§ 10. ШЛИФОВКА

Получив нужное нам углубление, мы должны сгладить матовость на поверхности зеркала. Это делается с помощью более тонких абразивов. Шлифовальник теперь располагается внизу, а зеркало наверху. Вспомним, что эпоксидная смола, которой покрыт наш шлифовальник, мягче стекла, поэтому матовость на зеркале получается примерно вдвое тоньше, чем при шлифовке металлическим шлифовальником. Начиная шлифовку на пластмассовом шлифовальнике, применим все тот же абразив No 25, следя за тем, как матовость становится тоньше по мере шлифовки. Только хорошо прошлифовав этим номером абразива, перейдем к No 12, а затем к No 6.

Вообще надо стремиться к тому, чтобы по мере уменьшения размеров зерен их диаметры уменьшались вдвое. Конечно, можно перейти к абразиву, размеры зерен которого меньше предыдущего в 1,4 раза, но крайне нежелательно переходить через более крутую ступеньку, когда средний размер зерен фракции меньше предыдущего в 3 или 4 раза. В этом случае тоже можно хорошо прошлифовать поверхность, затратив больше, чем обычно, времени, но лучше не рисковать так как можно не заметить мелких ямок, оставшихся от предыдущего номера абразива. Эти ямки, если их много, сильно рассеивают свет и снижают контраст изображения в телескопе. Поэтому лучше при переходе к следующему номеру абразива придерживаться уменьшения размера зерен в 2 или 1,4 раза.

Рис. 16. Движение шлифовальника и зеркала при шлифовке.

Шлифпорошки No 25, No 12, No 6 наносим на шлифовальник чайной ложечкой, а воду рукой, смачивая в воде пальцы и брызгая на шлифовальник. Микропорошки М28, М20, М14 и т. п. наносим иначе. Насыплем в мягкую пластмассовую бутылочку с завинчивающейся крышкой микропорошок. Нальем кипяченой воды и, взболтав абразивную суспензию, дадим ей отстояться и сольем излишек воды. Сделаем в крышке толстой иглой. отверстие диаметром около 1 мм. Еще лучше, если крышка снабжена трубочкой, как, например, у бутылочек для бензина к зажигалкам.

Взбалтываем абразивную суспензию, наклоняем бутылочку отверстием вниз и, нажимая на стенки, выдавливаем струйкой суспензию на шлифовальник. Взбалтывать суспензию надо не до дна, так как на дне бутылки бывают случайные крупные частички, которые могут поцарапать зеркало.

Во время шлифовки применяем только центральный штрих (когда центр зеркала движется по диаметру шлифовальника) со смещением центра зеркала на 1/3 диаметра. Вынос делаем всегда в одну сторону, например от себя. Сдвинув таким образом зеркало, возвращаем его обратно. После двух-трех штрихов поворачиваем столик с укрепленным на нем шлифовальником на 30⁰ и одновременно поворачиваем зеркало правой рукой в противоположную сторону примерно на половину угла поворота шлифовальника. После этого делаем еще 2--3 штриха. Впрочем, не обязательно выдерживать такую последовательность штрихов и поворотов. Важнее другое -- шлифовка должна идти равномерно по разным азимутам, зеркало должно сдвигаться в среднем на 1/3 диаметра, но не больше (рис. 16). Некоторые любители шлифуют, сдвигая зеркало в обе стороны на 1/3 радиуса зеркала. Штрихи длиннее 1/3 радиуса приводят к тому, что на краю зеркала появляется "завал", уменьшение кривизны крайней зоны зеркала или, что одно и то же, увеличение радиуса кривизны. Этот дефект в сильно утрированном виде показан на рис. 17,а. Штрихи короче 1/4 диаметра приводят к появлению зональных ошибок, а также "подвернутого края", когда в центре кривизна меньше, чем на краях (рис. 17, б),

Рис. 17. Наиболее часто встречающиеся ошибки поверхности вогнутого зеркала:

завал края (а) и подвернутый край (б).

Чтобы проверить, имеет ли зеркало эти отступления от сферы, промоем зеркало и шлифовальник и высушим их. Прочертим на зеркале простым карандашом несколько диаметральных линий. Осторожно уложим зеркало на сухой шлифовальник и сделаем несколько штрихов. В случае завала карандашные линии сотрутся на средних зонах, а при подвернутом крае - на краю и в центре.

Нельзя злоупотреблять, этими испытаниями, так как на сухом без абразива шлифовальнике зеркало может легко поцарапаться. Поэтому к этим исследованиям прибегнем только в том случае; когда зеркало при движении по шлифовальнику начинает "цепляться". Это указывает на возможный завал края. Если же зеркало движется слишком легко и как бы стремится соскользнуть со шлифовальника, то это указывает на возможный подвернутый край.

Если обнаружен завал края, укоротим штрих до 1/4--1/5 диаметра, если подвернутый край -- увеличим штрих до 2/5 диаметра.

Надо избегать быстрых и резких движений; они должны быть плавными, а чисто полных штрихов не должно превышать двух в секунду при диаметре зеркала 150 мм.

§ 11. ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ СКОРОСТЬ ШЛИФОВКИ?

Скорость шлифовки прежде всего зависит от абразива, которым она ведется. Табл. 7 показывает относительную твердость различных естественных и искусственных материалов, применяемых в качестве шлифующих абразивов.

