镜片的材料（精选9篇）
镜片的材料 篇1
第二章 基本镜片材料
镜片材料采用透明的介质，主要分为无机和有机二大类。在我们的日常生活还会碰到一种天然介质水晶镜片，这是用石英矿磨制成的镜片。古代有水晶能养颜明目的说法，但事实上水晶的主要成分是二氧化硅（sio2），最大优点是硬性度高且不易受潮，但紫外线及红外线的透过率较高，而且水晶中密度不均匀，含杂质，有条纹及气泡等到产生，会形成双折射现象，从而影响视力。
一、无机材料--玻璃
玻璃是非常特殊的不定型材料，在常温下呈现固体，坚硬但易碎，在高温下具有粘性。玻璃没有固定的化学结构，因而没有确切的熔点。随着温度的上升，玻璃材料会变软、粘性增加，并逐渐由固体变为液体，这种逐渐变化的特性我们称之为“玻璃状态”。这一特性意味着玻璃在高温时可以被加工和铸型。玻璃材料制成的镜片具有良好的透光性、表面抛光后更加透明的优点。
（1）普通玻璃材料（1。5和1。6）：折射率为1.523的冕牌玻璃是传统光学镜片的制造材料，其中60%~70%为二氧化硅，其余则由氧化钙、钠和硼等多种物质混合。有时也将折射率为1.6的镜片划归普通镜片。
（2）高折射率玻璃材料：经过多年的研究，镜片制造商已经找到了在提高材料折射率的同时又保持低色散的方法，即在玻璃中加入新的化学元素。
早在1975年就生产出了含钛元素的镜片，折射率为1.7，阿贝数为41；15年之后又生产出了含镧元素的镜片，折射率为1.8，阿贝数为34；1995年出现折射率为1.9的材料，加入了元素铌，阿贝数为30，这是目前折射率最高的镜片材料。虽然采用这些材料所制造的镜片越来越薄，然而却没有减少镜片的另一重要参数：重量。实际上，随着折射率的增加，材料的比重也随之增加，这样就抵消了因为镜片变薄而带来的重量上的减轻。
（3）染色玻璃材料：在玻璃材料中混合入一些具有特殊吸收性质的金属盐后会表现出着色的效果，例如：加镍和钴（紫色），钴和铜（蓝色），铬（绿色），铁，镉（黄色），金，铜和硒（红色）等等。这些染色镜片材料主要应用于大规模地生产平光太阳镜片或防护镜片。一些具有特殊过滤性质的浅色材料（棕色、灰色、绿色或粉红色）也被用于生产屈光矫正镜片，但象这种镜片的材料现在的需求并不多，主要原因是由于近视或远视镜片的中心厚度与边缘厚度不同，从而使镜片的颜色深浅不一致，屈光度越高，颜色差异就越明显。
（4）光致变色玻璃材料：光致变色现象是通过改变材料的光线吸收属性，使材料对太阳光强度作出反应的一种性质。它的基本原则是使普通的玻璃（包括塑料光致变色材料）在紫外线辐射的影响下颜色变深，以及在周围高温的影响下颜色变淡，这两个过程是可逆的，而且可能一直存在。这一现象是通过激活在材料中混合的光致变色物质的分子而完成的。1962年出现了第一代光致变色玻璃材料,此后性能不断得到改良。其主要是在玻璃材料中加入了卤化银晶体。这些晶体在紫外线击幅射下起化学反应，使镜片的颜色变深。第一代光致变色玻璃材料的变色原理是银原子和氯原子之间的一种电子交换，通过氯化银和周围的环境来表现。在没有光线的条件下，氯化银呈离子态，因银离子是透明的，所以镜片也是透明的；而在紫外线辐射下，不稳定电子离开了氯离子，与银离子结合为金属银并吸收光，镜片则变深。当紫外线辐射减弱，移动电子离开银原子返回氯原子，镜片逐渐恢复了原先的清澈状态。对一般的光致变色玻璃，变色同时也受到温度的控制，在光照度不变时，温度越低则颜色越深。光致变色材料大多是灰色和棕色的，俗称灰变和茶变，其它的颜色也可以通过专门的工艺达到。所有的眼镜片，包括熔化双焦点镜片、渐进镜片都可以使用光致变色材料制造。近年来，光致变色树脂镜片的发展较快，材料在不断改良，其折射率已不再局限于1.50。
二、有机材料
有机材料可以分为两大类：热固性材料，具有加热后硬化的性质，爱热不会变形，眼镜片大部分以这种材料为主，如CR-39。热塑性材料，具有加热后软化的性质，尤其是适合热塑和注塑，聚碳酸酯PC就是这种材料。
（1）热固性材料
1）普通树脂材料：（CR-39）
学名碳本酸丙烯乙酸，或称烯丙基二甘醇酸脂（Dially Glycol Carbonates），是应用最广泛的生产普通树脂镜片的材料。它于四十年代被美国哥伦比亚公司的化学家发现，是美国空军所研制的一系列聚合物中的第39号材料，因此，被称为CR-39（哥伦比亚树脂第39号）。CR-39被用于生产眼用矫正镜片是在1955~1960年，是第一代的超轻、抗冲击的树脂镜片。CR-39作为一种热固性材料，单体呈液态，在加热和加入催化剂的条件下聚合固化。聚合是一个化学反应，即由几个相同分子结构的单体组成的一个新的聚合体分子，具有不同的长度和性质。作为光学镜片，CR-39材料性质的参数十分适宜：折射率为1.5（接近普通玻璃镜片）、密度1.32（几乎是玻璃的一半）、阿贝数为58~59（只有很少的色射）、抗冲击、高透光率，可以进行染色和镀膜处理。
它主要的缺点是耐磨性不及玻璃，需要镀抗磨损膜处理。树脂镜片可采用模式压法加工镜片表面的曲率，因此很适用于非球面镜片的生产。
2）中高折射率树脂材料：今天大部分的中折射率和高折射率材料都是热固性树脂，其发展非常迅速。它们的折射率可以使用以下任意一种技术来增加：改变原分子中电子的结构，例如：引入苯环结构；在原分子中加入重原子，诸如卤素（氯、溴等）或硫。与传统CR-39相比，用中高折射率树脂材料制造的镜片更轻、更薄。它们的比重与CR-39大体一致（在1.20到1.40之间），但色散较大（阿贝数45），抗热性能较差，然而抗紫外线较佳，同时也可以染色和进行各种系统的表面镀膜处理。使用这些材料的镜片制造工艺与CR-39的制造原理大体一致。现在1.67的树脂材料已广泛流行，而且象1.7的树脂材料也已在市场上有销售。视光业的专业人员正不断研制开发新材料，改良原有材料，以期树脂材料在将来获得更好的性能。
3）染色树脂材料：用于制造太阳眼镜镜片的基本上都是聚合前加入染料而制成的，特别适合大批量制造各色平光太阳镜片，同时在材料中加入可吸收紫外线的物质。
现在的一项技术即是使用浸泡在溶有有机色素的热水中，常用的染料有红色、绿色、黄色、蓝色、灰色、和棕色，根据需求可任意调染，颜色的深浅也可以控制，可以将整片镜片染色成一种颜色，也可以染成逐渐变化的颜色，例如镜片上部深色，往下逐渐减浅，即俗称的双色或渐进色。有机材料的出现，解决了屈光不正者配戴太阳眼镜的问题。
4）光致变色树脂材料：第一代光致变色树脂镜片大约出现在1986年，但是直到1990年第一代Transi-tion镜片面市后，它才真正开始普及。光致变色效果是在材料中加入了感光的混合物而获得的，在特殊波段的紫外线辐射作用下，这些感光物质的结构发生变化，改变了材料的吸收能力。这些混合物与的结合主要有两种方法：在聚合前与液态单体混合，或在聚合后渗入材料中（Transition镜片就采用后一种方法）。光致变色树脂镜片采用几种光致变色物质，在最后的制造中使这些不同的
变色效果结合起来，这使得镜片变色不但迅速，而且不完全受温度的控制。
一种新型的光致变色树脂镜片已于1993年投放市场，这种镜片采用树脂材料作片基，用渗透法在镜片的凸面渗透了一层光致变色材料，然后再镀上一层抗磨损膜，起保护和而磨作用。这项工艺技术可以使镜片的变色不会随屈光度数的加深而出现镜片中央与周围深浅不一的情况，弥补了玻璃变色的不足。再加上片基是树脂材料，轻且抗冲击，所以这种镜片特别适合用于各种屈光不正者使用。（2）热塑性材料（聚碳酸酯，POLYCARBONATE，简称PC）
