高速雕铣机在光学模具行业中的应用

摘要：介绍了高速雕铣机在光学模具中发挥的重要作用，以杯形透镜模具加工为例，分析了该产品的加工难点，然后采用北京精雕机床与先进加工艺来解决，有效保证了杯形透镜模具经加工后具有较高的光洁度与尺寸精度。

关键词：杯形透镜模具;CAM软件系统;刀具与刀柄

1绪论

高速雕铣机相对数控铣床而言，它提出了“小刀具、高切速、慢进给”的加工理念，以此切入点是成功进入了模具加工行业。随着雕铣机能力不断的提升，涉足的加工范围越来越广，从最初的紫铜电极加工和模具清根清角到目前的精密和超精密模具及电极的加工。随着全闭环机床推出之后，不仅扩充了应用领域，提升到更高應用的领域-----光学模具，早期该领域基本被国外的 Makino、Mikron、雅士达、东芝等机床占领市场，随着我国精密机床的不断发展，以我国北京精雕机床为首打破了此局面。从CAM软件、刀具、检测、电主轴等关键都有自已的研发团队，现在可以与国外的同行竞争，本文以光学模具加工展开论述。

2 杯形透镜模具加工

2.1杯形透镜模具的技术要求

杯形透镜模具属于光学模具，它是 LED 光学元件精密注塑的模具，由于 LED 光学元件的功能特点，要求其具备非常高的轮廓精度和表面粗糙度。而光学模具的制造质量决定了光学元件的质量，因此，模具的精密制造成为 LED 元件质量的关键因素，尤其是模仁的微小变形量会导致光学透镜的像质变坏，同时非球面透镜模具抛光难度很大。CNC 加工的光学模仁形位公差通常要求在 10μm 以内，表面粗糙度低于 Ra0.04μm，并要求棱角清晰以及表面刀纹均匀一致。

2.2杯形透镜模具加工难点分析

杯形透镜模具在采用CNC加工时，主要存在两大问题。一是模具轮廓度误差偏大，锥面反射角度发生变化，导致透镜的子光斑中心不重合，照明场刺眼炫目，如图1所示。二是模具表面光洁度差，粗糙度不均匀，导致透镜透光率低，出光效果差。

3 杯形透镜模具典型加工案例

3.1杯形透镜模具分析

（1）图2所示为某企业的杯形透镜模具，加工材料为 S136H，淬火硬度 HRC52，工件尺寸为 50×50×22mm。该模具由 360个菱形曲面组成，最小曲率为 6.845，最大曲率为 16.423，最小坡度为 7.235°，最大坡度为 19.231°。

①表面粗糙度Ra≤0.04μm，且表面光亮度要高，要有彩虹纹;

②在 100 倍显微镜下观察加工表面，要求刀纹均匀一致并且棱角清晰;

③曲面轮廓精度≤10μm。

（3）该企业原来一直用东芝 UVM450C 机床，但加工的效果一直不稳定，表面粗糙度为 Ra0.08μm 以上且不均匀。同时菱形面棱角不清晰，无法稳定生产。分析主要原因为企业虽然建立了一流的加工车间，拥有世界一流的 CNC 机床，但没有管控意识，机床配备的浦绿倍油雾润滑和 Blum 激光对刀仪也没有利用起来，导致无法稳定地生产出合格产品。

3.2 应对措施

由于产品材料硬度高，表面效果与曲面轮廓精度要求高，我们从CAM软件、机床、工艺、刀具四个方面规划管控方案来实现精准加工，具体管控措施如下：

3.2.1CAM软件方面

杯形透镜是集折射和反射为一体的穿透式透镜，锥面以及棱角位置角度的变化将直接导致子光斑不重合，影响照射效果，其工作原理如下图3所示，因此，模具的棱角位置加工十分关键。

使用 JDSoft SurfMill8.0 软件的光学模块（微铣削与偏移精加工功能）进行加工，针对细节位置进行精密控制。

3.2.2机床与工作环境方面

选择以下结构的精雕机床：

（1）采用稳定的龙门结构，同时通过优化立柱高度、改进丝杠装配工艺等方面，有效地降低了加工中的振动，确保机床长时间稳定地加工。

（2）配置精雕自主研发的 JD85-36-ISO20 高速主轴，最高转速 36000rpm，锥跳小于 0.5μm，远端径向跳动小于 5μm（200mm），稳定性高。

（3）最小规定单位分辨率为 0.1μm 的高精度进给机构，并配置发格绝对式直线光栅尺。

机床及加工区域的温度稳定的管控：配有自制±0.1℃的精密变频制冷机对主轴及机床运动部件进行强制冷却，微量润滑装置与油雾分离器能够确保加工区域的温度稳定。

（4）配置在机检测系统：机床装有 Blum 激光对刀仪和雷尼绍 OMP400 测头，结合 JD50 系统在机测量模块可对刀具及产品进行精准测量和过程管控。

（5）高精度和高效率的 JD50 数控系统：机床采用开放式数控系统，数控系统基于 PC 电脑结构，处理数据速度更快，容量更大，更稳定，具有强大的预读功能以及人性化的操作界面。机床符合精准管控要求。