Во время обдирки стараются применить самые твердые материалы. Те же материалы применяются при грубой шлифовке. На последних стадиях шлифовки

Т а б л и ц а 7

Наименование материала	Относительная твердость	Наименование материала	Относительная твердость
Кварцевый песок Наждак Корунд	1.0 1,4 2,0	Карбид кремния Карбид бора Алмаз	2,9--3,3 4,8--4,9 10,0

применяются несколько более мягкие абразивы, например корунд. Из электрокорунда приготавливаются микропорошки от М40 и мельче.

Конечно, мы не можем рассчитывать на то, что удастся достать искусственный алмаз, но можно постараться достать карбид кремния или карбид бора, разумеется, нескольких номеров.

Во-вторых, большое влияние на скорость шлифовки, впрочем, как и полировки, оказывает давление на зеркало, Считается [12], что наилучшее давление на инструмент 800 г на 1 см².

Однако для того, чтобы наше 150-миллиметровое зеркало, имеющее площадь 177 см3, подвергнуть такому давлению, надо поставить на него груз массой более 140 кг. Ни профессионалы, ни любители не используют оптимальное в смысле скорости шлифовки давление и обычно ограничиваются давлением около 5 кПа (50 Г/см²). Для того чтобы создать такое давление на шлифовальнике, надо поставить на зеркало груз массой около 9 кг. Практически в любительской практике применяются еще меньшие давления, так как трудно передвигать зеркало, если на нем стоит тяжелый груз, Поэтому 150-миллиметровое зеркало нагружается грузом массой 2--3 кг, и удельное давление составляет 1--1,5 кПа или 10-- 15 Г/см².

Нужно помнить еще об одном обстоятельстве, которое принуждает избегать больших давлений при обработке астрономических зеркал. Речь идет о деформациях заготовки при больших нагрузках, что может привести к грубым ошибкам на поверхности зеркала. Поэтому на последних стадиях тонкой шлифовки примем давление 1--1,5 кПа как оптимальное и не будем намного превышать эту величину.

На однородности матирования сказывается продолжительность шлифовки одним номером абразива. Очевидно, что чем дольше мы шлифуем одним номером, тем равномернее будет матирование. Однако продолжительная шлифовка увеличивает вероятность попадания крупных зерен, которые могут поцарапать поверхность зеркала. Поэтому необходимо выбрать некую оптимальную продолжительность, когда матовость от предыдущего абразива совершенно явно сошлифована. Для электрокорунда эта продолжительность составляет примерно 15--20 минут, если каждый последующий номер имеет зерна в 1,4 раза меньше зерен предыдущего номера. Если "лестница"" номеров "круче" и каждый последующий абразив мельче предыдущего в 2 раза, время шлифовки надо увеличить, до 1--1,5 часа. При этом имеется в виду, что удельное давление составляет 1-- 1,5 кПа. Увеличение давления приводит к прямо пропорциональному увеличению скорости сошлифовывания стекла и, значит, к обратно пропорциональному сокращению времени шлифовки одним номером абразива. Поэтому во время обдирки и на первых стадиях шлифовки надо применять как можно большее давление, помня, что даже усилие на зеркале в 10 кГ приведет к удельному давлению всего около 6 кПа (60 Г/см²).

Долгое время считалось, что на поздних стадиях шлифовки давление должно быть резко уменьшено. из-за опасности появления царапин. Исследования последних лет показывают, что число царапин совершенно не зависит от давления [12].

По мере того как стекло сошлифовывается, а абразив измельчается, на поверхности шлифовальника собирается большое количество шлама (отработанного абразива и измельченного стекла), который сам практически не принимает участия в процессе шлифования, но очень мешает шлифовке свежим абразивом, так как зеркало "плавает" на этом слое шлама и недостаточно прижимается к шлифовальнику. Чтобы этого избежать, необходимо своевременно убрать шлам. Для этого достаточно время от времени (через 2 - 3 порции абразива добавлять много воды, которая смоет отработанный шлам, и он по канавкам в шлифовальнике стечет на ее края. Однако через некоторое время нужно зеркало полностью отмыть от шлама. Чаще всего эта процедура совпадает с мытьем зеркала и шлифовальника перед переходом на более мелкий абразив.

§ 12. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МАТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Самое неприятное в ходе тонкой шлифовки -- царапины и остатки матовости от предыдущих номеров абразива. Поэтому, прежде чем переходить на более мелкий абразив, нужно внимательно осмотреть матовую поверхность зеркала в косо падающем солнечном свете или свете сильной лампы, стараясь рассмотреть возможные ямки--"точки", которые выделяются на ровном фоне матовой поверхности, как яркие блестки.

При рассматривании отражения в матовой поверхности зеркала большого не слишком яркого объекта, например окна днем (при косом падении света на зеркало), надо обращать внимание на то, что некоторые участки зеркала могут иметь более матовую поверхность, чем остальные. Однако надо помнить, что вид поверхности зависит и от угла падения света: при более скользящем падении поверхность блестит больше. Покачивая зеркало, внимательно выискиваем матовость в виде кольца или пятна в центре, концентричного с краем зеркала. Эта матовая зона говорит о том, что дело не в косом падении света, а действительно в остатках матовости после грубой шлифовки.

Хорошие результаты можно получить, рассматривая поверхность зеркала в сильную лупу, а еще лучше -- в микроскоп с увеличением 50--100 раз. Имея слабый объектив от какого-нибудь старого микроскопа и окуляр, микроскоп можно сделать самому. Установив его на простом штативе из толстой проволоки, можно получить прекрасный инструмент (рис. 18).

Рис. 18. Микроскоп для осмотра шлифованной поверхности зеркала.

