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摘要：本文介绍了头盔镜片模具型芯零件的数控加工方法。实践表明，采用五轴加工中心来加工高精密零件，在无需专用夹具的情况下一次装夹就可完成加工，可以获得更高的切削效率和更好的加工表面质量。
关键词：五轴数控加工镜片模具
1 概述
当前模具制造行业中，三轴数控加工技术已经普遍应用并且相对成熟，但随着五轴数控技术的发展与推进，先进的五轴数控加工技术在市场上体现出了明显的优越性。
摩托车头盔上的塑料镜片能起到防风、挡沙以及缓速的效果，直接影响到骑乘者行车和运动的安全性，如图1所示。然而塑料光学镜片需要有精密的模具来保证，以使注射成型的镜片能达到要求的光学技术指标（零屈光度、零散光度）。镜片模具属于高精密塑料模具，其模具表面形状复杂、材料难以切削、精度要求高，其制造及加工工艺比一般精密塑料模具具有更高的要求。本文以头盔镜片模具型芯的数控加工为例，介绍了该模具零件的数控加工方法。
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2 头盔镜片模具型芯的工艺分析
图2所示为头盔镜片模具型芯的零件图。分析该零件图可知：该零件的尺寸大小为330X200X213mm，与型腔配合间隙小于0.02mm，毛坯材料采用的是STAVAX ESR（S136）高级不锈模具钢。零件主要以曲面为主，且多为陡峭面，曲面高度差最大约185mm，底部侧面有一个水冷孔腔，周边倒圆角尺寸小为R0.8。其中，如图2所示的黄色曲面要求较高：曲面的表面粗糙度值Ra=0.8μm和廓形精度有较高要求；曲面高度差较大；有凸出的倒扣，如图2所示的红色部分。因此该零件的主要加工难点就在于此成型面。
3 头盔镜片模具型芯的加工工艺的制定
针对该零件的加工精度和表面质量比较高的特点，对其加工采取机械和研磨相结合的方法来进行，能够使用机械加工的曲面尽量机加工，达到Ra0.8后，再采用人工抛光研磨达到Ra0.01，以使镜片模具表面保持良好的平整度，达到零屈光度和零散光度。
3.1 机床的选用 图3所示的黄色曲面为该零件的主要加工难点。如果采用传统的三轴加工中心来加工该曲面，由于有倒扣位置、较小的圆角和过高的落差，须进行多次装夹（至少三次以上）或进行电火花加工。如果采用多次装夹，受夹具制造精度和操作工人的操作水平的影响，曲面的加工精度和表面质量难以保证，会出现接刀痕、加工余量不均匀、表面质量不均匀等问题，增加后续抛光研磨的加工难度，增加了抛光的时间。如果采用电加工，由于零件尺寸较大，所需铜公尺寸也较大，且需制造专用夹具，因此同样会出现采用多次装夹所产生的上述问题；而且制造夹具和铜公的成本较大，效率低，生产周期较长。
如果采用五轴加工中心来加工该曲面，在无需专用夹具的情况下一次装夹就可完成，降低了夹具的成本，避免了多次装夹所带来的问题。而且在五轴机床加工，由于刀具/工件的位姿角随时可调，不仅刀具可以悬伸很短，保证了刚性和可加工性，还可以时时充分利用刀具的最佳切削点来进行切削，或用线接触成形的螺旋立铣刀来代替点接触成形的球头铣刀，甚至还可以通过进一步优化刀具/工件的位姿角来进行铣削，从而获得更高的切削速度和切削线宽。综上述，采用五轴加工中心来加工该曲面，可以获得更高的切削效率和更好的加工表面质量。
但是，根据模具零件加工的特点和数控机床新工艺的要求，在模具零件的生产过程中，不可能靠一两台数控机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。其原因是显而易见的——在一台适用于所有类型工序和工作负荷的机床上，要想保持良好的精度是完全不可能的。例如在粗加工时，机床的导轨、滚珠丝杆和主轴轴承将处于大的压力和负荷之下，这将会对机床的精度产生很大的影响。因此在兼顾经济性和高精度的前提下，加工该零件应该选用在专用三轴数控铣床上开粗，在专用三轴加工中心上进行精加工，并对成型曲面留有加工余量，在五轴加工中心上完成成型曲面的精加工。
