МОО АГО - Глава 4

Фрагмент книги Александра Громова "Человек с телескопом"

Глава 4. Полировка

«Как? Вы сами шлифуете астрономическую оптику?» – удивляются знакомые и малознакомые люди, ничуть не понимая, что шлифовка, в том числе тонкая, – дело относительно простое, хоть и кропотливое. Во всяком случае, этот процесс вполне понятен на логическом уровне и не содержит в себе никакой мистики. Однако оптически точную форму зеркало приобретает после полировки, точнее, после финальной и самой сложной ее части – фигуризации.

Тут «мистика» порой присутствует – в том смысле, что иногда трудно сразу понять, почему полировальная смола ведет себя так, а не иначе. Приходится думать, отсекая одну неверную гипотезу за другой. Четкие инструкции а-ля «вставьте деталь А в отверстие Б» тут не проходят: слишком уж много факторов влияют на процесс.

Почему для полировки употребляется смола, а не фетр, и полирит, а не паста ГОИ или порошкообразная окись хрома? Да просто потому, что мы с вами собираемся полировать не какую-нибудь очковую линзу, а зеркало настоящего, пусть и некрупного, телескопа. Требования к точности и чистоте поверхности тут совершенно другие.

Надо признать, что изготовление смоляного полировальника – не самая простая и не самая приятная операция для того, кто занимается этим впервые. Опять-таки вам будет проще, если у вас имеется металлический шлифовальник, который послужит основанием для полировальника (рис. 22). Металлическое основание для полировальника можно подогреть на электроплитке, чего не стоит делать с цементным основанием. Да и сбить смолу с металлического основания полировальника в случае, если придется возвращаться к тонкой шлифовке, очень легко. Чего опять-таки не скажешь о полировальнике на цементном основании, удалить смолу с которого можно лишь в нагретом до размягчения состоянии деревянной рейкой или лопаточкой.

Рис. 22. Аккуратно изготовленный полировальник на основе ступенчатого шлифовальника

Но предположим для начала, что ваше основание полировальника – цементное. Кстати, совет Л.Л. Сикорука отлить сразу два цементных основания (если уж вы выбрали этот путь) – одно для шлифовальника, другое для полировальника – отнюдь не лишен смысла и может сэкономить вам немало времени и сил. При наличии отдельного основания для полировальника вам не придется при вынужденном возврате к тонкой шлифовке снимать с него смолу, а после исправления шлифовкой дефектов зеркала вновь изготавливать полировальник.

Может возникнуть законный вопрос: нельзя ли в качестве основания для полировальника взять не выпуклую, а плоскую поверхность? Нет, нельзя. Дело в том, что при сравнительно небольших давлениях на полировальник (а мы и не будем давить на него весом слона) скорость полировки зависит от толщины смолы примерно логарифмически, и слой смолы толщиной 5 мм будет полировать раза в полтора быстрее, чем слой смолы толщиной 3 мм. (При толщине смоляного слоя 8 мм и более график выходит на «плато», где скорость полировки уже практически не зависит от толщины. Но столь толстый слой смолы любителями и не применяется – такой полировальник трудно изготовить.)

Проиллюстрирую это примером из личной практики. Как-то раз я полировал 180-мм зеркало на полировальнике, отлитом на большой плоской план-шайбе. Дело уверенно шло к получению сферической поверхности, осталось «уговорить» только край зеркала. И вдруг ни с того ни с сего в середине зеркала образовалась ямка, быстро превратившаяся в новую сферическую поверхность, примерно на 20 мм меньшим радиусом, чем предыдущая. Устранить яму подрезкой полировальника мне не удалось. Поскольку зеркало предназначалось для «ньютона» и точно выверенного радиуса его кривизны от меня никто не требовал, я решил: раз уж полировальнику «хочется» натереть сферу немного меньшего радиуса – пусть трет. Новая сфера распространилась почти до края зеркала, и тут история повторилась: полировальник начал «копать» в центре зеркала новую сферу еще меньшего радиуса. Причина этого безобразного явления крылась именно в плоском основании полировальника. Слой смолы в его центре оказался толще, чем по краям, в результате чего полировальник все время пытался активнее срабатывать стекло в центре зеркала. Уяснив суть дела, я нашел металлический шлифовальник примерно с тем же радиусом кривизны, что у зеркала, отлил на нем полировальник и благополучно довел фигуризацию до конца.