Конечно, невозможно осмотреть всю поверхность зеркала в микроскоп; достаточно осмотреть несколько зон. Для этого надо от самого края зеркала пройтись. вдоль радиуса зеркала до самого центра. В тех случаях, когда на фоне мелкого матирования видны крупные ямки, надо осмотреть эту зону внимательнее, двигаясь по окружности вдоль зоны.

Как оценить размер попадающихся ямок? Для этого в фокальную плоскость окуляра надо ввести кончик тонкой проволоки. Фокальная плоскость расположена там, где установлена так называемая полевая диафрагма окуляра; у обычных окуляров к микроскопу эта диафрагма установлена между линзами. Поэтому окуляр надо разобрать, вывинтив одну из линз. Впрочем, в некоторых микроскопах применяются окуляры с полевой диафрагмой, расположенной перед передней (не глазной) линзой. Тогда установить проволочку вообще не составит труда. Надо добиться, чтобы проволочка была видна резко одновременно с матовой поверхностью зеркала.

Следующий шаг заключается в том, что надо измерить диаметр поля зрения микроскопа в пространстве предметов. Для этого будем рассматривать миллиметровую линейку в микроскоп. Предположим, что в поле зрения видно одновременно 1,5 деления. Это значит, что поле зрения микроскопа составляет 1,5 мм в диаметре. Допустим, проволочка видна такою размера, что ее толщина составляет 1/40 диаметра поля зрения. Это значит, что в пространстве предметов проволочка проецируется размером 1,5 : 40=0,04 мм или 40 мкм.

Как оценивать размер ямок? Глядя в микроскоп, сравниваем размер ямки с видимой толщиной проволочки. Предположим, что ямка имеет размер около 1/3 толщины проволочки, значит, настоящий диаметр ямки равен 40 мкм : 3 =13 мкм

Получив размер ямки, мы можем решить, каким образом ее можно сошлифовать.

Практика показывает, что при шлифовке с давлением около 1 кПа (10 Г/см2) ямка сошлифовывается за 15--20 мин, если шлифовка ведется абразивом со средней величиной зерна того же размера, что и диаметр ямки. В нашем примере ямка будет сошлифована за 15--20 минут микропорошком М14.

Не нужно думать, что для оценки качества поверхности зеркала обязательно нужен микроскоп. Большинство любителей обходится лупой. Но микроскоп позволяет просто и быстро решать вопрос об устранении ямок или царапин.

§ 13. КАК ИЗБЕЖАТЬ ЦАРАПИН?

Надо сразу сказать, что универсального средства полностью избежать царапин нет. Проблема царапин настолько сложна, что даже в профессиональном производстве существуют допуски, позволяющие считать поверхность совершенной, если на ней есть некоторое число небольших царапин. ГОСТ предусматривает для астрономических объективов и зеркал класс чистоты VII. Это означает, что допускается некоторое число царапин шириной не более 0,1 мм, если их суммарная длина не превышает двух диаметров объектива, В нашем случае ГОСТ допускает несколько царапин общей длиной около 300 мм. На оптических деталях размером с наше зеркало не учитываются одиночные точки, если их диаметр не превышает 1,0 мм, а число не больше 0,5 D (D -- диаметр зеркала в мм). На нашем зеркале может быть не более 75 точек диаметром до 1 мм.

Вообще же царапин и точек можно в значительной степени избежать, если в основу положить принцип:

"Во всем абсолютная чистота и аккуратность". С этой целью не мешает лишний раз залить абразивы водой, взболтать и дать отстояться.

Для баночек, где хранятся микропорошки, ни в коем случае нельзя применять стеклянные пробки. Пробки должны быть корковые или пластмассовые.

Для взмучивания абразивов надо применять только хорошо отстоявшуюся свежевскипяченную воду.

В значительной степени при работе помогают канавки на шлифовальнике, куда крупные частицы проваливаются, не причинив вреда.

На рабочем месте не должно быть ничего лишнего. Для того чтобы отработанный абразив не скапливался на столе, надо почаще снимать и мыть клеенку, которой застелен стол и на которой установлен станок. Многие любители используют вместо клеенки стопу старых газет, грязные газеты снимают и выбрасывают при переходе к более мелкому абразиву.

Часто в толще стекла попадаются мелкие пузырьки. Они не страшны. Но если такой пузырек расположен в непосредственной близости к поверхности зеркала, он может в ходе шлифовки вскрыться. В этом случае ямку надо рашлифовать с помощью мелкого абразива и гвоздя, установив гвоздь в ямку и вращая его пальцами. Это устранит еще одну опасность--скапливание в ямке отработанного абразива. Расшлифованная ямка практически не мешает работе зеркала. У 2,6-метрового телескопа Крымской астрофизической обсерватории одно из вспомогательных зеркал имеет два расшлифованных пузырька диаметром примерно 6--7 мм.

Во время тонкой шлифовки чрезвычайно мелкий отработанный абразив слипается в прочные комочки. Эти комочки собираются на краю шлифовальника, где отработанный абразив быстро сохнет. Попав между зеркалом и шлифовальником комочек не может быстро разрушиться и некоторое время катается по поверхности зеркала, производя царапины. Эти царапины в микроскопе выглядят не так, как обычные, образованные крупными зернами абразива Если последние оставляют царапины, напоминающие овраги с рваными краями и очень неровным дном, то царапины от слипшихся комочков имеют совершенно плоское дно. Создается впечатление, что часть матовой поверхности осела на некоторую глубину. Чтобы избежать, этих царапин, надо не давать высыхать абразиву на краю шлифовальника. Для этого край шлифовальника время от времени надо смачивать водой, следя за тем, чтобы он оставался всегда мокрым.