热塑性材料如PMMA早在五十年代就被首次用于制造镜片，但是由于受热易变形及耐磨性较差的缺点，很快就被CR－39所替代。然而今天，聚碳酸酯的发展将热塑性材料带回了镜片领域，并被视光业专业人士认可为21世纪的主导镜片材料。实际上，聚碳酸酯也不是一种新材料，它大约在1995年就被发现了，但真正在视光领域的使用仅仅是近几年，它在历经了数年的研制和多次的改进之后尤其是应用于CD产业，其光学质量已其它镜片材料相媲美。
聚碳酸酯是直线形无定型结构的热塑聚合体，具有许多光学方面的优点：出色的抗冲击性（是CR－39的10倍以上），高折射率（ne=1.591,nd=1.586),非常轻（比重＝1.20g/立方厘米），100%抗紫外线（385nm),耐高温（软化点为140 °C/280 °F）。聚碳酸酯材料也可进行系统的镀膜处理。它的阿贝数较低（Ve=31,Vd=30),但在实际中对配戴者并没有显著的影响。在染色方面，由于聚碳酸酯材料本身不易着色，所以大多通过可染色的抗磨损膜吸收颜色。
镜片的材料 篇2
验光镜片的理想状态应该是几何中心与光学中心一直, 但在加工过程中难免会出现误差。光学中心位移是指验光镜片的几何中心与光学中心分离了, 镜片的光学中心没有在镜片的中心处。眼光镜片上标注的屈光度是指光学中心处的度数, 如果使用光学中心位移超误差的验光镜片给人眼验光, 显然所得到的矫正屈光度就有误差了, 继而所配制眼镜的质量及舒适度就很难保证了。这样不但起不到矫正视力的作用, 严重的话还会损害眼睛。由此看来, 计量部门对验光镜片箱的检定是十分必要的。验光镜片光学中心位移的检定, 只是验光镜片箱检定中的一项, 但很重要, 它直接关系到配制眼镜的质量。
在验光镜片箱检定规程JJG579—2010中对光学中心位移的检定方法是这样规定的:将被测镜片刻字面朝上放在焦度计的镜片支座上, 移动被检镜片, 使被检镜片的几何中心位于镜片支座的几何中心处。为减少测量误差, 应细微转动镜片, 使垂直方向的棱镜度为零。此时, 在水平方向得到的棱镜度示值, 即为被检镜片的光学中心位移。在这条规定中, 使镜片的几何中心位于镜片支座的几何中心处是关键, 因为只有镜片的几何中心处于镜片支座的几何中心, 才能实施对眼光镜片中心位移的检定。镜片的几何中心和支座的几何中心都是没有标注的, 无法直接将镜片的几何中心放于镜片支座的几何中心处, 那么如何使镜片的几何中心位于镜片支座的几何中心呢?研究者经过反复地实践与论证, 总结的方法如下, 供大家参考。
1验光镜片几何中心的标定
选一屈光度为0.12或0.25的球镜片, 正负都行, (注意:屈光度越小, 越接近平光镜, 几何中心与光学中心更容易趋于一致, 几乎没有光学中心位移。) 在被选镜片上画两条直径, 交点即为该镜片的几何中心, 为区别焦度计的红印油, 用黑笔打点标记。
2使镜片的几何中心固定于焦度计镜片支座的几何中心
将验光镜片放在焦度计的镜片支架上, 使成像中心与分划板中心重合。然后打点, 此印点即为镜片的光学中心。观察此点与先前的几何中心印点是否重合, 如果不重合, 换一验光镜片继续前面的动作, 直至找到两点重合的镜片。一般情况下, 屈光度数最小的镜片几何中心与光学中心都是重合的。
再次把此镜片放在焦度计的支架上, 然后用右手转动镜片台移动柄, 左手扶稳镜片, 使镜片支架上的验光镜片边缘与镜片台靠紧;继续转动镜片台移动手柄, 使镜片与镜片台同时移动, 直到镜片的成像中心与分划板的十字线重合。标记镜片台落在镜片支架标尺的刻度, 此刻度就是焦度计上该镜片的几何中心位置。也可以转动镜片台刻度环, 用刻度环读数标记镜片的几何中心位置。
眼光镜片的几何中心在焦度计的镜片支架上的位置标定好后, 检定验光镜片时, 只需要将镜片台推到标定好的位置, 将被检镜片放在焦度计的镜片支架上, 按下镜片固定器, 将被检镜片固定好, 轻推镜片, 使靠近镜片台的镜片的边缘紧贴镜片台;再轻轻转动镜片使被检镜片的成像中心与分划板的十字线重合、垂直方向的棱镜度为零, 此时, 在水平方向得到的棱镜度示值, 即为被检镜片的光学中心位移。
因为验光镜片箱是按国家标准生产的, 外框尺寸都是一样的。所以, 对于一台焦度计只需要标定一次几何中心位置。如果在检定过程中发现连续多片眼光镜片的中心位移都偏大, 第一要及时检查镜片台是否处在标定好的位置上, 如有偏移, 就要重新调整镜片台, 使它重新回到标定好的位置上;第二用卡尺量被检镜片的外径, 看眼光镜片的外框尺寸是否有偏差, 如果是这个问题, 只需要重新标定镜片台的位置, 方法如上。如果被检镜片的外框尺寸没有偏差, 就可以认定是验光镜片的中心位移的误差。
这种方法可以很好地解决眼光镜片几何中心如何位于焦度计镜片支架几何中心的问题, 为正确的检定验光镜片箱提供了先决条件。
参考文献
[1]刘文丽.光学中心位移检定.中华人民共和国国家计量检定规程J J G 5 7 9—2010.
[2]杨晨皓, 汪芳润.关于验光配镜问题的几点认识与建议[J].中国实用眼科杂志, 2008, 26 (9) :892-893.
镜片的材料 篇3
关键词 眼镜片；镀膜加工；实验制备；教学设计
中图分类号：G642.423 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)03-0096-03
Experiment Instruction Design of Eyeglass Coating Process in R&D Center of Ophthalmic Lens//Li Yiyu
Abstract Experiment instruction design of eyeglass coating process is systematically described, which focuses on the choice and flexible use of teaching methods, highlight the importance of training in practical skills and engineering thinking for the undergraduates. The teaching content is designed in accordance with project-driven approach to improve the teaching quality. Through this experiment instruction, undergraduates not only master the use of advanced laboratory equipments, but also realize that theoretical and basic knowledge play an important role in the process of scientific research and practice.
