光学镜头注塑成型

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2012 05
专业开发
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光学镜头注塑成型
文／李锐传
摘要：光学镜头（玻璃）广泛用于各个领域，是各种精密设备的核心零件，而注塑成型是各种塑料产品批量生产的制造方法。

本文将从六个方面论述传统注塑成型与精密注塑成型的区别，说明光学镜头注塑成型的可行性，希望得以广泛应用。

关键词：光学镜头　产品结构设计　注塑成型工艺　精密机加工　刀具设计
随着影像技术的高速发展，人们可以随时随地地将身边正在发生的事情、景物和人物录制在自己的相机或手机里。

而这些高科技产品的核心零件正是有着高精度的光学元件。

以往这种光学镜头都以玻璃为主材，但玻璃难免存在质量大、脆性大、价格高等缺点，因此近年来人们开始选用聚合物材料代替玻璃镜片，并逐渐应用在通信行业、医疗器械、汽车工业，以及信息行业。

而能否实现批量生产关键在于注塑成型。

众所周知，注塑成型广泛用于塑件批量生产，但传统注塑成型技术难以达到光学元件的精度。

若要达到所需的尺寸公差和表面质量，必须优化整条工艺链。

经过多年的研究，如今可以通过精密注塑成型技术制成功能更多、价格合理的精密光学元件，满足市场的需求。

研究注塑成型工艺，能够发现精密注塑成型与传统注塑成型相比有六个明显不同。

一、产品结构设计
为了获得最佳的表面质量和最小的尺寸公差，产品结构设计是非常重要的。

产品设计也标明塑件的尺寸公差。

从一些经验得知，常见的设计原则如下：避免塑件局部壁厚，产生缩孔；控制最小壁厚的尺寸（材料决定）；在光学元件起作用的表面不能有孔、槽位等，防止形成熔接痕；壁厚变化不能太大，选择平稳过渡；保持塑件壁厚均匀。

由于塑料的稳定性比玻璃要差，所以塑料镜头折射率的准确性要比玻璃镜头低。

一般而言，标准环境条件下，塑料镜片的折射率变化范围大于1%，而折射率的变化将会引起镜头焦距的变化。

从物理实验可知，常见球面镜头的焦距是由折射率n ，镜头厚度T 和球半径R 决定的，而且这三个参数对焦距的影响各不相同，其中又以折射率n 影响最大。

为了减小折射率的变化，在设计时必须严格标明镜头的形位公差和加工精度。

二、刀具设计
刀具设计与产品设计同样重要，切削效果会直接反映在塑件表面上。

当塑件的精度达到微米级（μm）时，刀具的尺寸公差必须低于1μm。

虽然这对于刀具设计不是一
个简单的事情，但还是有许多刀具单元可供选择的。

有一点值得注意的是：尺寸稳定的刀具需要高强度的材料，而且该材料能适应各种热处理工艺，而后者的重要性往往被忽视。

实验证明，如果硬化钢的金相组织从奥氏体向马氏体转变的过程并没有完全结束，材料的微观结构会发生变化，引起宏观的尺寸变化，即使在没有受载荷的情况下，也会发生0.01～0.001mm的变形。

三、注塑成型设备
注塑成型设备是整条工艺链的一个重要组成部分。

注塑设备能够熔融、塑化聚合物，使其注入模具，不断循环。

它需要精准地控制每一个工艺参数，例如注射温度、注射量、注射速率、型腔压力等等，注塑设备的精度决定了塑件的成型精度。

精密注塑成型设备是一个闭合回路，它的运作完全受那些参数控制。

注塑成型时，每一个机械动作都必须准确无误（例如两块模具安装板移动时的平行度），而且设备上所有的零部件都要求高度的稳定性。

由于成型设备的驱动单元由电力传动，在精确性和复现性方面有明显优势，适用于精密注塑成型。

四、模具车间的加工能力
除了设计元素，精密加工也是注塑成型一个非常重要的部分。

模具加工必须经过精密的机械加工和紧密配合的装配流程。

如果没有好好控制这一部分尺寸公差，后期的注塑成型加工将难以再修复塑件的尺寸公差，或者允许调节的注塑成型参数范围更窄了。

随着高速切削的发展，可以预测，精密高速多轴铣削加工将慢慢取代EDM（放电加工）。

为了使模具镶件达到质量要求，可采用单晶金刚石作为机夹车刀的刀粒进行车削加工。

金刚石车削的最大缺点是不能直接切削黑色金属，例如钢铁，因为铁会使金刚石磨损相当快。

目前，一些企业在热处理工艺方面做了一些研究，就是通过改善合金工具钢的切削性能以达到单晶金刚石车削的效果。

从初期的结果看起来非常有希望。

当然我们还必须留意车削或铣削刀具本身，因为硬质合金车刀经过高速车削后，刀刃会磨损，就需要采用精密磨刀机重磨刀刃刀尖。

我们要高度重视这些刀具的切削平面和切削刃，即使是切削刃上极小的瑕疵都会在成型后的产品上反映出来。

五、注塑成型工艺
注塑成型工艺可分为两种类型：传统注塑成型和注塑压缩成型。

传统注塑成型时，塑料冷却过程中会产生内应
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２１ＤＭ数控系统手工编程难点解析
文／苏宏宇
力，改变塑件性能，引起镜头偏光。

