高速雕銑機(jī)在光學(xué)模具行業(yè)中的應(yīng)用

摘要：介紹了高速雕銑機(jī)在光學(xué)模具中發(fā)揮的重要作用，以杯形透鏡模具加工為例，分析了該產(chǎn)品的加工難點(diǎn)，然后采用北京精雕機(jī)床與先進(jìn)加工藝來(lái)解決，有效保證了杯形透鏡模具經(jīng)加工后具有較高的光潔度與尺寸精度。

關(guān)鍵詞：杯形透鏡模具;CAM軟件系統(tǒng);刀具與刀柄

1緒論

高速雕銑機(jī)相對(duì)數(shù)控銑床而言，它提出了“小刀具、高切速、慢進(jìn)給”的加工理念，以此切入點(diǎn)是成功進(jìn)入了模具加工行業(yè)。隨著雕銑機(jī)能力不斷的提升，涉足的加工范圍越來(lái)越廣，從最初的紫銅電極加工和模具清根清角到目前的精密和超精密模具及電極的加工。隨著全閉環(huán)機(jī)床推出之后，不僅擴(kuò)充了應(yīng)用領(lǐng)域，提升到更高應(yīng)用的領(lǐng)域-----光學(xué)模具，早期該領(lǐng)域基本被國(guó)外的?Makino、Mikron、雅士達(dá)、東芝等機(jī)床占領(lǐng)市場(chǎng)，隨著我國(guó)精密機(jī)床的不斷發(fā)展，以我國(guó)北京精雕機(jī)床為首打破了此局面。從CAM軟件、刀具、檢測(cè)、電主軸等關(guān)鍵都有自已的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在可以與國(guó)外的同行競(jìng)爭(zhēng)，本文以光學(xué)模具加工展開(kāi)論述。

2?杯形透鏡模具加工

2.1杯形透鏡模具的技術(shù)要求

杯形透鏡模具屬于光學(xué)模具，它是?LED?光學(xué)元件精密注塑的模具，由于?LED?光學(xué)元件的功能特點(diǎn)，要求其具備非常高的輪廓精度和表面粗糙度。而光學(xué)模具的制造質(zhì)量決定了光學(xué)元件的質(zhì)量，因此，模具的精密制造成為?LED?元件質(zhì)量的關(guān)鍵因素，尤其是模仁的微小變形量會(huì)導(dǎo)致光學(xué)透鏡的像質(zhì)變壞，同時(shí)非球面透鏡模具拋光難度很大。CNC?加工的光學(xué)模仁形位公差通常要求在?10μm?以?xún)?nèi)，表面粗糙度低于?Ra0.04μm，并要求棱角清晰以及表面刀紋均勻一致。

2.2杯形透鏡模具加工難點(diǎn)分析

杯形透鏡模具在采用CNC加工時(shí)，主要存在兩大問(wèn)題。一是模具輪廓度誤差偏大，錐面反射角度發(fā)生變化，導(dǎo)致透鏡的子光斑中心不重合，照明場(chǎng)刺眼炫目，如圖1所示。二是模具表面光潔度差，粗糙度不均勻，導(dǎo)致透鏡透光率低，出光效果差。

3?杯形透鏡模具典型加工案例

3.1杯形透鏡模具分析

（1）圖2所示為某企業(yè)的杯形透鏡模具，加工材料為?S136H，淬火硬度?HRC52，工件尺寸為?50×50×22mm。該模具由?360個(gè)菱形曲面組成，最小曲率為?6.845，最大曲率為?16.423，最小坡度為?7.235°，最大坡度為?19.231°。

①表面粗糙度Ra≤0.04μm，且表面光亮度要高，要有彩虹紋;

②在?100?倍顯微鏡下觀察加工表面，要求刀紋均勻一致并且棱角清晰;

③曲面輪廓精度≤10μm。

（3）該企業(yè)原來(lái)一直用東芝?UVM450C?機(jī)床，但加工的效果一直不穩(wěn)定，表面粗糙度為?Ra0.08μm?以上且不均勻。同時(shí)菱形面棱角不清晰，無(wú)法穩(wěn)定生產(chǎn)。分析主要原因?yàn)槠髽I(yè)雖然建立了一流的加工車(chē)間，擁有世界一流的 CNC?機(jī)床，但沒(méi)有管控意識(shí)，機(jī)床配備的浦綠倍油霧潤(rùn)滑和?Blum?激光對(duì)刀儀也沒(méi)有利用起來(lái)，導(dǎo)致無(wú)法穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。

