隐形眼镜模具超精密加工与测量的集成方法研究*

赵 亮 程 凯 丁 辉 顾 彦

(①哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；②江苏工大金凯高端装备制造有限公司，江苏 丹阳212300 )

隐形眼镜是一种戴在眼球角膜上，用以矫正视力或保护眼睛的镜片。它不仅从外观和方便性方面给佩戴者带来了很大的改善，同时也在控制各类视力缺陷方面发挥了特殊的功效[1-2]。当前，全球大约有1.5亿隐形眼镜配戴者，镜片品种繁多，且用量巨大[3]。

目前，隐形眼镜的制作方法主要分为离心成型法、模压成型法和车削成型法3大类，其中，模压成型法因其加工效率高、成本低以及佩戴舒适度佳等优点得到最为广泛的应用，目前绝大多数的隐形眼镜都是通过模压工艺进行生产[4]。

模压成型法就是采用超精密加工技术制造模具, 然后精密注塑成型的大规模组合批量生产的方法[4-5]，如图1所示。在该方法中，金属模具(模具)的超精密加工与检测是实现镜片精密生产制造的技术关键和瓶颈环节，也是保证隐形眼镜最终质量的基础条件，在整个工艺链中至关重要。同时，模具在镜片生产中具有一定时效性，属于消耗品，需要多型号、大批量制作。因此，研究隐形眼镜模具超精密加工与测量的高效集成方法在产业上是十分急需和必要的。

1 隐形眼镜模具的面型特点与高精度要求

一组隐形眼镜模具通常由凹模、凸模两部分组成，分别对应隐形眼镜的内、外表面，材料以铜、铝等有色金属为主[7]。以凸模为例，其视觉功能区通常由圆滑过渡的多段圆弧沿中心轴线回转而成，不同的视力状况对应不同曲率的回转圆弧，这就是常见的隐形眼镜模具设计方法，如图2所示。

在加工过程中，模具形状和尺寸出现偏差会导致镜片功能光度的改变，影响佩戴效果，严重时还可能对人的视力造成损害。因此，保证模具加工的形状、尺寸精度以及良好的表面粗糙度是控制隐形眼镜质量的关键[6]。

通常情况下，模具加工结束之后会采用专业的验光仪器对其形状、尺寸进行检测，如ROTLEX公司的BRASS 型曲率半径测试仪，其中，模具中心圆弧曲率R1是检测重点，要求加工误差≤5 μm。然后再用白光干涉仪、轮廓仪等仪器检测模具的表面质量，要求Ra≤15 nm。此方法流程复杂，且并未建立加工因素对检测结果的影响规律，只能通过被动补偿和反复测试进行调整，效率偏低，废品率也较高。

目前，以现有的单点金刚石车削加工技术可以很容易满足模具表面Ra≤15 nm的质量要求，此处不再讨论。

本文根据模具的形状特征及精度要求重点分析了影响其面型质量的主要因素，并基于检测设备的工作原理，构建出加工误差与影响因素之间的数学关系模型，利用检测结果快速确定误差原因并进行修正，为提高模具加工质量与效率提供支持。

2 模具的超精密加工试验设计与分析

2.1 超精密加工试验条件

本文以美国Moore公司所生产的Nanotech 250 UPL超精密单点金刚石车床为主要加工设备，结合高精度光学表面轮廓仪Zygo-ZeGage，开展隐形眼镜模具的超精密加工与检测集成方法研究，如图3所示。

Nanotech 250UPL单点金刚石车床采用超精密气浮主轴及液体静压导轨系统，具有极高的运动控制精度和工作稳定性，Zygo-ZeGage轮廓仪采用非接触式的相干扫描干涉术成像和测量样品，对工件表面粗糙度以及局部面型具有良好的检测效果，设备主要性能参数如表1所示。

表1 设备/仪器主要性能参数

2.2 模具高加工精度的影响因素分析

分析模具的超精密车削过程可以知道，机床运动精度、刀具尺寸精度和刀具位置精度是影响其加工质量的3个主要因素。

从表1中的设备性能参数可知，本实验中机床自身的运动控制精度为纳米级，对模具加工精度造成的影响完全可以忽略不计；机床自带的光学测刀系统也可以实现对刀尖圆弧半径±2 μm内的重复测量，且此类误差很容易通过检测与补偿进行消除，本文不做详细分析。

同前两个因素相比，刀具空间位置不太容易进行精准测量[7-10]，包括刀尖距主轴回转中心的水平距离x以及竖直方向的高度差h，如图4所示。

x与h的数值往往需要利用对刀块通过“多次试加工—检测—调整”的过程来反复修正，最终依然会有微米级的误差无法精准识别，而该误差会直接影响模具最终的形状精度和检测结果，是制约模具加工质量的主要因素。因此，本文重点针对刀具位置误差的检测方法及其对模具加工精度的影响规律来探索模具超精密加工及检测一体化的集成方法。

