NGHIÊN cứu mô PHỎNG QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG của THẤU KÍNH TRONG PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BIẾN DẠNG đàn hồi

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG CỦA THẤU KÍNH TRONG PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI SIMULATION STUDY ON DEFORMATION OF ASPHERIC GLASS LENS IN ELASTIC DEFORMATION MACHINING METHOD TS Nguyễn Đức Nam, Châu Ngọc Lê Trường Đại học Công nghiệp TPHCM nguyennams@gmail.com, chaungocleqn@yahoo.com.vn TÓM TẮT Ngày nay, phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp chất bán dẫn, thiết bị quan sát dụng cụ quang học quang điện tử làm tăng nhu cầu thiết bị quang học Hệ thống hình ảnh quang học thường dùng nhiều thấu kính cầu để điều chỉnh độ lệch Điều làm tăng phức tạp, kích thước chi phí cho thiết bị quang học Vì vậy, sử dụng thấu kính phi cầu làm giảm số lượng thấu kính sử dụng thiết bị quang học mà giảm chi phí, kích thước, trọng lượng thiết bị Trước đây, thấu kính quang học chế tạo thông qua phương pháp gia công truyền thống tiện, phay, sau kết thúc mài tinh Sự đời công nghệ khuôn mẫu tạo bước tiến lớn kỹ thuật chế tạo thấu kính quang học, với ưu điểm gia công truyền thống khả tương thích, linh hoạt hiệu suất lớn Tuy nhiên độ xác đặc tính quang học thấu kính bị ảnh hưởng đáng kể nhiệt độ trình ép khuôn Do đó, phương pháp gia công biến dạng đàn hồi chứng minh phương pháp gia công thấu kính quang học với ưu điểm giảm chi phí đơn giản hóa trình gia công Trong báo tập trung nghiên cứu mô biến dạng thấu kính trình gia công biến dạng đàn hồi Các kết mô đưa ứng xử tiếp xúc kính với khuôn giá trị áp suất khác Điều cần thiết để thiết lập giá trị áp suất phù hợp trình gia công chế tạo thấu kính phương pháp biến dạng đàn hồi Từ khóa: biến dạng đàn hồi, thấu kính phi cầu, mài kính, phân tích phần tử hữu hạn ABSTRACT Today, the demand for optical devices has increased in the strong growth of the semiconductor industry, observation equipment, optical instruments and opto-electronics The optical systems often use multiple spherical lenses to correct an aberration This increases the complexity, size and cost of an optical device Therefore, the use of aspherical lenses not only reduces the number of spherical lenses in an optical device, but also reduce the cost, assembly size, weight of the optical device Traditionally, the shape of optical lenses are generated by turning, milling and grinding, followed by polishing Precision injection molding and glass molding have greatly advanced the fabrication technologies for aspheric lens industry due to their unique advantages, such as excellent compatibility, high efficiency, great flexibility and high consistency compared to traditional cold working methods However, the form accuracy and optical properties of the lenses are changed significantly with temperature conditions in these processes Therefore, the elastic deformation machining method has been demonstrated to be a novel optical manufacturing approach which can greatly reduce the manufacturing cost and simplify the production of large aspheric surfaces The deformation behavior of aspheric glass lens in elastic deformation machining method is simulated