一種半球透鏡模具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半球透鏡模具的制作方法，包括如下步驟：步驟一，提供一鋁合金平板制件作為鋁合金基體；步驟二，在該鋁合金基體上鉆錐形孔；步驟三，利用球頭銑刀將錐形孔銑成凹球面；步驟四，利用球模對凹球面進行熱壓，從而對凹球面進行修形得到所述的半球透鏡模具。通過該方法制得的半球透鏡模具，工藝簡單、成本低，且能保證精度。
【專利說明】一種半球透鏡模具的制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域和光纖通信領(lǐng)域，尤其涉及一種聚合物半球透鏡模具的制作 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 半球透鏡與半球透鏡陣列是一種重要的光學(xué)器件，半球透鏡直徑的范圍從1_到 40mm，由這些半球透鏡在基板上按一定形狀排列而成的陣列稱為半球透鏡陣列。作為一種 典型的光學(xué)元件，半球透鏡及半球透鏡陣列的基本功能是成像與聚焦，主要用于醫(yī)療、通 信、傳感器領(lǐng)域，并廣泛用于相機、光盤、投影鏡頭、監(jiān)控器件。
[0003] 半球透鏡及半透鏡陣列可由聚合物、石英、K9 (光學(xué)玻璃)、硅或半導(dǎo)體等材料制 成。一般情況下，聚合物光學(xué)器件與玻璃或半導(dǎo)體光學(xué)器件相比具有更大的設(shè)計自由度，而 且機械性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)良好。此外，由聚合物制成的光學(xué)元件，具有質(zhì)量輕、不易碎裂、運 輸快捷方便等特點，因此由其制作透鏡及透鏡陣列是近年來透鏡發(fā)展的重要趨勢。聚合物 半球透鏡及半球透鏡陣列一般需通過模具來進行批量制作，因此半球透鏡及半球透鏡陣列 模具是生產(chǎn)半球透鏡的基礎(chǔ)。
[0004] 目前，用于透鏡制作的金屬模具是采用傳統(tǒng)的機械加工方法完成的，包括鉆 削-精銑-精磨-拋光等工藝，通常模具經(jīng)過精磨后，其凹球面的表面粗糙度Ra為0. 8 μ m， 如果要達到所需的透鏡表面的粗糙度要求，還需要對模具進行拋光工藝。常用的拋光工 藝有：超聲波拋光、磁研磨拋光。超聲波拋光是將工件放入磨料懸浮液中并一起置于超 聲波場中，依靠超聲波的震蕩作用，使磨料在工件表面磨削拋光，常用超聲波頻率范圍為 16-30kHz。使用的磨料有氧化鋁、碳化硼、碳化硅、金剛砂等，尺寸為200-2000目，尺寸越 小，表面光潔度越高，當采用200目的磨粒時，Ra值可達0. 5 μ m ;當采用800目的磨粒時， Ra值為0.2 μ m。超聲波加工宏觀力小，不會引起工件變形，但工裝制作和安裝較困難。磁 研磨拋光是用磁性磨料在磁場作用下形成磨料刷，對工件磨削加工，這種方法加工效率高， 質(zhì)量好，加工條件容易控制，工作條件好，采用合適的磨料表面粗糙度Ra可達到0. 1 μ m。
[0005] 但是，上述傳統(tǒng)機械加工方法制作的半球透鏡金屬模具工藝較為復(fù)雜，而且成本 高。本發(fā)明人針對現(xiàn)有技術(shù)中對半球透鏡模具制作方法的上述缺陷深入研究，遂有本案產(chǎn) 生。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種工藝簡單且能保證精度的半球透鏡模 具的制作方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是： 一種半球透鏡模具的制作方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟一，提供一鋁合金平板制件作為鋁合金基體； 步驟二，在該鋁合金基體上鉆錐形孔； 步驟三，利用球頭銑刀將錐形孔銑成凹球面； 步驟四，利用球模對凹球面進行熱壓，從而對凹球面進行修形得到所述的半球透鏡模 具。
