（机械制造及其自动化专业论文）灯具模芯表面数控磨抛复合加工技术研究.pdf

摘要 摘要 灯具是现代社会不可或缺的产品，在生活和工作中越来越凸显其重要性。 在灯具中反射罩是灯具的重要组成部分，其表面质量和性能取决于反射罩模 芯的加工精度。然而由于目前对反射罩模芯的加工方式较为陈旧，因此采用 数控技术提高模芯加工质量是急需解决的问题。 本文首先对灯具模芯的特性和加工工艺进行了研究，分析了模芯的材料 特性、表面特性、模芯表面上反射块分布特征等模芯模具的性能，深入研究 了模芯的现行制造工艺，在此基础上提出了适宜灯具反射罩模芯加工的数控 复合加工新工艺方法。 针对数控复合加工新工艺方法进行了模芯上反射块成形过程的分析，在 此基础上基于对模芯实际加工图纸中各加工数据的分析建立了模芯数控加工 的数学模型，通过数学模型求解得到了复合数控加工时所需的磨削切入点、 磨削深度、反射块每层的摆角、转角等参数。利用p r o e 软件进行了模芯磨 削的仿真验证，通过对模芯表面上为条纹状反射块、蜂巢状反射块、钻石状 反射的仿真加工，验证了灯具模芯上反射块数控加工模型的正确性，为灯具 模芯数控复合加工提供技术支持。 针对灯具模芯数控复合加工中的抛光加工，提出了应用于模芯光滑表面 和模芯上反射块表面的磁性研抛加工方法。主要包括：进行了灯具模芯光滑 回转面及其上的反射块单元的抛光工具设计和分析，并采用有限元分析软件 m a x w e1l 进行了抛光工具的磁感应强度仿真分析和比较，根据分析结果确定 了永磁体在抛光工具上的布置方式，为保证抛光工具在较高速度旋转时有足 够的磁感应强度提供了基础。 关键词：灯具模芯；反射块；模型；磨削；磁性抛光；仿真 广东1 = 业大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t l u m i n a i r ei sa ne s s e n t i a lp r o d u c ti nm o d e r ns o c i e t y ，a n di tb e c o m e sm u c h m o r ei m p o r t a n ti nt h el i f ea n dw o r k i nt h ew h o l es t r u c t u r eo fl u m i n a i r e ，t h e r e f l e c t i n gc o v e ri sak e yc o m p o n e n tw h o s eq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c ed e p e n do n t h e m a c h i n i n ga c c u r a c y o ft h ec o r e m o u l d h o w e v e r ，n o w a d a y s ，t h e c o n v e n t i o n a lm a c h i n i n gm e t h o dc o u l dn o tm e e tt h e i n c r e a s i n gm a c h i n i n g r e q u i r e m e n t s t h u s ，t h ei m p r o v e m e n to fm a c h i n i n ga c c u r a c yw i t hn ct o o l si sa n u r g e n tt ob es o l v e d i nt h i s p a p e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ft h ec o r e m o u l do fl u m i n a i r eh a sb e e nr e s e a r c h e df i r s t l y a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mw i t h c o n v e n t i o n a lm a c h i n i n gm e t h o d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fc o r em o u l d ，s u c ha st h e m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s u r f a c ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed i s t r i b u t i o no fb l o c k so nt h e c o r em o u l ds u r f a c e ，an o v e lm a c h i n i n gp r o c e s su s i n gn cc o m b i n e dm a c h i n i n g t e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d b a s e do nt h es