摘要：光學(xué)鏡頭（玻璃）廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，是各種精密設(shè)備的核心零件，而注塑成型是各種塑料產(chǎn)品批量生產(chǎn)的制造方法。本文將從六個(gè)方面論述傳統(tǒng)注塑成型與精密注塑成型的區(qū)別，說明光學(xué)鏡頭注塑成型的可行性，希望得以廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光學(xué)鏡頭 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 注塑成型工藝 精密機(jī)加工 刀具設(shè)計(jì)

隨著影像技術(shù)的高速發(fā)展，人們可以隨時(shí)隨地地將身邊正在發(fā)生的事情、景物和人物錄制在自己的相機(jī)或手機(jī)里。而這些高科技產(chǎn)品的核心零件正是有著高精度的光學(xué)元件。以往這種光學(xué)鏡頭都以玻璃為主材，但玻璃難免存在質(zhì)量大、脆性大、價(jià)格高等缺點(diǎn)，因此近年來人們開始選用聚合物材料代替玻璃鏡片，并逐漸應(yīng)用在通信行業(yè)、醫(yī)療器械、汽車工業(yè)，以及信息行業(yè)。而能否實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)關(guān)鍵在于注塑成型。

眾所周知，注塑成型廣泛用于塑件批量生產(chǎn)，但傳統(tǒng)注塑成型技術(shù)難以達(dá)到光學(xué)元件的精度。若要達(dá)到所需的尺寸公差和表面質(zhì)量，必須優(yōu)化整條工藝鏈。經(jīng)過多年的研究，如今可以通過精密注塑成型技術(shù)制成功能更多、價(jià)格合理的精密光學(xué)元件，滿足市場的需求。

研究注塑成型工藝，能夠發(fā)現(xiàn)精密注塑成型與傳統(tǒng)注塑成型相比有六個(gè)明顯不同。

一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了獲得最佳的表面質(zhì)量和最小的尺寸公差，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的。產(chǎn)品設(shè)計(jì)也標(biāo)明塑件的尺寸公差。從一些經(jīng)驗(yàn)得知，常見的設(shè)計(jì)原則如下：避免塑件局部壁厚，產(chǎn)生縮孔；控制最小壁厚的尺寸（材料決定）；在光學(xué)元件起作用的表面不能有孔、槽位等，防止形成熔接痕；壁厚變化不能太大，選擇平穩(wěn)過渡；保持塑件壁厚

均勻。

由于塑料的穩(wěn)定性比玻璃要差，所以塑料鏡頭折射率的準(zhǔn)確性要比玻璃鏡頭低。一般而言，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，塑料鏡片的折射率變化范圍大于1%，而折射率的變化將會(huì)引起鏡頭焦距的變化。從物理實(shí)驗(yàn)可知，常見球面鏡頭的焦距是由折射率n，鏡頭厚度T和球半徑R決定的，而且這三個(gè)參數(shù)對(duì)焦距的影響各不相同，其中又以折射率n影響最大。為了減小折射率的變化，在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格標(biāo)明鏡頭的形位公差和加工精度。

二、刀具設(shè)計(jì)

刀具設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)同樣重要，切削效果會(huì)直接反映在塑件表面上。當(dāng)塑件的精度達(dá)到微米級(jí)（μm）時(shí)，刀具的尺寸公差必須低于1μm。雖然這對(duì)于刀具設(shè)計(jì)不是一個(gè)簡單的事情，但還是有許多刀具單元可供選擇的。有一點(diǎn)值得注意的是：尺寸穩(wěn)定的刀具需要高強(qiáng)度的材料，而且該材料能適應(yīng)各種熱處理工藝，而后者的重要性往往被忽視。實(shí)驗(yàn)證明，如果硬化鋼的金相組織從奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的過程并沒有完全結(jié)束，材料的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，引起宏觀的尺寸變化，即使在沒有受載荷的情況下，也會(huì)發(fā)生0.01～0.001mm的變形。

三、注塑成型設(shè)備

注塑成型設(shè)備是整條工藝鏈的一個(gè)重要組成部分。注塑設(shè)備能夠熔融、塑化聚合物，使其注入模具，不斷循環(huán)。它需要精準(zhǔn)地控制每一個(gè)工藝參數(shù)，例如注射溫度、注射量、注射速率、型腔壓力等等，注塑設(shè)備的精度決定了塑件的成型精度。

精密注塑成型設(shè)備是一個(gè)閉合回路，它的運(yùn)作完全受那些參數(shù)控制。注塑成型時(shí)，每一個(gè)機(jī)械動(dòng)作都必須準(zhǔn)確無誤（例如兩塊模具安裝板移動(dòng)時(shí)的平行度），而且設(shè)備上所有的零部件都要求高度的穩(wěn)定性。由于成型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)單元由電力傳動(dòng)，在精確性和復(fù)現(xiàn)性方面有明顯優(yōu)勢，適用于精密注塑成型。