2.3 金刚石刀具位置误差对加工精度的影响

如图5所示，竖直方向的对刀误差有刀尖偏低与刀尖偏高两种形式[11-12]。刀尖偏低会导致对刀块中心残留微小圆柱，圆柱半径值即为切削刃与回转中心高度差h；刀尖偏高时会在工件中心残留微小锥形结构，锥面倾角ω等于刀具后角α0，圆锥底部半径即为切削刃高出回转中心的距离h。借助显微镜、轮廓仪等仪器，以上两种情况较为容易识别，可快速精准排除。

假设刀尖在距工件回转中心的水平距离为x，其测量值为x1，实际值为x2，水平对刀误差x′=x1-x2。从图4可知，x′>0时，加工过程中刀尖会越过回转中心，出现过切，但不会影响加工平面的面型；当x′<0时，刀尖不能到达回转中心，中心处形成加工残留[13]，但因为刀尖圆弧半径较大，当x′<0且|x′|≈0时候，很难用普通显微镜和轮廓仪精准检测到中心处形成的加工残留。

综上所述，竖直方向的对刀误差h很容易识别与排除，水平方向的对刀误差x′才是影响模具加工质量的主要因素，如图6所示。

从图6可以看出，当x′>0时，刀具过切，模具径向尺寸偏小；x′<0时，模具中心形成微小加工残留，径向尺寸偏大。两种情况都会造成模具中心处变形，影响镜片质量。因此，开发出精准检测x′值的方法是提高模具加工速度和成品率的关键，也是实现模具超精密加工与测量集成方法的核心。

如图7所示，本研究采用Zygo-ZeGage轮廓仪为主要检测仪器，该设备可以通过面型拟合的方法输出被检区域的球径、中心高以及表面粗糙度等数据，因此，通过研究x′对球径检测值的影响规律，得到x′关于球径检测值r的数学计算模型，便可以通过检测结果快速确定x′值，从而进行精准修正。

3 水平对刀误差x′的计算分析

3.1 x′的数学计算模型

以x′>0，刀具过切为例，图8显示了x′对模具球径检测值的影响。大圆为理想轮廓，其半径值为R，小圆为实际轮廓通过面型拟合所得，其半径值为r，另外，b为模具实际检测范围在竖直投影方向的半径值，w1为理想轮廓的1/4圆心角，w2为实际轮廓对应其拟合圆周的1/4圆心角。

分析图8可知，水平对刀误差为：

x′=x1-x2

(1)

(2)

(3)

(4)

当模具外形轮廓在水平方向只做非常微小变化，即x′非常小时，w1≈w2。则：

(5)

则水平对刀误差为

(6)

由此可知，利用检测得到球径r、标准球径R以及检测范围半径b可以计算得出水平对刀误差x′。当r0，刀具过切；当r>R时，x′<0，工件中心存在加工残留。

实际检测过程中通常为大球径、小区域检测方式，图8中w1值非常小，式(5)中的

2sinw1×cosw1=sin2w1≪1

故：

R-r≫x′

即被检工件的标准球径R与检测所得球径r的差值是水平对刀误差x′的放大体现，更容易被检测出来，由此推导得出的x′也更加精确。

3.2 计算模型的超精密加工-检测集成验证

分别选择0°、550°、900°的近视镜片模具为加工、检测对象，使用Zygo的20倍光学镜头，镜头通过图像拼接方式将检测范围竖直投影方向的半径值b设定为0.8 mm。

已知上述3种模具中心圆弧理想的曲率半径分别为7.63 mm、8.55 mm、9.42 mm，以上一节得出的数学模型为指导进行加工、检测试验，以此来验证模型的正确性，结果如表2所示。

表2 试验结果

从表2结果可以看出，利用本模型，结合Zygo轮廓仪的精密检测功能，可以通过(R-r)值将水平对刀误差x′以近10倍的方式展现出来，为更精准地测定刀具位置提供支持。使用本数学模型可以快速、精确地修正对刀误差，将隐形眼镜模具的超精密加工与检测进行有效结合，得到稳定、可靠的理想产品，如图9所示，大大提高了加工质量和效率。

4 结语

水平方向的对刀误差x′是影响隐形眼镜金属模具超精密加工质量和效率的主要因素。本文构建了一种通用的数学模型，借助Zygo轮廓仪，可以通过面型检测数据对微小的对刀误差x′进行精确计算。该数学模型将模具的超精密加工—面型检测—误差修正的过程进行了有效集成，大大提高了模具的超精密加工质量和生产效率。本模型已通过如上所述的实际超精密加工验证，对其他同类产品的超精密加工同样具有实际工业应用价值和理论意义。