Key words ophthalmic lens; coating process; experimental preparation; instructional design
Author’s address School of Optometry and Ophthalmology, Wenzhou Medical College, Wenzhou, Zhejiang, China 325027
眼镜学是研究眼镜及其应用的一门学科，是眼视光专业一门重要的基础课程。眼镜学不仅涉及眼科学、视光学，还与光学、材料学等有着紧密联系。以往受制于实验硬件条件不足，无法开展眼镜片加工的实验教学，只能通过参观眼镜生产企业，让学生对相关技术进行简单了解。由于缺乏具体的实践培训，学生对眼镜加工技术缺乏深入认识，单纯的理论教学模式效果不佳。眼镜片光学镀膜作为眼镜学实验教学的重点内容之一，具有多学科交叉、理论性强、浓厚的工程背景等特点。现在随着眼镜研发中心的建立和专用实验设备的配置完善，视光专业已经可以开设眼镜片光学镀膜的工艺实验课程，学生能够参与包括膜系设计、制备与性能检测在内的整个实验流程。
1 教学设计理念
把握高等院校培养视光专业科研与技能型人才的方向，注重理论知识的实践应用，通过项目式教学方法，安排大量的实践性教学环节，使理论与实践形成互补；完善视光专业的教学质量体系建设，补充工程技术的实践教学模块，建立具有光学工程特色的视光专业培养模式；重视技能传授与科研探索并重，培养学生从工程实践到基础科研的岗位适应能力，满足视光产业各层次的专业人才需求。
2 教学对象
授课对象是五年制的视光专业本科生。他们已经系统性地学习了应用光学和眼镜学这两门专业基础课程，具备一定的专业基础理论知识，对眼镜片设计、加工以及检测具有一定程度的了解，但还没有接触具体的工艺技术，尤其对眼镜片镀膜的工程技术较为陌生。通过本实验教学，能够使理论知识得到活学活用，同时激发出学生对新技术、新事物的学习兴趣。
3 教学目标和教学难点
通过本实验教学的实施，学生掌握眼镜片镀膜加工的完整工艺过程，锻炼并提高学生的科研与实验技能，这是教学的目标。在教师引导下，使学生合理分析工艺技术要求，选择合适的工艺方法，使用正确的加工材料，编写准确的工艺控制程序，培养学生独立分析问题和计划决策能力；以项目管理方式要求学生在规定时限内完成具体的技术指标任务，培养学生对加工流程的组织管理能力和科研工作的职责意识，这是教学的难点。
4 教学方法
针对学生的专业背景和本实验课工程技术性强的特点，采用以项目驱动法为主的教学方法，以眼镜片镀膜加工为中心任务，在完成膜系设计、制备、检测的完整过程中实现对学生实验技能、科研素质及组织管理能力的培养。项目驱动法分4个环节，即目标分析、项目分解、具体实施和检测评估，形成以学生为主体参与项目运行、以教师为引导推进实验项目进度的教学方式。
5 实习环境与条件配置
眼镜片研发中心拥有镜片镀膜设备共计3台，可满足镜片镀膜实验的需要；有检测设备5台，可满足膜层厚度测量、透过率测量、摩擦雾度实验、膜层硬度和附着力等实验的需要。
6 教学过程
6.1 目标分析
图1是所要制备的减反膜膜系结构设计以及理论计算的眼镜片镀膜后的透过率曲线，目标是完成该镜片减反膜的加工。
6.2 项目分解
从图纸中首先获得初步的加工信息，包括薄层厚度与折射率。根据膜层的折射率要求，教师引导学生讨论具体膜层的材料选择。对于低折射率材料，大部分学生会选择二氧化硅；对于高折射率材料，部分学生会选择二氧化钛，部分学生则会选择氮化硅。教师可以从镀膜设备、材料成本和加工效率3个方面协助分析，得出结论：由于使用磁控溅射镀膜系统，氮化硅和二氧化硅可以共用一个硅靶，节省原料，提高效率。进而学生作出决定：选择氮化硅作为高折射率材料。根据膜层厚度要求，教师引导学生讨论膜厚的监控方式。部分学生采用光学监控方式，部分学生采用石英晶振或时间监控方式。教师可以从眼镜片镀膜对膜厚控制精度的要求方面进行分析，得出结论：膜厚控制精度要求不高，而且是小批量试制，磁控溅射的工艺稳定性很好。学生作出决定：采用时间监控法进行膜厚的控制。
在确定膜层材料和监控方式之后，引导学生对下一步的具体工序进行思考和讨论，要求学生回答：编制镀膜加工工艺，选择镜片材料，选配镜片的工装夹具，编制工序进程文件，镀膜系统的操作，检测设备的校准和样品光学特性的测量等。
6.3 具体实施
引导学生思考在眼镜片镀膜加工时如何安排工艺工序问题。首先指导学生使用膜系设计软件对膜系结构进行优化设计，并计算薄膜的沉积时间，然后选择镜片基片。研发中心常备的镜片尺寸规格有F60、F65、F70，每种规格都按折射率分为1.50、1.56、1.60和1.67四小类，总共12种不同规格和折射率的镜片基片。让学生根据已知的膜系设计和镜片度数要求，选择一种镜片并作理由说明。这实际上就完成镜片镀膜加工的前期工序的准备。
在实际加工前，首先要编写膜层加工的程序文件。教师提出：镜片材料一般为有机的聚合物，容易产生静电形成灰尘吸附，难以清除，镀膜后会出现局部瑕疵。由此引出第一道工序——镜片表面的低压等离子预清洗。教师从原理上解释等离子体形成机理以及它对眼镜片表面的物理轰击和表面改性作用。第二步，让学生参考历史进程文件中的参数设置和与之对应的实际膜系的光谱特性，经过讨论回答：降低气体电离电压并增加反应气体的流量，可以降低薄膜材料的折射率；反之，则可以提高薄膜材料的折射率。学生会提出疑问：提高薄膜材料折射率的同时，镀膜镜片在短波区域的吸收相应增大，透过率降低，如何解决？电压提高使电离后氩离子的密度提高，膜层材料沉积速度加快，靶材原子未能与工作气体充分反应。由此，教师可给出针对性的解答并提出解决方案：减小氩气的流量，从而减少氩离子数量。第三步，教师提问：镜片的前后表面都需要制备减反膜，但镀膜系统一次只能在镜片单面制备减反膜，如何在不打开真空室的情况下，实现镜片的自动翻转和双面镀膜？引出镜片的自动翻面指令Flip。向学生展示镀膜系统中的镜片自动翻转机构，现场讲解并演示Flip指令的具体运行过程。与此同时，向学生演示镜片的行星夹具机构，采用图片放映方式让学生了解其他类型的夹具结构，通过比较，引导学生讨论回答：采用行星夹具可以满足眼镜片等球形表面镀膜的膜厚均匀性要求。加深学生对这套镀膜系统结构和性能的了解。
根据工序的安排，首先是镜片装架。教师先向学生演示用套圈固定镜片并将套圈固定于行星工件架的过程。教师提问：不同度数的镜片能否放在一起镀膜？引导学生从镜片度数与镜片面形的关系进行讨论，度数不同的镜片具有不同的面形高度，意味着不同度数的镜片在镀膜时与靶材的距离不同，薄膜材料的沉积速率也不同，影响薄膜质量的统一性，由此得出讨论结果：在同一批次镀膜的镜片中，度数差异越小越好。第二步，编写镀膜程序。5层减反膜只包含二氧化硅和氮化硅2种材料，引导学生用CXSiO和CXSiN两个指令对减反膜的制备程序进行编写。学生会提出疑问：CXSiO和CXSiN两个指令只能得到2种折射率的膜层材料，如何得到中间折射率的薄膜材料？引出渐变折射率薄膜制备指令varia，将其与CXSiO和CXSiN两个指令进行对比分析，加深学生对varia指令的理解与掌握。