При рассматривании отшлифованной поверхности или в процессе полировки иногда можно заметить, что одна из зон явно хуже отшлифована и имеет более грубую матовость. Эта зона обычно располагается в том месте, где добавлялся абразивный порошок. Возникает матовость от того, что на этой зоне абразив всегда крупный, еще не успевший разрушиться, тогда как на другие зоны он попадает заметно измельченным. Чтобы предотвратить это, надо наносить абразив не только на этой зоне, но и на самом краю, и на центральных зонах.

Опасно оставлять на шлифовальнике мало абразива. Шлифовка с недостаточным количеством абразива--также одна из причин появления царапин. Особенно опасно класть зеркало на шлифовальник без абразива. Здесь даже самая мелкая соринка может оставить роковой след.

Канавки на шлифовальнике, защищая зеркало от царапин во время шлифовки, могут стать источником царапин при перемене номера абразива: поэтому мыть шлифовальник надо особенно тщательно, лучше всего со щеткой.

§ 14. КАК ИЗМЕНИТЬ РАДИУС КРИВИЗНЫ ЗЕРКАЛА?

В ход шлифовки время от времени полезно смачивать зеркало водой и определять его фокусное расстояние, а, следовательно, радиус кривизны. Мы помним, что фокусное расстояние равно половине радиуса кривизны.

Давно замечено, что если две плоские стеклянные пластины долго шлифовать одна о другую, то верхняя пластина становится вогнутой, а нижняя -- выпуклой. У профессиональных оптиков есть выражение "план пошел на радиус". Это значит, что плоская поверхность стала приобретать кривизну. Между прочим, на протяжении многих лет это свойство шлифуемых поверхностей использовалось для того, чтобы придать, зеркалу вогнутость, а стеклянному шлифовальнику выпуклость. Тех, кого это заинтересует, отсылаем к книге М. С. Навашина "Телескоп астронома-любителя",

Нас сейчас интересует только возможность изменять радиус кривизны зеркала. При шлифовке пластмассовым шлифовальником постоянное положение зеркала сверху приводит к тому, что его радиус кривизны, а значит, и фокусное расстояние постепенно уменьшаются. Например, при обработке автором зеркала диаметром 160 мм микропорошками М40, М28, М20, М14 в течение трех часов фокусное расстояние зеркала уменьшилось с 1000 мм до 940 мм.

Чтобы увеличить фокусное расстояние, нужно зеркало и шлифовальник поменять местами зеркало положить на стол, а шлифовальник сверху. Меняя положение зеркала и шлифовальника, можно сохранять величину радиуса кривизны и фокусного расстояния, если оно близко к расчетному. Впрочем, некоторое изменение фокусного расстояния не страшно, так как от этого только несколько изменится длина трубы. Единственное, за чем надо следить,-- это чтобы величина относительного фокуса не уменьшалась до величин, значительно меньших, чем приведены в табл. 5. В противном случае у отполированного зеркала величина сферической аберрации будет превышать допустимую.

§ 15 КОГДА ЗАКАНЧИВАТЬ ШЛИФОВКУ?

Чем тоньше матовость, тем проще и быстрее идет полировка. Но при использовании слишком мелких микропорошков вероятность возникновения царапин резко возрастает. На это жалуются почти все любители. Поэтому ограничим себя микропорошком М10. На пластмассовом шлифовальнике он дает очень тонкую матовость, которая соответствует матовости от порошка No 7 на металлическом или стеклянном шлифовальнике. В то же время микропорошок М10 еще не дает тех царапин, которые характерны для номеров М7 или М5. Можно остановиться и на порошке М14. При этом в два раза увеличится время полировки.

После осмотра отшлифованной поверхности, как было сказано выше, можно решиться на переход к полировке, если на матовой поверхности зеркала нет недопустимых дефектов. Здесь, полезно еще раз отметить, что отдельные царапины не сказываются на качестве изображения, но сеть, мельчайших и многочисленных царапин очень страшна. Отдельные точки, хотя бы и крупные, не страшны, в отличие от больших площадей с мелкой матовость. Поэтому, если на поверхности зеркала обнаружены многочисленные царапины или ямки, которые значительно глубже основной матовости, надо возвратиться к шлифовке с более крупным абразивом, прежде чем перейти к полировке. Можно затратить много часов непрерывной полировки, но так и не сполировать ямок диаметром 30-40 мкм.

§ 16. КАК ПРИГОТОВИТЬ ПОЛИРОВОЧНУЮ СМОЛУ?

Полировочная смола состоит из каменноугольного пека (битума, сапожного вара), канифоли и воска (без которого можно обойтись). В табл. 8 приведены составляющие полировочной смолы в зависимости от рабочей температуры помещения.

На разостланной газете разобьем пек (или битум) и канифоль на кусочки размером в 0,5--1 см, измельчим воск. Перемешаем в пропорциях, указанных в

Т а б л и ц а 8

Марка смолы	Канифоль, г	Воск, г	Пек, г	Рабочая температура, С
П10, 5	840	10	150	40--35
П10	700	10	290	35--30
П9, 5	600	10	390	30-25
П9	500	10	490	25-20
П8,5	380	10	610	23--20
П8	150	10	840	20--15

таблице, и всыплем в металлическую баночку, в которой будем варить смолу. Смесь должна нагреваться на медленном огне, и при варке нельзя допускать, чтобы смола закипела. Тщательно перемешаем массу палочкой. Сначала на палочке налипнет почти вся смола, но по мере постепенного разогревания она равномерно заполнит банку. После получасового нагревания и помешивания смолу можно считать готовой. Теперь из смолы надо устранить возможные твердые крупинки. Для этого смолу надо процедить через марлю.