Банальная мораль: если вы хотите не просто поэкспериментировать, а скорее получить результат в виде готового зеркала, слушайте советы опытных людей. Незачем набивать себе шишки там, где их уже набили другие.

Итак, как лучше действовать?

Готовую смолу необходимо расплавить до консистенции не слишком густой сметаны, то есть сначала расплавить до жидкого вида (не допуская закипания!), время от времени помешивая деревянной палочкой, а потом дать смоле несколько остыть. Цементное основание – напротив, подогреть в горячей воде, причем подержать его там подольше, чтобы оно прогрелось по всей толщине. Вынуть из воды, вытереть насухо, положить на ровную горизонтальную поверхность и осторожно лить смолу на центр. Смола, естественно, будет понемногу растекаться к краям. Дождавшись, когда она почти достигнет краев, надо окунуть зеркало в теплую воду и начать формовку полировальника, двигая зеркалом по смоле во всех направлениях, понемногу вращая зеркало и давя руками на него сверху. Надо периодически окунать зеркало в теплую воду, а еще лучше в слабый мыльный раствор. Если смола растекается слишком быстро, значит, вы ее недостаточно остудили. Если смола липнет к зеркалу – то же самое. Если при формовке на поверхности смолы образуются круглые ямки, значит, вы перегрели основание, хотя с цементным «блином» это сделать трудно, или, может быть, смола еще слишком горяча. Подождите немного. Но если после некоторого времени формовки вы видите, что уже и основание начало остывать, а слой смолы еще не покрыл полностью верхнюю часть полировальника, это значит, что полировальник надо вновь подогреть в горячей воде и продолжать процесс до тех пор, пока смола не покроет всю рабочую часть полировальника до самых его краев и даже немного свесится с них. Процесс долгий, кропотливый, но надо потерпеть. Со временем вы сможете точно сказать, при какой консистенции смолы и температуре основания полировальника лучше всего начинать отливку и формовку, но вряд ли это произойдет при работе над вашим первым зеркалом...

Полировальник с цементным основанием можно подогреть и иначе – достаточно мощным феном. При таком методе греется в основном смола, а не основание. Убедившись в достаточном разогреве смоляного слоя (палец при легком нажатии должен оставлять на нем ямку) надо облить полировальник горячей водой (или окунуть его в горячую воду) и поскорее, пока смола не остыла, приступить к формовке. Этот метод обычно применяется не при изготовлении полировальника, а при формовке его после значительных (более суток) перерывов в работе.

(Забегу вперед: хранить полировальник во время оных перерывов следует, разумеется, в положении рабочей стороной вверх и позаботиться о защите смоляного слоя от пыли. В простейшем случае – просто накрыть полировальник газетой, предварительно дав ему высохнуть. При равенстве диаметров зеркала и полировальника и сроке хранения не более нескольких суток будет разумно воспользоваться советом М.С. Навашина: положить мокрый полировальник в какую-либо емкость (кастрюлю, таз) с водой и накрыть его зеркалом. Тогда отпадет необходимость в формовке полировальника перед началом следующего сеанса работы.)

Дав отформованному полировальнику остыть до комнатной температуры, надо сколоть свисающие потеки смолы. При скалывании прикладывают к смоле лезвие ножа, держа его под некоторым углом, и аккуратно ударяют по ножу молотком. Словом, все как в книге Навашина, только вместо стеклянного основания у нас цементное с эпоксидной обмазкой. Или металлическое, если вы прислушались к моим советам.

Каким именно способом проделывать канавки (обязательно асимметричные при равенстве диаметров полировальника и зеркала) – решайте сами. Я пробовал и выдавливать их фасетником, и проплавлять паяльником со специальной насадкой, свернутой из кусочка жести. Затрудняюсь однозначно сказать, какой способ лучше. Кропотливая работа требуется в обоих случаях.

