高賈順

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福建 廈門361000）

0 引言

圖1 白光光源下的Flare光斑

圖2 手機(jī)鏡頭

近幾年，隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)手機(jī)鏡頭品質(zhì)的要求越來(lái)越高。有時(shí)人們會(huì)發(fā)現(xiàn)手機(jī)拍出的照片上多了一些紅色、黃色等Flare光斑（見(jiàn)圖1），其原因是鏡頭外光線從鏡頭通光孔射入鏡片后經(jīng)過(guò)若干次幾何光學(xué)反射和折射，照射到鏡片的非有效徑表面（見(jiàn)圖2），又經(jīng)過(guò)一系列折射和反射后與正常光線一起被傳感器接受，通過(guò)軟件解析最終形成“失真”照片。為消除Flare光斑，需要解決光線傳播到鏡片非有效徑表面的問(wèn)題，即需要把傳播到鏡片非有效徑表面光線“打散”（漫反射）。目前手機(jī)鏡頭中的鏡片絕大部分均采用注塑成型，本研究需要解決注塑模具模仁非有效徑表面霧化問(wèn)題。當(dāng)前主流的霧化工藝是霧化結(jié)果較為相似的噴砂處理工藝和EDM霧化工藝[1-5]。噴砂霧化和EDM霧化后模仁非有效徑表面霧化顆粒感較明顯且具備一定的光學(xué)霧化效果。一般情況下噴砂時(shí)砂粒尺寸越小，EDM凹坑越精細(xì)，反光亮度越低，霧化效果越顯著，但是凹坑尺寸不均勻以及表面紋理規(guī)則程度低致使一些高端手機(jī)鏡片模具模仁非有效徑區(qū)域霧化效果并不理想?；谝陨显蜓芯空呦氤隽似渌F化處理工藝，譬如在鏡片模具模仁非有效徑區(qū)域利用激光打孔機(jī)床打盲孔，其霧化效果較理想，表面紋理規(guī)則程度高，但激光加工容易灼傷模仁光學(xué)有效徑表面影響光學(xué)成像效果。在不破壞手機(jī)鏡片模具模仁有效徑區(qū)域前提下為使非有效徑區(qū)域具備有規(guī)律可尋理想霧化效果，本研究提出利用超聲波切削加工模仁非有效徑區(qū)域的新方法。

1 理論分析

超聲振動(dòng)切削從微觀上看是一種脈沖性振動(dòng)切削[6]。在單個(gè)完整全振動(dòng)周期中，超過(guò)70%時(shí)間的里刀具與被加工工件、切屑徹底分離，刀具的有效切削時(shí)間比較短。刀具與被加工工件以及切屑斷續(xù)性接觸，這就使得刀具所受到的摩擦力變小，所產(chǎn)生的熱量急劇減少，切削力顯著下降，避免了普通切削產(chǎn)生時(shí)的“讓刀”現(xiàn)象，并且不產(chǎn)生積屑瘤。當(dāng)?shù)毒叩恼駝?dòng)方向和工件在機(jī)床工作臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)方向平行時(shí)（見(jiàn)圖3），在常用機(jī)床上就可以進(jìn)行精密加工平面度、圓度、圓柱度、平行度、直線度等。工件形位公差主要取決于加工時(shí)機(jī)床主軸及導(dǎo)軌精度，最高可達(dá)到接近零誤差，使以車代替磨、以鉆代替鉸、以銑代替磨成為可能。與高速硬切削相比，超聲波加工不需要高的機(jī)床剛性，而且不破壞被加工工件表面金相組織。在曲線曲面輪廓零件的精加工中，可以借助數(shù)控車床、加工中心等進(jìn)行仿形加工，可以節(jié)約高昂的數(shù)控磨床購(gòu)置費(fèi)用[6-7]。當(dāng)工件運(yùn)動(dòng)方向與刀具振動(dòng)方向不在一條直線上時(shí)（見(jiàn)圖4），工件表面被加工出鋸齒狀的紋路。紋路軌跡取決于振動(dòng)形式、振幅、刀具前角、刀具后角、頻率和工件運(yùn)動(dòng)速度。本研究選取彎曲振動(dòng)形式來(lái)驗(yàn)證利用超聲振動(dòng)切削加工鏡片模具模仁非有效徑霧化表面的可行性。

