Le brevet principal a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce optique allégée en un matériau de trés grande dureté comportant. d'une part, au moins une face optique réfléchissante et, d'autre part. des évidements d'allégement sous-jacents à cette face optique, ce procédé comportant les opérations suivantes: a) le façonnage de la face optique sur une ébauche compacte, non
allégée, par usinage et polissage mécanique, b) L'usinage par ultra-sons d'alvéoles sousjacents à la face
optique dans au moins une des faces restantes de l'ébauche, en
vue de l'allégement de l'ébauche ainsi façonnée, et c) le dépôt d'une couche optique sur la face façonnée.
Le brevet principal a également pour objet la piéce optique monobloc allégée obtenue par ce procédé, comportant d'une part.
au moins une face optique réfléchissante et, d'autre part, des évidements d'allégement sous-jacents à ladite face optique et délimitant un réseau de nervures de renforcement sous-tendant une toile qui porte ladite face optique.
La présente invention a pour objet une pièce optique monobloc allégée telle que définie ci-dessus, caractérisée en ce que son taux d'allégement est de 40% environ à 80% environ.
Il est utile qu'elle comprenne en outre des dégagements d'allégement constituant avec lesdits évidements ledit réseau de nervures de renforcement.
Par dégagement , on entend un passage, c'est-à-dire un alvéole ou un trou traversant de part en part la pièce optique, et par évidement , on entend un creusement, c'est-à-dire un alvéole ou un trou qui ne traverse pas la pièce optique.
D'une façon pratique, un dégagement ne peut être que parallèle à la face optique, tandis qu'un évidement peut être parallèle ou perpendiculaire.
Il est aussi utile que l'épaisseur de la toile sous-tendue par le réseau alvéolaire soit de 0,5 mm environ à 2,5 mm environ.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples:
La fig. I est une vue en perspective d'une ébauche à partir de laquelle est réalisée une pièce optique;
la fig. 2 est une vue en élévation de l'ébauche montée sur une semelle en vue du façonnage de la face optique;
la fig. 3 est une vue en coupe élévation de l'ébauche façonnée montée sur une semelle en vue de l'usinage des alvéoles d'allégement par ultra-sons;
la fig. 4 est une vue de dessous de la pièce optique terminée montrant le réseau de nervures de renforcement et les alvéoles d'allégement;
la fig. 5 est une vue en perspective d'une variante de la pièce optique de la fig. 4;
la fig. 6 est une vue en perspective d'une autre variante de la pièce optique de la fig. 4;
la fig. 7 est une vue en élévation d'une forme d'exécution particulière du dispositif pour l'usinage par ultra-sons de l'ébauche.
la fig. 8 est une vue en coupe-élévation latérale de ce dispositif d'usinage; et
la fig. 9 est une vue en élévation d'un outil ou sonotrode.
A la fig. I du dessin est représentée une ébauche monobloc 1, de forme octogonale, comportant deux faces planes parallèles la,
lb, par exemple taillée dans un bloc de verre recuit.
Cette ébauche est montée sur une semelle 2 (fig. 2) à l'aide d'une colle d'opticien, la face lb appliquée directement contre la semelle. On façonne la face la au polissoir, à l'oxyde de cérium, jusqu'à l'obtention d'une face optique à haut pouvoir de réflexion.
On retourne ensuite l'ébauche et on la fixe sur la semelle à l'aide d'une colle d'opticien, la face polie la appliquée directement contre ladite semelle (fig. 3).
On usine par ultra-sons des alvéoles 3 de section hexagonale dans la face lb, jusqu'à une distance d'un millimètre de la face polie la. Ces alvéoles délimitent un réseau très fin de nervures de renforcement 4 sous-tendant une toile 5 d'épaisseur réduite (1 mm) qui porte la face optique la. Après dépôt d'une couche optique sur cette face la par évaporation de l'aluminium sous vide (10-6 mm de mercure) et à haute température, on obtient un miroir allégé à une face réfléchissante. Le procédé d'usinage par ultra-sons sera décrit en détail ci-après.