Зато могу откровенно признаться: способ изготовления полировальника путем наклеивания на него смоляных квадратиков у меня с первой попытки не получился, а вторую попытку я не стал и предпринимать. Мне даже не удалось получить достаточное число квадратиков примерно равной толщины. Мастера-оптики подтверждают: этот способ вполне годный, но для владения им требуется определенный навык.

Мелкие – но только мелкие! – дефекты смоляного слоя (вскрывшиеся пузырьки, неровности краев смоляных квадратиков и др.), как правило, не критичны, но очень плохо, если та или иная значительная по площади часть полировальника не входит в контакт с зеркалом. Не нужно утешать себя: мол, смола пластична, поэтому по мере полировки «низины» смоляного слоя постепенно заплывут. Да, рано или поздно это случится, но к тому времени вы настолько испортите фигуру зеркала, что исправить ее будет стоить большого труда. Может быть, вам даже придется возвращаться на тонкую шлифовку. В смысле траты времени и сил гораздо выгоднее проявить терпение при изготовлении полировальника и сделать его как надо. Накрепко запомните: качественный полировальник – залог успеха.

Допустим, ваш полировальник формуется так медленно, что хоть плачь. «Физика» процесса понятна: «горы» смоляного слоя должны стечь в «долины», а это процесс небыстрый. Канавки помогут делу. Их можно прорезать (в данном случае лучше прорезать паяльником с насадкой, чем выдавить фасетником) еще до того, как слой смолы вступит в полный контакт с зеркалом. При наличии канавок процесс формовки полировальника идет быстрее. Правда, некоторые канавки в ходе формовки заплывут и их придется возобновить. Но тут уж ничего не поделаешь.

Итак, будем считать, что полировальник у вас есть и можно начинать полировку. Тут новички часто делают сразу несколько ошибок.

Во-первых, потратьте немножко времени на то, чтобы покрыть боковину зеркала каким-нибудь водостойким лаком. Существует специальный оптический лак, но годится и лак «Цапон». Смысл лакового покрытия в том, что боковина зеркала, как правило, шероховатая, и если в ее неровности внедрился полирит (а так и произойдет, можете быть уверены), то удалить его оттуда нет никакой возможности, кроме осторожной шлифовки боковины тряпочкой с мелким абразивом. При этом существует риск поцарапать зеркало. А оставлять на его боковине полирит нельзя, если только вы не намерены серебрить зеркало кустарным способом. Но в наше время почти все любители так или иначе находят возможность отдать зеркало на напыление отражающего слоя в вакуумной камере, а при близком к нулю атмосферном давлении и повышенной температуре будет «газить» почти что угодно! Вам могут просто отказать в алюминировании на том основании, что въевшийся в боковину зеркала полирит загрязнит-де стенки вакуумной камеры.

Не забудьте только по окончании фигуризации снять лак ватным тампоном, смоченным ацетоном.

Во-вторых, торопливость может сыграть с вами дурную шутку. Несомненно, вы стремитесь начать и кончить работу как можно скорее, чтобы полюбоваться результатом, но я вряд ли ошибусь, если выскажу догадку: рабочее место у вас то же самое, что и при шлифовке. На производстве участки шлифовки и полировки обязательно разнесены по разным помещениям, но любитель редко имеет такую возможность. А коли так, то не пожалейте усилий на тщательнейшую влажную уборку вашего рабочего места и прилегающего пространства. Вообще протирать рабочее место от пыли надо всякий раз перед началом работы. Для полировки обязательно возьмите новую кисточку и вымойте ее хорошенько – мало ли что. Расходная баночка с полиритом, разумеется, должна закрываться на все время, пока не идет работа. Когда в баночке заканчивается полирит, не нужно скрести кистью по дну – там могут оказаться случайно попавшие в полирит крупные твердые частицы. Всыпьте в баночку очередную порцию полирита, добавьте воды, размешайте кисточкой или чистой палочкой и дайте взвеси отстояться, на что потребуется несколько минут. После этого аккуратно берите полирит кисточкой сверху.

