркала будут меняться, но форма его поверхности останется прежней.
Такому типу материалов соответствуют металлы.
Автор не намерен злоупотреблять цифрами, но считает уместным привести тут некоторые, красноречивые.
Термостойкое стекло «пайрекс» имеет малый коэффициент температурного расширения. Если это свойство принять за 1, то зеркало из нержавеющей стали для астрономических целей выгоднее в 21 раз, а из алюминия – в 24 раза (4).
Очевидно, что стекло служит лишь опорой для тончайшего (0,5 - 2 мк) металлического покрытия, без которого оно, безупречно отполированное, отражает 4 - 5% падающего на него света. Раз так, то придав цельнометаллической опоре (например, из нержавеющей стали) зеркальную оптически точную поверхность, мы получаем двойной выигрыш, а именно: используем материал с большой теплопроводностью и избавляемся от необходимости нанесения металлического покрытия, требующего аппаратуры, недоступной для любителя при работе в домашних условиях.
Этот путь и избрал автор, вручную изготовивший зеркала для кассегреновского телескопа - главное, параболическое, диаметром 185 мм, и вторичное гиперболическое, 56-миллиметровое.
Главное зеркало телескопа Кассегрена определяет его действующее отверстие, вторичное преображает сходимость пучка света. Главное зеркало имеет центральное отверстие, сквозь которое вторичное зеркало направляет отраженные им лучи, идущие от главного зеркала, в фокальную плоскость системы.
Вторичное, негативное, зеркало, подобно линзе Барлоу, увеличивает фокусное расстояние главного зеркала в несколько раз (см. оптическую схему "кассегрена", рис.1).

SP

Желательно протестировать рядом два телескопа сходной апертуры и опт.схемы (нержавейка vs стекло) и сделать выводы.

Владимеч

Владимеч

1 - главное зеркало; f - фокусное расстояние главного зеркала; F – фокус системы, 2 - вторичное зеркало; s та s - сопряженные отрезки: s - расстояние от вершины гиперболического зеркала до фокальной плоскости главного зеркала, s - расстояние от вершины гиперболического зеркала до фокальной плоскости всей системы (эквивалентного фокуса); d – расстояние от вершины главного зеркала до эквивалентного фокусу (зависит от толщины зеркала и дна оправы и желательного выноса фокальной плоскости), Δ – расстояние между главным и вторичным зеркалами; 3 – светозащитная трубка; M N та M ′ N ′ - соответственно линейные размеры поля зрения в фокальной плоскости главного зеркала и эквивалентной системы.

Владимеч

Уважаемый SP, то, что я успел показать - только полработы...

Серега

для фото использовать формат JPG
для схем, чертежей, скриншотов, типа того что я приложил, лучше использовать PNG или GIF

Владимеч

Серега, благодарен за помощь. Пробую...

Naboka Igor

.

Скрытый текст

http://www.astronomy.ru/forum/index.php/topic,8159.0.html

Владимеч

При расчете системы Кассегрена исходят из размера главного зеркала D (в нашем случае – 185 мм), его фокусного расстояния и относительного отверстия, соответственно 925 мм и 1/5. Радиус кривизны главного зеркала R = 1850 мм (925x2).
Положение полюса вторичного зеркала на оптической оси (фактор положения) характеризует отношение: α = f / s. Рекомендуется выбирать от 3 до 5. В данном случае α – 4. Увеличение фокусного расстояния на вторичном зеркале (фактор увеличения) у нас равно: M = (s1/s) 3,65. Эквивалентное фокусное состояние системы = 3376 мм (3,65×925)
Диаметр отверстия в главном зеркале не должен превышать треть его диаметра, иначе дифракционное изображение звезды в телескопе будет искаженным (в нашем случае – 60 мм).
Диаметр вторичного зеркала определяется его положением на оптической оси. При использовании поля зрения 0,5º (в нашем случае) диаметр его согласно формуле:
d = D1 / a + y °/ 57,3 · f (1-1/ α) = 185/4 + 0,5/57,3 · f (1-1/4) = 56 мм.

Радиус кривизны вторичного зеркала, определенного по формуле Гаусса:
R = 2 · S · S1 / S1 – S = 2 · 231· 844/ 844 – 231 = 389928/613 = 636 мм

Фокусное расстояние вторичного зеркала = -318 мм; стрелка кривизны вторичного зеркала (измеряется в шлифовальнике):
х = 28² / 2r = 784 / 946 = 0,6 мм

S = 231 мм; Δ = 694 мм; d = 150 мм, S1 = 844 мм;