镀膜系统操作练习和膜系实验制备时，首先由教师进行讲解和示范，重点介绍操作的流程规范，举例说明违规操作将引起的严重后果，增强学生在实验过程中的安全意识。镀膜系统属于大型实验设备，学生初次接触会有畏惧感和陌生感，影响实验教学效果，所以要注意帮助学生树立操控大型实验设备的信心，主要通过组织学生进行有序的设备操作练习，教师对设备工作原理进行详细讲解并在现场进行实时点评。镜片镀膜系统的自动化程度非常高，镀膜程序编写的准确性是学生进行镜片镀膜实验并获得成功的关键。为避免输入错误的工艺参数，学生在运行自行编写的镀膜程序之前，需要由教师对程序进行确认，避免因错误参数导致设备运行故障和实验失败。
6.4 检测评估
学生在完成眼镜片镀膜加工后，进行镀膜镜片的光学性能检测，主要是利用分光光度计测量镀膜镜片在可见光波段的透过率，出具检测报告，并与行业标准QB 2682-2005镀膜眼镜镜片减反射膜层性能质量要求中规定的技术指标进行比对。随后由教师进行项目完成情况评价。在整个实验教学过程中，学生掌握眼镜片减反膜的设计、镀膜工艺的安排、镀膜系统的基本操作以及镜片规格和膜层材料的合理选择，在编程过程中熟悉4种指令的运用和执行过程，获得操作镀膜系统等大型实验设备的实践经验，并在镜片镀膜实验过程中做到规范操作。
7 作业设计
设计2个层次的作业：1）必选作业，即总结实验过程，填写实验报告，掌握眼镜片镀膜加工技术要点和实验设备操作技能；2）探索与提升，即分析实验结果，提出工艺改进方案，尝试进行减反膜膜系的二次优化和镀膜程序的再编程，实现工艺循环优化。
参考文献
[1]瞿佳,姚进.眼镜学[M].北京:人民卫生出版社,2004
[2]郁道银,谈恒英.工程光学[M].北京:机械工业出版社,2006
厚镜片作文200字 篇4
我们通常近视眼戴的眼镜的镜片其实是有厚薄之分的。那些戴着很厚的镜片的人，就说明他们的眼睛已经非常的近视了，这个眼睛的度数也是非常高的了。
当然，我们这个眼镜的镜片的厚度就是跟我们眼睛的.度数是有关的。就拿我哥哥的眼镜的镜片来说，真的是有点厚了。好在现在的技术比较发达，虽然他的度数非常的高，我们依然可以把镜片做成相对来说比较薄一点。要不然，哥哥的镜片真的不知道要厚到什么程度了?虽然可以做成超薄型的，但在我看来，感觉还是有点厚的。
眼镜片自动分拣装置的设计与分析 篇5
近年来, 随着近视人口的逐渐增多, 我国对眼镜的消费量及生产量已经排在世界前列。然而受限于技术的约束, 眼镜片在实际生产过程不可避免地会出现许多微小瑕疵 (如气泡、划痕、杂质等) , 检测出这些疵病然后根据分级要求来确定镜片的质量等级就成了必不可少的一个环节。目前国内外大部分眼镜片生产商都是采用人工检测方法来对镜片进行检测和分级。然而这种检测方式存在许多缺点, 比如工作效率低、误检率高、过度依赖工人的经验, 而且对人眼伤害较严重。因此, 实现镜片瑕疵的检测及分级的自动化就显得尤为迫切和重要[1]。
1 自动分拣装置总体方案设计
市面上常见的镜片检测分拣机构多为带式直线型结构, 即在一条传送带上完成镜片的上料、检测、分拣[2], 如图1 所示。本研究采用三盘式结构设计:上盘、中盘和下盘, 如图2 所示。三个盘都是圆形结构, 其中上盘和下盘固定不动, 起到支撑和密封的作用。中盘位于上盘和下盘之间, 开有六个圆孔 (工位) , 每个孔中都装有夹持手, 用来夹持镜片。中盘由分割器通过传动轴连接, 可以实现精确的间歇圆周转动 (每次转动60°) , 其中动停比为1:3—转动时间为0.3S, 停止时间为0.9S, 以满足镜片的检测及自动分级分拣。经试验, 该机构具有结构紧凑, 体积小, 工作可靠的特点。
2 各个工位的说明
2.1 眼镜片自动进料
如图1 所示, 将镜片放入进料输送带上, 镜片随着传送带向前运动, 当镜片到达指定位置时, 传感器便会给控制系统发出信号, 触发气缸带动推杆将眼镜片推动到中盘的夹持手上, 然后推杆在内置弹簧的作用下复位, 从而完成工位一的自动进料工作。
2.2 眼镜片瑕疵检测
在工位一上料后的镜片随中盘和夹持手一起转动60°到达并暂停在工位二上, 安装在上盘上的检测装置 (CCD和光源) 便开始提取镜片中的疵病信息, 经过图像处理并与分级要求进行比对, 确定该眼镜片的质量等级, 从而完成了工位二的眼镜片瑕疵检测[3]。
2.3 眼镜片自动分级分拣
经过工位二后, 眼镜片已经被图像检测处理系统判定为某个质量等级, 然后随着中盘和夹持手继续转动, 在后面四个工位中的某个位置上, 镜片会被夹持手放置在该工位正下方的出料传送带上, 其中夹持手由单片机控制, 从而完成眼镜片的自动分级分拣, 这样镜片就被分为了四个等级。
3 传动系统
为了实现中盘的精密间歇转动, 本设计的传动系统由电机、减速器、分割器、传动轴 (中盘) 组成, 电机同减速器、分割器直接相连, 如图3所示。通过单片机控制电动机的启停, 进而控制分割器的工作, 而分割器的速度可以通过变频器进行调节[4]。
3.1 高速精密间歇分割器
凸轮分割器是依靠凸轮与滚针之间的无间隙配合, 并沿着既定的凸轮曲线进行重复传递运作的装置, 具有高速度、高分度精度、冲击噪音小的特点, 已成为间歇和步时机构的主要发展方向。
本装置的设计要求为:间歇分割定位等分S=6;动停时间比为1:3;入力轴之回转数n=30rpm;凸轮曲线为修正正弦曲线MS, 如图5, 驱动角 θ=270°;中盘及夹持手的总重量为35kg;实际负载扭矩Te=13.058kgf·m。根据以上资料和数据来选取分割器, 凡是入力扭矩高于计算的Te值均可选用。本研究选用台州永发精密间歇分割80DF。
3.2 减速器和电机
减速器和分割器之间的传动是空间传动, 由于蜗轮蜗杆传动具有结构紧凑, 承载能力高, 传动平稳, 噪声小, 并且易于获得很大的传动比, 故选用圆柱蜗杆传动。
根据分割器输入轴转速30r/min的要求, 而本研究选取电机Y132M-8 的额定转速为750r/min, 则传动比i=30/750=1:25。为了以后设备的产能提能等考虑, 本设计选用传动比1:15 的蜗轮蜗杆减速器, 然后通过变频器调节电机的转速来实现分割器入力轴转速为30 r/min的要求。
3.3 传动轴
在整个传动系统中, 传动轴是自制非标件, 它的作用是将分割器的精密间歇转动和动力传递到中盘上, 这就要求传动轴必须要有足够的强度和刚度来保证各个工位位置的精确性。本研究通过分析轴上的载荷情况, 轴上零件的安装、定位、制造工艺来确定轴的结构形式和尺寸。
轴的材料选用45 钢, 表面进行热处理提高抗疲劳强度, 查表得其许用应力为80MPa。传动轴的整体结构如图4 所示, 传动轴下端开有键槽, 通过联轴器与分割器的出力轴相连;传动轴上端与中盘连接, 选用矩形花键连接, 齿形角为30°, 定心方式为小径定心, 即外花键和内花键的小径为配合面。该连接方式定心精度高, 定心的稳定性好。
4 结束语
眼镜片自动分拣装置的成功应用, 可替代人工操作, 能够极大的减少误检率和提高生产效率, 最终实现镜片瑕疵的检测及分级的自动化。在镜片自动分拣系统的开发过程中, 三盘式整体设计方案的首次使用, 使得该设备具有结构紧凑、体积小、工作可靠的优点;选用高速精密间歇分割器、蜗轮蜗杆减速器等成熟技术和部件与自制非标件———传动轴进行设计整合, 使得设计的传动系统具有结构精简、高效率、高精度等特点。
摘要：依据眼镜片瑕疵检测及分拣自动化的现实需求, 设计开发了一套三盘式自动分拣装置, 并对该装置的设计方案、工作原理以及传动系统进行了阐述和分析。试验结果表明, 该装置能够高效、稳定地完成眼镜片的自动分级分拣的需求。
关键词：眼镜片,瑕疵检测,自动分拣,三盘式装置
参考文献
[1]姚红兵, 平洁, 李良湾, 等.一种眼镜镜片缺陷自动化检测系统的研究[J].应用光学, 2013, 4 (4) ;633-638.