3.2 加工工艺方案的确定 拟定的头盔镜片模具型芯的加工工艺方案如下：①用电火花线切割割出模具毛坯。毛坯预处理硬度为HB200，精磨底面和顶面作为基准平面。②以顶面作为基准，安装在数控铣床工作台上，四面分中，粗加工底面槽，留有0.3mm余量。③精加工底面槽，留余量为0。④加工底面孔，先打中心钻。⑤用啄钻方式加工φ5和φ12的孔。⑥翻侧工件，加工侧面孔，先打中心钻。⑦用啄钻方式加工φ12的孔。⑧用底面为基准，四面分中，粗加工顶面，留有0.5mm余量。⑨用小刀二次粗加工不均匀残留部分。⑩拆下工件，热处理并且回火至HRC50度。■把热处理完的工件，以底面为基准，安装在精加工中心上，精加工顶部曲面，余量为0.015，其中成型部分曲面留有0.1mm余量。■以底面为基准，安装在五轴加工中心上，精加工成型部位曲面和倒扣位置，留有0.01mm余量。■抛光。
4 头盔镜片模具型芯的数控编程
该零件采用DELCAM公司的POWERMILL软件进行数控编程。编制数控编程程序表如下。
完成后的头盔镜片模具型芯的加工结果如图4所示，工件表面质量达到要求，各表面均匀一致。
5 结束语
头盔镜片模具型芯的成型面和倒扣位置经过五轴加工中心一次装夹加工完成，表面质量达到了预想的效果，并且提高了生产效率，达到了客户要求的技术参数，体现出了先进的五轴数控加工技术在市场上的优越性。五轴数控加工技术必将会得到普及。本文中的加工方案也能为同类模具曲面加工提供借鉴。
参考文献：
[1]宋放之主编.数控机床多轴加工技术使用教程[M].北京：清华大学出版社，2010.4
[2]杨胜群主编.Vericut数控加工仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2010.4.
[3]胡乾坤，鲁墨武，崔秀丽，邢艳秋.五轴数控加工中心数学模型的建立与实现[J].沈阳航空工业学院学报，2006(04).
作者简介：余焕强（1980-），男，大学本科，主要研究方向为数控加工技术。
关键词：五轴数控加工镜片模具
1 概述
当前模具制造行业中，三轴数控加工技术已经普遍应用并且相对成熟，但随着五轴数控技术的发展与推进，先进的五轴数控加工技术在市场上体现出了明显的优越性。
摩托车头盔上的塑料镜片能起到防风、挡沙以及缓速的效果，直接影响到骑乘者行车和运动的安全性，如图1所示。然而塑料光学镜片需要有精密的模具来保证，以使注射成型的镜片能达到要求的光学技术指标（零屈光度、零散光度）。镜片模具属于高精密塑料模具，其模具表面形状复杂、材料难以切削、精度要求高，其制造及加工工艺比一般精密塑料模具具有更高的要求。本文以头盔镜片模具型芯的数控加工为例，介绍了该模具零件的数控加工方法。
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2 头盔镜片模具型芯的工艺分析
图2所示为头盔镜片模具型芯的零件图。分析该零件图可知：该零件的尺寸大小为330X200X213mm，与型腔配合间隙小于0.02mm，毛坯材料采用的是STAVAX ESR（S136）高级不锈模具钢。零件主要以曲面为主，且多为陡峭面，曲面高度差最大约185mm，底部侧面有一个水冷孔腔，周边倒圆角尺寸小为R0.8。其中，如图2所示的黄色曲面要求较高：曲面的表面粗糙度值Ra=0.8μm和廓形精度有较高要求；曲面高度差较大；有凸出的倒扣，如图2所示的红色部分。因此该零件的主要加工难点就在于此成型面。
3 头盔镜片模具型芯的加工工艺的制定
针对该零件的加工精度和表面质量比较高的特点，对其加工采取机械和研磨相结合的方法来进行，能够使用机械加工的曲面尽量机加工，达到Ra0.8后，再采用人工抛光研磨达到Ra0.01，以使镜片模具表面保持良好的平整度，达到零屈光度和零散光度。