[0008] 優(yōu)選地，所述步驟一中，對鋁合金平板制件進行銑削及打磨，獲得平整表面形成鋁 合金基體。
[0009] 優(yōu)選地，所述步驟四中，在對凹球面進行熱壓時，在該凹球面內(nèi)添加潤滑劑。
[0010] 優(yōu)選地，以陶瓷球、軸承鋼球或不銹鋼球作為所述的球模。
[0011] 優(yōu)選地，所述的陶瓷球為氮化硅陶瓷球、氧化鋯陶瓷球或碳化硅陶瓷球。
[0012] 優(yōu)選地，所述球模加工面的直徑公差應(yīng)不大于±9μπι，球形誤差應(yīng)不大于 0· 25 μ m，粗糙度Ra應(yīng)不大于0· 02 μ m。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟四的具體熱壓過程為：將一加熱板裝夾在精密壓力機的工作臺 上，將步驟三的鋁合金基體放置在該加熱板上，待加熱板溫度升至設(shè)定溫度后保溫一段時 間，然后將球模放入到凹球面中，啟動精密壓力機，對球模加壓；待球模下壓至指定深度時， 保溫一段時間，之后停止加熱，并啟動風(fēng)冷裝置對鋁合金模具進行降溫，降至常溫時，控制 精密壓力機機頭上移，取出球模，制得的半球透鏡模具。
[0014] 優(yōu)選地，進一步包括步驟五，對修形后的模具進行金屬拋光。
[0015] 采用上述方案后，由于本發(fā)明以鋁合金平板作為模具基體材料，再采用銑削-打 磨-鉆孔-銑削-球熱壓修形-平面拋光等工藝方法來制作鋁合金基體模具，避免了采用 超聲波拋光及磁研磨拋光等設(shè)備，因此工藝更為簡單，成本更低。而模具的粗糙度和精度取 決于精密壓力機進給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， 最后成型的半球透鏡的表面粗糙度也越高，透鏡的質(zhì)量也愈好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明制作方法的流程圖； 圖2為本發(fā)明步驟一中經(jīng)過銑削、打磨處理后的鋁合金平板基體； 圖3為本發(fā)明步驟二中在鋁合金平板上鉆錐形孔陣列的剖面圖； 圖4為本發(fā)明步驟三中銑出的凹球面的剖面圖； 圖5為本發(fā)明步驟四中進行球模熱壓修形過程的示意圖； 圖6為本發(fā)明步驟四中經(jīng)過拋光的凹球面的剖面圖； 圖7為本發(fā)明步驟六中通過鋁合金模具制作的半球透鏡的剖面圖； 圖8為本發(fā)明另一結(jié)構(gòu)的球模示意圖。

【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述。
[0018] 本發(fā)明所揭示的是一種半球透鏡模具的制作方法，工藝過程如圖1所示，包括以 下步驟： 步驟一：鋁合金基體的制備。
[0019] 提供一鋁合金平板制件，將制件裝夾在數(shù)控銑床上，夾緊固定，對制件的六個面的 表面進行粗銑，獲得平整的表面。
[0020] 然后對制件進行打磨，打磨的目的是去除鑄件的表面缺陷、起皺、及表面損傷，使 表面平坦以及提高良好的外觀。首先對制件六個表面粗磨，獲得較平整的平面，用于粗磨的 粗砂尺寸通常為320目，打磨機的操作速度大約為30-40m/s。然后再精磨，精磨是為了去除 早期粗磨的痕跡，獲得光滑的平面。精磨的工具與粗磨基本相同，只是需要更細的粒度(砂 粒尺寸通常在1600目以上)，精磨可只需對鋁合金制件的一個表面精磨，作為孔陣列的基 面。由于制件所能承受的來自磨具的壓力非常小，因此，要求磨具盡可能在制件表面均勻的 運動。過程中，一般利用油、油脂或乳液來冷卻和潤滑磨具，經(jīng)過精磨之后的表面粗糙度可 以達到Ra 0· 8μπι。
