人工晶状体加工工艺研究*

2013-09-12段振云解宝利张福利姜宝光

组合机床与自动化加工技术 2013年8期

段振云，解宝利，张福利，姜宝光

(1.沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870;2.沈阳绿谷生物技术产业有限公司医疗器械研发部，沈阳 110163)

0 引言

白内障一旦影响生活，摘除混浊的晶状体后再植入人工晶体是一种常规的治疗方式［1］。随着人口总数的增加和人口老龄化的加剧，新发盲人还在迅速增加。因此，我国急需大量既具有良好性能，又具有较高质量的人工晶体。国外对人工晶状体材料和加工技术已经研究的相当深入，从产品标准、加工及检测设备到质量控制都近乎完善，现已实现生产自动化，而国内的生产企业屈指可数，材料和生产、检测等设备均需从国外进口，与国外生产水平存在较大差距，人工晶状体的研究主要集中在眼科领域，对材料和加工技术的研究尚浅。本文对人工晶状体的加工工艺进行研究，主要分析对刀过程中刀具偏置对表面质量的影响。

1 刀具插补路径

现代数控机床在加工圆弧时通常采用逐点比较法通过代数运算逐点计算和判别运动偏差［2-3］。本文以Optoform 40车床为研究对象，该机床使用dxf文件定义切削路径［4］，插补方式是由JFL file和MNI file决定。JFL file的插补方式为点到点式，通过软件计算圆弧上点的XY坐标，再由X、Y轴进行插补;而MNI file的插补方式与JFL file类似，但采用圆弧过渡，如图1所示。

图1 刀具插补方式

JFL file创建的路径在插补精度上较逐点比较法有较大提高，但加工后会在加工表面留下螺旋状加工路径［5］;MNI file创建的刀具路径就消除了这种现象。

2 对刀

在Optoform 40的刀架上设有水平标准面和垂直标准面。对刀时将标准具装在旋转盘上，可记录各刀尖位置与标准面的水平偏差;亦可将各刀尖平面调整到与主轴旋转轴线同一高度［6］。刀尖曲率半径的测量误差ΔR会直接影响工件的面形精度。若ΔR＞0，实际加工半径大于理论半径;若ΔR＜0，实际加工半径小于理论半径。若车削加工的坐标系原点与主轴旋转中心在垂直和水平方向有偏差，即刀具存在水平偏置与垂直偏置［7］。在刀具偏置坐标系中，用Δx和Δy定义刀具的水平偏置量和垂直偏置量，ρ为回转中心到曲面上切削点的距离。

将上式写成径向坐标x关于ρ的函数为：

将上式写成如z=z(x)的函数为：

根据刀具偏置量计算矢高误差并可将其减小到一定程度。

旋转坐标ρ远大于刀具偏置，如ρ≫Δx，Δy，式2的二次展开式为

在回转中心，刀尖半径先于Δx决定加工面形，Δy导致外观缺陷，根据上式所述，垂直偏置对面形的影响小于水平偏置。Δy在式中仅存在于偶次幂中不同于Δx，他们是相关联的，当y方向存在可见的刀具偏置时，很难将二者区分开来，因此，在加工过程中首先要消除垂直偏置Δy。

将刀具与标准平面调到同一高度，可消除垂直偏置：

消除垂直偏置后，矢高差为：

若r≫ρ，那么上式的二次展开式为：

忽略式中水平偏置所在的高次项，则：

下面分析仅存在刀具水平偏置或垂直偏置对车削面形的影响。

2.1 水平偏置

XOZ坐标系中，车削凸球面过中心时，车削圆弧方程为：

车刀向X轴偏置后，车刀车削圆弧方程为：

锥形缺陷高度为h：

车削未过中心时，如图2所示，刀具水平偏置后车削凸球面，AO为主轴旋转中心，刀具水平偏置A'A=AA"=X，刀具水平偏置实际上只是将理想加工轨迹沿水平方向进行了平移，其影响是造成实际车削表面的曲率半径的变化，R为刀具无水平偏置时车削球面的半径，AO=R，R'为存在刀具水平偏置时车削球面的半径，根据几何关系，可以得到刀具水平偏置后车削球面的半径为：

所以刀具水平偏置后将造成车削球面半径的变大。A'A"区域将造成顶点的车削空白区域，形成微观缺陷。调整方法有两种：

粗调：更改X@Spin CL值，采用试切法来调整刀尖与主轴轴线的相对位置。

微调：更改Tip Radius值，若测得的曲率半径值大于理论的曲率半径值则减小刀具半径值(即Tip Radius值);若测得的曲率半径值小于理论的曲率半径值则增大刀具半径值。

LVDT对刀装置在水平方向对刀和刀尖半径R的测量误差一般在0.02mm以上，只能作为初步对刀，要实现精确对刀可采用试切小直径球面对刀件方法，或采用与刀具垂直的CCD光学对刀装置补偿偏置量。

图2 刀具的水平偏置

2.2 垂直偏置

将车削好的工件放入曲率半径测定仪进行检测，测得的结果与理论值对比，再通过显微镜观察加工表面中心处是否存在圆柱体或圆锥体，调整刀具位置设置，重复进行加工，测量，调整，直到可以较好的确立刀具中心和主轴旋转中心的位置关系。如果存在圆柱体或圆锥体，如图3，即刀尖平面低于或高于XOZ平面。若刀尖平面高于XOZ平面，会损坏刀具切削刃，低于XOZ平面，则不会。对刀时，可使用LVDT对刀装置修正垂直偏置。

图3 刀具存在的垂直误差

3 切屑与积屑瘤

Optoform40车床的主轴旋转速度可达到10，000rpm，属于高速切削。选用压缩空气冷却，不仅可将切屑吹离切削区域，而且可使刀具温度保持恒定。若切屑残留在刀尖顶部参与镜面车削过程，通过曲率半径测定仪观察会发现车削表面存在圆环带状条纹。这时，需要改变冷却管的位置，即压缩空气的气流方向，使气流吹向刀尖与被加工表面处，使切屑经被加工表面反弹出去。由于切屑的硬度与工件接近，不会划伤工件表面。若检测后工件表面仍存在圆环带状条纹，则说明刀尖上存在积屑瘤，须按照规定方法清洁金刚石刀尖。

4 粗糙度

根据上式，在进给量不变的情况下，增大刀尖圆弧半径可减小表面粗糙度。因为刀刃半径愈大，表示切削面积愈大(即切削力增大)，因此会造成工件材料表面的推挤变形，使得工件表面粗糙度劣化。当然，材料的推挤变形与工件材料本身的机械特性有关，在决定切削参数时，除了要考虑材料的切削性外，也应考虑切削力所造成的材料变形。

在超精密车削中，当切削深度、进给量、切削速度和切削刃等参数在超精密切削条件范围内变动时，切削刃越锋利，即切削刃钝圆半径越小，获得的加工表面质量越好［9-10］。因此为得到一定的表面粗糙度，需要根据刀刃圆弧半径与主轴转速决定适当的精车削的进给速率。通常根据上述原则决定适当的切削参数即可得到理想的表面粗糙度。

采用圆弧刃金刚石刀具进行超精密车削加工时，在工件表面会形成轮廓峰和轮廓谷，它们之间的距离被称为理论粗糙度δ(p－v)，其大小为［8］：