§ 17. КАК СДЕЛАТЬ ПОЛИРОВАЛЬНИК ?

Если шлифовка шла на достаточно твердом шлифовальнике, то полировка производится на относительно мягком полировальнике. Существует довольно много способов изготовления полировальников -- нанесения смолы на металлическую основу. Мы опишем три из них.

Первый напоминает изготовление шлифовальника из эпоксидной смолы. На лицевую поверхность зеркала кладем пару кругов из промокательной или другой мягкой пористой бумаги, которая должна защитить зеркало от резкого перегрева в момент выливания на него смолы. Поверх промокательной бумаги укладываем круг из алюминиевой фольги, которую можно купить в хозяйственных магазинах.

Вокруг зеркала сделаем бортик из мокрой толстой бумаги в два слоя высотой в 5 мм над поверхностью зеркала. Теперь выливаем на фольгу разогретую до консистенции сметаны смолу. Когда уровень смолы выровняется с верхним краем бортика, положим на смолу подогретый металлический диск, протерев его предварительно скипидаром, и оставим остывать на смоле. Толщина слоя смолы должна быть около 5 мм.

Через 10 минут смола достаточно затвердеет, и мы сможем снять основание полировальника вместе со смолой. Перевернем его смолой вверх и удалим фольгу, которая снимается очень легко (рис. 19, а).

Окончательную форму полировальнику мы придадим на отшлифованной поверхности зеркала, но сначала нужно изготовить канавки, назначение которых станет ясным несколько позже.

Для изготовления канавок на жало электропаяльника прикрутим толстой медной проволокой наконечник из жести (рис. 19, б). Нарежем полоски газеты длиной примерно 150 мм и шириной 20 мм. Смочим и уложим их на поверхность смолы параллельно друг другу с интервалом 5 мм. На края банки со смолой установим полировальник вертикально, рабочей стороной к себе и полосками вертикально. Подведем наконечник паяльника к одному из промежутков между полосками газеты и начнем прорезать горячим наконечником канавку, ведя паяльник снизу вверх и касаясь его жалом металлического диска (рис. 19, б). Расплавленная смола по желобку наконечника будет стекать вниз в баночку со смолой. Прорезав ряд канавок в одном направлении, укладываем мокрые полоски газеты в перпендикулярном направлении к уже прорезанным канавкам и прорезаем второй ряд канавок.

Рис. 19. Изготовление полировальника: а) Сдирание фольги с затвердевшей смолы после грубой отливки полировальника, б) наконечник паяльника, в) прорезание канавок на смоле паяльником, г) полировальник после окончательной формовки на мокром зеркале.

Обратите внимание на несимметричное расположение канавок относительно центра полировальника, отмеченного кружком. Глубина канавок должна равняться толщине слоя смолы, так, чтобы каждый квадратик действовал как маленький самостоятельный полировальник. Важно проследить, чтобы все квадратики были аккуратными и одинаковыми. Но важно также и то, чтобы в целом сетка канавок не была симметричной. Для этого надо, чтобы с центром полировальника не совпадали канавка и центр квадратика (рис. 19, г).

После того как все канавки прорезаны, отформуем полировальник окончательно. Нагреем его в теплой (50--60⁰) воде, смочим теплой водой зеркало и, уложив теплый полировальник на станок, а поверх него зеркало (рис. 9), начнем "полировку" без крокуса, делая это точно так же, как и при шлифовке. Слишком больших давлений здесь не нужно, так как канавки могут искривиться. Наша задача добиться того, чтобы вначале неровная и довольно матовая поверхность смолы стала ровной и зеркально блестящей (рис. 19, г). Нужно проследить за тем, чтобы на поверхности квадратиков не было ямок от мелких пузырьков воздуха, которые попадают между стеклом и смолой. Один-два пузырька не страшны, но сеточка мелких пузырьков на той или иной зоне непременно приведет к зональной ошибке. Впрочем, при описанном способе получения полировальника этот дефект встречается очень редко.

Если на полировальнике образовался скол, нужно держа кусок смолы над сколом, поднести к нему нагретый наконечник паяльника и дать капле смолы стечь в ямку скола. После того как ямка заполнится смолой, мокрым пальцем грубо подравняем смолу и заново отформуем зеркало. Надо помнить, что во время формовки полировальника зеркало должно постоянно быть мокрым, иначе оно может накрепко приклеиться к смоле, и тогда придется нагревать полировальник и снимать зеркало вместе со смолой. Если такое случится, то сдирать смолу со стекла можно только деревянной палочкой, чтобы не поцарапать зеркало. Затем остатки смолы надо стереть ваткой, смоченной в бензине или керосине, и после этого вымыть зеркало водой с мылом.

Второй способ изготовления полировальника также проводится в два приема: отливка с изготовлением канавок и формовка.

Отливку ведем на резиновый коврик с взаимно пересекающимися ребрами. Эти ребра должны иметь в сечении форму трапеции или, как сказал бы литейщик, они должны иметь "конусность". Укладываем коврик на зеркало ребрами вверх. Приготавливаем 2--3 см³ (один наперсток) смеси воды и крокуса.