[2]茹占军, 谢家兴.树脂眼镜片生产流程 (上) [J].中国眼镜科技, 2010 (9) .
[3]姚泰然, 孙志刚.基于机器视觉的手机镜片分拣系统[J].机械与电子, 2012, 11:72-75.
镜片的材料 篇6
传统3D眼镜
传统3D眼镜不仅造价昂贵，其佩戴起来也相当不方便，如果你已经近视，那么再戴着3D眼镜总是件让人感觉不舒服的事。
粘贴式3D镜片
新研发的粘贴式3D镜片一改传统眼镜的笨重丑陋，且携带还相当方面，你只需要在普通眼镜上轻轻一贴，3D画面就会立即呈现在你的眼前。
未来用途广泛
一旦未来3D电视进入家庭，那么这样便捷的粘贴式3D镜片，其作用可能会被更大程度的发挥。
从《阿凡达》开始，3D电影成了大众看电影时一个重要的选择，而如今3D电影的内容也是越来越丰富，3D版《泰坦尼克号》的火爆更是将3D电影推向了一个新高度。但是，问题却在于，想要观看3D电影，就不得不佩戴相应的眼镜，否则其观赏效果自然不佳。可是，传统3D眼镜不但造价极为昂贵，且佩戴也相当不方便，尤其是对于本就是眼镜一族的朋友，会感到更加不适。设计师Lucy Jung 和 Daejin Ahn最近设计的3D眼镜贴纸，给广大影迷们带来了巨大的福音。这款粘贴式3D“镜片”外观简洁轻便，比眼镜的平均宽度略大一些，是为了确保视力范围内可观赏3D画面，其使用也相当方便，只需要在普通眼镜上进行粘贴就可以，虽然其造价当前我们还不得而知，但是伴随着未来3D电视进入家庭，想必那时这样的概念产品将能发挥更大的作用。
摘自：http://www.yankodesign.com/
点评：粘贴式3D镜片可以说是3D眼镜技术的一大改良，相比传统的3D眼镜，粘贴式3D镜片的效果可谓相当强悍，除非未来会有人喜欢如隐形眼镜一般的3D眼镜，否则，粘贴式镜片的效果应该更值得推广和普及。
概念电子名片
提前进入无纸时代
名片越积越多，又没时间整理，常常要用时却找不到。你是不常常遇到这样的麻烦，现在，这个问题已经被得以解决。设计师Fitorio Leksono设计了一款名叫Halo的电子名片，使用者要交换名片时，只要在触控式荧幕上点几下，就能以蓝牙传输自己的名片给对方。它和一般传统名片一样可以有独特的风格设计，而且再也没有给完了要加印名片的必要，收到的名片更容易分类整理，此款数码卡让用户可以在一个简单的卡片上利用触摸屏就能查询或者查阅所需的信息。
摘自：http://www.yankodesign.com/
点评：Halo拥有一个极度炫酷的外观造型，虽然她外形就像一个普通纸卡片，可是效果却超过一个普通的卡片太多，可以说这是省时省纸又省钱的最好发明之一，未来一旦其实物出现，必然会引领又一场科技风潮。
镜片抹肥皂减少白雾等 篇7
鸡蛋的妙用
把蛋壳捣碎装在小布袋里，放入热水中浸泡5分钟捞出。然后，用泡蛋壳的水洗脏衣物，衣服会变得格外干净。
心脏病人少食菜籽油
菜籽油中含有40％的芥酸，易造成“心肌脂肪沉积”的现象，有此症状者占整个心脏病患者的4／5，所以心脏病患者应少食菜籽油为佳。
巧治落枕
在左右手手掌的背面，第二和第三掌骨间隙下1／3处各有一落枕点，用大拇指直立切压、顺着掌骨间隙上下移动按压2～3分钟，落枕症状立即消失。
柑橘不宜空腹吃
柑橘内含有大量糖分及有机酸，空腹吃下肚，会使胃酸增加，造成脾胃不适、嗝酸等症状，使胃肠功紊乱。
板栗鸡蛋治盗汗
取板栗(去壳)50～75克，鸡蛋2个，冰糖适量。将栗子人锅加水适量，文火煮至烂透，将鸡蛋去壳连同冰糖一起加入，待蛋熟糖化取出冷却。每日1剂，分早晚2次空腹食用。
花生米巧催奶
某些孕妇在妊娠后没有乳汁，下面方法不妨一试：将当年的生花生米晒干后，碾碎成末，溶于水冲后饮用，冲得不宜太浓，连续喝2～3次即可。
治疗冻疮良方
在冻疮初起时，用热醋涂抹，醋干后再行涂抹，一日数次即可见效。
频繁冲洗阴道有害健康
频繁阴道冲洗，可能会造成宫外孕等妇科疾病。阴道冲洗会损伤输卵管的正常结构，导致输卵管炎、盆腔炎等；冲洗液的本身，就有可能损害输卵管的纤毛上皮结构，或者有不良的刺激作用。所以，阴道冲洗不能太频繁，只要每天清洗外阴和换洗内裤，就能达到洁身目的。
巧治打嗝
张口深吸一口气，使胸腔充分扩张，然后屏住呼吸，十秒钟左右，再恢复正常呼吸。如果一次无效，可重复上述动作，一般2～3次即可。
戒烟一法
镜片的材料 篇8
醋酸纤维素是广泛应用的膜材料[1],具有选择性高、透水量大、耐氯性好、制膜工艺简单等优点。50多年前三醋酸纤维素( Triacetate Cellulose,简称TAC) 薄膜作为“安全片基”开始应用于照相工业, 并很快地完全取代了易燃的硝酸纤维素片基。如今照相胶卷和电影胶片都已度过其产品生命周期的顶峰期, 作为银盐感光材料支持体“片基”的需求量随之锐减[2,3]。然而随着液晶显示器( LCD) 产业的兴起, 为TAC薄膜提供了新的发展机遇。TAC 薄膜因其优异的光学特性和较强的机械强度[4,5], 已成为正处朝阳期的LCD中上游产品——偏光片生产中的不可或缺的关键原材料。近年来, 偏光片除了在LCD上的广泛应用外,在太阳镜行业也得到日益广泛的应用, 对TAC 膜的需求量已远远超过照相工业鼎盛时期的用量, 同时对其性能质量及成本方面也提出了更高的要求,因此对TAC膜的研究引起了极大地关注[6]
现有厚度较高的TAC膜的制备工艺是把TAC棉胶液通过模头流延到连续运转的无端支持体(钢带)上,通过干燥成型,然后经过剥离进入干燥箱进一步干燥。由于TAC膜比较厚,需要用到二个模头,在流延干燥成型过程中,受二层湿片叠加及工艺风量、风速的影响,在膜表面出现平行于膜运行方向的纵向不平,影响到下游眼镜片生产厂家在制作有色眼镜片时染色均匀度差和3D眼镜的视觉效果。本文分析了纵向不平产生的原因,介绍了TAC膜表观纵向不平的改善方法,并通过试验进行了论证,对实际生产有很强的指导意义。
2 实验部分
在这里,我们首先来了解一下眼镜片用TAC膜的成型及干燥过程:
TAC原料溶解、过滤制备成合格的TAC棉胶液,然后经过输送泵提供给流延模头,在输送泵压力的作用下形成落帘落到运转的钢带上,在钢带上形成一定厚度的TAC湿膜,湿膜附在钢带上在流延机干燥道内运行,流延干燥道内,采用热风干燥方式,湿膜经上干燥道热风、后鼓、下干燥道热风到达前鼓侧下方,干燥成型,然后通过剥离进入干燥箱进一步干燥。如图1所示,图1为TAC膜的成型过程,流延模头有2个,一个位于前鼓上方,另一个位于沿钢带运行方向一定的位置;钢带有前、后鼓支撑,前鼓为主动鼓,传动电机经过鼠笼式变速齿轮箱变速后把动力传给前鼓,钢带在与前鼓摩擦力的作用下,随着前鼓在密闭的干燥道内循环运转。
