光學鏡頭注塑成型

摘要：光學鏡頭（玻璃）廣泛用于各個領域，是各種精密設備的核心零件，而注塑成型是各種塑料產品批量生產的制造方法。本文將從六個方面論述傳統注塑成型與精密注塑成型的區別，說明光學鏡頭注塑成型的可行性，希望得以廣泛應用。

關鍵詞：光學鏡頭 產品結構設計 注塑成型工藝 精密機加工 刀具設計

隨著影像技術的高速發展，人們可以隨時隨地地將身邊正在發生的事情、景物和人物錄制在自己的相機或手機里。而這些高科技產品的核心零件正是有著高精度的光學元件。以往這種光學鏡頭都以玻璃為主材，但玻璃難免存在質量大、脆性大、價格高等缺點，因此近年來人們開始選用聚合物材料代替玻璃鏡片，并逐漸應用在通信行業、醫療器械、汽車工業，以及信息行業。而能否實現批量生產關鍵在于注塑成型。

眾所周知，注塑成型廣泛用于塑件批量生產，但傳統注塑成型技術難以達到光學元件的精度。若要達到所需的尺寸公差和表面質量，必須優化整條工藝鏈。經過多年的研究，如今可以通過精密注塑成型技術制成功能更多、價格合理的精密光學元件，滿足市場的需求。

研究注塑成型工藝，能夠發現精密注塑成型與傳統注塑成型相比有六個明顯不同。

一、產品結構設計

為了獲得最佳的表面質量和最小的尺寸公差，產品結構設計是非常重要的。產品設計也標明塑件的尺寸公差。從一些經驗得知，常見的設計原則如下：避免塑件局部壁厚，產生縮孔；控制最小壁厚的尺寸（材料決定）；在光學元件起作用的表面不能有孔、槽位等，防止形成熔接痕；壁厚變化不能太大，選擇平穩過渡；保持塑件壁厚

均勻。

由于塑料的穩定性比玻璃要差，所以塑料鏡頭折射率的準確性要比玻璃鏡頭低。一般而言，標準環境條件下，塑料鏡片的折射率變化范圍大于1%，而折射率的變化將會引起鏡頭焦距的變化。從物理實驗可知，常見球面鏡頭的焦距是由折射率n，鏡頭厚度T和球半徑R決定的，而且這三個參數對焦距的影響各不相同，其中又以折射率n影響最大。為了減小折射率的變化，在設計時必須嚴格標明鏡頭的形位公差和加工精度。

二、刀具設計

刀具設計與產品設計同樣重要，切削效果會直接反映在塑件表面上。當塑件的精度達到微米級（μm）時，刀具的尺寸公差必須低于1μm。雖然這對于刀具設計不是一個簡單的事情，但還是有許多刀具單元可供選擇的。有一點值得注意的是：尺寸穩定的刀具需要高強度的材料，而且該材料能適應各種熱處理工藝，而后者的重要性往往被忽視。實驗證明，如果硬化鋼的金相組織從奧氏體向馬氏體轉變的過程并沒有完全結束，材料的微觀結構會發生變化，引起宏觀的尺寸變化，即使在沒有受載荷的情況下，也會發生0.01～0.001mm的變形。

三、注塑成型設備

注塑成型設備是整條工藝鏈的一個重要組成部分。注塑設備能夠熔融、塑化聚合物，使其注入模具，不斷循環。它需要精準地控制每一個工藝參數，例如注射溫度、注射量、注射速率、型腔壓力等等，注塑設備的精度決定了塑件的成型精度。

精密注塑成型設備是一個閉合回路，它的運作完全受那些參數控制。注塑成型時，每一個機械動作都必須準確無誤（例如兩塊模具安裝板移動時的平行度），而且設備上所有的零部件都要求高度的穩定性。由于成型設備的驅動單元由電力傳動，在精確性和復現性方面有明顯優勢，適用于精密注塑成型。

四、模具車間的加工能力

除了設計元素，精密加工也是注塑成型一個非常重要的部分。模具加工必須經過精密的機械加工和緊密配合的裝配流程。如果沒有好好控制這一部分尺寸公差，后期的注塑成型加工將難以再修復塑件的尺寸公差，或者允許調節的注塑成型參數范圍更窄了。隨著高速切削的發展，可以預測，精密高速多軸銑削加工將慢慢取代EDM（放電加工）。