3.1 机床的选用 图3所示的黄色曲面为该零件的主要加工难点。如果采用传统的三轴加工中心来加工该曲面，由于有倒扣位置、较小的圆角和过高的落差，须进行多次装夹（至少三次以上）或进行电火花加工。如果采用多次装夹，受夹具制造精度和操作工人的操作水平的影响，曲面的加工精度和表面质量难以保证，会出现接刀痕、加工余量不均匀、表面质量不均匀等问题，增加后续抛光研磨的加工难度，增加了抛光的时间。如果采用电加工，由于零件尺寸较大，所需铜公尺寸也较大，且需制造专用夹具，因此同样会出现采用多次装夹所产生的上述问题；而且制造夹具和铜公的成本较大，效率低，生产周期较长。
如果采用五轴加工中心来加工该曲面，在无需专用夹具的情况下一次装夹就可完成，降低了夹具的成本，避免了多次装夹所带来的问题。而且在五轴机床加工，由于刀具/工件的位姿角随时可调，不仅刀具可以悬伸很短，保证了刚性和可加工性，还可以时时充分利用刀具的最佳切削点来进行切削，或用线接触成形的螺旋立铣刀来代替点接触成形的球头铣刀，甚至还可以通过进一步优化刀具/工件的位姿角来进行铣削，从而获得更高的切削速度和切削线宽。综上述，采用五轴加工中心来加工该曲面，可以获得更高的切削效率和更好的加工表面质量。
但是，根据模具零件加工的特点和数控机床新工艺的要求，在模具零件的生产过程中，不可能靠一两台数控机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。其原因是显而易见的——在一台适用于所有类型工序和工作负荷的机床上，要想保持良好的精度是完全不可能的。例如在粗加工时，机床的导轨、滚珠丝杆和主轴轴承将处于大的压力和负荷之下，这将会对机床的精度产生很大的影响。因此在兼顾经济性和高精度的前提下，加工该零件应该选用在专用三轴数控铣床上开粗，在专用三轴加工中心上进行精加工，并对成型曲面留有加工余量，在五轴加工中心上完成成型曲面的精加工。
3.2 加工工艺方案的确定 拟定的头盔镜片模具型芯的加工工艺方案如下：①用电火花线切割割出模具毛坯。毛坯预处理硬度为HB200，精磨底面和顶面作为基准平面。②以顶面作为基准，安装在数控铣床工作台上，四面分中，粗加工底面槽，留有0.3mm余量。③精加工底面槽，留余量为0。④加工底面孔，先打中心钻。⑤用啄钻方式加工φ5和φ12的孔。⑥翻侧工件，加工侧面孔，先打中心钻。⑦用啄钻方式加工φ12的孔。⑧用底面为基准，四面分中，粗加工顶面，留有0.5mm余量。⑨用小刀二次粗加工不均匀残留部分。⑩拆下工件，热处理并且回火至HRC50度。■把热处理完的工件，以底面为基准，安装在精加工中心上，精加工顶部曲面，余量为0.015，其中成型部分曲面留有0.1mm余量。■以底面为基准，安装在五轴加工中心上，精加工成型部位曲面和倒扣位置，留有0.01mm余量。■抛光。
4 头盔镜片模具型芯的数控编程
该零件采用DELCAM公司的POWERMILL软件进行数控编程。编制数控编程程序表如下。
完成后的头盔镜片模具型芯的加工结果如图4所示，工件表面质量达到要求，各表面均匀一致。
5 结束语
头盔镜片模具型芯的成型面和倒扣位置经过五轴加工中心一次装夹加工完成，表面质量达到了预想的效果，并且提高了生产效率，达到了客户要求的技术参数，体现出了先进的五轴数控加工技术在市场上的优越性。五轴数控加工技术必将会得到普及。本文中的加工方案也能为同类模具曲面加工提供借鉴。
参考文献：
[1]宋放之主编.数控机床多轴加工技术使用教程[M].北京：清华大学出版社，2010.4
[2]杨胜群主编.Vericut数控加工仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2010.4.
[3]胡乾坤，鲁墨武，崔秀丽，邢艳秋.五轴数控加工中心数学模型的建立与实现[J].沈阳航空工业学院学报，2006(04).
作者简介：余焕强（1980-），男，大学本科，主要研究方向为数控加工技术。