湿膜经剥离轴剥离后含湿量在20%～30%,为达到成品所需的湿度,要进入干燥箱继续干燥,干燥箱按干燥程度分为若干个区间,温度原则上由低到高呈阶梯设定,各区间的温度差≤30℃,以免温差过大造成TAC膜折皱。经过干燥箱干燥后的TAC膜含湿量最终达到产品质量标准。
2.1 引起纵向不平的原因分析
原因1:为保证TAC湿膜在一定的工艺条件下干燥成型,需要在密闭的流延干燥道腔体内输入一定温度、风量的工艺风,并由排风口排出,带走湿片挥发出的溶剂,保持腔体内湿片连续干燥所必须的溶剂浓度,这样,受工艺风风量、风温的影响,溶剂在湿膜表面及内部向表面迁移的速度可能会不一致,易出现纵向不平;
原因2:湿膜刚经流延模头流出的一小段区域内,含湿量在80%左右,如果模头处的前后风压过大,此区域溶剂挥发剧烈,受工艺风的影响较大,易过早成型,表面层封闭了内部溶剂的迁移,不但使表面纵向不平,严重时还会出现类似“桔皮纹”的质量弊病;
原因3:眼镜片用TAC膜的厚度厚,如果用一个流延模头,不易干燥,影响车速,另外,成品膜卷曲度大;所以,从经济成本上考虑,用二个流延模头,厚度按一定比例分配,流延模头横向上的厚度微调螺丝,受棉胶流动性的影响,在厚度调节时,不能完全一致,在经过二个流延模头的厚度叠加,使横向厚度极差加大,沿着湿膜运行方向上,在成型阶段,就会形成深浅不一的纵纹。
原因4:湿膜经剥离轴剥离进入干燥箱时,含湿量在20%～30%间,并不具有足够的强度,如果此处的温度过高,接近湿膜剥离化温度,在张力作用下,就会严重变形及产生纵向张力线。
2.2 改善方法及试验
针对以上的原因分析,我们分别从成型工艺条件、流延嘴处的风压、厚度均一性、张力4个方面进行设计并试验。
TAC棉胶液的制备
试验配方:TAC 100重量份
增塑剂 10重量份
二氯甲烷 500重量份
甲醇 43重量份
在一定溶剂的反应釜中,把100重量份的TAC和10重量份的增塑剂加到500重量份二氯甲烷和43重量份的混合溶剂中,先30℃溶胀2h,然后40℃搅拌溶解10h,调粘度至25s待用(钢球法)。
试验1:用以上溶解好的TAC棉胶液经过板框过滤机过滤,通过管道用输料泵输送给流延模头。生产厚度为240us的TAC膜,在流延成型部分,设定基础车速2m/min,风温100℃,改变风量,按30、25、20、15Hz变化,成品取样片观察平整度变化,结果记录如表1。
试验2:在试验1的基础上,得出合适风量、风温,在设定总风量、风温不变的情况下,改变流延模头处的排风阀门开度,如图2所示,图2为各排风阀门开度示意图,调节流延模头处风压接近零,成品取样片观察平整度变化。
结果记录见表2
试验3:在生产过程中,我们发现,棉胶液温度的变化对成品TAC膜的厚度以及厚度的横向均一性影响较大,棉胶液的温度上升,粘度下降,流动性好,成膜时易于铺展、流平,温度低时流动性差,湿膜横向极差大,成品TAC膜表观凹凸不平,影响表观平整度,所以,在生产过程中,输送泵频率不变的情况下,控制棉胶温度在一合适范围,可以减少横向厚度极差,改善表观平整度,目前,我单位进入流延嘴前的棉胶温度控制在(30±1)℃,通过生产过程中的异常记录,可以得出棉胶液温度与TAC膜的横向厚度极差对应关系,如图3,图3为棉胶液温度与TAC膜的横向厚度极差的对应关系。
说明:上图红线是棉胶温度2010年11月份控制走势线,上图的蓝线为对应的TAC膜厚度极差走势线,从图上分析棉胶温度有8个点超出了控制范围,与其对应的有5轴产品厚度极差较大,而表观的平整度较差。
试验4:干燥箱最高温度要小于TAC膜的玻璃化温度,流延成型后的TAC膜的含湿量在20%～30%,表层较软,不具有足够的强度,如果此处托动系统(主要是一、二牵引)张力过大,在纵向上会使膜拉伸,影响平整度,干燥箱内,在给定初始收卷张力、锥度的情况下,想微调各站间运行张力,可以增减浮动辊的配重,改变浮动辊的位置,来达到微调张力的目的,图4为干燥箱浮动辊示意图。
在干燥箱内,增加配重减少张力,减配重则是加大张力,在预干段,片基张力与配重块数量关系见表3。
注:配重块重量为1公斤/块
生产过程中,通过调节配重块数,改变张力,发现配重在0～10块范围变化,成品片基表观平整度没有发现明显变化,在8块以上时,剥离有上带现象,目前,在保证正常剥离的情况下,我们设计的预干段配重为6～8块。
3 结果与讨论
在试验1和试验2中,我们可以得出生产眼镜片用TAC膜平整度较好时的成型工艺条件,车速2m/min,风温100℃,总风量20Hz,流延模头处排风阀门开度:一排30°,二排45°,此工艺已得到重复验证,生产出的TAC膜表观平整度等同于国外IPI、LOFU同规格产品。
通过试验3,我们知道TAC膜的厚度均一性和棉胶温度走势有一定关系,产品横向厚度极差随棉胶的温度波动而变化,所以,控制棉胶温度在一稳定区间,减少厚度的波动,可以改善TAC膜的平整度,目前,我们的棉胶温度控制在(30±1)℃,厚度极差可控在±4us以内。
在试验4中,我们看到,该区间对平整度的影响较小,在此处主要控制温度不易过高,在保证TAC湿膜正常剥离的情况下,张力要尽量小,以防产生纵向张力线。
4 结论
眼镜片用TAC膜的表观平整度主要受流延成型条件的影响较大,成型工艺中的风量以及流延模头处的风压是主要因素,另外,进流延嘴前的棉胶液温度是一个很关键的因素,对成品TAC膜厚度的稳定,以及表观平整度的改善起着至关重要的作用。
摘要：TAC膜透明性好,机械强度大,可作为摄影感光材料的支持体,又由于在产品成型过程中内应力小,成膜物质的分子呈自由状态取向的概率高,具有优良的光学特性,因此被广泛应用于眼镜片的基材。眼镜片用TAC膜在生产成型过程中,由于受到成型工艺和牵引装置的影响,TAC膜表面有平行于膜运行方向的纵纹,造成表观平整度差,直接影响到眼镜片在染色工艺的色调均匀度和3D眼镜的视觉效果。所以本文着重从成型工艺方面介绍几种改善眼镜片用TAC膜平整度的方法。文中提到的眼镜片用TAC膜是指厚度为240微米的无色片基,涉及到的表观平整度指纵向不平。
关键词：TAC膜,眼镜片,成型工艺,风量,厚度,纵纹
参考文献
[1]J.Eckelt,S.Loske,M.C.Goncalves,et al,“Forma-tion of micro-and nano-spheric particles(filter dust)dur-ing the preparation of cellulose acetate membranes”[J].J.Membr.Sci.,212.2003:69-74.