（6）工作环境管方面选择在恒温车间，温度 22±0.5℃，温度波动小，周围无大型开粗设备等振动源;

3.2.3工艺设计方面

（1）装夹方式：使用磁力吸盘装夹工件，使用千分表将 X 方向基准打至 0.002mm 以内，工件表面平面度在 0.005mm 以内，保证工件装夹精度。

（2）主轴转速：首先使用 MPM 动平衡仪将刀具系统的不平衡量调整到 0.05gmm;其次使用 VM402分别对不同转速的主轴振动和模擬切削振动进行监测，在工艺要求范围内选择低振动转速进行加工。静态   振动和动态振动分别指主轴空转和模拟加工时的振动，根据检测结果最终选用 23000-25000rpm 作为精加工转速。

（3）切削量：根据 CBN 刀具和 S136 材料的特点，采用硬质合金刀具开粗和半精加工，CBN 刀具精加工的加工方式，为确保精加工余量的均匀，增加了一道 CBN 的半精工序，同时使用测头和激光对刀仪对每道工序的余量和刀具磨损进行精准控制，确保切削用量合理、均匀，如切削量设置如表1所示。

（4）热稳定控制：在加工前对机床进行热机，开启切削冷却空运行加工程序 1 小时，保证机床达到热稳定状态后再进行加工。

（5）路径细节：由于模具细节要求高，因此对加工路径提出了较高的平顺性要求，棱角处的路径节点十分关键。针对以上情况，采用 JDSoft SurfMill8.0 软件的微铣削和节点重布功能，可有效提高路径的平顺性，对表面效果的提升十分明显如图4所示。

3.2.4刀具和刀柄方面

（1）刀具的选择。光学模具很多加工问题都是由刀具因素导致的：刀具尺寸精度问题导致模具尺寸超差;刀具刃口微观锯齿导致模具明暗纹、拉丝纹;刀具耐磨性差导致模具阴阳面等。可以说刀具的质量直接决定模具的品质。目前用于光学模具加工的刀具主要有三类，分别是涂层硬质合金立铣刀、CBN 刀具、PCD 刀具，三者分别有以下特点：

①硬质合金立铣刀：由于刀具精度高，价格较为便宜，通常用于光学模具的粗加工、半精加工以及精加工。

②CBN（立方氮化硼）刀具：适合高速和长时间切削，目前在 LED 芯子模行业得到了广泛应用。需要注意的是 CBN 刀刃易崩裂，需要尽量保持连续均匀加工。

③PCD（聚晶金刚石）刀具：适合高要求光学模具（粗糙度低于 Ra0.02）的加工，但需要注意的是PCD 刀具耐热性不佳，800℃时容易碳化，因此吃刀量及进给速度不宜过大，同时需要充分冷却，不适用于干切。

因工件材料硬度高，加工时间长（精加工时间超过 14h），对刀具的精度、耐磨性提出了很高的要求。综合以上因素，最终选择 NS CBN 刀具进行精加工。

④刀具轮廓度。a.刀具刀刃微观锯齿检测（如图5所示）：刀刃上的微观锯齿在加工时将映射到模具表面，直接导致模具出现环形纹、拉丝纹以及光洁度差等表面质量问题，因此，加工前要对刀刃微观锯齿进行检测，挑选刀刃无微观锯齿的刀具进行加工。

b.刀具尺寸及轮廓度检测：刀具尺寸精度问题导致模具形位精度超差，使用 Blum 激光对刀仪对刀具R 角进行精确测量，筛选轮廓极差小于 4μm 的刀具进行加工，同时使用实测刀具尺寸进行工艺编程。

（2）刀柄选择：选用装夹精度高、装夹刚性强以及不平衡量小的刀柄。

（3）刀具装夹管控：通过 SurfMill 软件中的碰撞检查功能，精确计算出刀具的伸出长度与有效刃长， 将刀具伸出长度与有效刃长控制在最短，以此来保证刀具最大的夹持刚性，减小让刀量。并且半精与精加工刀具跳动<2μm。

4加工效果

通过以上的一系列改良措施，最终实现了该模具的稳定制造。表面光洁度稳定在 Ra0.04～0.05μm， 长时间加工无分层、拉丝及粗糙度不均匀现象，精加工刀具磨损十分轻微。

5结语

本文以杯形透镜模具的加工案例，介绍了采用国产北京精雕机床加工，解决了采用一些进口设备加工都无法达到产品的精度要求，赢得企业高度认可。可见国产雕铣机床可以与进口雕铣机床进行竞争。

参考文献：

[1]北京精雕科技集团有限公司.JDGR400T精雕高速加工中心 WMEM·2020（5），

[2]彭丹丹.高速高精度数控雕刻机控制技术的研究[D].安徽∶ 合肥工业大学，2005.

[3]袁园.数控雕刻软件及加工技术概述[J]. 科技创新导报，2009（31）∶172-172.

作者简介：杨伟明 （1978—  ），广东广州人，本科，高级实习指导教师，从事多轴加工工艺技术研究20年。