段振云，解寶利，張福利，姜寶光

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870;2.沈陽(yáng)綠谷生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司醫(yī)療器械研發(fā)部，沈陽(yáng) 110163)

0 引言

白內(nèi)障一旦影響生活，摘除混濁的晶狀體后再植入人工晶體是一種常規(guī)的治療方式［1］。隨著人口總數(shù)的增加和人口老齡化的加劇，新發(fā)盲人還在迅速增加。因此，我國(guó)急需大量既具有良好性能，又具有較高質(zhì)量的人工晶體。國(guó)外對(duì)人工晶狀體材料和加工技術(shù)已經(jīng)研究的相當(dāng)深入，從產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、加工及檢測(cè)設(shè)備到質(zhì)量控制都近乎完善，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，而國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)屈指可數(shù)，材料和生產(chǎn)、檢測(cè)等設(shè)備均需從國(guó)外進(jìn)口，與國(guó)外生產(chǎn)水平存在較大差距，人工晶狀體的研究主要集中在眼科領(lǐng)域，對(duì)材料和加工技術(shù)的研究尚淺。本文對(duì)人工晶狀體的加工工藝進(jìn)行研究，主要分析對(duì)刀過(guò)程中刀具偏置對(duì)表面質(zhì)量的影響。

1 刀具插補(bǔ)路徑

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在加工圓弧時(shí)通常采用逐點(diǎn)比較法通過(guò)代數(shù)運(yùn)算逐點(diǎn)計(jì)算和判別運(yùn)動(dòng)偏差［2-3］。本文以O(shè)ptoform 40車(chē)床為研究對(duì)象，該機(jī)床使用dxf文件定義切削路徑［4］，插補(bǔ)方式是由JFL file和MNI file決定。JFL file的插補(bǔ)方式為點(diǎn)到點(diǎn)式，通過(guò)軟件計(jì)算圓弧上點(diǎn)的XY坐標(biāo)，再由X、Y軸進(jìn)行插補(bǔ);而MNI file的插補(bǔ)方式與JFL file類(lèi)似，但采用圓弧過(guò)渡，如圖1所示。

圖1 刀具插補(bǔ)方式

JFL file創(chuàng)建的路徑在插補(bǔ)精度上較逐點(diǎn)比較法有較大提高，但加工后會(huì)在加工表面留下螺旋狀加工路徑［5］;MNI file創(chuàng)建的刀具路徑就消除了這種現(xiàn)象。

2 對(duì)刀

在Optoform 40的刀架上設(shè)有水平標(biāo)準(zhǔn)面和垂直標(biāo)準(zhǔn)面。對(duì)刀時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)具裝在旋轉(zhuǎn)盤(pán)上，可記錄各刀尖位置與標(biāo)準(zhǔn)面的水平偏差;亦可將各刀尖平面調(diào)整到與主軸旋轉(zhuǎn)軸線同一高度［6］。刀尖曲率半徑的測(cè)量誤差ΔR會(huì)直接影響工件的面形精度。若ΔR＞0，實(shí)際加工半徑大于理論半徑;若ΔR＜0，實(shí)際加工半徑小于理論半徑。若車(chē)削加工的坐標(biāo)系原點(diǎn)與主軸旋轉(zhuǎn)中心在垂直和水平方向有偏差，即刀具存在水平偏置與垂直偏置［7］。在刀具偏置坐標(biāo)系中，用Δx和Δy定義刀具的水平偏置量和垂直偏置量，ρ為回轉(zhuǎn)中心到曲面上切削點(diǎn)的距離。

將上式寫(xiě)成徑向坐標(biāo)x關(guān)于ρ的函數(shù)為：

將上式寫(xiě)成如z=z(x)的函數(shù)為：

根據(jù)刀具偏置量計(jì)算矢高誤差并可將其減小到一定程度。

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)ρ遠(yuǎn)大于刀具偏置，如ρ?Δx，Δy，式2的二次展開(kāi)式為

在回轉(zhuǎn)中心，刀尖半徑先于Δx決定加工面形，Δy導(dǎo)致外觀缺陷，根據(jù)上式所述，垂直偏置對(duì)面形的影響小于水平偏置。Δy在式中僅存在于偶次冪中不同于Δx，他們是相關(guān)聯(lián)的，當(dāng)y方向存在可見(jiàn)的刀具偏置時(shí)，很難將二者區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此，在加工過(guò)程中首先要消除垂直偏置Δy。

將刀具與標(biāo)準(zhǔn)平面調(diào)到同一高度，可消除垂直偏置：

消除垂直偏置后，矢高差為：

若r?ρ，那么上式的二次展開(kāi)式為：

忽略式中水平偏置所在的高次項(xiàng)，則：

下面分析僅存在刀具水平偏置或垂直偏置對(duì)車(chē)削面形的影響。

2.1 水平偏置

XOZ坐標(biāo)系中，車(chē)削凸球面過(guò)中心時(shí)，車(chē)削圓弧方程為：

車(chē)刀向X軸偏置后，車(chē)刀車(chē)削圓弧方程為：

錐形缺陷高度為h：

車(chē)削未過(guò)中心時(shí)，如圖2所示，刀具水平偏置后車(chē)削凸球面，AO為主軸旋轉(zhuǎn)中心，刀具水平偏置A'A=AA"=X，刀具水平偏置實(shí)際上只是將理想加工軌跡沿水平方向進(jìn)行了平移，其影響是造成實(shí)際車(chē)削表面的曲率半徑的變化，R為刀具無(wú)水平偏置時(shí)車(chē)削球面的半徑，AO=R，R'為存在刀具水平偏置時(shí)車(chē)削球面的半徑，根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到刀具水平偏置后車(chē)削球面的半徑為：

