CN104117832A - 一种半球透镜模具的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半球透镜模具的制作方法，包括如下步骤：步骤一，提供一铝合金平板制件作为铝合金基体；步骤二，在该铝合金基体上钻锥形孔；步骤三，利用球头铣刀将锥形孔铣成凹球面；步骤四，利用球模对凹球面进行热压，从而对凹球面进行修形得到所述的半球透镜模具。通过该方法制得的半球透镜模具，工艺简单、成本低，且能保证精度。

Description

一种半球透镜模具的制作方法

技术领域

本发明涉及光学领域和光纤通信领域，尤其涉及一种聚合物半球透镜模具的制作方法。

背景技术

半球透镜与半球透镜阵列是一种重要的光学器件，半球透镜直径的范围从1mm到40mm，由这些半球透镜在基板上按一定形状排列而成的阵列称为半球透镜阵列。作为一种典型的光学元件，半球透镜及半球透镜阵列的基本功能是成像与聚焦，主要用于医疗、通信、传感器领域，并广泛用于相机、光盘、投影镜头、监控器件。

半球透镜及半透镜阵列可由聚合物、石英、K9（光学玻璃）、硅或半导体等材料制成。一般情况下，聚合物光学器件与玻璃或半导体光学器件相比具有更大的设计自由度，而且机械性质和热力学性质良好。此外，由聚合物制成的光学元件，具有质量轻、不易碎裂、运输快捷方便等特点，因此由其制作透镜及透镜阵列是近年来透镜发展的重要趋势。聚合物半球透镜及半球透镜阵列一般需通过模具来进行批量制作，因此半球透镜及半球透镜阵列模具是生产半球透镜的基础。

目前，用于透镜制作的金属模具是采用传统的机械加工方法完成的，包括钻削-精铣-精磨-抛光等工艺，通常模具经过精磨后，其凹球面的表面粗糙度Ra为0.8μm，如果要达到所需的透镜表面的粗糙度要求，还需要对模具进行抛光工艺。常用的抛光工艺有：超声波抛光、磁研磨抛光。超声波抛光是将工件放入磨料悬浮液中并一起置于超声波场中，依靠超声波的震荡作用，使磨料在工件表面磨削抛光，常用超声波频率范围为16-30kHz。使用的磨料有氧化铝、碳化硼、碳化硅、金刚砂等，尺寸为200-2000目，尺寸越小，表面光洁度越高，当采用200目的磨粒时，Ra值可达0.5μm；当采用800目的磨粒时，Ra值为 0.2μm。超声波加工宏观力小，不会引起工件变形，但工装制作和安装较困难。磁研磨抛光是用磁性磨料在磁场作用下形成磨料刷，对工件磨削加工，这种方法加工效率高，质量好，加工条件容易控制，工作条件好，采用合适的磨料表面粗糙度Ra可达到0.1μm。

但是，上述传统机械加工方法制作的半球透镜金属模具工艺较为复杂，而且成本高。本发明人针对现有技术中对半球透镜模具制作方法的上述缺陷深入研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种工艺简单且能保证精度的半球透镜模具的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种半球透镜模具的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，提供一铝合金平板制件作为铝合金基体；

步骤二，在该铝合金基体上钻锥形孔；

步骤三，利用球头铣刀将锥形孔铣成凹球面；

步骤四，利用球模对凹球面进行热压，从而对凹球面进行修形得到所述的半球透镜模具。

优选地，所述步骤一中，对铝合金平板制件进行铣削及打磨，获得平整表面形成铝合金基体。

优选地，所述步骤四中，在对凹球面进行热压时，在该凹球面内添加润滑剂。

优选地，以陶瓷球、轴承钢球或不锈钢球作为所述的球模。

优选地，所述的陶瓷球为氮化硅陶瓷球、氧化锆陶瓷球或碳化硅陶瓷球。

优选地，所述球模加工面的直径公差应不大于±9μm，球形误差应不大于0.25μm，粗糙度Ra应不大于0.02μm。

优选地，所述步骤四的具体热压过程为：将一加热板装夹在精密压力机的工作台上，将步骤三的铝合金基体放置在该加热板上，待加热板温度升至设定温度后保温一段时间，然后将球模放入到凹球面中，启动精密压力机，对球模加压；待球模下压至指定深度时，保温一段时间，之后停止加热，并启动风冷装置对铝合金模具进行降温，降至常温时，控制精密压力机机头上移，取出球模，制得的半球透镜模具。