[0021] 如圖2所示，即為通過上述加工而制備的鋁合金基體1。
[0022] 步驟二：在鋁合金基體1上鉆錐形孔11。
[0023] 將打磨后的鋁合金基體1裝夾在鉆床工作臺上，夾緊固定。由于鋁合金強度和硬 度相對較低、對刀具磨損較小，所以鋁合金的切削加工性較好，屬于易加工材料，但其熱導(dǎo) 率較高，熔點較低，膨脹系數(shù)大，溫度升高后塑性變形大，會損壞制件表面的平整性。當鉆孔 時主軸轉(zhuǎn)速過高，制件溫度升高快，容易發(fā)生塑性變形。因此需要綜合考慮制件的物理特 性，選擇鉆孔時的工作參數(shù)以及冷卻液。
[0024] 所鉆孔的數(shù)量根據(jù)要制作的半球透鏡來定，可以是單個錐形孔，也可以是錐形孔 陣列，鉆孔后的鋁合金基體1如圖3所示。
[0025] 步驟三：利用球頭銑刀將錐形孔11銑成凹球面12。
[0026] 將上述的基體1裝夾在銑床工作臺上，夾緊固定。用球頭銑刀對錐形孔11進行銑 肖IJ，銑削出凹球面12,如圖4所示。
[0027] 步驟四：利用球模2對凹球面12進行熱壓修形，從而對凹球面進行修形，得到半球 透鏡模具廣。
[0028] 由于鋁合金制件的膨脹系數(shù)較大，易變形，加熱時應(yīng)該保證制件能均勻受熱，因此 采用簡單的電阻加熱，加熱元件可以采用若干根一定功率的加熱棒，以過渡配合安裝在加 熱板的內(nèi)孔，外端有接線端子，連接溫控儀。通過溫控儀來控制加熱時的溫度。
[0029] 將上述的加熱板裝夾在精密壓力機的工作臺上，將步驟三的鋁合金基體1放置在 加熱板上，加熱板不僅要給基體加熱，還要能承受壓力。通過溫控儀設(shè)定溫度(如380°C )，待 加熱板溫度升至設(shè)定溫度后保溫一段時間(如10-20分鐘)，確保鋁合金基體充分受熱，然后 將球模2放入到凹球面12中（如圖5所示)，啟動精密壓力機，在一定的進給速度以及進給 量等參數(shù)條件下，對球模2加壓。為了降低熱壓時，球模2與凹球面12之間的摩擦，提高熱 壓后的精度，并且得到有利的金屬流，可以在凹球面12內(nèi)添加潤滑劑，常用的潤滑劑有溶 于水的和不能溶解的脂肪酸鹽、高粘性的油，和基于脂肪酸或酯的EP添加劑。待球模2下 壓至指定深度時，保溫一段時間（如10-20分鐘)，以確保凹球面12表面的充分修形，然后關(guān) 閉溫控儀停止加熱，并啟動風(fēng)冷裝置對鋁合金模具進行降溫，降至常溫時，控制精密壓力機 機頭上移，取出球模2,可得到修形后的凹球面12。接著，更換新的球模重復(fù)以上步驟對銑 出的所有凹球面12逐一修形，熱壓過程如圖5所示，最終所制得的半球透鏡模具1'如圖6 所示。
[0030] 所制得的半球透鏡模具Γ的粗糙度和精度取決于精密壓力機進給精度和球模 2的精度，其精度越高，制作的模具的質(zhì)量也越好，最后成型的半球透鏡的質(zhì)量也愈好。因 此，本發(fā)明可以采用氮化硅陶瓷球，其表面粗糙度可以為RaO. 014 μ m，選用其作為熱壓修 形的模具（即球模)。此外，該球模也可以采用軸承鋼球或不銹鋼球，或者其他陶瓷球，例如 氧化鋯陶瓷球或碳化硅陶瓷球等，所選球模加工面的精度要求可以為：直徑公差應(yīng)不大于 ±9 μ m，球形誤差應(yīng)不大于0· 25 μ m，粗糙度Ra應(yīng)不大于0· 02 μ m。此外，所述的球模也可 以是僅加工面為球面的結(jié)構(gòu)，如圖8所示，即為一種僅加工面為球面的球模2'。
[0031] 步驟五：對上述修形后半球透鏡模具P進行金屬拋光。
[0032] 為了得到更高精度要求的模具，可以進一步對模具進行金屬拋光。