四、模具車間的加工能力

除了設(shè)計(jì)元素，精密加工也是注塑成型一個(gè)非常重要的部分。模具加工必須經(jīng)過精密的機(jī)械加工和緊密配合的裝配流程。如果沒有好好控制這一部分尺寸公差，后期的注塑成型加工將難以再修復(fù)塑件的尺寸公差，或者允許調(diào)節(jié)的注塑成型參數(shù)范圍更窄了。隨著高速切削的發(fā)展，可以預(yù)測，精密高速多軸銑削加工將慢慢取代EDM（放電加工）。

為了使模具鑲件達(dá)到質(zhì)量要求，可采用單晶金剛石作為機(jī)夾車刀的刀粒進(jìn)行車削加工。金剛石車削的最大缺點(diǎn)是不能直接切削黑色金屬，例如鋼鐵，因?yàn)殍F會(huì)使金剛石磨損相當(dāng)快。目前，一些企業(yè)在熱處理工藝方面做了一些研究，就是通過改善合金工具鋼的切削性能以達(dá)到單晶金剛石車削的效果。從初期的結(jié)果看起來非常有希望。當(dāng)然我們還必須留意車削或銑削刀具本身，因?yàn)橛操|(zhì)合金車刀經(jīng)過高速車削后，刀刃會(huì)磨損，就需要采用精密磨刀機(jī)重磨刀刃刀尖。我們要高度重視這些刀具的切削平面和切削刃，即使是切削刃上極小的瑕疵都會(huì)在成型后的產(chǎn)品上反映出來。

五、注塑成型工藝

注塑成型工藝可分為兩種類型：傳統(tǒng)注塑成型和注塑壓縮成型。傳統(tǒng)注塑成型時(shí)，塑料冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，改變塑件性能，引起鏡頭偏光。為了克服這個(gè)潛在的內(nèi)應(yīng)力，其中一種處理方法是塑件退火處理，但這種方法會(huì)使塑件產(chǎn)生變形，不太合適?，F(xiàn)在可以采用注塑壓縮成型，注塑壓縮成型常用于成型帶有細(xì)微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，例如帶有衍射功能的塑料鏡頭，它與傳統(tǒng)注塑成型工藝有幾點(diǎn)明顯不同。概括其成型工藝參數(shù)范圍如下：

注射壓力（保壓壓力）：大于100MPa（因塑件或材料而定）；注塑速率：因模具、塑件、材料而定；塑化溫度：200～320℃；模具溫度：100～150℃；成型周期：0.5min以上。

因?yàn)榫茏⑺艹尚蛯儆谛滦妥⑺芊椒?，因此其成型參?shù)沒有經(jīng)驗(yàn)可借鑒。為了獲得合適的成型參數(shù)，可采用如下方法進(jìn)行嘗試。首先設(shè)計(jì)和制造一套注塑模（沒有考慮收縮率），第二步選擇其中一個(gè)注塑成型參數(shù)，將其劃分為若干個(gè)微分，逐一進(jìn)行注塑優(yōu)化。然后檢測成型后的塑件尺寸，根據(jù)塑件修改注塑模的形狀和尺寸。這種方法所得到的工藝參數(shù)往往具有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。當(dāng)然，要實(shí)施這個(gè)方案必須具備精密的測量設(shè)備（三坐標(biāo)測量儀）、先進(jìn)的制模車間（多軸銑削中心）和設(shè)計(jì)部分的數(shù)學(xué)能力（仿真分析）。

六、技術(shù)人員能力

為了使塑件獲得嚴(yán)格的尺寸公差，精密注塑成型從一開始就必須進(jìn)行考慮?？紤]光學(xué)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝參數(shù)和成型設(shè)備等各方面因素，并將這些相互作用的多個(gè)因素作為一個(gè)整體統(tǒng)一考慮，不能忽略任何一個(gè)。因此需要聘請(qǐng)一些掌握高新技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)工程師，他們能夠完成例如光學(xué)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、刀具設(shè)計(jì)、有限元分析和模流分析等工作。從另一方面來講，雖然如今注塑成型過程的大部分操作都能夠通過電腦控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，但是車間里仍然需要一些受過高等教育的高技術(shù)人才。因?yàn)榫茏⑺艹尚瓦^程的控制是注塑成型領(lǐng)域里最前沿的一種技術(shù)。其典型特點(diǎn)是注塑機(jī)擁有先進(jìn)的控制界面，需要有人不間斷地監(jiān)控，并及時(shí)調(diào)整關(guān)鍵的工藝參數(shù)，因此人的因素非常重要。

有了精密注塑成型，聚合物光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)了大批量和高精度的生產(chǎn)。當(dāng)然這只是一個(gè)開始，精密注塑成型在一些方面仍然沒有做到盡善盡美，例如：聚合物材料研發(fā)、注塑成型設(shè)備設(shè)計(jì)、模具狀態(tài)探測、塑件精密測量、模塑仿真分析軟件應(yīng)用等方面都可以深入地研究，這些必將為人們提供更優(yōu)質(zhì)的塑料光學(xué)鏡頭。

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（作者單位：中山市技師學(xué)院）