in this paper The simulation results are given behavior of the glass in contact with the mold in the different pressure values This is necessary to establish the appropriate pressure values during machining process by elastic deformation method Keywords: Elastic deformation, aspheric lens, glass lapping, finite element analysis 445 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ĐẶT VẤN ĐỀ Thấu kính quang học thiết bị khúc xạ, tái cấu trúc sóng ánh sáng chiếu đến Đặc tính chùm tia sáng khúc xạ bị ảnh hưởng thành phần cấu tạo thấu kính pha, hướng truyền, cường độ trạng thái phân cực Một số đặc điểm mà thấu kính chịu ảnh hưởng việc chế tạo thấu kính: đường kính, hình dạng bề mặt, độ nhẵn, độ xác hình dáng, khuyết tật sinh trình chế tạo bề mặt phụ, đặc tính lý vật liệu quang học điều kiện quang học khác như: góc chìm tia tới, hấp thu, phản xạ ánh sáng, ảnh hưởng môi trường Để thu ảnh có chất lượng cao đòi hỏi thấu kính phải có độ xác hình dạng cao, bề mặt nhẵn bóng, bề mặt phụ bị rỗ bề mặt Trước việc gia công thấu kính quang học thường sử dụng phương pháp tiện, phay máy CNC, sau mài tinh [1,2] Do thủy tinh có tính dòn cao nên bị biến dạng đàn hồi, độ nhẵn bóng bề mặt chịu ảnh hưởng lớn yếu tố hình học dụng cụ cắt chế độ cắt, đồng thời phương pháp đòi hỏi phải đầu tư máy CNC với chi phí ban đầu lớn Sự đời công nghệ khuôn mẫu tạo bước tiến lớn kỹ thuật chế tạo thấu kính quang học, với ưu điểm gia công truyền thống khả tương thích, tính linh hoạt cao hiệu suất lớn [3] Tuy nhiên độ xác đặc tính quang học thấu kính bị ảnh hưởng đáng kể nhiệt độ trình ép khuôn [4] Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi chứng minh phương pháp gia công thấu kính quang học với ưu điểm giảm chi phí đơn giản hóa trình gia công nhiên độ xác thấu kính phụ thuộc nhiều vào khả biến dạng đàn hồi phôi [5-7] Nếu bề mặt phôi không tiếp xúc tốt với bề mặt khuôn ảnh hưởng lớn đến độ xác Chính lý cần phải mô để xác định dạng bề mặt phù hợp áp lực cần thiết để đảm bảo cho chi tiết tiếp xúc tốt với bề mặt khuôn PHƯƠNG TRÌNH THẤU KÍNH PHI CẦU Phương trình chung dùng để biểu diễn hình dạng mặt quang học xác định độ võng Z bề mặt điểm h bất kỳ, h chiều cao tính từ trục quang học Một mặt phi cầu biểu diễn dạng khác nhau, với việc biểu diễn cho mục đích thiết kế chế tạo biểu diễn làm hai phần, phần thứ xuất phát từ phương trình hình cầu, sau ta thêm vào phần phi cầu với đa thức bậc cao [8, 9] Z Cr n   (1  k )cr   A2i r 2i i 2 Trong đó: r  x  y : khoảng cách từ điểm xét đến trục thấy kính Z: chiều cao tính từ đỉnh thấu kính đến vị trí xét c : độ cong sở (tại đỉnh thấu kính) R R: bán kính bề mặt cầu k: số bậc hai (conic constant) A2i: số biến dạng phi cầu A2ir2i: điều kiện phi cầu bậc cao Chúng ta xét với hệ số phi cầu Ai = 446 (1) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hằng số bậc hai Loại bề mặt Bảng Hằng số bậc hai ảnh hưởng đến loại bề mặt k=0 k = -1 k < -1 -1 < k < Bề mặt cầu Paraboloid Hyperboloid Elipsoid k>0 Oblate eliposid MÔ HÌNH PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI CÓ KHUÔN Hình Mô hình phương pháp gia công biến dạng đàn hồi Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi có khuôn thể hình Đầu tiên, chi tiết phải gia công