頭盔鏡片模具型芯的五軸數控加工

余煥強 王小玲

摘要：本文介紹了頭盔鏡片模具型芯零件的數控加工方法。實踐表明，采用五軸加工中心來加工高精密零件，在無需專用夾具的情況下一次裝夾就可完成加工，可以獲得更高的切削效率和更好的加工表面質量。

關鍵詞：五軸數控加工鏡片模具

1 概述

當前模具制造行業中，三軸數控加工技術已經普遍應用并且相對成熟，但隨著五軸數控技術的發展與推進，先進的五軸數控加工技術在市場上體現出了明顯的優越性。

摩托車頭盔上的塑料鏡片能起到防風、擋沙以及緩速的效果，直接影響到騎乘者行車和運動的安全性，如圖1所示。然而塑料光學鏡片需要有精密的模具來保證，以使注射成型的鏡片能達到要求的光學技術指標（零屈光度、零散光度）。鏡片模具屬于高精密塑料模具，其模具表面形狀復雜、材料難以切削、精度要求高，其制造及加工工藝比一般精密塑料模具具有更高的要求。本文以頭盔鏡片模具型芯的數控加工為例，介紹了該模具零件的數控加工方法。

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2 頭盔鏡片模具型芯的工藝分析

圖2所示為頭盔鏡片模具型芯的零件圖。分析該零件圖可知：該零件的尺寸大小為330X200X213mm，與型腔配合間隙小于0.02mm，毛坯材料采用的是STAVAX ESR（S136）高級不銹模具鋼。零件主要以曲面為主，且多為陡峭面，曲面高度差最大約185mm，底部側面有一個水冷孔腔，周邊倒圓角尺寸小為R0.8。其中，如圖2所示的黃色曲面要求較高：曲面的表面粗糙度值Ra=0.8μm和廓形精度有較高要求；曲面高度差較大；有凸出的倒扣，如圖2所示的紅色部分。因此該零件的主要加工難點就在于此成型面。

3 頭盔鏡片模具型芯的加工工藝的制定

針對該零件的加工精度和表面質量比較高的特點，對其加工采取機械和研磨相結合的方法來進行，能夠使用機械加工的曲面盡量機加工，達到Ra0.8后，再采用人工拋光研磨達到Ra0.01，以使鏡片模具表面保持良好的平整度，達到零屈光度和零散光度。

3.1 機床的選用 圖3所示的黃色曲面為該零件的主要加工難點。如果采用傳統的三軸加工中心來加工該曲面，由于有倒扣位置、較小的圓角和過高的落差，須進行多次裝夾（至少三次以上）或進行電火花加工。如果采用多次裝夾，受夾具制造精度和操作工人的操作水平的影響，曲面的加工精度和表面質量難以保證，會出現接刀痕、加工余量不均勻、表面質量不均勻等問題，增加后續拋光研磨的加工難度，增加了拋光的時間。如果采用電加工，由于零件尺寸較大，所需銅公尺寸也較大，且需制造專用夾具，因此同樣會出現采用多次裝夾所產生的上述問題；而且制造夾具和銅公的成本較大，效率低，生產周期較長。

如果采用五軸加工中心來加工該曲面，在無需專用夾具的情況下一次裝夾就可完成，降低了夾具的成本，避免了多次裝夾所帶來的問題。而且在五軸機床加工，由于刀具/工件的位姿角隨時可調，不僅刀具可以懸伸很短，保證了剛性和可加工性，還可以時時充分利用刀具的最佳切削點來進行切削，或用線接觸成形的螺旋立銑刀來代替點接觸成形的球頭銑刀，甚至還可以通過進一步優化刀具/工件的位姿角來進行銑削，從而獲得更高的切削速度和切削線寬。綜上述，采用五軸加工中心來加工該曲面，可以獲得更高的切削效率和更好的加工表面質量。

但是，根據模具零件加工的特點和數控機床新工藝的要求，在模具零件的生產過程中，不可能靠一兩臺數控機床完成零件的全部加工工序——粗加工、半精加工、精加工和超精加工。其原因是顯而易見的——在一臺適用于所有類型工序和工作負荷的機床上，要想保持良好的精度是完全不可能的。例如在粗加工時，機床的導軌、滾珠絲桿和主軸軸承將處于大的壓力和負荷之下，這將會對機床的精度產生很大的影響。因此在兼顧經濟性和高精度的前提下，加工該零件應該選用在專用三軸數控銑床上開粗，在專用三軸加工中心上進行精加工，并對成型曲面留有加工余量，在五軸加工中心上完成成型曲面的精加工。

3.2 加工工藝方案的確定 擬定的頭盔鏡片模具型芯的加工工藝方案如下：①用電火花線切割割出模具毛坯。毛坯預處理硬度為HB200，精磨底面和頂面作為基準平面。②以頂面作為基準，安裝在數控銑床工作臺上，四面分中，粗加工底面槽，留有0.3mm余量。③精加工底面槽，留余量為0。④加工底面孔，先打中心鉆。⑤用啄鉆方式加工φ5和φ12的孔。⑥翻側工件，加工側面孔，先打中心鉆。⑦用啄鉆方式加工φ12的孔。⑧用底面為基準，四面分中，粗加工頂面，留有0.5mm余量。⑨用小刀二次粗加工不均勻殘留部分。⑩拆下工件，熱處理并且回火至HRC50度?！霭褵崽幚硗甑墓ぜ?，以底面為基準，安裝在精加工中心上，精加工頂部曲面，余量為0.015，其中成型部分曲面留有0.1mm余量?！鲆缘酌鏋榛鶞?，安裝在五軸加工中心上，精加工成型部位曲面和倒扣位置，留有0.01mm余量?！鰭伖?。

4 頭盔鏡片模具型芯的數控編程

該零件采用DELCAM公司的POWERMILL軟件進行數控編程。編制數控編程程序表如下。

完成后的頭盔鏡片模具型芯的加工結果如圖4所示，工件表面質量達到要求，各表面均勻一致。

5 結束語

頭盔鏡片模具型芯的成型面和倒扣位置經過五軸加工中心一次裝夾加工完成，表面質量達到了預想的效果，并且提高了生產效率，達到了客戶要求的技術參數，體現出了先進的五軸數控加工技術在市場上的優越性。五軸數控加工技術必將會得到普及。本文中的加工方案也能為同類模具曲面加工提供借鑒。

參考文獻：

[1]宋放之主編.數控機床多軸加工技術使用教程[M].北京：清華大學出版社，2010.4

[2]楊勝群主編.Vericut數控加工仿真技術[M].北京：清華大學出版社，2010.4.

[3]胡乾坤，魯墨武，崔秀麗，邢艷秋.五軸數控加工中心數學模型的建立與實現[J].沈陽航空工業學院學報，2006(04).

作者簡介：余煥強（1980-），男，大學本科，主要研究方向為數控加工技術。