一、前言

    目前鏡片的加工主要依賴于三軸或者四軸車片機，加工的對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，不能以來目前的三軸或四軸加工機床來加工。非球面是指表面各點的半徑都不相同的曲面。最常見的非球面為有一個對稱軸的回轉非球面。可以用下面方程式表示[1]： 

    

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

   二、 鏡片加工工藝

   2.1 鏡片加工五坐標數控加工中心

    一般說來，五坐標數控加工中心由三個平動軸和兩個轉動軸構成。根據運動軸配置的不同，五坐標數控加工中心可分為三種基本類型[2]：

    1）刀具雙擺動 即兩個回轉軸都作用于刀具上。

    2）工作臺雙回轉 即兩個回轉軸都作用于工件上。

    3）刀具和工作臺分別回轉 即兩個回轉軸分別作用在刀具和工作臺上。

    為了保證加工的剛度，本文選用工作臺雙回轉類型的五坐標加工中心，即有X、Y、Z三個平動軸和A、C兩個作用在工作臺上的轉動軸，示意圖見圖1。

           

            圖1. 五坐標加工中心示意圖

    鏡片的生產批量一般比較大，因此加工效率尤為重要，自動換刀功能必不可少。根據加工中使用刀具的數量，建議換刀位不少于5個。

    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）機夾式，如圖2. a），2）空吸式，如圖2.b）。機夾式夾緊較為牢固，但是易存在裝夾變形的缺陷。空吸式夾緊相對比較平穩，只要空吸力足夠，可以很好的完成夾緊任務。為使得裝夾更為穩固，也可同時采用兩種裝夾。

                    圖2. a)機夾式       b)空吸式

      

    2.3 底模數控加工軌跡規劃

    底模的包括木模和橡膠模兩部分（如圖3）。

           

    2.3.1 木模加工軌跡規劃

    由木模的形狀可知，其加工軌跡可以用三軸方式來規劃。木模毛坯為木漿膠合而成，質地較為柔軟，因此加工進給速度和主軸轉速可以較高，可分別設為1000mm/min和20000r/min。

    一般說來，粗加工加工策略為型腔銑（CAVITY_MILL），采用往復式加工來提高加工效率，加工的逐層漸進高度為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），選定上表面為驅動幾何（Drive Geometry），一般設定殘余高度為0.02mm。如圖5為木模的精加工軌跡。

                

    

    經過軌跡轉換為NC代碼后，對木模進行實加工，加工效果如圖2。

    2.3.2橡膠模加工軌跡規劃

    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，使得鏡片加工過程穩定。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，變形成為一個非球面，因此內外圈的加工軌跡不能用三軸方式規劃，必須采用五軸加工方式規劃加工軌跡（如圖6）。橡膠模的內外圈側面都是直紋面，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外圈材料撕扯，會導致加工鏡片時夾緊不夠，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劃方法，其中Swarf方式主要用于直紋面的軌跡規劃。

       

    橡膠模內外圈加工后還需要使用固定軸輪廓銑對其表面進行光順，這樣才能使得鏡片加工時鏡片和橡膠模之間的空隙較小、夾緊足夠穩定。

    經過軌跡轉換為NC代碼后，對橡膠模進行實加工，加工效果如圖3。

    2.4 鏡片加工軌跡規劃

    UG NX3.0的五軸數控編程功能非常強大，常用的驅動方法為曲線/點驅動方法（Curves/Point）、邊界驅動方法（Boundary）、螺旋線驅動方法（Spiral）、區域銑驅動方法（Fixed_Contour）、曲面區域驅動方法（Surface Area）、刀具軌跡驅動方法（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（相對于驅動面）、Interpolate、Normal to Drive、Swarf Drive、Relative to Drive等。其中比較適用于鏡片加工的驅動方法為曲面區域驅動方法（Surface Area），刀軸控制方式為Swarf Drive。

    根據鏡片的加工工藝，其加工軌跡的規劃主要分為兩個步驟：

    2.4.1鏡片粗加工軌跡規劃

   鏡片開粗工序應去掉多余的鏡片毛坯材料，為精加工的修圓工序做好準備，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。

    開粗的加工軌跡規劃方法為Swarf，加工驅動幾何選擇鏡片側面。考慮到鏡片毛坯材料的性質，需要合理設置加工方向和進退刀，如圖7。開粗需要留一定加工余量，由修圓工序完成。

         

    2.4.2修圓加工軌跡規劃 

    修圓加工工序將鏡片邊緣修圓，使得鏡片的邊緣光滑，便于成品安裝到目標鏡架中。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。

                                    

    修圓加工軌跡規劃的方法與開粗類似雙色球。需要注意的是應該針對鏡片側面的中心線來規劃加工軌跡，這樣才能使得修圓后的鏡片側面光滑一致，達到工藝要求。 

    三、后置處理

 

    鏡片開粗和修圓加工軌跡規劃完成后，要在數控機床上進行加工，還需要將刀位文件（CLS）轉換成指定數控機床能執行的數控加工程序彩票，該過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，配置的關鍵在于合理設定各軸行程，設置回轉半徑。限于篇幅，PostBuilder的具體設置方法本文不再贅述。

    由于鏡片開粗和修圓加工使用不同的刀具腫瘤，因此對刀數據不同，需要設定不同的加工坐標系G54和G55。開粗和修圓加工的代碼寫在一個文檔中，需要調用換刀指令進行換刀，這樣開粗和修圓加工可以無人工干預，一次完成。坐標系設定和換刀指令使用方式： 
    % 
    N0030 G54 ；G54開粗工件坐標系設定 
    N0040 M06 T01 ；換01號刀具 
    ….. ；程序正文 
    N1510 G55 ；G55修圓工件坐標系設定 
    N1520 M06 T03 ；換03號刀具 
    ….. ；程序正文 
    N1840 M02 ；程序結束 
    %

    四、實加工

 

    選用標準配置五軸加工機床，X、Y、Z三個平動軸，A、C兩個轉動軸。在大批量生產中，加工效率和質量尤為重要，加工中的進給速度和主軸轉速都比較高，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。經過木底模、橡膠模加工之后，合理選擇進給速度和主軸轉速，最后成功加工出一對鏡片，如圖9。實加工的邊緣較為光滑，質量和精度都達到了要求。