所以刀具水平偏置后將造成車(chē)削球面半徑的變大。A'A"區(qū)域?qū)⒃斐身旤c(diǎn)的車(chē)削空白區(qū)域，形成微觀缺陷。調(diào)整方法有兩種：

粗調(diào)：更改X@Spin CL值，采用試切法來(lái)調(diào)整刀尖與主軸軸線的相對(duì)位置。

微調(diào)：更改Tip Radius值，若測(cè)得的曲率半徑值大于理論的曲率半徑值則減小刀具半徑值(即Tip Radius值);若測(cè)得的曲率半徑值小于理論的曲率半徑值則增大刀具半徑值。

LVDT對(duì)刀裝置在水平方向?qū)Φ逗偷都獍霃絉的測(cè)量誤差一般在0.02mm以上，只能作為初步對(duì)刀，要實(shí)現(xiàn)精確對(duì)刀可采用試切小直徑球面對(duì)刀件方法，或采用與刀具垂直的CCD光學(xué)對(duì)刀裝置補(bǔ)償偏置量。

圖2 刀具的水平偏置

2.2 垂直偏置

將車(chē)削好的工件放入曲率半徑測(cè)定儀進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得的結(jié)果與理論值對(duì)比，再通過(guò)顯微鏡觀察加工表面中心處是否存在圓柱體或圓錐體，調(diào)整刀具位置設(shè)置，重復(fù)進(jìn)行加工，測(cè)量，調(diào)整，直到可以較好的確立刀具中心和主軸旋轉(zhuǎn)中心的位置關(guān)系。如果存在圓柱體或圓錐體，如圖3，即刀尖平面低于或高于XOZ平面。若刀尖平面高于XOZ平面，會(huì)損壞刀具切削刃，低于XOZ平面，則不會(huì)。對(duì)刀時(shí)，可使用LVDT對(duì)刀裝置修正垂直偏置。

圖3 刀具存在的垂直誤差

3 切屑與積屑瘤

Optoform40車(chē)床的主軸旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)到10，000rpm，屬于高速切削。選用壓縮空氣冷卻，不僅可將切屑吹離切削區(qū)域，而且可使刀具溫度保持恒定。若切屑?xì)埩粼诘都忭敳繀⑴c鏡面車(chē)削過(guò)程，通過(guò)曲率半徑測(cè)定儀觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)車(chē)削表面存在圓環(huán)帶狀條紋。這時(shí)，需要改變冷卻管的位置，即壓縮空氣的氣流方向，使氣流吹向刀尖與被加工表面處，使切屑經(jīng)被加工表面反彈出去。由于切屑的硬度與工件接近，不會(huì)劃傷工件表面。若檢測(cè)后工件表面仍存在圓環(huán)帶狀條紋，則說(shuō)明刀尖上存在積屑瘤，須按照規(guī)定方法清潔金剛石刀尖。

4 粗糙度

根據(jù)上式，在進(jìn)給量不變的情況下，增大刀尖圓弧半徑可減小表面粗糙度。因?yàn)榈度邪霃接?，表示切削面積愈大(即切削力增大)，因此會(huì)造成工件材料表面的推擠變形，使得工件表面粗糙度劣化。當(dāng)然，材料的推擠變形與工件材料本身的機(jī)械特性有關(guān)，在決定切削參數(shù)時(shí)，除了要考慮材料的切削性外，也應(yīng)考慮切削力所造成的材料變形。

在超精密車(chē)削中，當(dāng)切削深度、進(jìn)給量、切削速度和切削刃等參數(shù)在超精密切削條件范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，切削刃越鋒利，即切削刃鈍圓半徑越小，獲得的加工表面質(zhì)量越好［9-10］。因此為得到一定的表面粗糙度，需要根據(jù)刀刃圓弧半徑與主軸轉(zhuǎn)速?zèng)Q定適當(dāng)?shù)木?chē)削的進(jìn)給速率。通常根據(jù)上述原則決定適當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)即可得到理想的表面粗糙度。

采用圓弧刃金剛石刀具進(jìn)行超精密車(chē)削加工時(shí)，在工件表面會(huì)形成輪廓峰和輪廓谷，它們之間的距離被稱(chēng)為理論粗糙度δ(p－v)，其大小為［8］：

5 結(jié)論

單晶金剛石刀具是超精密車(chē)削加工的理想工具。本文對(duì)影響工件表面質(zhì)量的幾種主要因素進(jìn)行了研究，指出刀具插補(bǔ)路徑、對(duì)刀、刀尖圓弧半徑對(duì)人工晶狀體表面質(zhì)量的影響，主要分析了對(duì)刀過(guò)程中刀具偏置對(duì)面形精度的影響，在刀具偏置中，水平偏置對(duì)面形精度影響較大，對(duì)提高人工晶狀體加工質(zhì)量具有重要意義。

［1］劉洋，鐘彬，武方軍，等.老年性白內(nèi)障患者不同人工晶狀體植入術(shù)后對(duì)比敏感度的對(duì)比觀察［J］.中國(guó)傷殘醫(yī)學(xué)，2011，19(3)：62 －63.

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