t r u c t u r ea n dm a c h i n i n gp r o c e s so fc o r em o u l d ，t h ef o r m i n g p r o c e s so fr e f l e c t i o nb l o c k so nt h ec o r em o u l ds u r f a c ei s s t u d i e df i r s t l yu s i n g n cc o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g y t h e n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o r e m o u l di sa n a l y z e da n dd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp r o c e s s i n gd a t ao ft h e d r a w i n g s c o n s e q u e n t l y ，t h eg r i n d i n gb e g i n n i n gp o i n t ，g r i n d i n gd e p t h ，s w i n g i n g a n g l ea n dr o t a t i n ga n g l eo fe a c hr e f l e c t i o nb l o c ko nt h ec o r em o u l ds u r f a c ea r e o b t a i n e df r o mt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i no r d e rt o v e r i f y t h ev a l i d i t yo f m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h e m a c h i n i n g o ft h r e ed i f f e r e n tr e f l e c t i o nb l o c k s ， s t r i p e - s h a p e ，h o n e y c o m b - s h a p ea n dd i a m o n d s h a p e ，a r es i m u l a t e dw i t hp r o e s o f t w a r e a n dt h er e s u l t ss h o wt h ev a l i d i t yo fm a t h e m a t i c a lm o d e la n dp r o v i d e t h ei m p o r t a n tt e c h n i c a ls u p p o r tf o rc n c m a c h i n i n g i nt h ep o l i s h i n gp r o c e s s ，t h em a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gi se m p l o y e dt o p o l i s ht h es m o o t hr o t a r ys u r f a c ea n dt h er e f l e c t i o nb l o c k so ni t ss u r f a c e f i r s t l y ， t h ep o l i s h i n gt o o lt op o l i s ht h es m o o t hr o t a r ys u r f a c ea n dt h er e f l e c t i o nb l o c k s a b s t r a c t i sd e s i g n e da n da n a l y z e d t h e n ，t h ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l da t t h ee n do fp o l i s h i n gt o o la r es i m u l a t e da n da n a l y z e du s i n gm a x w e l ls o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ed i s t r i b u t i o no fp e r m a n e n tm a g n e t so n t h ep o l i s h i n gt o o li sc o n f i r m e d ，w h i c hg u a r a n t e e st h es t r o n gm a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t yw h e nt h ep o l i s h i n gt o o lr o t a t e