В-третьих, не нужно много полирита. Лишь в самом начале работы, когда полировальник еще имеет равномерный черный цвет, имеет смысл как следует смазать его рабочую поверхность водно-полиритовой суспензией. В дальнейшем лишь добавляйте на полировальник воды, но, конечно, не лейте ее, а подмазывайте кисточкой. Для воды нужна еще одна баночка – или пластиковый стаканчик, если вам так проще. Полирит следует добавлять не чаще, чем каждые 20-30 минут работы.

Смысл тут вот в чем. Процесс полировки радикально отличается от процесса шлифовки как физически, так и химически. Строго говоря, полировка стекла – физико-химический процесс. Но для нас имеет значение только физическая его составляющая.

При шлифовке зерна абразива катаются между зеркалом и шлифовальником, выкрашивая своими острыми углами кусочки стекла. Полировка на смоле – иной процесс, и дело не только в том, что зерна полирита мельче и мягче. Суть процесса полировки состоит в том, что зерна полирита внедряются в смолу и, торча из нее, как айсберги из воды, по сути строгают стекло. Выдавливаются за границы полировальника только излишки полирита. Зачем же тратить его без толку?

Как правило, начинающие любители, привыкнув к режиму тонкой шлифовки, делают ошибку, продолжая работать так же и на полировке, то есть подмазывают слишком много полирита. Это ведет ведет к излишнему его расходу, загрязнению рабочего места и быстрому перенасыщению полиритом рабочей поверхности полировальника.

Небольшие зеркала – совершенно правы Навашин и Сикорук – гораздо удобнее полировать, как и шлифовать, в положении «зеркало сверху». При верхнем положении зеркала мастеру гораздо легче получить сферическую поверхность. Описанные Д.А. Наумовым в книге «Изготовление оптики для любительских телескопов-рефлекторов и ее контроль» некоторые приемы работы в положении «зеркало снизу», как и сам этот метод, подходят для больших и тяжелых зеркал, когда полировальник может быть меньше зеркала диаметром и, конечно, легче его. Пока вы работаете с небольшим зеркалом (как минимум до 300 – 350 мм), это не ваш метод.

Замечу в скобках: опыт работы в МОО АГО показывает, что шлифовать меньшим, чем зеркало, шлифовальником, в положении «зеркало снизу» вполне можно, если применять эллиптический штрих, а вот полировать меньшим полировальником при том же положении зеркала не стоит: завал края практически неизбежен, борьба с ним (особенно при твердых сортах стекла) потребует больших затрат времени, а получить приличную сферическую поверхность весьма проблематично. Для выравнивания рельефа приходится дополнительно использовать еще меньшие полировальники, и все равно времени и сил уходит уйма. Для вашего первого (да и второго) зеркала такого рода эксперименты – непозволительная роскошь. Полируйте так, как советуют корифеи: полировальник снизу, зеркало сверху.

Не давайте полировальнику высохнуть, но и не смачивайте его чересчур щедро. В литературе иногда можно встретить такое указание: процесс полировки должен сопровождаться характерным звуком (писком). Ни в коем случае! Писк – верный признак сухого полировальника. Немедленно добавьте воды и проверьте, нет ли уже на зеркале царапин. А они очень даже могут возникнуть, коль скоро вы довели дело до писка! Полировка может иногда сопровождаться писком⁷ независимо от количества воды на полировальнике лишь на начальной стадии снятия мата с крупных зеркал, с которыми начинающему любителю не приходится иметь дело, если это умный любитель.

Другая крайность – полировка «на болоте», как это называется на профессиональном сленге. Иными словами – полировка при большом количестве воды. Тут опасность царапин сведена практически к нулю, зато и полировка идет медленно. Держитесь «золотой середины» между «писком» и «болотом» и поглядывайте на краевые участки полировальника, готовые высохнуть раньше центра. По изменению их блеска вы поймете, не пора ли уже добавить водички.

Как правило, достаточно добавлять воду (или полиритовую суспензию, если пришло время) не чаще, чем раз в две-три минуты.