Selon une première variante, représentée à la fig. 5, L'ébauche est façonnée sur ses deux faces planes parallèles la, lb pour l'exécution de deux faces optiques à haut pouvoir de réflexion.
On procède ensuite à l'allégement de la pièce façonnée. par usinage par ultra-sons d'alvéoles oblongs 3' dans quatre faces latérales lc, Id, le, lb de ladite pièce.
Après dépôt d'une couche optique sur chacune des faces la, lb on obtient un miroir allégé à deux faces réfléchissantes.
Selon une seconde variante représentée à la fig. 6, L'ébauche a la forme d'un prisme à section triangulaire. Elle est, d'une part, façonnée sur ses trois faces latérales 6a. 6b, 6c pour l'exécution de trois faces optiques à haut pouvoir de réflexion et, d'autre part, allégée par usinage par ultra-sons d'alvéoles 7 (dont seulement deux sont représentés sur le dessin pour ne pas surcharger ce dernier) dans les bases 6d et 6e du prisme.
Chacune des faces 6a, 6b. 6c peut recevoir un traitement optique différent. Par exemple, la face 6a est traitée pour une réflexion maximale dans le jaune (A= 550 mu). la face 6b est traitée pour rinfrarouge (A= 1060 mu), et la face 6c est traitée pour rultraviolet (A=380 mu).
Pour l'usinage par ultra-sons des pièces optiques allégées. on utilise un dispositif représenté aux fig. 7 et 8 du dessin.
Un tel dispositif comporte un générateur d'ultra-sons à magnétostriction dont le magnétostricteur 9 transforme le courant alternatif à la fréquence de 20000 Hertz environ, amené par un conducteur 8, en vibrations acoustiques, lesquelles sont amplifiées par un cône amplificateur 10, puis transmises à l'outil ou sonotrode 11, lequel transforme les vibrations acoustiques en vibrations mécaniques (se traduisant par des vibrations longitudinales de l'outil). L'outil représenté à la fig. 9 est une broche en titane terminée par une portion rétreinte 1 la dont l'extrémité 1 lb a une section hexagonale correspondant à celle de l'alvéole à usiner.
L'outil a une longueur totale de 120 mm et la portion rétreinte 60 mm.
Cette portion rétreinte permet d'amplifier les vibrations transmises à l'outil par le cône 10. L'outil présente, en outre, un embout fileté 1 tic pour le montage dans ledit cône.
Bien entendu, le tête de l'outil peut avoir une section quelconque, par exemple circulaire, elliptique, carrée, rectangulaire, etc.
L'ensemble mobile (magnétostricteur-cône amplificateur et sonotrode) est porté par un support 12, lequel est, d'une part, monté coulissant dans une glissière micrométrique 13 et, d'autre part, assujetti à un contrepoids 14, relié audit support par un fil 15 enroulé autour d'une poulie 16. Le déplacement de ce support est réglé par un levier de commande 17 solidarisé à l'axe de la poulie 16, et sur lequel est bloqué de façon amovible un poids 18 servant au réglage de la pression d'usinage.
Sur la table de travail 19 est disposé un bac 20 équipé, d'une part, de brides 21 de montage et de centrage de la pièce à usiner, d'autre part de buses 22 d'amenée d'une suspension de grains abrasifs ayant la composition suivante:
Composants Parties en poids
Carbure de bore (abrasif) (de taille
passant au tamis de 320 mailles) 20-25
Eau 100
Alcool 30
Agent mouillant (Teepol) 3
Les buses 22 sont reliées à un réservoir de suspension d'abrasif et alimentées par une pompe à palette (non représentée sur le dessin).
Lors de l'usinage, L'ébauche façonnée, montée sur semelle, étant centrée sous l'outil 11, et la pression d'usinage étant réglée, on fait arriver la suspension de grains d'abrasif par les buses 22 entre l'ébauche et l'outil et on met le générateur d'ultra-sons en marche.
