趙 亮 程 凱 丁 輝 顧 彥
(①哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;②江蘇工大金凱高端裝備制造有限公司,江蘇 丹陽212300 )
隱形眼鏡是一種戴在眼球角膜上,用以矯正視力或保護(hù)眼睛的鏡片。它不僅從外觀和方便性方面給佩戴者帶來了很大的改善,同時(shí)也在控制各類視力缺陷方面發(fā)揮了特殊的功效[1-2]。當(dāng)前,全球大約有1.5億隱形眼鏡配戴者,鏡片品種繁多,且用量巨大[3]。
目前,隱形眼鏡的制作方法主要分為離心成型法、模壓成型法和車削成型法3大類,其中,模壓成型法因其加工效率高、成本低以及佩戴舒適度佳等優(yōu)點(diǎn)得到最為廣泛的應(yīng)用,目前絕大多數(shù)的隱形眼鏡都是通過模壓工藝進(jìn)行生產(chǎn)[4]。
模壓成型法就是采用超精密加工技術(shù)制造模具, 然后精密注塑成型的大規(guī)模組合批量生產(chǎn)的方法[4-5],如圖1所示。在該方法中,金屬模具(模具)的超精密加工與檢測是實(shí)現(xiàn)鏡片精密生產(chǎn)制造的技術(shù)關(guān)鍵和瓶頸環(huán)節(jié),也是保證隱形眼鏡最終質(zhì)量的基礎(chǔ)條件,在整個(gè)工藝鏈中至關(guān)重要。同時(shí),模具在鏡片生產(chǎn)中具有一定時(shí)效性,屬于消耗品,需要多型號、大批量制作。因此,研究隱形眼鏡模具超精密加工與測量的高效集成方法在產(chǎn)業(yè)上是十分急需和必要的。
一組隱形眼鏡模具通常由凹模、凸模兩部分組成,分別對應(yīng)隱形眼鏡的內(nèi)、外表面,材料以銅、鋁等有色金屬為主[7]。以凸模為例,其視覺功能區(qū)通常由圓滑過渡的多段圓弧沿中心軸線回轉(zhuǎn)而成,不同的視力狀況對應(yīng)不同曲率的回轉(zhuǎn)圓弧,這就是常見的隱形眼鏡模具設(shè)計(jì)方法,如圖2所示。
在加工過程中,模具形狀和尺寸出現(xiàn)偏差會導(dǎo)致鏡片功能光度的改變,影響佩戴效果,嚴(yán)重時(shí)還可能對人的視力造成損害。因此,保證模具加工的形狀、尺寸精度以及良好的表面粗糙度是控制隱形眼鏡質(zhì)量的關(guān)鍵[6]。
通常情況下,模具加工結(jié)束之后會采用專業(yè)的驗(yàn)光儀器對其形狀、尺寸進(jìn)行檢測,如ROTLEX公司的BRASS 型曲率半徑測試儀,其中,模具中心圓弧曲率R1是檢測重點(diǎn),要求加工誤差≤5 μm。然后再用白光干涉儀、輪廓儀等儀器檢測模具的表面質(zhì)量,要求Ra≤15 nm。此方法流程復(fù)雜,且并未建立加工因素對檢測結(jié)果的影響規(guī)律,只能通過被動(dòng)補(bǔ)償和反復(fù)測試進(jìn)行調(diào)整,效率偏低,廢品率也較高。
目前,以現(xiàn)有的單點(diǎn)金剛石車削加工技術(shù)可以很容易滿足模具表面Ra≤15 nm的質(zhì)量要求,此處不再討論。
本文根據(jù)模具的形狀特征及精度要求重點(diǎn)分析了影響其面型質(zhì)量的主要因素,并基于檢測設(shè)備的工作原理,構(gòu)建出加工誤差與影響因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型,利用檢測結(jié)果快速確定誤差原因并進(jìn)行修正,為提高模具加工質(zhì)量與效率提供支持。
本文以美國Moore公司所生產(chǎn)的Nanotech 250 UPL超精密單點(diǎn)金剛石車床為主要加工設(shè)備,結(jié)合高精度光學(xué)表面輪廓儀Zygo-ZeGage,開展隱形眼鏡模具的超精密加工與檢測集成方法研究,如圖3所示。