sa tah i g hs p e e d k e y w o r d s ：c o r em o u l do fl u m i n a i r e ；r e f l e c t i o nb l o c k ；m o u l d ；g r i n d i n g ； m a g n e t i ca b r a s i v eg r i n d i n g ；s i m u l a t i o n i i i 广东t 业大学工学硕上学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的 成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表 示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归 广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 年6 月孓日 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 人类的生活与光紧密相关，人类的生活离不开光、离不开照明灯具。自从1 8 7 9 年托 马斯阿尔瓦爱迪生发明白炽灯泡以来，白炽灯很快就取代了传统的灯具，开创了灯具 发展的新纪元。随着时代的进步，灯具更是现代社会不可缺少的物质之一，其需求量在逐 年递增。 近几年我国灯具产量每年以1 0 以上的速度增长。2 0 0 2 国内照明行业销售总额为8 0 0 亿元，连续4 年均以2 0 的速度迅猛递增。2 0 0 4 年，我国照明市场已经突破1 1 0 0 亿元， 2 0 0 5 年产值达到1 3 0 0 亿元，2 0 0 7 年已经达到1 8 0 0 亿元；据估算，2 0 0 9 年销售额将超过 2 0 0 0 亿元1 。广东灯具出1 3 额居全国第一，占全国灯具出口总值的5 6 8 ，佛山、中山、 惠州、东莞、深圳地区占广东灯具出口七成以上，出口灯具品种丰富，但存在着产品档次 低、附加值低的问题。现代灯具设计己不仅仅是为了单纯照明，更重要的是采用新技术， 通过对灯具结构及功能的合理设计来满足审美、节能要求和最大限度地发挥光源的性能。 据相关部门统计中国小学生近视率为2 6 9 6 ，初中生为5 3 4 3 ，高中生则超过了7 2 ； 中国学生近视发病率在全世界的排名已上升到第二位，仅次于近视大国日本【2j 。科学研究 表明，这些近视病主要是由于中小学生晚上在灯光下看书，许多灯具的配光曲线设计不合 理和反光效率低，灯具的照度、均匀度达不到使用要求，致使眼睛长期处于疲劳状态造成 的。 灯光照明对于车辆尤其重要，据资料显示车辆总行驶里程的2 5 是在晚上和自然光线 不足的情况下行驶的，而在此之间发生的人身伤害行车事故占到3 3 ，并且5 0 的死亡 事故发生在夜间。北京市质量技术监督局自2 0 0 4 年初对本市主要市场销售的汽车前照灯 产品质量进行了日常执法监督检查，共检查了桑塔纳、捷达、富康、雅阁、索纳塔、高尔 夫、旗云、夏利等2 2 种车型9 0 种产品。由国家轿车质检中心和北京市照明电器产品质量 监督检验站依据国家强制性标准g b 4 5 9 9 - - 9 4 汽车前照灯配光性能进行检验。检验结果达 到国家强制性标准的产品共有3 3 只，产品质量抽样检验合格率仅为3 6 7 旧j 。大多数 产品存在较严重质量问题，对用户的潜在危害很大。如前照灯近光亮区暗会使司机用近光 时不能清楚地看到路面及行人的情况，前照灯近光暗区漏光使司机在用近光两车交会时易 广东i 业太学i 学顶学位论文 使对方司机产生炫目，前照灯远光亮区暗使司机用远光时可视距离减小，不易看清远处的 物体。据专家分析，不合格产品中，反射罩( 如图卜1 所示) 的角度、弧线以及与配光镜 之间相互配合的设计，反射罩的加工粗糙和使用低档材料造成反射率较低等问题是主要原 因。 图卜1 灯具反射罩 f i 9 1 1r e f l e c t i n g o f l u m i n a i m 灯具反射罩可以调整光线到预期方位，同时把光损失降至最低，减少光源的眩光。光 在反射罩中是按照如图卜2 方式反射的。 图卜2 灯光反射图 f i g 1 - 2 r e f l e c t i o n m a p o f l l g i l t 由圈可以看到光源发生的光一部分( 即直射光部分) 直接照射到被照明物体上，另一 部分作为入射光线再经灯具反射罩反射( 一次或多次反射) 到被照明物体上。因此反射罩 的内表面( 凹曲面) 粗糙度和形状轮廓精度均有较高要求。 反射罩一般采用模具成型工艺制造，而其模具型芯加工制造是关键。灯具模芯目前主 要采用通用万能工具磨床及其辅助工具来实现灯具模芯曲面的加工，抛物面轮廓基本采用 人工抛光，不但效率低而且形状精度也难以保证，产品聚光效果迭不到要求，产品指标难 第一章绪论 以通过欧美检测标准，制约了我国灯具产品的出口，归根到底其关键因素还是反射罩的设 计和加工达不到光学要求。另外对于加工反射罩的模具型芯，一般精度要求的产品由国内 模具公司或者灯具模芯专门加工厂加工生产，但是精度要求特别高的产品，仍然需要进口。 