3.2?應(yīng)對(duì)措施

由于產(chǎn)品材料硬度高，表面效果與曲面輪廓精度要求高，我們從CAM軟件、機(jī)床、工藝、刀具四個(gè)方面規(guī)劃管控方案來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加工，具體管控措施如下：

3.2.1CAM軟件方面

杯形透鏡是集折射和反射為一體的穿透式透鏡，錐面以及棱角位置角度的變化將直接導(dǎo)致子光斑不重合，影響照射效果，其工作原理如下圖3所示，因此，模具的棱角位置加工十分關(guān)鍵。

使用?JDSoft?SurfMill8.0?軟件的光學(xué)模塊（微銑削與偏移精加工功能）進(jìn)行加工，針對(duì)細(xì)節(jié)位置進(jìn)行精密控制。

3.2.2機(jī)床與工作環(huán)境方面

選擇以下結(jié)構(gòu)的精雕機(jī)床：

（1）采用穩(wěn)定的龍門(mén)結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化立柱高度、改進(jìn)絲杠裝配工藝等方面，有效地降低了加工中的振動(dòng)，確保機(jī)床長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地加工。

（2）配置精雕自主研發(fā)的?JD85-36-ISO20?高速主軸，最高轉(zhuǎn)速?36000rpm，錐跳小于?0.5μm，遠(yuǎn)端徑向跳動(dòng)小于?5μm（200mm），穩(wěn)定性高。

（3）最小規(guī)定單位分辨率為?0.1μm?的高精度進(jìn)給機(jī)構(gòu)，并配置發(fā)格絕對(duì)式直線光柵尺。

機(jī)床及加工區(qū)域的溫度穩(wěn)定的管控：配有自制±0.1℃的精密變頻制冷機(jī)對(duì)主軸及機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，微量潤(rùn)滑裝置與油霧分離器能夠確保加工區(qū)域的溫度穩(wěn)定。

（4）配置在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)：機(jī)床裝有?Blum?激光對(duì)刀儀和雷尼紹?OMP400?測(cè)頭，結(jié)合?JD50?系統(tǒng)在機(jī)測(cè)量模塊可對(duì)刀具及產(chǎn)品進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量和過(guò)程管控。

（5）高精度和高效率的?JD50?數(shù)控系統(tǒng)：機(jī)床采用開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)基于?PC?電腦結(jié)構(gòu)，處理數(shù)據(jù)速度更快，容量更大，更穩(wěn)定，具有強(qiáng)大的預(yù)讀功能以及人性化的操作界面。機(jī)床符合精準(zhǔn)管控要求。

（6）工作環(huán)境管方面選擇在恒溫車(chē)間，溫度?22±0.5℃，溫度波動(dòng)小，周?chē)鸁o(wú)大型開(kāi)粗設(shè)備等振動(dòng)源;

3.2.3工藝設(shè)計(jì)方面

（1）裝夾方式：使用磁力吸盤(pán)裝夾工件，使用千分表將?X?方向基準(zhǔn)打至?0.002mm?以?xún)?nèi)，工件表面平面度在?0.005mm?以?xún)?nèi)，保證工件裝夾精度。

（2）主軸轉(zhuǎn)速：首先使用?MPM?動(dòng)平衡儀將刀具系統(tǒng)的不平衡量調(diào)整到?0.05gmm;其次使用?VM402分別對(duì)不同轉(zhuǎn)速的主軸振動(dòng)和模擬切削振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在工藝要求范圍內(nèi)選擇低振動(dòng)轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工。靜態(tài)???振動(dòng)和動(dòng)態(tài)振動(dòng)分別指主軸空轉(zhuǎn)和模擬加工時(shí)的振動(dòng)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果最終選用?23000-25000rpm?作為精加工轉(zhuǎn)速。

（3）切削量：根據(jù)?CBN?刀具和?S136?材料的特點(diǎn)，采用硬質(zhì)合金刀具開(kāi)粗和半精加工，CBN?刀具精加工的加工方式，為確保精加工余量的均勻，增加了一道?CBN?的半精工序，同時(shí)使用測(cè)頭和激光對(duì)刀儀對(duì)每道工序的余量和刀具磨損進(jìn)行精準(zhǔn)控制，確保切削用量合理、均勻，如切削量設(shè)置如表1所示。

（4）熱穩(wěn)定控制：在加工前對(duì)機(jī)床進(jìn)行熱機(jī)，開(kāi)啟切削冷卻空運(yùn)行加工程序?1?小時(shí)，保證機(jī)床達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后再進(jìn)行加工。