L'outil vibré n'est pas directement en contact avec la pièce à usiner mais il projette des grains d'abrasif contre la face de l'ébauche à usiner et formé ainsi un alvéole ayant la même section que celle de la tête dudit outil.
Dès que l'alvéole est exécuté, on remonte l'ensemble mobile, on déplace l'ébauche et on procède à l'usinage d'un autre alvéole.
Les pièces optiques ainsi fabriquées comportent, d'une part, une série d'alvéoles et de nervures donnant à la fois une rigidité très élevée et une masse minimale et, d'autre part, une ou plusieurs faces optiques à très hautes qualités géométriques et microgéométriques.
Ces pièces optiques sont de des pièces monoblocs; leur fabrication ne nécessite pas d'assemblage ou de collage d'éléments, ce qui exclut les tensions et les contraintes dues à l'asservissement des éléments entre eux.
Elles présentent un allégement de l'ordre de 40% à 80%, qui est nettement plus important que l'allégement obtenu dans le cas de la réalisation classique de pièces optiques par assemblage ou moulage. L'alimentation des moules exige des épaisseurs au moins égales à 8 mm, ce qui ne permet pas de dépasser un allégement de 20% environ.
Le réseau d'alvéoles apporte une rigidité supérieure à celle des nervures habituelles. En ce qui concerne l'épaisseur de la toile qui porte la face optique, il est à noter qu'avec les procédés classiques de fabrication il est très difficile d'obtenir des épaisseurs inférieures à 6 mm, alors que l'épaisseur des toiles des pièces selon l'invention peut être facilement réduite à 2 mm et même à 0,5 mm.
Il est important de noter que les pièces optiques selon l'invention peuvent présenter plusieurs faces optiques. Dans ce cas, les procédés classiques ne permettent pas d'obtenir des évidements importants.
Nous précisons que les tolérances de calibrage des faces optiques ( 1/2 à 5 franges circulaires) obtenues dans des pièces de faibles dimensions (par exemple 90 x 50 x 10 mm) ou de grandes dimensions (par exemple 600 x 400 x 100 mm) ne sont réalisables que grâce à la possibilité d'usiner les évidements ou les alvéoles après le façonnage des faces optiques. En effet, le procédé d'alvéolage n'utilisant pas l'usinage mécanique classique (comme le fraisage), aucune tension ou contrainte n'est apportée auxdites faces optiques.
Par la possibilité d'obtention de pièces optiques très allégées avec une tolérance de calibrage des faces optiques de
V2 à 5 franges circulaires on entend la possibilité d'existence de pièces optiques très allégées (jusqu'à 80%) ayant une précision microgéométrique très élevée, une frange, mesurée par interféromètre à mercure classique ou à laser, correspondant à environ V4 de micron optique.
Les symétries du réseau alvéolaire sont une caractéristique avantageuse par rapport aux pièces moulées qui n'en comportent pas.
Enfin, on peut noter que les maquettes pour la réalisation des pièces optiques selon l'invention sont prélevées dans des produits courants: aucun outillage spécial n'est nécessaire, et il en résulte un prix de fabrication plus faible et surtout un délai de fabrication plus court puisque le délai d'approvisionnement est nul.
The main patent relates to a process for manufacturing a lightened optical part in a material of very great hardness comprising. on the one hand, at least one reflecting optical face and, on the other hand. lightening recesses underlying this optical face, this method comprising the following operations: a) shaping the optical face on a compact blank, not
lightened, by machining and mechanical polishing, b) Ultrasonic machining of cells underlying the face
optically in at least one of the remaining faces of the blank, in
view of the lightening of the thus shaped blank, and c) the deposition of an optical layer on the shaped face.
The main patent also relates to the lightweight monobloc optical part obtained by this process, comprising on the one hand.
at least one reflecting optical face and, on the other hand, lightening recesses underlying said optical face and delimiting a network of reinforcing ribs underlying a fabric which carries said optical face.