Nanotech 250UPL單點(diǎn)金剛石車床采用超精密氣浮主軸及液體靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng),具有極高的運(yùn)動(dòng)控制精度和工作穩(wěn)定性,Zygo-ZeGage輪廓儀采用非接觸式的相干掃描干涉術(shù)成像和測量樣品,對工件表面粗糙度以及局部面型具有良好的檢測效果,設(shè)備主要性能參數(shù)如表1所示。
表1 設(shè)備/儀器主要性能參數(shù)
分析模具的超精密車削過程可以知道,機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度、刀具尺寸精度和刀具位置精度是影響其加工質(zhì)量的3個(gè)主要因素。
從表1中的設(shè)備性能參數(shù)可知,本實(shí)驗(yàn)中機(jī)床自身的運(yùn)動(dòng)控制精度為納米級,對模具加工精度造成的影響完全可以忽略不計(jì);機(jī)床自帶的光學(xué)測刀系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)對刀尖圓弧半徑±2 μm內(nèi)的重復(fù)測量,且此類誤差很容易通過檢測與補(bǔ)償進(jìn)行消除,本文不做詳細(xì)分析。
同前兩個(gè)因素相比,刀具空間位置不太容易進(jìn)行精準(zhǔn)測量[7-10],包括刀尖距主軸回轉(zhuǎn)中心的水平距離x以及豎直方向的高度差h,如圖4所示。
x與h的數(shù)值往往需要利用對刀塊通過“多次試加工—檢測—調(diào)整”的過程來反復(fù)修正,最終依然會有微米級的誤差無法精準(zhǔn)識別,而該誤差會直接影響模具最終的形狀精度和檢測結(jié)果,是制約模具加工質(zhì)量的主要因素。因此,本文重點(diǎn)針對刀具位置誤差的檢測方法及其對模具加工精度的影響規(guī)律來探索模具超精密加工及檢測一體化的集成方法。
如圖5所示,豎直方向的對刀誤差有刀尖偏低與刀尖偏高兩種形式[11-12]。刀尖偏低會導(dǎo)致對刀塊中心殘留微小圓柱,圓柱半徑值即為切削刃與回轉(zhuǎn)中心高度差h;刀尖偏高時(shí)會在工件中心殘留微小錐形結(jié)構(gòu),錐面傾角ω等于刀具后角α0,圓錐底部半徑即為切削刃高出回轉(zhuǎn)中心的距離h。借助顯微鏡、輪廓儀等儀器,以上兩種情況較為容易識別,可快速精準(zhǔn)排除。
假設(shè)刀尖在距工件回轉(zhuǎn)中心的水平距離為x,其測量值為x1,實(shí)際值為x2,水平對刀誤差x′=x1-x2。從圖4可知,x′>0時(shí),加工過程中刀尖會越過回轉(zhuǎn)中心,出現(xiàn)過切,但不會影響加工平面的面型;當(dāng)x′<0時(shí),刀尖不能到達(dá)回轉(zhuǎn)中心,中心處形成加工殘留[13],但因?yàn)榈都鈭A弧半徑較大,當(dāng)x′<0且|x′|≈0時(shí)候,很難用普通顯微鏡和輪廓儀精準(zhǔn)檢測到中心處形成的加工殘留。
綜上所述,豎直方向的對刀誤差h很容易識別與排除,水平方向的對刀誤差x′才是影響模具加工質(zhì)量的主要因素,如圖6所示。
從圖6可以看出,當(dāng)x′>0時(shí),刀具過切,模具徑向尺寸偏?。粁′<0時(shí),模具中心形成微小加工殘留,徑向尺寸偏大。兩種情況都會造成模具中心處變形,影響鏡片質(zhì)量。因此,開發(fā)出精準(zhǔn)檢測x′值的方法是提高模具加工速度和成品率的關(guān)鍵,也是實(shí)現(xiàn)模具超精密加工與測量集成方法的核心。
