头盔镜片模具型芯的五轴数控加工

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。

图1 摩托车头盔上的镜片

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STAVAXESR（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。

图2 头盔镜片模具型芯零件图

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。

图3 头盔镜片模具型芯的3D 图

　　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。