为了克服这个潜在的内应力，其中一种处理方法是塑件退火处理，但这种方法会使塑件产生变形，不太合适。

现在可以采用注塑压缩成型，注塑压缩成型常用于成型带有细微结构的产品，例如带有衍射功能的塑料镜头，它与传统注塑成型工艺有几点明显不同。

概括其成型工艺参数范围如下：
注射压力（保压压力）：大于100MPa（因塑件或材料而定）；注塑速率：因模具、塑件、材料而定；塑化温度：200～320℃；模具温度：100～150℃；成型周期：0.5min以上。

因为精密注塑成型属于新型注塑方法，因此其成型参数没有经验可借鉴。

为了获得合适的成型参数，可采用如下方法进行尝试。

首先设计和制造一套注塑模（没有考虑收缩率），第二步选择其中一个注塑成型参数，将其划分为若干个微分，逐一进行注塑优化。

然后检测成型后的塑件尺寸，根据塑件修改注塑模的形状和尺寸。

这种方法所得到的工艺参数往往具有较高的稳定性和准确性。

当然，要实施这个方案必须具备精密的测量设备（三坐标测量仪）、先进的制模车间（多轴铣削中心）和设计部分的数学能力（仿真分析）。

六、技术人员能力
为了使塑件获得严格的尺寸公差，精密注塑成型从一开始就必须进行考虑。

考虑光学设计、产品结构设计、成型工艺参数和成型设备等各方面因素，并将这些相互作用的多个因素作为一个整体统一考虑，不能忽略任何一个。

因此需要聘请一些掌握高新技术和经验丰富的设计工程师，他们能够完成例如光学设计、产品结构设计、刀具设计、有限元分析和模流分析等工作。

从另一方面来讲，虽然如今注塑成型过程的大部分操作都能够通过电脑控制，实现全自动化生产，但是车间里仍然需要一些受过高等教育的高技术人才。

因为精密注塑成型过程的控制是注塑成型领域里最前沿的一种技术。

其典型特点是注塑机拥有先进的控制界面，需要有人不间断地监控，并及时调整关键的工艺参数，因此人的因素非常重要。

有了精密注塑成型，聚合物光学元件实现了大批量和高精度的生产。

当然这只是一个开始，精密注塑成型在一些方面仍然没有做到尽善尽美，例如：聚合物材料研发、注塑成型设备设计、模具状态探测、塑件精密测量、模塑仿真分析软件应用等方面都可以深入地研究，这些必将为人们提供更优质的塑料光学镜头。

参考文献：
[1]叶久新，王群.塑料成型工艺及模具设计[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2]约翰纳伯（F.Johannaber）.注射成型机使用指南.北京：化学工业出版社2003.
[3]李忠文，陈延轩，等.精密注塑工艺与产品缺陷解决方案100例[M].北京：化学工业出版社，2009.
[4]文秀兰.超精密加工技术与设备[M].北京：化学工业出版社，2006.
（作者单位：中山市技师学院）
在数控加工技术迅速发展的今天，手工编程作为软件绘图生成加工轨迹的有力补充，有助于我们了解、修改和优化加工轨迹，使加工更加高效合理。

笔者学校现有一批南京数控设备有限公司生产的21DM 液晶显示铣床，根据教学需要和安排，数控铣床手工编程操作教学将在此类数控系统的基础上进行。

笔者在长期的教学生产过程中，发现、归纳并解决了手工编程的一些难点，对计算机生成的程序进行了有效改进，提高了加工效率，优化了加工工艺。

一、常见问题分析
理想的数控程序不仅能加工出符合零件图样要求的合格零件，还可使数控机床的功能得到合理应用与充分发挥。

数控编程是指从零件图样到获得数控加工程序的全部工作过程，包括分析图样和制定工艺方案、数学处理、编写程序、程序校验、程序修改等步骤。

将编写好的加工程序输入数控系统，就可控制数控机床的加工工作。

在正式加工之前，一般要对程序进行检验。

通常采用机床空运转的方式，来检查机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序；在具有图形模拟显示功能的数控机床上，可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查；对于形状复杂和加工要求高的零件，也可先用铝件、塑料或石蜡等易切材料进行试切，以检验程序。

通过检查试件，不仅可确认程序是否正确，还可知道加工精度是否符合要求。

若能采用与被加工零件材料相同的材料进行试切，则更能反映实际加工效果，当发现加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿等措施。

在华中21DM液晶显示铣床的操作手册和编程手册中，对于编程的指令有全面的介绍，但对于程序编写过程中的具体注意事项和经验等却很少提及，其他资料也比较有限。