优选地，进一步包括步骤五，对修形后的模具进行金属抛光。

采用上述方案后，由于本发明以铝合金平板作为模具基体材料，再采用铣削-打磨-钻孔-铣削-球热压修形-平面抛光等工艺方法来制作铝合金基体模具，避免了采用超声波抛光及磁研磨抛光等设备，因此工艺更为简单，成本更低。而模具的粗糙度和精度取决于精密压力机进给精度和球模表面的精度，其精度越高，制作的模具的表面精度也越好，最后成型的半球透镜的表面粗糙度也越高，透镜的质量也愈好。

附图说明

图1为本发明制作方法的流程图；

图2为本发明步骤一中经过铣削、打磨处理后的铝合金平板基体；

图3为本发明步骤二中在铝合金平板上钻锥形孔阵列的剖面图；

图4为本发明步骤三中铣出的凹球面的剖面图；

图5为本发明步骤四中进行球模热压修形过程的示意图；

图6为本发明步骤四中经过抛光的凹球面的剖面图；

图7为本发明步骤六中通过铝合金模具制作的半球透镜的剖面图；

图8为本发明另一结构的球模示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

本发明所揭示的是一种半球透镜模具的制作方法，工艺过程如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：铝合金基体的制备。

提供一铝合金平板制件，将制件装夹在数控铣床上，夹紧固定，对制件的六个面的表面进行粗铣，获得平整的表面。

然后对制件进行打磨，打磨的目的是去除铸件的表面缺陷、起皱、及表面损伤，使表面平坦以及提高良好的外观。首先对制件六个表面粗磨，获得较平整的平面，用于粗磨的粗砂尺寸通常为320目，打磨机的操作速度大约为30-40m/s。然后再精磨，精磨是为了去除早期粗磨的痕迹，获得光滑的平面。精磨的工具与粗磨基本相同，只是需要更细的粒度（砂粒尺寸通常在1600目以上），精磨可只需对铝合金制件的一个表面精磨，作为孔阵列的基面。由于制件所能承受的来自磨具的压力非常小，因此，要求磨具尽可能在制件表面均匀的运动。过程中，一般利用油、油脂或乳液来冷却和润滑磨具，经过精磨之后的表面粗糙度可以达到Ra 0.8μm。

如图2所示，即为通过上述加工而制备的铝合金基体1。

步骤二：在铝合金基体1上钻锥形孔11。

将打磨后的铝合金基体1装夹在钻床工作台上，夹紧固定。由于铝合金强度和硬度相对较低、对刀具磨损较小，所以铝合金的切削加工性较好，属于易加工材料，但其热导率较高，熔点较低，膨胀系数大，温度升高后塑性变形大，会损坏制件表面的平整性。当钻孔时主轴转速过高，制件温度升高快，容易发生塑性变形。因此需要综合考虑制件的物理特性，选择钻孔时的工作参数以及冷却液。

所钻孔的数量根据要制作的半球透镜来定，可以是单个锥形孔，也可以是锥形孔阵列，钻孔后的铝合金基体1如图3所示。

步骤三：利用球头铣刀将锥形孔11铣成凹球面12。

将上述的基体1装夹在铣床工作台上，夹紧固定。用球头铣刀对锥形孔11进行铣削，铣削出凹球面12，如图4所示。

步骤四：利用球模2对凹球面12进行热压修形，从而对凹球面进行修形，得到半球透镜模具1′。

由于铝合金制件的膨胀系数较大，易变形，加热时应该保证制件能均匀受热，因此采用简单的电阻加热，加热元件可以采用若干根一定功率的加热棒，以过渡配合安装在加热板的内孔，外端有接线端子，连接温控仪。通过温控仪来控制加热时的温度。