（5）路徑細(xì)節(jié)：由于模具細(xì)節(jié)要求高，因此對(duì)加工路徑提出了較高的平順性要求，棱角處的路徑節(jié)點(diǎn)十分關(guān)鍵。針對(duì)以上情況，采用?JDSoft?SurfMill8.0?軟件的微銑削和節(jié)點(diǎn)重布功能，可有效提高路徑的平順性，對(duì)表面效果的提升十分明顯如圖4所示。

3.2.4刀具和刀柄方面

（1）刀具的選擇。光學(xué)模具很多加工問(wèn)題都是由刀具因素導(dǎo)致的：刀具尺寸精度問(wèn)題導(dǎo)致模具尺寸超差;刀具刃口微觀鋸齒導(dǎo)致模具明暗紋、拉絲紋;刀具耐磨性差導(dǎo)致模具陰陽(yáng)面等?？梢哉f(shuō)刀具的質(zhì)量直接決定模具的品質(zhì)。目前用于光學(xué)模具加工的刀具主要有三類(lèi)，分別是涂層硬質(zhì)合金立銑刀、CBN?刀具、PCD?刀具，三者分別有以下特點(diǎn)：

①硬質(zhì)合金立銑刀：由于刀具精度高，價(jià)格較為便宜，通常用于光學(xué)模具的粗加工、半精加工以及精加工。

②CBN（立方氮化硼）刀具：適合高速和長(zhǎng)時(shí)間切削，目前在?LED?芯子模行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。需要注意的是?CBN?刀刃易崩裂，需要盡量保持連續(xù)均勻加工。

③PCD（聚晶金剛石）刀具：適合高要求光學(xué)模具（粗糙度低于?Ra0.02）的加工，但需要注意的是PCD?刀具耐熱性不佳，800℃時(shí)容易碳化，因此吃刀量及進(jìn)給速度不宜過(guò)大，同時(shí)需要充分冷卻，不適用于干切。

因工件材料硬度高，加工時(shí)間長(zhǎng)（精加工時(shí)間超過(guò)?14h），對(duì)刀具的精度、耐磨性提出了很高的要求。綜合以上因素，最終選擇?NS?CBN?刀具進(jìn)行精加工。

④刀具輪廓度。a.刀具刀刃微觀鋸齒檢測(cè)（如圖5所示）：刀刃上的微觀鋸齒在加工時(shí)將映射到模具表面，直接導(dǎo)致模具出現(xiàn)環(huán)形紋、拉絲紋以及光潔度差等表面質(zhì)量問(wèn)題，因此，加工前要對(duì)刀刃微觀鋸齒進(jìn)行檢測(cè)，挑選刀刃無(wú)微觀鋸齒的刀具進(jìn)行加工。

b.刀具尺寸及輪廓度檢測(cè)：刀具尺寸精度問(wèn)題導(dǎo)致模具形位精度超差，使用?Blum?激光對(duì)刀儀對(duì)刀具R?角進(jìn)行精確測(cè)量，篩選輪廓極差小于?4μm?的刀具進(jìn)行加工，同時(shí)使用實(shí)測(cè)刀具尺寸進(jìn)行工藝編程。

（2）刀柄選擇：選用裝夾精度高、裝夾剛性強(qiáng)以及不平衡量小的刀柄。

（3）刀具裝夾管控：通過(guò)?SurfMill?軟件中的碰撞檢查功能，精確計(jì)算出刀具的伸出長(zhǎng)度與有效刃長(zhǎng)，?將刀具伸出長(zhǎng)度與有效刃長(zhǎng)控制在最短，以此來(lái)保證刀具最大的夾持剛性，減小讓刀量。并且半精與精加工刀具跳動(dòng)<2μm。

4加工效果

通過(guò)以上的一系列改良措施，最終實(shí)現(xiàn)了該模具的穩(wěn)定制造。表面光潔度穩(wěn)定在?Ra0.04～0.05μm，?長(zhǎng)時(shí)間加工無(wú)分層、拉絲及粗糙度不均勻現(xiàn)象，精加工刀具磨損十分輕微。

5結(jié)語(yǔ)

本文以杯形透鏡模具的加工案例，介紹了采用國(guó)產(chǎn)北京精雕機(jī)床加工，解決了采用一些進(jìn)口設(shè)備加工都無(wú)法達(dá)到產(chǎn)品的精度要求，贏得企業(yè)高度認(rèn)可。可見(jiàn)國(guó)產(chǎn)雕銑機(jī)床可以與進(jìn)口雕銑機(jī)床進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。

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作者簡(jiǎn)介：楊偉明?（1978—??），廣東廣州人，本科，高級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，從事多軸加工工藝技術(shù)研究20年。