一、前言

    目前鏡片的加工主要依賴于三軸或者四軸車片機(jī)，加工的對(duì)象主要是球面鏡片和雙球面鏡片。非球面鏡片由于其幾何特性，不能以來(lái)目前的三軸或四軸加工機(jī)床來(lái)加工。非球面是指表面各點(diǎn)的半徑都不相同的曲面。最常見(jiàn)的非球面為有一個(gè)對(duì)稱軸的回轉(zhuǎn)非球面。可以用下面方程式表示[1]： 

    

    本文針對(duì)非球面鏡片曲面的特性，制定鏡片加工工藝，基于UG NX3.0規(guī)劃了底模和鏡片的加工軌跡。其中使用型腔銑規(guī)劃了木底模的粗加工軌跡，固定輪廓銑規(guī)劃木底模精加工軌跡，Swarf方式規(guī)劃鏡片的粗、精加工軌跡。

   二、 鏡片加工工藝

   2.1 鏡片加工五坐標(biāo)數(shù)控加工中心

    一般說(shuō)來(lái)，五坐標(biāo)數(shù)控加工中心由三個(gè)平動(dòng)軸和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸構(gòu)成。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軸配置的不同，五坐標(biāo)數(shù)控加工中心可分為三種基本類型[2]：

    1）刀具雙擺動(dòng) 即兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸都作用于刀具上。

    2）工作臺(tái)雙回轉(zhuǎn) 即兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸都作用于工件上。

    3）刀具和工作臺(tái)分別回轉(zhuǎn) 即兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸分別作用在刀具和工作臺(tái)上。

    為了保證加工的剛度，本文選用工作臺(tái)雙回轉(zhuǎn)類型的五坐標(biāo)加工中心，即有X、Y、Z三個(gè)平動(dòng)軸和A、C兩個(gè)作用在工作臺(tái)上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，示意圖見(jiàn)圖1。

           

            圖1. 五坐標(biāo)加工中心示意圖

    鏡片的生產(chǎn)批量一般比較大，因此加工效率尤為重要，自動(dòng)換刀功能必不可少。根據(jù)加工中使用刀具的數(shù)量，建議換刀位不少于5個(gè)。

    2.2 鏡片加工裝夾

    目前鏡片加工的裝夾方式主要有兩種：1）機(jī)夾式，如圖2. a），2）空吸式，如圖2.b）。機(jī)夾式夾緊較為牢固，但是易存在裝夾變形的缺陷。空吸式夾緊相對(duì)比較平穩(wěn)，只要空吸力足夠，可以很好的完成夾緊任務(wù)。為使得裝夾更為穩(wěn)固，也可同時(shí)采用兩種裝夾。

                    圖2. a)機(jī)夾式       b)空吸式

      

    2.3 底模數(shù)控加工軌跡規(guī)劃

    底模的包括木模和橡膠模兩部分（如圖3）。

           

    2.3.1 木模加工軌跡規(guī)劃

    由木模的形狀可知，其加工軌跡可以用三軸方式來(lái)規(guī)劃。木模毛坯為木漿膠合而成，質(zhì)地較為柔軟，因此加工進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速可以較高，可分別設(shè)為1000mm/min和20000r/min。

    一般說(shuō)來(lái)，粗加工加工策略為型腔銑（CAVITY_MILL），采用往復(fù)式加工來(lái)提高加工效率，加工的逐層漸進(jìn)高度為1mm，生成的加工軌跡如圖4。

           

   精加工策略為固定軸輪廓銑（FIXED_CONTOUR），選定上表面為驅(qū)動(dòng)幾何（Drive Geometry），一般設(shè)定殘余高度為0.02mm。如圖5為木模的精加工軌跡。

                

    

    經(jīng)過(guò)軌跡轉(zhuǎn)換為NC代碼后，對(duì)木模進(jìn)行實(shí)加工，加工效果如圖2。

    2.3.2橡膠模加工軌跡規(guī)劃

    由于橡膠模是與鏡片毛坯直接接觸的材料，因此橡膠模上表面必須與鏡片毛坯地面良好的貼合，這樣才能保證足夠的夾緊力，使得鏡片加工過(guò)程穩(wěn)定。橡膠模的加工工藝為：先將橡膠模粘合在加工好的木模表面上，加工出需要的橡膠模內(nèi)外輪廓，然后將橡膠模上表面按照鏡片毛坯底面的形狀光順一次（殘余高度一般為0.01mm），確保鏡片毛坯和橡膠模緊密貼合。

    橡膠模粘合到木模上后，變形成為一個(gè)非球面，因此內(nèi)外圈的加工軌跡不能用三軸方式規(guī)劃，必須采用五軸加工方式規(guī)劃加工軌跡（如圖6）。橡膠模的內(nèi)外圈側(cè)面都是直紋面，理論上可一次加工成型。

  　考慮到橡膠材料的特性，一次成型容易造成內(nèi)外圈材料撕扯，會(huì)導(dǎo)致加工鏡片時(shí)夾緊不夠，本文采用三次加工完成外圈的加工。因此還是分為若干次走刀加工成型。UG NX3.0中提供了大量的多軸加工軌跡規(guī)劃方法，其中Swarf方式主要用于直紋面的軌跡規(guī)劃。

       