phẳng hai bề mặt (hình 1.a) Khi áp suất chân không cung cấp vào đầu giữ khuôn, chi tiết giữ chặt vào đầu giữ biến dạng đàn hồi, bề mặt chi tiết tiếp xúc với bề mặt khuôn (hình 1.b) Cho đầu giữ khuôn chi tiết quay đồng thời, toàn cụm đầu giữ, khuôn chi tiết tịnh tiến, tiếp xúc với đĩa mài, áp suất chân không giữ cố định (hình 1.c, d) Sau gia công chi tiết đạt đến kích thước theo yêu cầu, áp suất chân không ngắt Chi tiết tách khỏi khuôn đầu giữ (hình 1.e) Do biến dạng đàn vật liệu, bề mặt chi tiết tạo thành bề mặt cầu, đồng thời bề mặt đàn hồi trở lại thành bề mặt phẳng (hình 1.f) MẪU MÔ PHỎNG Mẫu chi tiết mô kính tròn có đường kính D = 50 mm; chiều dày b = 1,5 mm, bề rộng viền cạnh: a = mm, rmax = 20 mm, sau gia công thấu kính có bề dày lớn 1,0 mm Để tránh trường hợp chi tiết bị phá hủy, ta chọn R = 1000 mm 40 z  cr 1,5 50 Hình Mô hình mô với chi tiết chưa gia công Trong phương pháp này, độ biến dạng chi tiết phụ thuộc vào giá trị áp suất chân không Trong trình gia công, độ dầy chi tiết bị thay đổi trình mài phẳng giá trị áp suất giữ cố định Vì vậy, để kết mô đạt độ xác bề mặt chi tiết thiết kế giống bề mặt khuôn Quá trình mô thực phần mềm Abaqus/Explicit Đặc tính vật liệu chi tiết mô cho bảng 447 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Đặc tính vật liệu kính B270 Tỷ trọng (kg/m3) 2550 Môđun đàn hồi (GPa) Độ cứng (kg/mm2) Hệ số poison 71.5 542 0.208 z  cr 40 1,0 50 q 0,6 Hình Mô hình mô với bề mặt chi tiết giống bề mặt khuôn Các mô hình trình mô thiết lập với điều kiện Trong mô phỏng, khuôn giả thiết cứng tuyệt đối (rigid body) chi tiết biến dạng Các phần tử chi tiết chia lưới với phần tử tuyến tính (CPS4R) Chi tiết chia thành 500 phần tử Tải trọng tác động lên chi tiết áp suất chân giá trị 50 kPa, 60kPa, 70kPa, 80kPa, 90kPa, 100kPa, 110kPa Mô hình mô thể hình Chi tiết Khuôn Hình Mô hình mô KẾT QUẢ VÀ SỰ THẢO LUẬN Trong trình mô phỏng, áp suất chân không tác động lên chi tiết thay đổi từ 50 đến 110kPa Với mô hình 1, kết mô tiếp xúc chi tiết với khuôn thể hình sai lệch kết mô với biên dạng khuôn trình bày hình Hình So sánh kết biến dạng với khuôn (k = -1) 448 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Sai lệch kết biến dạng với khuôn (k = - 1) Với mô hình 2, kết mô tiếp xúc chi tiết với khuôn thể hình sai lệch kết mô với biên dạng khuôn trình bày hình Hình So sánh kết biến dạng với khuôn (k = -0,5) Hình Sai lệch kết biến dạng với khuôn (k= -0,5) Với mô hình 3, kết mô tiếp xúc chi tiết với khuôn thể hình sai lệch kết mô với biên dạng khuôn trình bày hình 10 449 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình So sánh kết biến dạng với khuôn (k = -2) Hình 10 Sai lệch kết biến dạng với khuôn (k = -2) Với mô hình 4, kết mô tiếp xúc chi tiết với khuôn thể hình 11 sai lệch kết mô với biên dạng khuôn trình bày hình 12 Hình 11 So sánh kết biến dạng với khuôn (k = -3) 450 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 12 Sai lệch kết biến dạng với khuôn (k = -3) Với mô hình 5, kết mô tiếp xúc chi tiết với khuôn thể hình 13 sai lệch kết mô với biên dạng khuôn trình bày hình 14 Hình 13 So sánh kết biến dạng với khuôn (k = 0,25) Hình 14 Sai lệch kết biến dạng với khuôn (k = 0,25) 451 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Với