高速雕銑機在光學模具行業中的應用

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

關鍵詞：杯形透鏡模具;CAM軟件系統;刀具與刀柄

1緒論

高速雕銑機相對數控銑床而言，它提出了“小刀具、高切速、慢進給”的加工理念，以此切入點是成功進入了模具加工行業。隨著雕銑機能力不斷的提升，涉足的加工范圍越來越廣，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。隨著全閉環機床推出之后，不僅擴充了應用領域，提升到更高應用的領域-----光學模具，早期該領域基本被國外的?Makino、Mikron、雅士達、東芝等機床占領市場，隨著我國精密機床的不斷發展，以我國北京精雕機床為首打破了此局面。從CAM軟件、刀具、檢測、電主軸等關鍵都有自已的研發團隊，現在可以與國外的同行競爭，本文以光學模具加工展開論述。

2?杯形透鏡模具加工

2.1杯形透鏡模具的技術要求

杯形透鏡模具屬于光學模具，它是?LED?光學元件精密注塑的模具，由于?LED?光學元件的功能特點，要求其具備非常高的輪廓精度和表面粗糙度。而光學模具的制造質量決定了光學元件的質量，因此，模具的精密制造成為?LED?元件質量的關鍵因素，尤其是模仁的微小變形量會導致光學透鏡的像質變壞，同時非球面透鏡模具拋光難度很大。CNC?加工的光學模仁形位公差通常要求在?10μm?以內，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分析

杯形透鏡模具在采用CNC加工時，主要存在兩大問題。一是模具輪廓度誤差偏大，錐面反射角度發生變化，導致透鏡的子光斑中心不重合，照明場刺眼炫目，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）該企業原來一直用東芝?UVM450C?機床，但加工的效果一直不穩定，表面粗糙度為?Ra0.08μm?以上且不均勻。同時菱形面棱角不清晰，無法穩定生產。分析主要原因為企業雖然建立了一流的加工車間，擁有世界一流的 CNC?機床，但沒有管控意識，機床配備的浦綠倍油霧潤滑和?Blum?激光對刀儀也沒有利用起來，導致無法穩定地生產出合格產品。

3.2?應對措施

由于產品材料硬度高，表面效果與曲面輪廓精度要求高，我們從CAM軟件、機床、工藝、刀具四個方面規劃管控方案來實現精準加工，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鍵。

使用?JDSoft?SurfMill8.0?軟件的光學模塊（微銑削與偏移精加工功能）進行加工，針對細節位置進行精密控制。

3.2.2機床與工作環境方面

選擇以下結構的精雕機床：

（1）采用穩定的龍門結構，同時通過優化立柱高度、改進絲杠裝配工藝等方面，有效地降低了加工中的振動，確保機床長時間穩定地加工。

（2）配置精雕自主研發的?JD85-36-ISO20?高速主軸，最高轉速?36000rpm，錐跳小于?0.5μm，遠端徑向跳動小于?5μm（200mm），穩定性高。

（3）最小規定單位分辨率為?0.1μm?的高精度進給機構，并配置發格絕對式直線光柵尺。

機床及加工區域的溫度穩定的管控：配有自制±0.1℃的精密變頻制冷機對主軸及機床運動部件進行強制冷卻，微量潤滑裝置與油霧分離器能夠確保加工區域的溫度穩定。

（4）配置在機檢測系統：機床裝有?Blum?激光對刀儀和雷尼紹?OMP400?測頭，結合?JD50?系統在機測量模塊可對刀具及產品進行精準測量和過程管控。

（5）高精度和高效率的?JD50?數控系統：機床采用開放式數控系統，數控系統基于?PC?電腦結構，處理數據速度更快，容量更大，更穩定，具有強大的預讀功能以及人性化的操作界面。機床符合精準管控要求。

（6）工作環境管方面選擇在恒溫車間，溫度?22±0.5℃，溫度波動小，周圍無大型開粗設備等振動源;

3.2.3工藝設計方面

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

（2）主軸轉速：首先使用?MPM?動平衡儀將刀具系統的不平衡量調整到?0.05gmm;其次使用?VM402分別對不同轉速的主軸振動和模擬切削振動進行監測，在工藝要求范圍內選擇低振動轉速進行加工。靜態???振動和動態振動分別指主軸空轉和模擬加工時的振動，根據檢測結果最終選用?23000-25000rpm?作為精加工轉速。

（3）切削量：根據?CBN?刀具和?S136?材料的特點，采用硬質合金刀具開粗和半精加工，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，同時使用測頭和激光對刀儀對每道工序的余量和刀具磨損進行精準控制，確保切削用量合理、均勻，如切削量設置如表1所示。

（4）熱穩定控制：在加工前對機床進行熱機，開啟切削冷卻空運行加工程序?1?小時，保證機床達到熱穩定狀態后再進行加工。

（5）路徑細節：由于模具細節要求高，因此對加工路徑提出了較高的平順性要求，棱角處的路徑節點十分關鍵。針對以上情況，采用?JDSoft?SurfMill8.0?軟件的微銑削和節點重布功能，可有效提高路徑的平順性，對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。光學模具很多加工問題都是由刀具因素導致的：刀具尺寸精度問題導致模具尺寸超差;刀具刃口微觀鋸齒導致模具明暗紋、拉絲紋;刀具耐磨性差導致模具陰陽面等?？梢哉f刀具的質量直接決定模具的品質。目前用于光學模具加工的刀具主要有三類，分別是涂層硬質合金立銑刀、CBN?刀具、PCD?刀具，三者分別有以下特點：

①硬質合金立銑刀：由于刀具精度高，價格較為便宜，通常用于光學模具的粗加工、半精加工以及精加工。

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

③PCD（聚晶金剛石）刀具：適合高要求光學模具（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℃時容易碳化，因此吃刀量及進給速度不宜過大，同時需要充分冷卻，不適用于干切。

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

④刀具輪廓度。a.刀具刀刃微觀鋸齒檢測（如圖5所示）：刀刃上的微觀鋸齒在加工時將映射到模具表面，直接導致模具出現環形紋、拉絲紋以及光潔度差等表面質量問題，因此，加工前要對刀刃微觀鋸齒進行檢測，挑選刀刃無微觀鋸齒的刀具進行加工。

b.刀具尺寸及輪廓度檢測：刀具尺寸精度問題導致模具形位精度超差，使用?Blum?激光對刀儀對刀具R?角進行精確測量，篩選輪廓極差小于?4μm?的刀具進行加工，同時使用實測刀具尺寸進行工藝編程。

（2）刀柄選擇：選用裝夾精度高、裝夾剛性強以及不平衡量小的刀柄。

（3）刀具裝夾管控：通過?SurfMill?軟件中的碰撞檢查功能，精確計算出刀具的伸出長度與有效刃長，?將刀具伸出長度與有效刃長控制在最短，以此來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<2μm。

4加工效果

通過以上的一系列改良措施，最終實現了該模具的穩定制造。表面光潔度穩定在?Ra0.04～0.05μm，?長時間加工無分層、拉絲及粗糙度不均勻現象，精加工刀具磨損十分輕微。

5結語

本文以杯形透鏡模具的加工案例，介紹了采用國產北京精雕機床加工，解決了采用一些進口設備加工都無法達到產品的精度要求，贏得企業高度認可?？梢妵a雕銑機床可以與進口雕銑機床進行競爭。

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作者簡介：楊偉明?（1978—??），廣東廣州人，本科，高級實習指導教師，從事多軸加工工藝技術研究20年。