Зеркало должно ходить по полировальнику с некоторым усилием. Если оно ходит слишком легко, это может означать, например, что зеркало имеет плавный бугор в центре. Спокойно продолжайте полировку, это пройдет по мере сполировывания бугра. Но может случиться и так, что зеркало ходит рывками, а то и «с дребезгом», то есть с мелкими нерегулярными вибрациями. Правда, чаще всего это случается не на этапе снятия мата, а при фигуризации зеркала малым полировальником, если неверно выбрано давление на него. На поверхности зеркала в этом случае получается нерегулярная рябь (рис. 23), ухудшающая его характеристики и называемая в просторечии «полировкой половой тряпкой». Такой казус порой случается и с «фирменными» телескопами, предназначенными для любителей.

Рис. 23. Некачественное зеркало с «рябой» поверхностью, следствие ошибок в выборе режима полировки

Думаю, вы легко избежите этой опасности, как и многих других, характерных для поточного производства. У вас ведь нет плана выпуска продукции, от которого зависит доходность предприятия! Вы можете остановить работу, чтобы спокойно осмыслить причину затруднений, и, полагаю, сделаете это.

Очень частый случай – заедание зеркала, что, вероятнее всего, указывает на яму в центре и заваленный край. Попробуйте на время перейти к полировке «на болоте». Если это не помогает, отформуйте полировальник смоченным в мыльной воде тюлем (или, лучше, сеткой от комаров), как завещали нам классики любительского телескопостроения. Я уверен, что у вас хватит сообразительности снять тюль с полировальника еще до полного остывания последнего, – иначе тюль, несмотря на мыло, может прилипнуть к полировальнику намертво и отдерется только вместе с доброй половиной микрофасеток, что заставит вас начать формовку заново.

Смысл формовки тюлем достаточно ясно изложен у классиков. При работе на отформованном таким образом полировальнике каждая микрофасетка работает самостоятельно, «не оглядываясь» на соседок, и каждая из них входит в контакт с зеркалом. В итоге фигура зеркала при полировке практически не меняется, но лишь до тех пор, пока микроканавки между микрофасетками не начнут заплывать. При завале края и яме в центре зеркала этот процесс начнется где-то на средней зоне полировальника. Микроканавки здесь довольно быстро заплывут, а значит, несколько увеличится площадь контакта зеркала со смолой. Соответственно, эта зона начнет полировать активнее, следствием чего явится уменьшение «валика» на средней зоне зеркала, а значит, и уменьшение относительной глубины центральной ямы и краевого завала.

Однако не увлекайтесь. Если мелкосетчатый рисунок на полировальнике уже заплыл почти на всей его площади, а зеркало все равно сильно заедает, можно отформовать полировальник тюлем еще раз, но не больше. Если не помогла и повторная формовка тюлем, это скорее всего означает, что вы умудрились нашлифовать огромную яму в центре зеркала и еще более заваленный край. В таком случае лучше вернуться на тонкую шлифовку.

Отдельный вопрос: стоит ли клеить на зеркало ручку? Отвечу так: ручка именно для удобства работы не нужна. Она полезна лишь для уменьшения передачи тепла рук на стекло и, соответственно, уменьшения его температурных деформаций на последних стадиях полировки и при фигуризации, и то если зеркало тонкое. Но в этом случае на него полезнее наклеить не ручку, а план-шайбу, примерно такую же, какая применяется при полировке зеркала на станке (см. книгу Л.Л. Сикорука). В простейшем случае это может быть нетонкий (5 – 10 мм толщиной) диск из стали, латуни или, еще лучше, дюралюминия. Его диаметр может равняться диаметру зеркала или быть немного меньше. Смысл план-шайбы состоит главным образом не в уменьшении вреда от тепла рук (хотя и в этом тоже), а в разгрузке зеркала на несколько (обычно 6 или 9) точек – такой же разгрузки, какая будет применена в вашем будущем телескопе. Даже если ваше зеркало достаточно толстое, чтобы разгрузить его в телескопе на 3 точки, не будет ничего плохого приклеить план-шайбу на 6 точек (рис. 24).