将上述的加热板装夹在精密压力机的工作台上，将步骤三的铝合金基体1放置在加热板上，加热板不仅要给基体加热，还要能承受压力。通过温控仪设定温度（如380℃），待加热板温度升至设定温度后保温一段时间（如10-20分钟），确保铝合金基体充分受热，然后将球模2放入到凹球面12中（如图5所示），启动精密压力机，在一定的进给速度以及进给量等参数条件下，对球模2加压。为了降低热压时，球模2与凹球面12之间的摩擦，提高热压后的精度，并且得到有利的金属流，可以在凹球面12内添加润滑剂，常用的润滑剂有溶于水的和不能溶解的脂肪酸盐、高粘性的油，和基于脂肪酸或酯的EP添加剂。待球模2下压至指定深度时，保温一段时间（如10-20分钟），以确保凹球面12表面的充分修形，然后关闭温控仪停止加热，并启动风冷装置对铝合金模具进行降温，降至常温时，控制精密压力机机头上移，取出球模2，可得到修形后的凹球面12。接着，更换新的球模重复以上步骤对铣出的所有凹球面12逐一修形，热压过程如图5所示，最终所制得的半球透镜模具1′如图6所示。

所制得的半球透镜模具1′的粗糙度和精度取决于精密压力机进给精度和球模2的精度，其精度越高，制作的模具的质量也越好，最后成型的半球透镜的质量也愈好。因此，本发明可以采用氮化硅陶瓷球，其表面粗糙度可以为Ra0.014μm，选用其作为热压修形的模具（即球模）。此外，该球模也可以采用轴承钢球或不锈钢球，或者其他陶瓷球，例如氧化锆陶瓷球或碳化硅陶瓷球等，所选球模加工面的精度要求可以为：直径公差应不大于±9μm，球形误差应不大于0.25μm，粗糙度Ra应不大于0.02μm。此外，所述的球模也可以是仅加工面为球面的结构，如图8所示，即为一种仅加工面为球面的球模2′。

步骤五：对上述修形后半球透镜模具1′进行金属抛光。

为了得到更高精度要求的模具，可以进一步对模具进行金属抛光。

金属抛光是以得到光滑表面或镜面光泽为目的。通常以抛光轮作为抛光工具。抛光轮一般用多层麻丝、帆布或皮革叠制而成，两侧用金属圆板夹紧，其轮缘涂敷由微粉磨料和油脂等均匀混合而成的抛光剂。把抛光轮安装在自动抛光机械上。抛光时，使旋转的抛光轮（圆周速度在20m/s以上）压向工件，使磨料对工件表面产生滚压和微量切削，从而获得光亮的加工表面，表面粗糙度一般可达Ra0.63-0.01μm，抛光之后的模具剖面图如图6所示。

将PMMA、PC以及PS等光学热塑性聚合物材料，采用上述制作而得的铝合金基体半球透镜模具1′，利用模压法进行翻模，即可制出聚合物半球透镜3（如图7所示）。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (8)

1.一种半球透镜模具的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，提供一铝合金平板制件作为铝合金基体；

步骤二，在该铝合金基体上钻锥形孔；

步骤三，利用球头铣刀将锥形孔铣成凹球面；

步骤四，利用球模对凹球面进行热压，从而对凹球面进行修形得到所述的半球透镜模具。

2.根据权利要求1所述的一种半球透镜模具的制作方法，其特征在于：所述步骤一中，对铝合金平板制件进行铣削及打磨，获得平整表面形成铝合金基体。

3.根据权利要求1所述的一种半球透镜模具的制作方法，其特征在于：所述步骤四中，在对凹球面进行热压时，在该凹球面内添加润滑剂。

4.根据权利要求1所述的一种半球透镜模具的制作方法，其特征在于：以陶瓷球、轴承钢球或不锈钢球作为所述的球模。

5.根据权利要求4所述的一种半球透镜模具的制作方法，其特征在于：所述的陶瓷球为氮化硅陶瓷球、氧化锆陶瓷球或碳化硅陶瓷球。

6.根据权利要求1所述的一种半球透镜模具的制作方法，其特征在于：所述球模加工面的直径公差应不大于±9μm，球形误差应不大于0.25μm，粗糙度Ra应不大于0.02μm。

7.根据权利要求1-6之一所述的一种半球透镜模具的制作方法，其特征在于所述步骤四的具体热压过程为：将一加热板装夹在精密压力机的工作台上，将步骤三的铝合金基体放置在该加热板上，待加热板温度升至设定温度后保温一段时间，然后将球模放入到凹球面中，启动精密压力机，对球模加压；待球模下压至指定深度时，保温一段时间，之后停止加热，并启动风冷装置对铝合金模具进行降温，降至常温时，控制精密压力机机头上移，取出球模，制得的半球透镜模具。

8.根据权利要求1所述的一种半球透镜模具的制作方法，其特征在于：进一步包括步骤五，对修形后的模具进行金属抛光。