kết mô mô hình 1, sai lệch kết mô biên dạng khuôn lớn Ở áp suất chân không 110 kPa giá trị sai lệch đạt nhỏ khoảng 40µm So sánh kết mô với nhau, kết mô mô hình (k = -3) xác Với mô hình này, giá trị sai lệch biến dạng chi tiết với khuôn nhỏ Khi áp suất chân không đạt 100kPa giá trị sai lệch gần không thay đổi nhiều Với giá trị áp suất chi tiết tiếp xúc với khuôn hoàn toàn (ở giá trị bán kính khoảng 12mm), bán kính vượt giá trị 12 mm sai lệch tăng lên đáng kể, giá trị sai lệch trường hợp 10µm Điều trình biến dạng, điểm chuyển tiếp biên dạng cầu với đường thẳng khuôn gây sai lệch trình tiếp xúc chi tiết với khuôn KẾT LUẬN Bài báo đưa phương pháp gia công biến dạng đàn hồi với khuôn để sản xuất bề mặt thấu kính phi cầu Với kết mô phỏng, kết luận sau:  Trong phương pháp gia công biến dạng đàn hồi với khuôn, xác bề mặt phi cầu chi tiết phụ thuộc nhiều vào trình tiếp xúc chi tiết với khuôn  Từ kết mô ta thấy biên dạng khuôn có dạng phương trình với số k = -3 hợp lý Với biên dạng khuôn này, chi tiết bị biến dạng tiếp xúc hoàn toàn với khuôn (ở vị trí bán kính khoảng 12mm), vượt qua kích thước giá trị sai lệch tăng lên đáng kể Giá trị sai lệch trường hợp khoảng 10µm với giá trị áp suất chân không 100kPa, giá trị áp suất tăng lên giá trị sai lệch không giảm đáng kể  Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi với khuôn trình bày phương pháp gia công tiên tiến để sản xuất thấu kính phi cầu Phương pháp phù hợp cho gia công bề mặt phi cầu với bề dầy mỏng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chen, W.K., Kuriyagawa, T., Yoshihara, N., Machining of micro aspherical mould inserts Precis Eng, 2005, Vol 29(3), p 315 – 323 [2] Muraloshi, H., Kamano, T., Katsuki, M., Compenstaion technology of glass molding accuracy Toshiba Machine Company Limited, 2003, obtained by private communication [3] Zhou, T.F., Yan, J.W., Masuda, J., Kuriyagawa, T., Investigation on the viscoelasticity of optical glass in ultraprecision lens molding process J Mater Process Technol, 2009, Vol.49(2), p 95 – 97 [4] Kunz, A., Aspheric freedoms of glass – precision glass moulding allows cost – effective fabrication of glass apheres Optik photonik, 2009, Vol.4, p 46 – 48 [5] Ducnam Nguyen, Binghai Lv, Julong Yuan, Zhe Wu, Huizong Lu., Experimental study on elastic deformation machining process for aspheric surface glass International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013; Vol.65(1-4), p 525 – 531 [6] DucNam Nguyen, Ju Long Yuan, Bing Hai Lv, Zhe Wu., Investigation of Elastic Deformation Machining Method for Aspheric Surface Generation Key Engineering Materials, 2011, Vol 487(1), p 278 – 282 [7] Zhe Wu, Binghai Lv, Julong Yuan, Ducnam Nguyen, Ping Zhao, Qianfa Deng., Experimental study on aspheric surface machining using elastic deformation moulding method Int.J.Nano manufacturing, 2013, Vol (5/6), p 555 – 569 [8] Gyeong-Il Kweon, Cheol-Ho Kim., Aspherical Lens Design by Using a Numerical Analysis Journal of the Korean Physical Society, 2007, Vol 51(1), p 93 – 103 [9] W Sun, J W McBride, M Hill., A New Approach to Characterising Aspheric Surfaces School of Engineering Sciences, University of Southampton, Highfield SO17 1BJ, UK 452