因此研制灯具模芯2 n - r - 专用设备及研究模芯加工中的技术问题，解决灯具模芯曲面轮 廓的磨削、抛光问题具有重要的现实意义和广泛的市场前景，对全面提高我国灯具行业的 技术水平和灯具产品的性能有重要意义。尤其是在灯具产品出口量日益增大而同时又遇到 质量问题影响出口的双重矛盾下，更显得尤为重要。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内多, l , n - r 方法与设备 灯具反射罩作为控光零件广泛存在于照明系统中，是灯具的重要组成部分【4j ，从外 形上划分，反射罩可分为对称型和非对称型，旋转抛物面灯罩、椭球面灯罩、双曲面灯罩 等是典型的对称反射罩，非对称型反射器一般为专门用途而设计。本文基于对称型反射罩 模芯进行研究。 反射罩采用的材料目前有铝材、塑料等，其加工成型一般有冲压【5 一j 、旋压和注射【7 j 成型三种方法，以铝合金为主体的反射器采用冲压或旋压加工，以塑料为主体的反射器采 用注射成型，无论是哪种方法，都需要制造出具有光线反射曲面和块状反射单元的凸模 j ，灯具模芯不仅要有回转曲面，其上还要有类似鱼鳞般的反射块( 反射块即灯具凸模 曲面上用于反射光线的块状单元，如图1 - 3 中所示) ，从而更好的反射光线，提升灯具照 明性能。由于反射罩是控光零件，因此凸模的曲面既需要较高的轮廓精度，又需要接近镜 面的表面精度。灯具模芯一般采用硬度h r c 5 4 以上的合金钢制造。 r 东i n 大学i 学硕士学位论文 骼坛 图卜3 灯具模芯及其上反射块 f i 9 1 3 t h e m o u l do f l u m i n a i m a n d t h e r e f l e c t i o n b l o c k s 近年来，中国照明灯具行业的发展可谓喜忧参半，一方面是企业猛增到了1 0 0 0 0 多家， 从业人数超过i o 。万，市场潜力巨大。另一方面，真正具备规模化生产的并不多，由于小 企业多手工作坊和手工生产现象普遍”j ，还有就是生产设备陈旧，目前国内还没有用 于加工抛物面轮廓，并带反射块的专用加工设备。国内灯具模芯加工工艺为：首先在仿形 车床或数控车床上加工出回转体轮廓完成半精加工，再在万能工具磨床上安装分度圆盘和 工件回转装央器，通过控制碗形砂轮进给、圆盘水平偏转角度和利用齿轮分度机构进行的 工件回转分度角度实现反射块平面的面轮廓磨削，如图1 4 所示为国内模芯回转面上反射 块加工的设各，最后进行手工抛光。普通平面磨削方法对平面单元的面积大小能适应，但 在加工中，一方面工件不断绕对称轴分度旋转和工件相对砂轮角度偏转，另一方面，人工 操作砂轮进给，加工的精度难以保证，对单元面积较大，精度要求不高的反射器可以满足 要求，但加工效率比较低。目前加工方法存在的最大问题是模芯曲面轮廓精度难以保证， 第一章绪论 当反射单元尺寸比较小时，回转圆盘的精度和砂轮进给精度等都难以控制，模芯质量完全 依赖于操作技能和经验，无法适应高档次产品的要求。通过对国内相关行业的调查，国内 还没有用于灯具模芯曲面加工的数控设备。因此。灯具模芯中反射块自动化复合加工研究 在国内尚属空白。 图卜4 国内模芯回转面上反射块加工的设备 f i 9 1 - 4 m a c h i n i n g e q u i p m e n t o f c o r e m o u l do f l u m i n a i r e 国外对于灯具模芯回转曲面和曲面上反射块单元的加工，是在首先解决灯具模芯模具 反射块加工的数学模型基础上，通过采用高精度数控机床来实现灯具模芯曲面加工。国外 先进的数控磨削中心能解决灯具模芯曲面及其上反射块的加工问题，如德国德克精密机械 制造公司生产的精密五轴数控磨削中心s 2 0 e ( 如图卜5 所示) 、高精密五轴数控磨削中心 s 2 2 e 、超精密五轴数控磨削中心$ 2 2 p 等。但成本高，s 2 0 e 都需要2 0 0 多万，而$ 2 2 p 高达 3 、4 百万，且上述价格只是标准配置，如果需要额外增加别的软件则价格更高，即使最 普通的手动s 1 】也要1 0 0 万左右，对于我国大多数做灯具模芯模具的厂家是难以承受的。 三耋! ：些奎兰：兰堡圭兰丝兰圣 图卜5 德克s 2 0 e 精密五轴数控磨削中心1 1 。 f i g1 - 5m i c h a e l - d e e k e l $ 2 0 ev i n d m g c e n t f e $ 另外lh 硬质合金公司( f o r tw a y n e , i n d i a n a ) 采取c n c 磨削单元机床加工，每一台机 床只具各单一功能( 如曲面车削、平面粗磨、精磨) ，这种工艺虽然比多功能c n c 磨床具 有操作简单和简化n c 编程的优点，但是需要对工件进行多次装夹，从而在一定程度上影 响了精度；德国汉堡柯尔柏( k o e r b e r ) 磨床责任公司对“车、磨削”机床进行了试验， 取得了满意的效果。 l2 2 磁性研磨技术 磁性研磨( m a g n e t i c a b r a s i v e 砌缸 咖 埘f ) ，也称为磁力研磨，最早是有前苏联工 程师k a r g o l o w 于i 9 3 8 年首先提出来”“。