技术

一、前言

    目前镜片的加工主要依赖于三轴或者四轴车片机，加工的对象主要是球面镜片和双球面镜片。非球面镜片由于其几何特性，不能以来目前的三轴或四轴加工机床来加工。非球面是指表面各点的半径都不相同的曲面。最常见的非球面为有一个对称轴的回转非球面。可以用下面方程式表示[1]： 

    

    本文针对非球面镜片曲面的特性，制定镜片加工工艺，基于UG NX3.0规划了底模和镜片的加工轨迹。其中使用型腔铣规划了木底模的粗加工轨迹，固定轮廓铣规划木底模精加工轨迹，Swarf方式规划镜片的粗、精加工轨迹。

   二、 镜片加工工艺

   2.1 镜片加工五坐标数控加工中心

    一般说来，五坐标数控加工中心由三个平动轴和两个转动轴构成。根据运动轴配置的不同，五坐标数控加工中心可分为三种基本类型[2]：

    1）刀具双摆动 即两个回转轴都作用于刀具上。

    2）工作台双回转 即两个回转轴都作用于工件上。

    3）刀具和工作台分别回转 即两个回转轴分别作用在刀具和工作台上。

    为了保证加工的刚度，本文选用工作台双回转类型的五坐标加工中心，即有X、Y、Z三个平动轴和A、C两个作用在工作台上的转动轴，示意图见图1。

           

            图1. 五坐标加工中心示意图

    镜片的生产批量一般比较大，因此加工效率尤为重要，自动换刀功能必不可少。根据加工中使用刀具的数量，建议换刀位不少于5个。

    2.2 镜片加工装夹

    目前镜片加工的装夹方式主要有两种：1）机夹式，如图2. a），2）空吸式，如图2.b）。机夹式夹紧较为牢固，但是易存在装夹变形的缺陷。空吸式夹紧相对比较平稳，只要空吸力足够，可以很好的完成夹紧任务。为使得装夹更为稳固，也可同时采用两种装夹。

                    图2. a)机夹式       b)空吸式

      

    2.3 底模数控加工轨迹规划

    底模的包括木模和橡胶模两部分（如图3）。

           

    2.3.1 木模加工轨迹规划

    由木模的形状可知，其加工轨迹可以用三轴方式来规划。木模毛坯为木浆胶合而成，质地较为柔软，因此加工进给速度和主轴转速可以较高，可分别设为1000mm/min和20000r/min。

    一般说来，粗加工加工策略为型腔铣（CAVITY_MILL），采用往复式加工来提高加工效率，加工的逐层渐进高度为1mm，生成的加工轨迹如图4。

           

   精加工策略为固定轴轮廓铣（FIXED_CONTOUR），选定上表面为驱动几何（Drive Geometry），一般设定残余高度为0.02mm。如图5为木模的精加工轨迹。

                

    

    经过轨迹转换为NC代码后，对木模进行实加工，加工效果如图2。

    2.3.2橡胶模加工轨迹规划

    由于橡胶模是与镜片毛坯直接接触的材料，因此橡胶模上表面必须与镜片毛坯地面良好的贴合，这样才能保证足够的夹紧力，使得镜片加工过程稳定。橡胶模的加工工艺为：先将橡胶模粘合在加工好的木模表面上，加工出需要的橡胶模内外轮廓，然后将橡胶模上表面按照镜片毛坯底面的形状光顺一次（残余高度一般为0.01mm），确保镜片毛坯和橡胶模紧密贴合。

    橡胶模粘合到木模上后，变形成为一个非球面，因此内外圈的加工轨迹不能用三轴方式规划，必须采用五轴加工方式规划加工轨迹（如图6）。橡胶模的内外圈侧面都是直纹面，理论上可一次加工成型。

  　考虑到橡胶材料的特性，一次成型容易造成内外圈材料撕扯，会导致加工镜片时夹紧不够，本文采用三次加工完成外圈的加工。因此还是分为若干次走刀加工成型。UG NX3.0中提供了大量的多轴加工轨迹规划方法，其中Swarf方式主要用于直纹面的轨迹规划。