Владимеч

Обработка нержавеющей стали очень сложна. В специальной литературе подчеркивается, что неимоверная трудность получения оптически точной поверхности зеркал делает их изготовление из нержавеющей стали в домашних условиях, вручную, почти невозможным. Вот за это «почти» автор и ухватился.
Сама сложность задачи побудила его взяться за дело. При этом автору придавал духу обнадеживающий пример: его отец Черновол Анатолий Иванович, художник и любитель астрономии, в 1970-е годы на досуге изготовил два сферических зеркала 150 и 250 мм диаметром.
Литература, посвященная вопросам любительского телескопостроения, которую штудировал, с
которой "советовался" автор (см. библиографию), металл в качестве материала для астрономических зеркал не рассматривает. Причина в том, что "… металлы в настоящее время не используются в любительской практике" (3). Единственное переводное издание по рассматриваемой теме, которое автор имел на руках, представляет собой лаконичное наставление по изготовлению 75-миллиметрового сферического зеркала из дюралюминия. Нержавеющая сталь упоминается в нем лишь как повод сообщить о неком американском любителе, который делал из этого металла "прекрасные зеркала" (4).
Таким образом, автор в ходе работы не раз прибегал к опыту отца, к тому же многие вопросы решал самостоятельно, на практике отбирая наиболее целесообразные приемы воздействия на трудно подающийся обработке и часто "непослушный" материал.
Традиционная технология изготовления астрономического зеркала заключается во взаимном притире двух дисков, поперечники которых равны. Получение вогнутого и выпуклого зеркал для кассегреновского телескопа основано на простом принципе. Суть его в следующем. При смещении одного диска относительного другого давление (от веса зеркала и нажима рук работающего) распределяется неравномерно: на нижнем диске оно возрастает по направлению к краю, на верхнем - усиливается в центре. Поверхности притираемых дисков приобретают кривизну: нижний диск постепенно становится выпуклым, верхний - вогнутым. Форма же углубления зависит от характера движений верхнего диска по нижнему. Достижение правильного сферического углубления возможно при соблюдении определенных условий. Это, во-первых, поворачивание одного диска вокруг другого и, во-вторых, вынос верхнего диска с нижнего не должен превышать треть его радиуса при движении (называемом на техническом языке штрихом) в каждую сторону. Однако, эта, "классическая", технология, вполне пригодная при обработке вручную стекла, применительно к нержавеющей стали на начальном этапе из-за мизерной производительности - сущее разбазаривание труда и времени. Решение проблемы - в предварительном придании заготовкам грубой, приблизительной формы способом, речь о котором впереди.
Процесс изготовления металлического зеркала для любительского телескопа делится на ряд этапов: черновая обработка заготовок, грубое шлифование, тонкое шлифование, полирование и фигуризация.
А теперь к делу.
Из листовой нержавеющей стали случайного происхождения в результате применения газосварочной горелки и задействования металлорежущих станков вышли два диска-близнеца диаметром 185 мм и 15 мм толщиной. На лицевой и задней сторонах одного из них, предназначенного для будущего главного зеркала, были проточены кольцевые канавки с двухмиллиметровой перемычкой между ними для центрального отверстия, через которое отраженный вторичным зеркалом свет попадает в окуляр. На другом диске, который готовился в качестве инструмента для обработки, были профрезерованы канавки в двух взаимноперпендикулярных направлениях, разбивающие поверхность на квадраты со стороной в 30 мм. Назначение канавок обеспечит легкое, равномерное распределение абразива на шлифовальнтке во время работы; компоновка их – ассиметрична по отношению к центру (рис.2)

Владимеч

Рис. 2

Саша Наумов

Цитата: Naboka Igor від 23 Листопада 2016, 01:12:05

.
Скрытый текст
http://www.astronomy.ru/forum/index.php/topic,8159.0.html

Простите если оффтоп.
Вот как раз обсуждение, найденное по приведенной ссылке, помогло понять многое.
Поэтому, я горячо поддерживаю следующее

Цитата: SP від 22 Листопада 2016, 18:52:27

Желательно протестировать рядом два телескопа сходной апертуры и опт.схемы (нержавейка vs стекло) и сделать выводы.

Владимеч

Подготовленные таким образом диски предстояло обработать начерно: придать поверхности будущего зеркала вогнутую форму, будущего шлифовальника - выпуклую.
Наиболее экономичной является обработка заготовок на токарном станке, которая придает поверхности ступенчатую форму, причем огибающая ступеньки представляет собой сферу нужной кривизны (Рис.3).

Владимеч

Такой возможности автор не имел.
В брошюре К.Л.Стонга рекомендуется для получения углубления в заготовке применить шабер (4). Это оправданно при работе с дюралюминием, но не приемлемо при обработке значительно более твердой нержавеющей стали.
Автор обратился к способу, предложенному в свое время его отцом: применение саблевидных напильников. В заводских условиях, в "термичке" круглые и полукруглые драчевые напильники отпускались, им придавалась изогнутая, саблевидная, форма, затем они подвергались повторной закалке. Шлифовальник, понятно, обрабатывается плоскими напильниками. (Рис. 4).

Владимеч

Рис. 4

Naboka Igor

Цитата: Владимеч від 24 Листопада 2016, 20:15:28

В заводских условиях, в "термичке" круглые и полукруглые драчевые напильники отпускались, им придавалась изогнутая, саблевидная, форма, затем они подвергались повторной закалке. Шлифовальник, понятно, обрабатывается плоскими напильниками.