[2]谢宜风,液晶显示器用三醋酸纤维素薄膜新进展[J].信息记录材料,2007,8(1):35-42.
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[4]黄晓洲.三醋酸纤维素酯在感光材料中的应用现状[J].科技信息&科技前沿,2009,(21):25-26.
[5]邵自强,李胤,王文俊,液晶显示屏用三醋酸纤维素的合成及性能[J].高分子材料科学与工程,2007,23(4):71-77.
镜片的材料 篇9
光学硬脆性材料在加工过程中不可避免引入的亚表面损伤将直接降低光学镜片的使用寿命,影响其工作的稳定性、光学成像质量及其抗激光损伤阈值等一系列重要的性能指标[1]。随着我国光学领域科技的不断发展,迫切需要制造出表面质量性能优异且无亚表面损伤的光学镜片,以保障重大光学工程的顺利实施。因此,如何快速、准确地检测和评价加工过程引入的亚表面损伤,如何有效去除亚表面损伤,已成为制约现阶段重大光学系统发展的瓶颈。优化加工工艺参数又是去除亚表面损伤,获得光滑、超光滑表面及提高加工效率和加工质量的依据。
为了得到最优的加工工艺技术,国内外学者在改善研磨及抛光过程的加工工艺参数以减少或消除亚表面损伤等方面进行了大量实验及理论研究和仿真工作。在实验及理论研究方面,文献[2,3][2,3]在分析、总结前人研究成果的基础上,进一步丰富和拓展了压痕断裂力学理论,为亚表面损伤的理论研究奠定了坚实的基础。Suratwala等[4]利用锥形表面抛光技术,从实验角度分析了熔融石英玻璃表面/亚表面损伤的分布特征及其随深度变化的规律,并建立了亚表面损伤的简易模型。Li等[5]通过实验分析了加工参数对亚表面损伤的影响,建立了亚表面损伤深度和元件表面粗糙度之间的理论模型,同时利用加工参数对亚表面损伤深度进行了预测。在仿真研究方面,李志强[6]基于GSS软件,分析了磨料粒度、研磨压力、磨具等对划痕深度、元件表面粗糙度等的影响,但是还没有形成一个完整的应用体系。刘超[7]用有限元分析软件ANSYS来建模,采用理想的平面和von Mises屈服准则来对不同类型磨粒对元件亚表面损伤的影响进行仿真。高平[8]利用有限元分析软件ABAQUS建立了模型,把磨粒角度简化为圆形,粗糙表面简化为理想平面来进行亚表面损伤的静态响应分析。文献[9,10,11]利用AN-SYS有限元分析软件建立了单颗磨粒与光学镜片间的弹塑性本构关系模型,把磨粒统一简化成圆锥角为106°的理想圆锥体,光学镜片视为理想光滑平面,采用JH-2材料破坏模型来对亚表面裂纹的形成与扩展进行仿真,探究了砂轮线速度、磨粒粒径等对亚表面损伤的影响。
综上所述,关于光学镜片亚表面损伤的仿真建模分析,多数模型过于简化,如将磨粒视为球体而忽视实际存在的不规则锐度角;或是仅研究同一个锐度角对亚表面损伤的影响;或是将元件实际粗糙面视为理想平面等,这在一定程度上导致仿真结果与实际情况间产生了误差。因此,本文充分考虑到脆性光学材料在研抛中所引入的亚表面损伤,以及加工过程中压力、加工速度及磨粒等相关参数的影响,从微观动力学角度动态模拟不同锐度角磨头与粗糙光学镜片之间的抛光过程,根据脆性材料的压痕断裂理论,分析在剪切强度一定的情况下,不同研抛速度和磨粒锐度角对光学镜片亚表面损伤的影响,从而得出最优磨粒形态特征,以指导实际加工过程,最终取得最佳的加工效果。
1 亚表面损伤力学模型的建立
1.1 力学模型的建立与分析
为了对动态仿真过程有定量的理解,建立单颗磨粒与光学镜片进行磨抛时的滑动接触力学模型,考虑到磨粒的表面真实性,采用了具有分形特征的粗糙表面,同时由于磨粒粗糙表面的微凸体具有圆锥体的一般形式,故假设磨粒分形表面圆形微凸体为圆锥体,则分形磨粒表面微凸体与粗糙表面接触过程中的受力分析如图1所示[12]。
图1中,圆锥形磨粒的锐度角(半角)为θ;工件的屈服应力为σy,是与工件的屈服强度有关的常数。当磨粒在法向力N和切向力Ft的作用下接触到工件表面时,磨粒开始滚动并印压工件表面。在磨粒与工件接触区域内用于平衡磨粒受力的外部载荷有法向力Fn和摩擦力(FL和Fm),假设所受载荷Fn、FL、Fm的合力沿着磨粒的锥形边。其中,磨粒的法向力是由研磨液的流体动压等导致的,而切向力是在滚压过程中快速运动产生的。则可推导得出:
其中,外部载荷Fn、FL、Fm可分别表示为
式中,μ为磨粒与元件间的摩擦因数;σy为元件的屈服应力,MPa;ai为塑性变形区的半径,mm;A为磨粒与基体间的接触面积。
将式(3)、式(4)代入式(1),整理得
将式(3)~式(5)代入式(2),整理得
则式(6)和式(7)分别为施加到单颗磨粒上的法向作用力和切向作用力公式。
1.2 有限元数值模型的建立
在建立研抛数学模型时,为了保证网格的顺利划分,提高计算效率及计算精度,在几何建模中提出以下假设和简化:
(1)忽略磨粒分布与磨粒尺寸的不均匀性问题对研抛过程中压力的影响,认为磨粒粒径相同且均匀分布。
(2)假设光学镜片的自转速度与主轴转速相同。
(3)因磨粒硬度远大于光学镜片硬度,可认为建模时的磨粒为刚性体,在运动过程中不会引起磨粒形状的改变。
(4)假设光学镜片固定不动,磨粒随抛光盘一起相对光学镜片进行运动。
在模型参数方面,选用常见的120号金刚石磨粒和K9玻璃作为实验材料[5,13]。磨粒属性见表1。根据文献[14],为更加贴近实际情况,本文考虑磨粒锐度角对亚表面损伤可能产生的影响,并通过分析文献[15]确定了一个合适的锐度角范围,如图2所示。粗糙表面在不同观察尺度下具有良好的自相似性[16,17],而这种自相似性可以用分形几何来表征。故本文采用W-M函数[18]分形表面(D=2.5)模拟光学镜片表面特征,建立了长为4056μm、宽约330μm、高约300μm的三维粗糙表面模型。
在参数设置方面,进行破坏机制设置时,选择了更适合脆性材料断裂的Brittle Cracking,而不是通常的塑性破坏及等效应力极限等;在载荷设置时,对磨粒施加一定的集中载荷,并设置其幅值曲线,使之能够线性施压,避免材料因瞬时应力集中过大而出现不符合实际情况的破坏。最后,为了更加直观地观测、分析金刚石磨粒与分形粗糙表面微凸体相互接触过程的动态变化,建立了两者间的二维数学模型,并采用更具非线性分析能力的有限元软件ABAQUS进行光学镜片亚表面损伤的动态仿真。该模型的网格划分如图3所示,仿真参数见表2。
2 动态仿真结果与相关参数分析
2.1 模型仿真结果及应力分析