The present invention relates to a lightened monobloc optical part as defined above, characterized in that its degree of lightening is from about 40% to about 80%.
It is useful that it further comprises relief clearances constituting, with said recesses, said network of reinforcing ribs.
By clearance, we mean a passage, that is to say a cell or a hole passing right through the optical part, and by recess, we mean a hollow, that is to say a cell or a hole that does not pass through the optical part.
In a practical way, a clearance can only be parallel to the optical face, while a recess can be parallel or perpendicular.
It is also useful that the thickness of the fabric subtended by the cellular network is from about 0.5 mm to about 2.5 mm.
In the accompanying drawings, given by way of example:
Fig. I is a perspective view of a blank from which an optical part is produced;
fig. 2 is an elevational view of the blank mounted on a sole for the purpose of shaping the optical face;
fig. 3 is an elevational sectional view of the shaped blank mounted on a sole for the purpose of machining the lightening cells by ultrasound;
fig. 4 is a bottom view of the finished optical part showing the network of reinforcing ribs and the lightening cells;
fig. 5 is a perspective view of a variant of the optical part of FIG. 4;
fig. 6 is a perspective view of another variant of the optical part of FIG. 4;
fig. 7 is an elevational view of a particular embodiment of the device for the ultrasonic machining of the blank.
fig. 8 is a side sectional elevation view of this machining device; and
fig. 9 is an elevational view of a tool or sonotrode.
In fig. I of the drawing is shown a one-piece blank 1, octagonal in shape, comprising two parallel plane faces 1a,
lb, for example cut from a block of annealed glass.
This blank is mounted on a sole 2 (FIG. 2) using an optician's glue, the face lb applied directly against the sole. The face 1a is shaped with a polisher, with cerium oxide, until an optical face with high reflection power is obtained.
The blank is then turned over and fixed to the sole using an optician's glue, the polished face applied directly against said sole (fig. 3).
Cells 3 of hexagonal section are machined by ultrasound in the face 1b, up to a distance of one millimeter from the polished face 1a. These cells define a very fine network of reinforcing ribs 4 underlying a web 5 of reduced thickness (1 mm) which carries the optical face 1a. After depositing an optical layer on this face 1a by evaporation of the aluminum under vacuum (10-6 mm of mercury) and at high temperature, a lightened mirror is obtained with a reflecting face. The ultrasonic machining process will be described in detail below.
According to a first variant, shown in FIG. 5, The blank is shaped on its two parallel flat faces la, lb for the production of two optical faces with high reflectivity.
The workpiece is then lightened. by ultrasonic machining of oblong cells 3 'in four side faces lc, Id, le, lb of said part.
After depositing an optical layer on each of the faces 1a, 1b, a lightened mirror with two reflecting faces is obtained.
According to a second variant shown in FIG. 6, The blank has the shape of a prism with a triangular section. It is, on the one hand, shaped on its three lateral faces 6a. 6b, 6c for the production of three optical faces with high reflection power and, on the other hand, lightened by ultrasonic machining of cells 7 (only two of which are shown in the drawing so as not to overload the latter) in bases 6d and 6e of the prism.
Each of the faces 6a, 6b. 6c may receive different optical treatment. For example, face 6a is treated for maximum reflection in the yellow (A = 550 mu). face 6b is treated for infrared (A = 1060 mu), and face 6c is treated for ultraviolet (A = 380 mu).
For ultrasonic machining of lightweight optical parts. a device shown in FIGS. 7 and 8 of the drawing.
Such a device comprises a magnetostriction ultrasound generator whose magnetostrictor 9 transforms the alternating current at a frequency of approximately 20,000 Hertz, supplied by a conductor 8, into acoustic vibrations, which are amplified by an amplifying cone 10, then transmitted. to the tool or sonotrode 11, which transforms the acoustic vibrations into mechanical vibrations (resulting in longitudinal vibrations of the tool). The tool shown in fig. 9 is a titanium spindle terminated by a constricted portion 1 la, the end of which 1 lb has a hexagonal section corresponding to that of the cell to be machined.