Может лучше все-же из стекла! $:-\$ Как-то напомнило "Как закалялась сталь". В чем смысл?
Я видел металлические параболические зеркала сделанные в ИСМ Киев, на чпу без напильников, не требующие полировки.

Владимеч

Два шаблона, рассчитанной кривизны (вогнутый и выпуклый) изготовленные из тонкого листового дюралюминия позволяли контролировать правильность выпуклости одного диска и величину шарообразного углубления в другом - стрелку кривизны, которая, как помним, равняется 2,3 мм.
Шаблоны автор изготовил с помощью импровизированного циркуля - рейки с винтом на одном конце и резцом - на другом. Винтом рейку прикрепляют к полу, резец вставляют в отверстие, расположенное на расстоянии радиуса кривизны зеркала (1850 мм) от винта. Дюралевую пластинку 150х190 мм, закрепляют на полу и глубоко надрезают посередине. Затем, сгибая пластинку по надрезу, разламывают ее и зачищают края от заусенцев.
Обработка заготовок напильниками, в результате которой они приобрели кривизну, соответствующую шаблонам, растянулась на два месяца ( по 10 - 12 часов в неделю).
Второй этап - это грубая шлифовка, притирание дисков с абразивом между ними до тех пор, пока они не пришлифуются друг к другу, а следы оставленные напильниками, полностью не исчезнут.
В качестве шлифующих материалов используют природные и искусственные абразивы (указаны с учетом возрастания их плотности и твердости): наждак, электрокорунд, карборунд, карбид бора. Для грубого шлифования применяют шлифзерно. Его автор получил, разбивая отработанные абразивные круги на куски, которые растолок и затем просеял сквозь мелкое сито.
Работа велась на поворотном столике в прямоугольном ящике из оцинкованного железа с невысокими бортиками, прилаженном к прочной табуретке. Ее устойчивость обеспечивал «двойник» (двухпудовая гиря, которая в свободное от тренировок время подвешивалась к ней на металлическом стержне). Поворотный столик – это фанерный круг 25-миллиметровой толщины и поперечником, немного большим поперечника дисков, предназначенных для обработки на нем, который, благодаря запрессованной в его центре латунной втулке, имеет возможность вращаться вокруг металлической же оси, вмонтированной в днище ящика. Нижний диск во время обработки опирается на три равноудаленные точки (кожаные кружки), лежащие на кругу, диаметр которого на 15 мм меньший диаметра дисков, и удерживается на поворотном столике четырьмя шурупами, пропущенными сквозь резиновые пробки. Для обеспечения водостойкости, столик пропитан горячей олифой и покрыт масляной краской.
Шлифование производилось в положении "зеркало сверху" с соблюдением условий, о которых уже шла речь: при чередовании штрихов с поворачиванием зеркала относительно шлифовальника.
Порядок работы был следующий. Шлифовальник, закрепленный на поворотном столике, посыпался грубым абразивом (электрокорундом) и смачивался водой. Зеркало накладывалось сверху. Сделав с большим давлением на зеркало два-три центральных штриха, автор левой рукой поворачивал столик на 20-30º против часовой стрелки, а правой - зеркало на 15-20º по часовой стрелке, затем снова с сильным нажимом рук движения от себя и себе и - очередной поворот. И так на всем протяжении шлифования. Два-три штриха совершалось за секунду. Измельченный абразив, смываемый в отдельную посуду, сменялся новыми порциями с обильным добавлением воды.
Стрелка кривизны измерялась вполне достаточным на этом этапе способом. В просвет между центром зеркала и краем металлической линейки, положенной ребром, укладывались стопкой половинки лезвий для бритвы толщиной 0,1 мм до тех пор, пока линейка не оказывалась плотно прижатой к лезвиям и краям зеркала. Количество лезвий указывало на величину стрелки кривизны. Когда их число достигло 20, а заготовки полностью пришлифовались друг к другу, шлифовальник был отложен в сторону. Его место занял винипластовый диск, того же, что и зеркало диаметра и толщиной 20 мм.
Здесь необходима оговорка. Существует много способов изготовления шлифовальников для тонкого шлифования. Например, наклеить на цементную отливку соответствующего зеркалу поперечника квадратики из оргстекла или винипласта; нанести на металлический или пластмассовый диск, тех же, что и зеркало, диаметра и толщины слой эпоксидной смолы, по которому, после его затвердения, и вести шлифование.
Автор с оглядкой на то, что металлический шлифовальник - основа будущего полировочного притира, а к тонкому шлифованию иногда приходиться возвращаться и в ходе полирования, изготовил диск диаметром 185 мм и толщиной 20 мм из цельного листа винипласта (рис.5).

Владимеч

Рис.5

Новини:

Автор Тема: Зеркала из нержавеющей стали для любительского "кассегрена" (Прочитано 6180 раз)