光学镜片亚表面损伤的形成过程是应力不断发生变化的动态过程,本文以磨粒与粗糙光学镜片表面微凸体摩擦过程中的接触时间点作为参考点,来反映整个动态过程的变化情况。图4~图15所示为该动态仿真中微观裂纹的成核及扩展过程,其中磨粒与光学镜片表面间接触过程被认为是一个从不断加载到逐渐卸载的动态过程。
从图4~图15可知,刚开始加载时,磨粒与试件表面处于未接触状态,此时磨粒受到一个向下的载荷,并开始向右运动,粗糙表面保持完好,没有任何破坏,见图4;随着载荷的继续增大,磨粒与粗糙表面开始接触,如图5所示,可清楚地看出,在刚接触时,由于瞬时应力很大,粗糙面严重变形,造成与之接触的局部材料直接从基体上被去除,此时最大应力值达到44 706.652MPa;接触继续进行,由于受到磨粒的挤压作用,试件表面的去除量进一步增加,形成了小型的“凹坑”,如图6所示,此时最大应力值为885.282MPa;由于磨粒滑动速度较快,所以整个加载过程极为短暂。
当磨粒离开试件接触区,类似卸载过程。当磨粒划过接触区,试件不再受到挤压,故“凹坑”大小基本定型,环形的应力分布圈开始显现,伴随出现了细微的亚表面裂纹,裂纹没有特定的方向,沿着破坏处呈圆弧形分布,如图7所示;随着进一步的卸载,由于应力的大小超过了材料本身的屈服极限,故裂纹随着应力圈的扩散而向基体扩展,且大部分裂纹的扩展趋势与合力方向是一致的,如图8所示;随着运动的进行,裂纹开始向旁边扩展,形成了实际工况中常见的人字形、L形等裂纹;随着应力的逐渐变小,裂纹扩展速度也变慢,并最终变为零,如图14所示。图15所示为磨粒研磨过程中产生的中位裂纹及侧位裂纹的情况,可以看出侧位裂纹主要分布在近表面处,有向表面扩展的趋势;而中位裂纹的分布趋势与合力的方向是一致的。
上述亚表面损伤形成过程即裂纹的成核和扩展过程,也是磨粒和试件接触产生的应力随时间和亚表面深度的变化过程。由于亚表面损伤的形成是连续的动态过程,一般很难准确判断每个节点的应力变化,故选取该动态过程中具有最大应力的节点来分析该应力变化过程。考虑到图像视觉效果和美观,排除了图5中瞬时接触时出现最大应力的节点,故选取了从图6到图14过程中处于最大应力的9个节点。其变化曲线如图16、图17所示。
图16所示为光学镜片亚表面损伤产生过程中应力随时间变化的曲线,从图16可知,应力随时间的变化呈现递减趋势,且前面衰减较快,而后逐渐减缓,当时间超过0.72ms时趋近于零,也就是应力随时间基本不再发生变化。图17所示为光学镜片亚表面损伤产生过程中最大应力随裂纹深度变化的曲线,对比图16发现,应力随深度呈递减趋势,且一开始递减较快,当裂纹深度距表面100μm以上时速率逐渐变缓,直至不变。该现象与实际磨抛过程中亚表面损伤应力分布过程高度一致。
2.2 研抛工艺参数对镜片亚表面损伤的影响
研究加工工艺参数对亚表面损伤影响的最终目的是能够加工出质量更高的光学镜片,以及提高加工效率,前者由亚表面损伤深度及光学镜片的表面破损率来判断,而加工效率的高低可由材料的去除率来反映。则该动态仿真过程中,在保持进给量不变的情况下,磨粒锐度角分别取46°、50°、54°、58°、62°,相对加工速度分别取5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s时,亚表面裂纹深度、亚表面空穴深度、体积去除率及表面破损率等相关加工参数之间的关系如图18~图21所示。
从图18中可以看出各曲线整体上呈现出一种先减小再递增的趋势。当加工速度为5m/s时,54°锐度角要略大于其他角度产生的裂纹深度;当加工速度增大为6~7m/s时,各锐度角产生的裂纹深度都比较接近且较小;当加工速度达到8m/s时,出现了明显的分化,可以看出46°锐度角产生的裂纹深度要大于其他锐度角产生的裂纹深度,其次是50°锐度角产生的裂纹深度,62°锐度角产生的裂纹深度最小;当加工速度达到9m/s时,裂纹深度较大,不适合加工。
从图19中可以看出一个整体变化趋势就是空穴的深度随加工速度的增大而呈现出递增的趋势。加工速度为5m/s时,各锐度角产生的空穴深度基本一致;当加工速度增大到6m/s时,可以看出62°锐度角产生的空穴深度是最小的,而54°锐度角产生的空穴深度是最大的;当加工速度达到7m/s时,各个角度产生的空穴深度较小且比较接近;当加工速度增大到8m/s时,50°锐度角产生的空穴深度要明显大于其他锐度角产生的空穴深度;当加工速度达到9m/s时,可以看出46°锐度角产生的空穴深度要显著小于其他锐度角产生的空穴深度。
从图20中可以看出各曲线呈现出一种先减小后递增的变化趋势;当加工速度为5m/s时,各个锐度角产生的材料去除率基本一致,为4×106μm3/s左右;当加工速度达到6m/s时,去除率开始减小;当加工速度为7m/s时去除率又开始递增,明显大于加工速度为6m/s时的去除率,各锐度角产生的去除率较为接近;当加工速度达到8m/s时,各锐度角的去除率发生了明显的分化,其中46°和50°锐度角产生的去除率比其他角度产生的去除率要大;当加工速度达到9m/s时,去除率进一步增大,其中54°锐度角产生的去除率要明显大于其他锐度角产生的去除率。
从图21中可以看出各曲线呈现出一种先减小再增大的共同趋势;当加工速度为5m/s时,54°锐度角产生的表面破损率要明显高于其他角度产生的破损率,当加工速度为6m/s时,破损率达到最低水平且各锐度角较为接近;当加工速度达到7m/s时,破损率略微增大,62°锐度角产生的表面破损情况比其他的表面破损情况更严重,58°锐度角产生的表面最优;当加工速度达到8m/s时,破损率进一步增大,此时50°锐度角产生的表面破损情况最为严重;当加工速度达到9m/s时,各锐度角产生的破损率发生明显分化,54°锐度角产生的表面破损率最大,其次是62°锐度角产生的表面破损率。
3 结语
(1)由对亚表面损伤过程中各节点最大应力与时间、亚表面深度间的分析可知:应力随时间及亚表面深度的增大而逐渐减小,且应力减小的速率为先急后缓,亚表面裂纹深度超过100μm后应力减小的速率明显变慢。
(2)由对磨粒锐度角、加工速度、亚表面裂纹深度及空穴深度的分析可知:从整体上看,加工加工速度为6~8m/s时,产生的亚表面裂纹深度及空穴深度都较小,比较有利于加工;且该过程中46°和50°锐度角导致的裂纹和空穴深度较大,不适合进行加工。
(3)由对磨粒锐度角、加工速度、体积去除率及表面破损率的分析可知:从整体上看,加工速度为6m/s时,产生的体积去除率最低,而5m/s和9m/s加工速度导致的表面破坏较严重,不适合进行加工;62°磨粒锐度角在保持相同去除率时导致的表面破损率较高,不利于加工。