Рис. 24. Наклейка план-шайбы (несколько меньшего диаметра, чем хотелось бы) на 6 «точек» из оптического воска

Делается это так. Зеркало кладется рабочей стороной вниз на чистую материю или газету. Задняя сторона зеркала обезжиривается любой подходящей для этой цели жидкостью: ацетоном, уайт-спиритом, растворителем и т. п. Карандашом намечаются места шести «точек», равноудаленные друг от друга и отстоящие примерно на 0,85r от центра зеркала, где r = D/2. Для приклейки служит особый наклеечный воск или специальная наклеечная смола, но если их нет, то можно использовать и обычную смолу, ту самую, которую вы варили для полировальника. Смолу расплавляют. Затем окунают в нее деревянную палочку и капают с нее на карандашные метки. Накапав на каждую несколько капель, разогревают план-шайбу на электроплитке и накладывают на смоляные «точки». Если план-шайба слишком горяча, под нее подкладывают 3 спички, которые удаляют после того как план-шайба несколько остынет (ладонь будет терпеть ее тепло в течение нескольких секунд) и нагружают небольшим грузом. Будет нормально, если после остывания план-шайбы ваши смоляные точки «расползутся» не более чем до 15 мм в поперечнике, а зазор между план-шайбой и зеркалом составит 1 – 2 мм. Все время надо следить, чтобы центр план-шайбы совпадал с центром зеркала, иначе при полировке легко получить на зеркале астигматизм. В случае полировки на станке точность совпадения центров зеркала и план-шайбы должна быть не хуже 1 мм; в случае ручной полировки она может быть несколько – но не сильно – хуже. Если план-шайба меньше зеркала, полезно перед началом наклейки точно приложить ее к зеркалу и обвести карандашом или фломастером. Щель между зеркалом и план-шайбой надо аккуратно замазать пластилином – наклеечный воск боится воды, но даже если вы используете смолу, все равно нечего воде там гулять. Вы ведь будете периодически мыть зеркало, и вода обязательно затечет куда не надо, если ей не помешать.

Чтобы приклеенная план-шайба не мешала читать теневые картины, полезно до ее наклейки зачернить тыльную сторону зеркала, скажем, черной матовой краской из баллончика – той самой краской, которой вы впоследствии будете чернить изнутри трубу телескопа.

По окончании работы над зеркалом план-шайбу удаляют. Делается это так: по возможности соскребите пластилин, поставьте зеркало ребром себе на колени, приставьте к боковине план-шайбы деревянный брусок и резко стукните по нему молотком. План-шайба отвалится. Удалите остатки пластилина и смолы (или воска). Смойте растворителем краску, если она есть.

Забавно, но вовсе не нужно сушить зеркало на ребре перед каждым сеансом теневых испытаний и уничтожать отдельные капли уголком промокательной бумаги. Достаточно одним решительным движением стереть воду с рабочей стороны зеркала кожей предплечья. Мастера так и поступают с небольшими зеркалами. Конечно, на зеркало попадет немножко жира с кожи, но теневым испытаниям он не сильно помешает. Воду с боковины и тыльной стороны зеркала можно стереть и чистой тряпочкой.

Трудно ожидать, что ваше первое зеркало окажется близким к сфере после тонкой шлифовки. Чаще всего оно имеет заваленный край и яму в центре, причем глубина завала края больше глубины центральной ямы. Этого может не быть лишь в двух случаях: а) если вы послушались советов корифеев и на тонкой шлифовке применяли укороченный штрих, не забывая следить за плавностью движений; б) если вы использовали качественно сделанный шлифовальник большего, чем зеркало, размера. Но если вы перестарались и вместо завала края получили подвернутый край, не печальтесь, а радуйтесь. И примите мои поздравления. Исправить подвернутый край на полировке очень легко, а вот завал края исправляется долго и мучительно.

Уже спустя полчаса полировки вы приблизительно поймете, какую фигуру зеркала вы нашлифовали. Если край зеркала заблестел раньше, чем другие зоны, это хорошо – значит, у вас подвернутый край. Но гораздо чаще мат сходит первым делом с некоторой средней зоны, что однозначно указывает на заваленный край и яму в центре.

По мере продолжения полировки блестящая зона понемногу расширяется и спустя несколько часов работы может уже дойти до центра, но матовое кольцо на краю зеркала держится очень упорно и сужается настолько медленно, что способно довести начинающего телескопостроителя до зубовного скрежета. Оно и понятно: чтобы устранить завал края, надо «понизить» всю поверхность зеркала.

Глава 4 (продолжение)

Глава 4