Рис. 20. Отливка полировальника на коврике. Излишки смолы скалываются мокрым ножом. Формовка производится на мокром зеркале.

Смесь должна быть достаточно густой. С помощью кисти закрашиваем крокусом ту часть коврика, которая лежит на зеркало. После того как крокус немного подсохнет, выливаем на коврик смолу так, чтобы она заполняла ямки, поднимаясь до уровня ребер. Для лучшего прилипания металла к смоле протрем его скипидаром. Впрочем, можно обойтись и без этого. Укладываем подогретый металлический круг на смолу и даем смоле затвердеть. Через 10 минут снимаем полировальник с коврика (рис. 20). После затвердения смолы нагреваем полировальник в теплой воде и формуем мокрым зеркалом окончательно.

Рисунок ребер на резиновом коврике может быть различным: ребра могут пересекаться под прямым углом, под углом 60⁰, образовывать шестиугольные ячейки и т. п. Важно только, чтобы весь рисунок был однообразным по всей поверхности.

Третий способ заключается в том, что смола выливается на фольгу или мокрый пергамент (можно на кальку). Пока она мягка, мокрой деревянной линейкой проводим систему взаимно перпендикулярных канавок, подправляя их, если они заплывают. Дадим смоле окончательно затвердеть. После этого снимем слой с фольги или пергамента и разломим смолу на квадратики, как шоколадную плитку.

Теперь эти квадратики надо уложить на подогретую и протертую скипидаром (для лучшего сцепления) основу полировальника -- металлический круг. Желательно, чтобы эта основа имела выпуклую форму того же радиуса кривизны, что и зеркало. Это нужно для того, чтобы слой смолы имел на всей площади полировальника примерно одинаковую толщину. Кстати, это желательно и для полировальников, описанных выше. К этому есть два простых пути. Во-первых, можно приготовить полировальник непосредственно на выпуклом шлифовальнике или сделать еще один диск с эпоксидным слоем по радиусу кривизны зеркала. Второй путь заключается в том, что алюминиевую пластину относительно небольшой толщины (для 150-миллиметрового зеркала она должна иметь толщину 10--12 мм) кладем на ровную поверхность песка и с силой тяжелым молотком бьем в центр круга, постоянно проверяя, как ведет себя обратная сторона диска. Таким образом, можно получить заготовку подходящей кривизны. (варварский метод, однако ;-) )

§ 18. ПОЛИРОВКА

После формовки полировальника переходим к полировке зеркала. Во время полировки зеркало должно принять зеркальный блеск, и всякие следы ямок матовости должны сполироваться. Кроме того, во время полировки зеркалу будет придана точная сферическая форма.

Полировка во многом напоминает шлифовку. Штрихи имеют ту же, что и при тонкой шлифовке, длину. Работа производится с той же скоростью. Давление на зеркало должно быть достаточно большим, чтобы удельное давление составляло около 1 кПа (10 Г/см²). На первых стадиях полировки, когда форма зеркала еще далека от идеальной, давление можно увеличить в 2--3 раза против указанного. Но по мере того, как матовость будет сполировываться, давление придется снизить.

Время от времени, через 8--10 минут, наносим на смолу влажный полирит. Надо заметить, что полирит сполировывает стекло вдвое быстрее, чем крокус, поэтому желательно достать именно полирит, а не крокус. Но у крокуса другие преимущества: его можно приготовить самому, кроме того, он дает поверхность несколько лучшего, чем при работе с полиритом, качества.

В ходе полировки чистота рабочего места и инструмента необходимы в еще большей степени. Полирит, как и микропорошки, наносим из пластмассовой бутылочки.

Нужно внимательно следить за влажностью полировальника, добавляя время от времени несколько капель воды. Полирита требуется гораздо меньше, чем абразива при тонкой шлифовке.

Для протирания зеркала лучше всего применять гигроскопическую вату, бумажные полотенца или чистые носовые платки.

Поблизости надо повесить термометр для контроля температуры помещения и, следовательно, рабочей температуры смолы. Неподалеку должны находиться часы для того, чтобы записывать время каждой операции. Вообще, во время полировки очень важно вести журнал, так как число различных ситуаций гораздо больше, чем во время шлифовки, и важно не допускать повторения одних и тех же ошибок.

После этих предварительных замечаний перейдем к описанию самого процесса полировки. Обильно обрызгаем полировальник полиритом: если надо, добавим еще немного воды и осторожно положим зеркало на поверхность смолы. Сквозь стекло видно, что значительная часть поверхности зеркала не прикасается к смоле, в этих местах видны большие и мелкие воздушные полости. Осторожно, без нажима, сделаем несколько круговых движений, чтобы полностью выдавить воздух в канавки. Совместим центры зеркала и полировальника и плотно прижмем зеркало к смоле. В начале полировки, так же как и после перерывов больше 1--2 часов, при снятом зеркале, смола уже не повторяет в точности форму зеркала, так как она хотя и медленно, но течет. Поэтому каждый раз после перерыва на час и более или в начале работы на новом полировальнике его надо отформовать. На 5--10 минут оставим зеркало на полировальнике, нагрузив его небольшим (1--2 кг) грузом.

Дав полировальнику отформоваться, снимем груз и начнем полировку, двигая зеркало и вращая столик в точности, как и при шлифовке. Может быть, в начале полировки зеркало будет цепляться за смолу и его движения будут неплавными. Это скорее всего происходит из-за того, что форма зеркала пока еще далека от идеальной сферы. Вероятнее всего, оно имеет в центре "яму", а его края "завалены". В сильно утрированном виде такое зеркало показано на рис. 17, а.