圖3 刀具振動(dòng)方向和工件運(yùn)動(dòng)方向平行

圖4 刀具振動(dòng)方向和工件運(yùn)動(dòng)方向不平行

夾心式彎曲振動(dòng)換能器是在兩圓形金屬棒之間裝夾有一組半圓形的壓電陶瓷片，并適當(dāng)安排極化方法，通過(guò)螺釘施加預(yù)緊力而構(gòu)成[8-10]。夾心式彎曲振動(dòng)換能器的壓電陶瓷是半圓形的，并且上半片與下半片極化方向完全相反，由四個(gè)陶瓷半圓片組成，這與縱向振動(dòng)夾心壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。由于壓電陶瓷本身的伸縮特性，當(dāng)施加模擬驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)夾心式彎曲振動(dòng)換能器就會(huì)產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)。在模擬驅(qū)動(dòng)電壓為正的半個(gè)周期內(nèi)，上側(cè)壓電陶瓷伸長(zhǎng)，下側(cè)壓電陶瓷收縮；在模擬驅(qū)動(dòng)電壓為負(fù)的半個(gè)周期內(nèi)，效果則剛好相反，這樣就形成了彎曲振動(dòng)形式，本研究采用的就是彎曲振動(dòng)。在提高面型精度的前提下，超聲振動(dòng)要求刀具振動(dòng)方向與切削方向一致，刀尖振動(dòng)方向與工件的線速度不一致時(shí)，理論上可以加工出鋸齒狀霧化表面[4]。

在超聲振動(dòng)切削加工中刀尖的位移公式為：

式中，f為振動(dòng)頻率；A為振動(dòng)幅度。

由上面兩式可得刀尖的速度為：

假定被加工工件靜止時(shí)，刀尖相對(duì)工件的偏角為θ，工件運(yùn)動(dòng)速度為v0，由上式可得刀尖相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)方程：

式中：x，z分別為刀尖相對(duì)于工件在x軸和z軸上的位移分量。

位移方程為：

由以上兩式得出刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖5）。

圖5 刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

本研究采用單因素實(shí)驗(yàn)法，對(duì)比超聲振動(dòng)加工方法和EDM電火花加工方法霧化表面效果。研究以霧化后工件表面反光亮度和表面紋理規(guī)則程度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。表面反光亮度越低，表面紋理規(guī)則程度越高，霧化效果越好。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

超聲振動(dòng)加工方法采用自行搭建的系統(tǒng)（圖6），系統(tǒng)頻率為19.7 kHz，振幅為8 μm的彎曲振動(dòng)切削加工系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)搭建至數(shù)控車床（CKS6140）。刀具為PCD車刀刀片（聚晶金剛石）。工件材料為φ30 mm的STAVAX棒料，加工位置為棒料端面，端面加工時(shí)工件運(yùn)動(dòng)速度為600 r/min，進(jìn)給量為10 μm，被吃刀量為 10 μm.

圖6 超聲振動(dòng)車削系統(tǒng)

EDM電火花加工方法采用蘇州新火花SPZ450機(jī)床（圖7）。電極為紫銅電極。工件材料為φ30 mm的STAVAX棒料，加工位置為棒料端面。表1為EDM具體加工參數(shù)。

圖7 EDM電火花加工

表1 SPZ450加工參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量?jī)x器為激光共聚焦顯微鏡（VKX100K）。結(jié)果顯示：從表面紋理規(guī)則程度對(duì)比，相對(duì)圖8，圖9中有較明顯的規(guī)則鋸齒波紋，此波紋對(duì)于光學(xué)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)相較于EDM霧化表面分布較為規(guī)整，具有可預(yù)測(cè)性；從霧化后工件表面反光亮度對(duì)比，相對(duì)圖9，圖8中有較多的亮斑，反光亮度高，霧化效果不理想。利用超聲波切削加工技術(shù)加工霧化表面的可行性得以驗(yàn)證。

圖8 EDM霧化表面

圖9 超聲切削霧化表面

3 結(jié)論

本研究提出一種加工霧化表面的新方法，即利用超聲波切削技術(shù)加工霧化表面；研究了超聲振動(dòng)切削基本原理；分析了彎曲振動(dòng)切削時(shí)刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡并以此作為利用超聲波切削加工霧化表面的理論基礎(chǔ)；最終實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用超聲波切削加工霧化表面的可行性。結(jié)果表明，利用超聲波切削能夠加工霧化表面，且此方法相較于電火花加工方法表面反光亮度底，表面紋理規(guī)則程度高。