隱形眼鏡模具超精密加工與測(cè)量的集成方法研究*

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(yáng)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(lái)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(guò)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(cè)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(hào)、大批量制作。因此，研究隱形眼鏡模具超精密加工與測(cè)量的高效集成方法在產(chǎn)業(yè)上是十分急需和必要的。

1 隱形眼鏡模具的面型特點(diǎn)與高精度要求

一組隱形眼鏡模具通常由凹模、凸模兩部分組成，分別對(duì)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(jué)功能區(qū)通常由圓滑過(guò)渡的多段圓弧沿中心軸線回轉(zhuǎn)而成，不同的視力狀況對(duì)應(yīng)不同曲率的回轉(zhuǎn)圓弧，這就是常見(jiàn)的隱形眼鏡模具設(shè)計(jì)方法，如圖2所示。

在加工過(guò)程中，模具形狀和尺寸出現(xiàn)偏差會(huì)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(duì)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(huì)采用專業(yè)的驗(yàn)光儀器對(duì)其形狀、尺寸進(jìn)行檢測(cè)，如ROTLEX公司的BRASS 型曲率半徑測(cè)試儀，其中，模具中心圓弧曲率R1是檢測(cè)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(cè)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(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律，只能通過(guò)被動(dòng)補(bǔ)償和反復(fù)測(cè)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(cè)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(cè)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。

2 模具的超精密加工試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

2.1 超精密加工試驗(yàn)條件

本文以美國(guó)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(kāi)展隱形眼鏡模具的超精密加工與檢測(cè)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(cè)量樣品，對(duì)工件表面粗糙度以及局部面型具有良好的檢測(cè)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)

2.2 模具高加工精度的影響因素分析

分析模具的超精密車削過(guò)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(jí)，對(duì)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(cè)刀系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀尖圓弧半徑±2 μm內(nèi)的重復(fù)測(cè)量，且此類誤差很容易通過(guò)檢測(cè)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(cè)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(duì)刀塊通過(guò)“多次試加工—檢測(cè)—調(diào)整”的過(guò)程來(lái)反復(fù)修正，最終依然會(huì)有微米級(jí)的誤差無(wú)法精準(zhǔn)識(shí)別，而該誤差會(huì)直接影響模具最終的形狀精度和檢測(cè)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(duì)刀具位置誤差的檢測(cè)方法及其對(duì)模具加工精度的影響規(guī)律來(lái)探索模具超精密加工及檢測(cè)一體化的集成方法。

2.3 金剛石刀具位置誤差對(duì)加工精度的影響

如圖5所示，豎直方向的對(duì)刀誤差有刀尖偏低與刀尖偏高兩種形式[11-12]。刀尖偏低會(huì)導(dǎo)致對(duì)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(huì)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(shí)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(cè)量值為x1，實(shí)際值為x2，水平對(duì)刀誤差x′=x1-x2。從圖4可知，x′>0時(shí)，加工過(guò)程中刀尖會(huì)越過(guò)回轉(zhuǎn)中心，出現(xiàn)過(guò)切，但不會(huì)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(cè)到中心處形成的加工殘留。

綜上所述，豎直方向的對(duì)刀誤差h很容易識(shí)別與排除，水平方向的對(duì)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(guò)切，模具徑向尺寸偏??；x′<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(huì)造成模具中心處變形，影響鏡片質(zhì)量。因此，開(kāi)發(fā)出精準(zhǔn)檢測(cè)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(cè)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(cè)儀器，該設(shè)備可以通過(guò)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(guò)研究x′對(duì)球徑檢測(cè)值的影響規(guī)律，得到x′關(guān)于球徑檢測(cè)值r的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，便可以通過(guò)檢測(cè)結(jié)果快速確定x′值，從而進(jìn)行精準(zhǔn)修正。

3 水平對(duì)刀誤差x′的計(jì)算分析

3.1 x′的數(shù)學(xué)計(jì)算模型

以x′>0，刀具過(guò)切為例，圖8顯示了x′對(duì)模具球徑檢測(cè)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(guò)面型擬合所得，其半徑值為r，另外，b為模具實(shí)際檢測(cè)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(duì)應(yīng)其擬合圓周的1/4圓心角。

分析圖8可知，水平對(duì)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(duì)刀誤差為

(6)

由此可知，利用檢測(cè)得到球徑r、標(biāo)準(zhǔn)球徑R以及檢測(cè)范圍半徑b可以計(jì)算得出水平對(duì)刀誤差x′。當(dāng)r0，刀具過(guò)切；當(dāng)r>R時(shí)，x′<0，工件中心存在加工殘留。

實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中通常為大球徑、小區(qū)域檢測(cè)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(cè)所得球徑r的差值是水平對(duì)刀誤差x′的放大體現(xiàn)，更容易被檢測(cè)出來(lái)，由此推導(dǎo)得出的x′也更加精確。

3.2 計(jì)算模型的超精密加工-檢測(cè)集成驗(yàn)證

分別選擇0°、550°、900°的近視鏡片模具為加工、檢測(cè)對(duì)象，使用Zygo的20倍光學(xué)鏡頭，鏡頭通過(guò)圖像拼接方式將檢測(cè)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(cè)試驗(yàn)，以此來(lái)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(cè)功能，可以通過(guò)(R-r)值將水平對(duì)刀誤差x′以近10倍的方式展現(xiàn)出來(lái)，為更精準(zhǔn)地測(cè)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(duì)刀誤差，將隱形眼鏡模具的超精密加工與檢測(cè)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。

4 結(jié)語(yǔ)

水平方向的對(duì)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(guò)面型檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)微小的對(duì)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(cè)—誤差修正的過(guò)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(guò)如上所述的實(shí)際超精密加工驗(yàn)證，對(duì)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。