Самое простое средство против завала на краю заключается в сокращении длины штриха до 1/5 диаметра. Полируем, применяя этот штрих, минут 20--30, может быть, час и возвращаемся к нормальному штриху. Скорее всего, полировка теперь пойдет нормально, но если зеркало продолжает цеплять, то это может означать, что смола слишком мягка. Страшного в этом ничего нет, так как мы можем добавить в нее канифоли, конечно, предварительно сбив смолу молотком с металлического круга и расплавив. Мягкая смола вообще приводит к завалу края, так как ведущий передний край зеркала во время его движения по смоле слегка зарывается в смолу и сполировывание здесь идет быстрее. Твердая смола, напротив, почти не приводит к завалу, так как хорошо сохраняет форму, но полировка на ней идет гораздо медленнее, чем на мягкой, а царапины появляются гораздо легче.

В старых руководствах указывается на то, что полировка должна идти без давления на зеркало. В действительности это не совсем так. Мы уже упоминали, что царапины возникают примерно одинаково быстро и при полировке с давлением и без давления. Важнее другое: сильное давление приводит к деформации зеркала и к ошибкам на его поверхности. Поэтому, пока идет грубая полировка, назначение которой сполировать матовость после тонкой шлифовки, мы можем применять давление до 2--3 кПа (20--30 Г/см2) и больше. Когда мы перейдем к фигуризации, давление можно уменьшить до 0,5--1 кПа (5--10 Г/см2).

Добившись плавности движения, продолжаем полировку. Сквозь стекло видно, как по канавкам бегают пузырьки воздуха в смеси полирита с водой. Если все пойдет хорошо, поверхность зеркала полностью отполируется за 5--10 часов непрерывной полировки. Однако надо быть готовым к тому, что тонкая шлифовка была не вполне качественной, и тогда полировка может растянуться на 20--30 часов, это тоже не слишком много. Во всяком случае, у начинающих любителей такое время не считается слишком большим.

Через час работы снимем зеркало и внимательно осмотрим его. Оно уже довольно хорошо отражает предметы, но часть его поверхности остается пока более матовой, чем остальная. Обычно это бывает на краю зеркала или на некоторой средней зоне. Эти матовые зоны говорят о том, что поверхность зеркала не вполне сферическая. В микроскоп видно, что большие площадки стекла уже полностью отполированы, но часть поверхности занимают ямки матовой поверхности. Пройдемся взглядом по радиусу зеркала. Если остатки матовости занимают примерно везде одинаковую площадь, дело идет хорошо. Если в относительно матовых участках зеркала площадь ямок занимает всю поверхность, а полированных участков нет или почти нет, продолжим полировку еще 1--2 часа и снова осмотрим зеркало в микроскоп вдоль радиуса. Если матовые участки не полируются, нужно возвратиться к тонкой шлифовке. Теперь становится ясно, почему не следовало полировочную смолу наливать на шлифовальник. Отложив полировальник в сторону, можно вернуться к шлифовке. Мы знаем, как оценить размер ямок в поле зрения микроскопа и как подобрать подходящий для шлифовки абразив. Разумеется, надо ориентироваться по самым большим ямкам, которые встречаются достаточно часто. Отдельные, даже очень глубокие, ямки можно не принимать во внимание.

Впрочем, будем смотреть в будущее с большей верой в успех, так как описанная неприятность встречается относительно редко, и неравномерная вначале полировка постепенно становится все лучше.

Дадим несколько дополнительных советов. Когда зеркало продолжает долго цепляться за смолу, можно прибегнуть к довольно эффективному средству. Разогреем полировальник в теплой воде, положим на смолу кусок смоченного в воде тюля, расправим его и прижмем зеркалом. Оставим зеркало на полировальнике до его остывания. Сняв зеркало и тюль, увидим, что на поверхности каждой фасетки появилась сеточка мелких канавок. Теперь каждая из этих крошечных фасеток работает как самостоятельный полировальник, и полировка идет чрезвычайно равномерно по всем зонам зеркала. Бывает достаточно один раз отформовать эту сетку канавок и дать им свободно заплыть в ходе полировки.

При ручной полировке с достаточным давлением стекло типа крон -- наиболее распространенный материал любительских зеркал -- сполировывается со скоростью 2--3 мкм в час. Для увеличения скорости полировки в 1,5 раза можно вместо воды применять 1%-ный водный раствор хлорного железа, хлорного цинка или азотнокислой меди.

Прерывая полировку на несколько часов, лучше всего оставить зеркало на полировальнике, предварительно подмазав его полиритом с водой. Если дополнительно обмотать зеркало и полировальник мокрым полотенцем, можно оставить зеркало на полировальнике на сутки. Если полировальник вместе с зеркалом положить в тазик с водой, чтобы они полностью погрузились в воду, можно их не вынимать 2--3 дня. Если все-таки после того, как они будут вынуты, зеркало и полировальник не разъединяются, нужно их слегка нагреть в теплой воде, а потом подставить зеркало под струю холодной воды. Надо следить за тем, чтобы, во-первых, перепад температуры был не слишком велик и, во-вторых, чтобы внезапно отделившееся зеркало не выскользнуло из рук. Все эти работы надо проводить прямо у самого дна водопроводной раковины.

В ходе полировки зеркало должно не только совершенно освободиться от матовости, но и приобрести оптически точную форму. Для контроля формы поверхности зеркала применяют теневой метод Фуко.