The tool has a total length of 120 mm and the necked portion 60 mm.
This constricted portion makes it possible to amplify the vibrations transmitted to the tool by the cone 10. The tool also has a threaded tip 1 tic for mounting in said cone.
Of course, the head of the tool can have any section, for example circular, elliptical, square, rectangular, etc.
The mobile assembly (magnetostrictor-amplifier cone and sonotrode) is carried by a support 12, which is, on the one hand, mounted to slide in a micrometric slide 13 and, on the other hand, secured to a counterweight 14, connected to said support by a wire 15 wound around a pulley 16. The movement of this support is regulated by a control lever 17 secured to the axis of the pulley 16, and on which is removably locked a weight 18 serving for the adjustment of machining pressure.
On the work table 19 is placed a tank 20 equipped, on the one hand, with flanges 21 for mounting and centering the workpiece, on the other hand with nozzles 22 for supplying a suspension of abrasive grains having the following composition:
Components Parts by weight
Boron carbide (abrasive) (size
passing through a 320 mesh sieve) 20-25
Water 100
Alcohol 30
Wetting agent (Teepol) 3
The nozzles 22 are connected to an abrasive slurry tank and supplied by a vane pump (not shown in the drawing).
During machining, the shaped blank, mounted on a flange, being centered under the tool 11, and the machining pressure being adjusted, the suspension of abrasive grains is made to arrive through the nozzles 22 between the blank and the tool and we turn on the ultrasound generator.
The vibrated tool is not directly in contact with the workpiece but it projects grains of abrasive against the face of the blank to be machined and thus forms a cell having the same section as that of the head of said tool.
As soon as the cell is executed, the movable assembly is reassembled, the blank is moved and another cell is machined.
The optical parts thus manufactured comprise, on the one hand, a series of cells and ribs giving both a very high rigidity and a minimum mass and, on the other hand, one or more optical faces with very high geometric qualities and microgeometric.
These optical parts are monobloc parts; their manufacture does not require assembly or gluing of elements, which excludes the tensions and stresses due to the interlocking of the elements between them.
They present a reduction in the order of 40% to 80%, which is clearly greater than the reduction obtained in the case of the conventional production of optical parts by assembly or molding. The feeding of the molds requires thicknesses at least equal to 8 mm, which does not allow a reduction of about 20% to be exceeded.
The network of cells provides greater rigidity than that of the usual ribs. With regard to the thickness of the fabric which carries the optical face, it should be noted that with conventional manufacturing processes it is very difficult to obtain thicknesses less than 6 mm, while the thickness of the fabrics of parts according to the invention can be easily reduced to 2 mm and even to 0.5 mm.
It is important to note that the optical parts according to the invention can have several optical faces. In this case, the conventional methods do not make it possible to obtain large recesses.
We specify that the calibration tolerances of the optical faces (1/2 to 5 circular fringes) obtained in parts of small dimensions (for example 90 x 50 x 10 mm) or of large dimensions (for example 600 x 400 x 100 mm) are only possible thanks to the possibility of machining the recesses or the cells after the shaping of the optical faces. In fact, since the honeycombing process does not use conventional mechanical machining (such as milling), no tension or stress is applied to said optical faces.
By the possibility of obtaining very light optical parts with a calibration tolerance of the optical faces of
V2 with 5 circular fringes means the possibility of existence of very light optical parts (up to 80%) having a very high microgeometric precision, a fringe, measured by conventional mercury or laser interferometer, corresponding to approximately V4 of a micron optical.
The symmetries of the cellular network are an advantageous characteristic compared to the molded parts which do not include them.
Finally, it can be noted that the models for producing the optical parts according to the invention are taken from common products: no special tools are necessary, and this results in a lower manufacturing price and above all a longer manufacturing time. short since the lead time is zero.