光學鏡頭注塑成型

隨著影像技術(shù)的高速發(fā)展，人們可以隨時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或手機里。而這些高科技產(chǎn)品的核心零件正是有著高精度的光學元件。以往這種光學鏡頭都以玻璃為主材，但玻璃難免存在質(zhì)量大、脆性大、價格高等缺點，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)難以達到光學元件的精度。若要達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、價格合理的精密光學元件，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明顯不同。

一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計

為了獲得*佳的表面質(zhì)量和*小的尺寸公差，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計是非常重要的。產(chǎn)品設計也標明塑件的尺寸公差。從一些經(jīng)驗得知，常見的設計原則如下：避免塑件局部壁厚，產(chǎn)生縮孔；控制*小壁厚的尺寸（材料決定）；在光學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確性要比玻璃鏡頭低。一般而言，標準環(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引起鏡頭焦距的變化。從物理實驗可知，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，而且這三個參數(shù)對焦距的影響各不相同，其中又以折射率n影響*大。為了減小折射率的變化，在設計時必須嚴格標明鏡頭的形位公差和加工精度。

二、刀具設計

刀具設計與產(chǎn)品設計同樣重要，切削效果會直接反映在塑件表面上。當塑件的精度達到微米級（μm）時，刀具的尺寸公差必須低于1μm。雖然這對于刀具設計不是一個簡單的事情，但還是有許多刀具單元可供選擇的。有一點值得注意的是：尺寸穩(wěn)定的刀具需要高強度的材料，而且該材料能適應各種熱處理工藝，而后者的重要性往往被忽視。實驗證明，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，也會發(fā)生0.01～0.001mm的變形。

三、注塑成型設備

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

精密注塑成型設備是一個閉合回路，它的運作完全受那些參數(shù)控制。注塑成型時，每一個機械動作都必須準確無誤（例如兩塊模具安裝板移動時的平行度），而且設備上所有的零部件都要求高度的穩(wěn)定性。由于成型設備的驅(qū)動單元由電力傳動，在**性和復現(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

除了設計元素，精密加工也是注塑成型一個非常重要的部分。模具加工必須經(jīng)過精密的機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）。

為了使模具鑲件達到質(zhì)量要求，可采用單晶金剛石作為機夾車刀的刀粒進行車削加工。金剛石車削的*大缺點是不能直接切削黑色金屬，例如鋼鐵，因為鐵會使金剛石磨損相當快。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。當然我們還必須留意車削或銑削刀具本身，因為硬質(zhì)合金車刀經(jīng)過高速車削后，刀刃會磨損，就需要采用精密磨刀機重磨刀刃刀尖。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，塑料冷卻過程中會產(chǎn)生內(nèi)應力，改變塑件性能，引起鏡頭偏光。為了克服這個潛在的內(nèi)應力，其中一種處理方法是塑件退火處理，但這種方**使塑件產(chǎn)生變形，不太合適。現(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。

因為精密注塑成型屬于新型注塑方法，因此其成型參數(shù)沒有經(jīng)驗可借鑒。為了獲得合適的成型參數(shù)，可采用如下方法進行嘗試。首先設計和制造一套注塑模（沒有考慮收縮率），**步選擇其中一個注塑成型參數(shù)，將其劃分為若干個微分，逐一進行注塑優(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)定性和準確性。當然，要實施這個方案必須具備精密的測量設備（三坐標測量儀）、先進的制模車間（多軸銑削中心）和設計部分的數(shù)學能力（仿真分析）。

六、技術(shù)人員能力

為了使塑件獲得嚴格的尺寸公差，精密注塑成型從一開始就必須進行考慮?？紤]光學設計、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計、成型工藝參數(shù)和成型設備等各方面因素，并將這些相互作用的多個因素作為一個整體統(tǒng)一考慮，不能忽略任何一個。因此需要聘請一些掌握高新技術(shù)和經(jīng)驗豐富的設計工程師，他們能夠完成例如光學設計、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計、刀具設計、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，實現(xiàn)全自動化生產(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。因為精密注塑成型過程的控制是注塑成型領域里*前沿的一種技術(shù)。其典型特點是注塑機擁有先進的控制界面，需要有人不間斷地監(jiān)控，并及時調(diào)整關(guān)鍵的工藝參數(shù)，因此人的因素非常重要。