[0033] 金屬拋光是以得到光滑表面或鏡面光澤為目的。通常以拋光輪作為拋光工具。拋 光輪一般用多層麻絲、帆布或皮革疊制而成，兩側(cè)用金屬圓板夾緊，其輪緣涂敷由微粉磨料 和油脂等均勻混合而成的拋光劑。把拋光輪安裝在自動拋光機械上。拋光時，使旋轉(zhuǎn)的拋 光輪(圓周速度在20m/s以上)壓向工件，使磨料對工件表面產(chǎn)生滾壓和微量切削，從而獲得 光亮的加工表面，表面粗糙度一般可達RaO. 63-0. 01 μ m，拋光之后的模具剖面圖如圖6所 /_J、1 〇
[0034] 將PMMA、PC以及PS等光學(xué)熱塑性聚合物材料，采用上述制作而得的鋁合金基體半 球透鏡模具P，利用模壓法進行翻模，即可制出聚合物半球透鏡3 (如圖7所示)。
[0035] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制， 故但凡依本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書所做的變化或修飾，皆應(yīng)屬于本發(fā)明專利涵蓋的范圍 之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種半球透鏡模具的制作方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟一，提供一鋁合金平板制件作為鋁合金基體； 步驟二，在該鋁合金基體上鉆錐形孔； 步驟三，利用球頭銑刀將錐形孔銑成凹球面； 步驟四，利用球模對凹球面進行熱壓，從而對凹球面進行修形得到所述的半球透鏡模 具。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半球透鏡模具的制作方法，其特征在于：所述步驟一中， 對鋁合金平板制件進行銑削及打磨，獲得平整表面形成鋁合金基體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半球透鏡模具的制作方法，其特征在于：所述步驟四中， 在對凹球面進行熱壓時，在該凹球面內(nèi)添加潤滑劑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半球透鏡模具的制作方法，其特征在于：以陶瓷球、軸承 鋼球或不銹鋼球作為所述的球模。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種半球透鏡模具的制作方法，其特征在于：所述的陶瓷球 為氮化硅陶瓷球、氧化鋯陶瓷球或碳化硅陶瓷球。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半球透鏡模具的制作方法，其特征在于：所述球模加工 面的直徑公差應(yīng)不大于±9 μ m，球形誤差應(yīng)不大于0. 25 μ m，粗糙度Ra應(yīng)不大于0. 02 μ m。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的一種半球透鏡模具的制作方法，其特征在于所述步驟 四的具體熱壓過程為：將一加熱板裝夾在精密壓力機的工作臺上，將步驟三的鋁合金基體 放置在該加熱板上，待加熱板溫度升至設(shè)定溫度后保溫一段時間，然后將球模放入到凹球 面中，啟動精密壓力機，對球模加壓；待球模下壓至指定深度時，保溫一段時間，之后停止加 熱，并啟動風(fēng)冷裝置對鋁合金模具進行降溫，降至常溫時，控制精密壓力機機頭上移，取出 球模，制得的半球透鏡模具。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半球透鏡模具的制作方法，其特征在于：進一步包括步 驟五，對修形后的模具進行金屬拋光。
【文檔編號】B23P15/24GK104117832SQ201410334276
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】謝丹, 常雪峰, 羅善明, 舒霞云, 丁煥琪, 崔祥波 申請人:廈門理工學(xué)院