如圖7所示,本研究采用Zygo-ZeGage輪廓儀為主要檢測儀器,該設(shè)備可以通過面型擬合的方法輸出被檢區(qū)域的球徑、中心高以及表面粗糙度等數(shù)據(jù),因此,通過研究x′對球徑檢測值的影響規(guī)律,得到x′關(guān)于球徑檢測值r的數(shù)學(xué)計(jì)算模型,便可以通過檢測結(jié)果快速確定x′值,從而進(jìn)行精準(zhǔn)修正。
以x′>0,刀具過切為例,圖8顯示了x′對模具球徑檢測值的影響。大圓為理想輪廓,其半徑值為R,小圓為實(shí)際輪廓通過面型擬合所得,其半徑值為r,另外,b為模具實(shí)際檢測范圍在豎直投影方向的半徑值,w1為理想輪廓的1/4圓心角,w2為實(shí)際輪廓對應(yīng)其擬合圓周的1/4圓心角。
分析圖8可知,水平對刀誤差為:
x′=x1-x2
(1)
(2)
(3)
(4)
當(dāng)模具外形輪廓在水平方向只做非常微小變化,即x′非常小時(shí),w1≈w2。則:
(5)
則水平對刀誤差為
(6)
由此可知,利用檢測得到球徑r、標(biāo)準(zhǔn)球徑R以及檢測范圍半徑b可以計(jì)算得出水平對刀誤差x′。當(dāng)r
實(shí)際檢測過程中通常為大球徑、小區(qū)域檢測方式,圖8中w1值非常小,式(5)中的
2sinw1×cosw1=sin2w1?1
故:
R-r?x′
即被檢工件的標(biāo)準(zhǔn)球徑R與檢測所得球徑r的差值是水平對刀誤差x′的放大體現(xiàn),更容易被檢測出來,由此推導(dǎo)得出的x′也更加精確。
分別選擇0°、550°、900°的近視鏡片模具為加工、檢測對象,使用Zygo的20倍光學(xué)鏡頭,鏡頭通過圖像拼接方式將檢測范圍豎直投影方向的半徑值b設(shè)定為0.8 mm。
已知上述3種模具中心圓弧理想的曲率半徑分別為7.63 mm、8.55 mm、9.42 mm,以上一節(jié)得出的數(shù)學(xué)模型為指導(dǎo)進(jìn)行加工、檢測試驗(yàn),以此來驗(yàn)證模型的正確性,結(jié)果如表2所示。
表2 試驗(yàn)結(jié)果
從表2結(jié)果可以看出,利用本模型,結(jié)合Zygo輪廓儀的精密檢測功能,可以通過(R-r)值將水平對刀誤差x′以近10倍的方式展現(xiàn)出來,為更精準(zhǔn)地測定刀具位置提供支持。使用本數(shù)學(xué)模型可以快速、精確地修正對刀誤差,將隱形眼鏡模具的超精密加工與檢測進(jìn)行有效結(jié)合,得到穩(wěn)定、可靠的理想產(chǎn)品,如圖9所示,大大提高了加工質(zhì)量和效率。
水平方向的對刀誤差x′是影響隱形眼鏡金屬模具超精密加工質(zhì)量和效率的主要因素。本文構(gòu)建了一種通用的數(shù)學(xué)模型,借助Zygo輪廓儀,可以通過面型檢測數(shù)據(jù)對微小的對刀誤差x′進(jìn)行精確計(jì)算。該數(shù)學(xué)模型將模具的超精密加工—面型檢測—誤差修正的過程進(jìn)行了有效集成,大大提高了模具的超精密加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本模型已通過如上所述的實(shí)際超精密加工驗(yàn)證,對其他同類產(chǎn)品的超精密加工同樣具有實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和理論意義。