§ 19. ЧТО ТАКОЕ ТЕНЕВОЙ МЕТОД ФУКО?

Уильям Гершель, так же как и другие телескопостроители тех времен, полировали свои зеркала в значительной степени вслепую. Удачное зеркало было во многом делом случая, так как до середины XIX в. у телескопостроителей не было надежного метода контроля формы зеркал. Лишь в 1859 г. великий французский физик Леон Фуко предложил гениальный метод контроля вогнутых оптически точных поверхностей. Этот метод столь же изящен по своей идее, сколь чувствителен и надежен на практике. Его суть сводится к следующему.

Леон Фуко (1819--1868),

Близ центра кривизны О (на удвоенном фокусном расстоянии) вогнутого зеркала (рис. 21) устанавливается крошечный, но яркий источник света ("искусственная звезда") М. Этой звездой может служить маленькая (0,1--0,3 мм) дырочка в кусочке алюминиевой фольги, которой оборачивают лампочку карманного фонарика. Лампочка может быть вставлена в патрон от елочной гирлянды или просто припаяна к проводам, ведущим к батарейке. Так как "искусственная звезда" установлена вблизи центра кривизны зеркала (чуть сбоку от оси зеркала), зеркало строит ее изображение также вблизи центра кривизны, но по другую от оси сторону. Если позади изображения "искусственной звезды" поместить глаз, чтобы весь пучок света "провалился" в зрачок, мы увидим, что зеркало равномерно по всей поверхности залито светом "звезды".

Рис. 21. Вид теневой картины на зеркале при различном положении ножа. 1 -- нож точно в центре кривизны сферического зеркала, 2 - положение ножа перед центром кривизны, 3 - положение ножа за центром кривизны.

Это и понятно: ведь в этот момент все без исключения лучи "звезды", отраженные зеркалом, соберутся в зрачке. Представим себе, что мы испытываем идеальное сферическое зеркало. Это значит, что лучи, отраженные каждым участком зеркала, каждой его зоной, все соберутся в точке фокуса*

*) При описании метода Фуко словом "фокус" обозначается фокус сферической волны, расположенный в центре кривизны сферы, а не главный фокус зеркала.

Осторожно введем непрозрачный экранчик с острым (без зазубрин) краем (например лезвие безопасной бритвы) в вершину конуса лучей, чтобы перекрыть изображение "звезды". Одновременно смотрим на зеркало, чтобы оно оставалось равномерно освещенным.

Если лезвие вводить очень осторожно, чтобы оно перекрыло только часть изображения "звезды", зеркало померкнет лишь отчасти, но также по всей поверхности одновременно. Важно понять, что в построении каждого участка изображения "звезды", даже если это изображение дифракционное, участвует вся поверхность идеального сферического зеркала. Именно поэтому, какую бы часть изображения мы ни перекрыли, зеркало будет гаснуть одновременно по всей поверхности.

Теперь несколько изменим опыт. Введем лезвие, которое принято называть ножом Фуко, в конус лучей до их пересечения в фокусе. Нож расположен в этом случае на 1--2 см ближе к зеркалу. Это положение называется предфокальным. Если теперь мы посмотрим на зеркало (конечно, оставляя глаз все так же в пучке света), то увидим, что часть зеркала погасла, тогда как другая часть его по-прежнему освещена лампой. Если нож введен справа, то погаснет правая часть. Это происходит потому, что нож пересек часть пучка, идущую от правой части зеркала.

Еще раз изменим наш эксперимент. Введем нож в пучок позади изображения "звезды". Теперь при введении ножа справа гаснет левая часть зеркала. Это происходит потому, что после пересечения в точке лучи, идущие с левой стороны зеркала, оказываются справа от оптической оси.

Сформулируем важное правило: если нож вводится в пучок справа в предфокальном положении, то гаснет правая часть зеркала. Если нож вводится в пучок справа в зафокальном положении, то гаснет левая часть зеркала.

Иначе говоря, в предфокальном, положении тень ножа на зеркале движется в ту же сторону, что и нож, а в зафокальном положении тень движется навстречу ножу.

Теперь сосредоточим все внимание. Допустим, что зеркало -- не идеальная сфера, а имеет завал на краю и яму в центре. В этом случае радиус кривизны центральной части короче радиуса кривизны края зеркала. Это означает, что и фокусное расстояние центра короче фокусного расстояния краев; фокус некоторой промежуточной зоны окажется где-то между фокусами центра и края.

"Поймаем" глазом пучок чуть дальше фокусов всех зон и снова введем нож в районе фокуса промежуточной зоны. Очевидно, что для крайней зоны положение ножа окажется предфокальным, и на краю зеркала тень разместится справа. Для центральной зоны это же положение ножа окажется зафокальным, и в центре зеркала тень расположится слева от вертикальной оси симметрии.

На промежуточной зоне, в фокусе которой находится нож, мы увидим "полутень", когда поверхность гаснет лишь отчасти.

Окинув взглядом все зеркало, мы увидим, что зеркало сейчас напоминает не то лунный кратер (как кажется автору книги), не то бублик (как кажется другим любителям). Мы явно видим "яму" в центре и "вал" на средней зоне тогда, как край зеркала "опущен" или "завален".

Задача оптика состоит в том, чтобы, рассматривая теневой "рельеф", решить, как нужно изменить ход полировки, чтобы снивелировать "бугры", "ямы", "канавки", "валики" и получить "плоский" теневой рельеф. Именно плоский теневой рельеф соответствует идеальной сфере.