    橡膠模內(nèi)外圈加工后還需要使用固定軸輪廓銑對(duì)其表面進(jìn)行光順，這樣才能使得鏡片加工時(shí)鏡片和橡膠模之間的空隙較小、夾緊足夠穩(wěn)定。

    經(jīng)過(guò)軌跡轉(zhuǎn)換為NC代碼后，對(duì)橡膠模進(jìn)行實(shí)加工，加工效果如圖3。

    2.4 鏡片加工軌跡規(guī)劃

    UG NX3.0的五軸數(shù)控編程功能非常強(qiáng)大，常用的驅(qū)動(dòng)方法為曲線/點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方法（Curves/Point）、邊界驅(qū)動(dòng)方法（Boundary）、螺旋線驅(qū)動(dòng)方法（Spiral）、區(qū)域銑驅(qū)動(dòng)方法（Fixed_Contour）、曲面區(qū)域驅(qū)動(dòng)方法（Surface Area）、刀具軌跡驅(qū)動(dòng)方法（股票Tool Path）等。常用的刀軸控制方式有Normal to Part（垂直于零件面）、Relative to Part（相對(duì)于驅(qū)動(dòng)面）、Interpolate、Normal to Drive、Swarf Drive、Relative to Drive等。其中比較適用于鏡片加工的驅(qū)動(dòng)方法為曲面區(qū)域驅(qū)動(dòng)方法（Surface Area），刀軸控制方式為Swarf Drive。

    根據(jù)鏡片的加工工藝，其加工軌跡的規(guī)劃主要分為兩個(gè)步驟：

    2.4.1鏡片粗加工軌跡規(guī)劃

   鏡片開(kāi)粗工序應(yīng)去掉多余的鏡片毛坯材料，為精加工的修圓工序做好準(zhǔn)備，使用刀具為平底立銑刀。鏡片毛坯材料為玻璃或者其他高聚物材料，性質(zhì)較為硬脆，且為了便于毛坯廢料盡早脫落，因此盡量一刀切制成型。

    開(kāi)粗的加工軌跡規(guī)劃方法為Swarf，加工驅(qū)動(dòng)幾何選擇鏡片側(cè)面。考慮到鏡片毛坯材料的性質(zhì)，需要合理設(shè)置加工方向和進(jìn)退刀，如圖7。開(kāi)粗需要留一定加工余量，由修圓工序完成。

         

    2.4.2修圓加工軌跡規(guī)劃 

    修圓加工工序?qū)㈢R片邊緣修圓，使得鏡片的邊緣光滑，便于成品安裝到目標(biāo)鏡架中。一般使用刀具為R修圓刀（示意圖如圖8）。由于鏡片材料受熱時(shí)容易形成切削毛刺，因此在修圓加工中需一直用高壓氣體吹冷減少加工后的變形，并且不斷去除切削廢料。

                                    

    修圓加工軌跡規(guī)劃的方法與開(kāi)粗類似雙色球。需要注意的是應(yīng)該針對(duì)鏡片側(cè)面的中心線來(lái)規(guī)劃加工軌跡，這樣才能使得修圓后的鏡片側(cè)面光滑一致，達(dá)到工藝要求。 

    三、后置處理

 

    鏡片開(kāi)粗和修圓加工軌跡規(guī)劃完成后，要在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工，還需要將刀位文件（CLS）轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控加工程序彩票，該過(guò)程一般稱為后置處理(Postprocessing)。UG NX3.0自帶了專用的后置處理器配置模塊PostBuilder，配置的關(guān)鍵在于合理設(shè)定各軸行程，設(shè)置回轉(zhuǎn)半徑。限于篇幅，PostBuilder的具體設(shè)置方法本文不再贅述。

    由于鏡片開(kāi)粗和修圓加工使用不同的刀具腫瘤，因此對(duì)刀數(shù)據(jù)不同，需要設(shè)定不同的加工坐標(biāo)系G54和G55。開(kāi)粗和修圓加工的代碼寫在一個(gè)文檔中，需要調(diào)用換刀指令進(jìn)行換刀，這樣開(kāi)粗和修圓加工可以無(wú)人工干預(yù)，一次完成。坐標(biāo)系設(shè)定和換刀指令使用方式： 
    % 
    N0030 G54 ；G54開(kāi)粗工件坐標(biāo)系設(shè)定 
    N0040 M06 T01 ；換01號(hào)刀具 
    ….. ；程序正文 
    N1510 G55 ；G55修圓工件坐標(biāo)系設(shè)定 
    N1520 M06 T03 ；換03號(hào)刀具 
    ….. ；程序正文 
    N1840 M02 ；程序結(jié)束 
    %

    四、實(shí)加工

 

    選用標(biāo)準(zhǔn)配置五軸加工機(jī)床，X、Y、Z三個(gè)平動(dòng)軸，A、C兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸。在大批量生產(chǎn)中，加工效率和質(zhì)量尤為重要，加工中的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速都比較高，因此在加工中須特別注意散熱，需要有高壓氣體吹冷并去除毛刺。經(jīng)過(guò)木底模、橡膠模加工之后，合理選擇進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速，最后成功加工出一對(duì)鏡片，如圖9。實(shí)加工的邊緣較為光滑，質(zhì)量和精度都達(dá)到了要求。