為了使模具鑲件達到質量要求，可采用單晶金剛石作為機夾車刀的刀粒進行車削加工。金剛石車削的最大缺點是不能直接切削黑色金屬，例如鋼鐵，因為鐵會使金剛石磨損相當快。目前，一些企業在熱處理工藝方面做了一些研究，就是通過改善合金工具鋼的切削性能以達到單晶金剛石車削的效果。從初期的結果看起來非常有希望。當然我們還必須留意車削或銑削刀具本身，因為硬質合金車刀經過高速車削后，刀刃會磨損，就需要采用精密磨刀機重磨刀刃刀尖。我們要高度重視這些刀具的切削平面和切削刃，即使是切削刃上極小的瑕疵都會在成型后的產品上反映出來。

五、注塑成型工藝

注塑成型工藝可分為兩種類型：傳統注塑成型和注塑壓縮成型。傳統注塑成型時，塑料冷卻過程中會產生內應力，改變塑件性能，引起鏡頭偏光。為了克服這個潛在的內應力，其中一種處理方法是塑件退火處理，但這種方法會使塑件產生變形，不太合適。現在可以采用注塑壓縮成型，注塑壓縮成型常用于成型帶有細微結構的產品，例如帶有衍射功能的塑料鏡頭，它與傳統注塑成型工藝有幾點明顯不同。概括其成型工藝參數范圍如下：

注射壓力（保壓壓力）：大于100MPa（因塑件或材料而定）；注塑速率：因模具、塑件、材料而定；塑化溫度：200～320℃；模具溫度：100～150℃；成型周期：0.5min以上。

因為精密注塑成型屬于新型注塑方法，因此其成型參數沒有經驗可借鑒。為了獲得合適的成型參數，可采用如下方法進行嘗試。首先設計和制造一套注塑模（沒有考慮收縮率），第二步選擇其中一個注塑成型參數，將其劃分為若干個微分，逐一進行注塑優化。然后檢測成型后的塑件尺寸，根據塑件修改注塑模的形狀和尺寸。這種方法所得到的工藝參數往往具有較高的穩定性和準確性。當然，要實施這個方案必須具備精密的測量設備（三坐標測量儀）、先進的制模車間（多軸銑削中心）和設計部分的數學能力（仿真分析）。

六、技術人員能力

為了使塑件獲得嚴格的尺寸公差，精密注塑成型從一開始就必須進行考慮?？紤]光學設計、產品結構設計、成型工藝參數和成型設備等各方面因素，并將這些相互作用的多個因素作為一個整體統一考慮，不能忽略任何一個。因此需要聘請一些掌握高新技術和經驗豐富的設計工程師，他們能夠完成例如光學設計、產品結構設計、刀具設計、有限元分析和模流分析等工作。從另一方面來講，雖然如今注塑成型過程的大部分操作都能夠通過電腦控制，實現全自動化生產，但是車間里仍然需要一些受過高等教育的高技術人才。因為精密注塑成型過程的控制是注塑成型領域里最前沿的一種技術。其典型特點是注塑機擁有先進的控制界面，需要有人不間斷地監控，并及時調整關鍵的工藝參數，因此人的因素非常重要。

有了精密注塑成型，聚合物光學元件實現了大批量和高精度的生產。當然這只是一個開始，精密注塑成型在一些方面仍然沒有做到盡善盡美，例如：聚合物材料研發、注塑成型設備設計、模具狀態探測、塑件精密測量、模塑仿真分析軟件應用等方面都可以深入地研究，這些必將為人們提供更優質的塑料光學鏡頭。

參考文獻：

[1]葉久新，王群.塑料成型工藝及模具設計[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]約翰納伯（F.Johannaber）.注射成型機使用指南.北京：化學工業出版社2003.

[3]李忠文，陳延軒，等.精密注塑工藝與產品缺陷解決方案100例[M].北京：化學工業出版社，2009.

[4]文秀蘭.超精密加工技術與設備[M].北京：化學工業出版社，2006.

（作者單位：中山市技師學院）