       

    橡胶模内外圈加工后还需要使用固定轴轮廓铣对其表面进行光顺，这样才能使得镜片加工时镜片和橡胶模之间的空隙较小、夹紧足够稳定。

    经过轨迹转换为NC代码后，对橡胶模进行实加工，加工效果如图3。

    2.4 镜片加工轨迹规划

    UG NX3.0的五轴数控编程功能非常强大，常用的驱动方法为曲线/点驱动方法（Curves/Point）、边界驱动方法（Boundary）、螺旋线驱动方法（Spiral）、区域铣驱动方法（Fixed_Contour）、曲面区域驱动方法（Surface Area）、刀具轨迹驱动方法（股票Tool Path）等。常用的刀轴控制方式有Normal to Part（垂直于零件面）、Relative to Part（相对于驱动面）、Interpolate、Normal to Drive、Swarf Drive、Relative to Drive等。其中比较适用于镜片加工的驱动方法为曲面区域驱动方法（Surface Area），刀轴控制方式为Swarf Drive。

    根据镜片的加工工艺，其加工轨迹的规划主要分为两个步骤：

    2.4.1镜片粗加工轨迹规划

   镜片开粗工序应去掉多余的镜片毛坯材料，为精加工的修圆工序做好准备，使用刀具为平底立铣刀。镜片毛坯材料为玻璃或者其他高聚物材料，性质较为硬脆，且为了便于毛坯废料尽早脱落，因此尽量一刀切制成型。

    开粗的加工轨迹规划方法为Swarf，加工驱动几何选择镜片侧面。考虑到镜片毛坯材料的性质，需要合理设置加工方向和进退刀，如图7。开粗需要留一定加工余量，由修圆工序完成。

         

    2.4.2修圆加工轨迹规划 

    修圆加工工序将镜片边缘修圆，使得镜片的边缘光滑，便于成品安装到目标镜架中。一般使用刀具为R修圆刀（示意图如图8）。由于镜片材料受热时容易形成切削毛刺，因此在修圆加工中需一直用高压气体吹冷减少加工后的变形，并且不断去除切削废料。

                                    

    修圆加工轨迹规划的方法与开粗类似双色球。需要注意的是应该针对镜片侧面的中心线来规划加工轨迹，这样才能使得修圆后的镜片侧面光滑一致，达到工艺要求。 

    三、后置处理

 

    镜片开粗和修圆加工轨迹规划完成后，要在数控机床上进行加工，还需要将刀位文件（CLS）转换成指定数控机床能执行的数控加工程序彩票，该过程一般称为后置处理(Postprocessing)。UG NX3.0自带了专用的后置处理器配置模块PostBuilder，配置的关键在于合理设定各轴行程，设置回转半径。限于篇幅，PostBuilder的具体设置方法本文不再赘述。

    由于镜片开粗和修圆加工使用不同的刀具肿瘤，因此对刀数据不同，需要设定不同的加工坐标系G54和G55。开粗和修圆加工的代码写在一个文档中，需要调用换刀指令进行换刀，这样开粗和修圆加工可以无人工干预，一次完成。坐标系设定和换刀指令使用方式： 
    % 
    N0030 G54 ；G54开粗工件坐标系设定 
    N0040 M06 T01 ；换01号刀具 
    ….. ；程序正文 
    N1510 G55 ；G55修圆工件坐标系设定 
    N1520 M06 T03 ；换03号刀具 
    ….. ；程序正文 
    N1840 M02 ；程序结束 
    %

    四、实加工

 

    选用标准配置五轴加工机床，X、Y、Z三个平动轴，A、C两个转动轴。在大批量生产中，加工效率和质量尤为重要，加工中的进给速度和主轴转速都比较高，因此在加工中须特别注意散热，需要有高压气体吹冷并去除毛刺。经过木底模、橡胶模加工之后，合理选择进给速度和主轴转速，最后成功加工出一对镜片，如图9。实加工的边缘较为光滑，质量和精度都达到了要求。