磁性研磨是将磁场与传统的研磨技术相结合， 利用磁场产生的磁作用力作用到磁性磨料上，使磁性磨料对工件表面产生正压力，随着磁 性磨料与工件表面的相对运动产生去除材料的加工方法”2 | ”j ，如图卜6 。这种磁性磨料在 磁场的作用下沿磁力线的方向有序排列形成“磁刷”，或称磁粒加工工具( m a 力，并对加工 工件的表面形成一定的压力。当磁极与工件之间产生相对运动时，“磁刷”扫过工件表面， 从而对工件进行光整加工，尤其对于工件表面的突点由于磁场分布特性具有更高的去除 率，从而可以高效地降低工件表面租糙度。利用磁场中磁性磨料所产生的磁性压力，进行 磁性研磨加工，此种加工方法具有柔性好、自适应性强、磨粒有良好的自锐性及无须工具 磨损补偿、修形等优点，使其在国内外引起重视并得到了广泛的开发和应用，在不规则啮 第一章绪论 面加工方面优势尤其明显。 在由k a r g o l o w 于1 9 3 8 年正式提出m a f 这一概念后，从五十年代和六十年代开始，前 苏联有不少学者诸如b a r o n 等和他的同事们对磁性研磨加工进行了大量的研究，从而更好 的推动了磁性研磨技术的发展。保加利亚从七十年代中期开始一直致力于磁性研磨n - v 技 术的发展，如m a k e d o n s k y 和他的同事们一直不断地发展磁性研磨技术，有关该技术加工 方面的国际会议定期在保加利亚召开。二十世纪八十年代，磁性研磨技术在日本得到迅速 的发展，日本宇都宫大学的t a k e os h i n m u r a 研制开发出了多种加工铁磁性工件的磁性研磨 加工装置，如平面、圆柱内外表面、球面等磁性研磨装置，并对它们的光整加工技术进行 了研究【1 4 - 1 引。这些加工装置有的采用永久磁体来产生恒定磁场，有的则采用电磁体来形 成强度可以控制的磁场，有的采用工件移动外加一定幅度和频率的振动来实现磁性研磨加 工，有的则用产生旋转磁场的办法实现磁性研磨加工。t a k e os h i n m u r a 在研制各种形式磨 料加工设备的同时，对各种场合的加工工艺进行了较深入的理论分析和试验研究，如磁感 应强度、加工间隙、磨料与工件的相对移动速度、磁性磨料的成分和粒度等因素对加工质 量和效率的影响以及它们之间的相互关系。另外日本研究人员t o h o k u 大学的k a t o 教授及 同事、t o k y o 大学的n a k a g a w a 及同事等也开始在这方面的研究工作，并逐步在实际中推广 应用，如图卜7 ，包括陶瓷、硬质合金钢等的内外表面研磨等。 磨料 图1 - 6 磁性研磨示意图 f i g 1 6 s c h e m a t i cd r a w i n go fm a g n e t i ca b r a s i v eg r i n d i n g 7 广东i 业大学i 学硕学位论立 蕊一t j ybcd 图卜7 日本磁性研磨加工技术的应用实例【”_ 1 9 l f i 9 1 - 7 a p p l i e a t i o n o f m a g n e t i ca b r 站i v e n c l i n g i nj a p a n 迄今为止，国外磁性研磨技术己成功地应用在多个方面。如不锈钢管和净气瓶的内壁 研磨，研磨修整超硬磨料砂轮，研磨塑料透镜，细长轴类陶瓷加工轴承环、液压机械上 用的滑阀、泵齿轮、球阀、家用不锈钢器皿、螺纹轧辊、滚珠轴承保持器、盘型制动器、 缝纫机零件等的去毛刺与抛光加工。研磨刀具等，以提高刃口的使用性能等。删“。 我国的磁性研磨加工技术起步较晚，从2 0 世纪8 0 年代前期开始了这方面的研究，且 投入的人力财力有限，目前仍处于试验研究阶段，实际应用很少。国内开展该项技术研究 最早的是哈尔滨科技大学和大连理工大学”“，随后哈尔滨工业大学j 、上海交通大学 和太原工业大学也进行了相关的研究，并都取得了一些有价值的研究结果。山东工程学院 的赵玉刚等人对复杂曲面数字化磁力光整加工进行了研究，开发了复杂曲面数控磁性研磨 加工机床”。另外沈阳大学、中原工学院、河南科技学院等国内高校在磁性研磨的机理 和新型磁性磨料以及在实际应用中也进行了不少相关的研究。 13 课题来源及本文的主要内容 13 1 课题的来源 广州市科技计划项目：灯具模芯曲面车磨抛光复合加工数控机床，项目编号 2 0 0 7 2 2 一d 9 1 2 1 。 广州市番禺区科技计划项n ，灯具模芯曲面车磨抛光复合数控机床，项目编号 2 0 0 7 一z 一2 0 一1 。 第一章绪论 1 3 2 课题研究的主要内容 本课题是灯具模芯曲面车磨抛光复合加工数控机床项目中的一部分，由于现行的灯具 模芯加工方法和工艺的陈旧，严重影响了我国灯具质量，制约了出口，本研究结合传统方 法，提出了采用复合加工进行模芯表面反射块的磨削和抛光方法。从而提高模芯模具表面 加工质量，减轻工人劳动强度，提高研抛加工效率。 研究内容主要有： 1 ) 对灯具模芯特性和加工工艺进行研究，分析模芯的材料特性、表面曲面特性、模 芯反射块分布特性等模芯模具的性能，并结合现行制造工艺提出了采用数控的复合加工新 工艺方法。 2 ) 由于模芯凸曲面( 抛物面、椭球面、双曲面等) 的不同，及曲面上反射块分布的 不同，理论分析反射块成形过程，建立模芯加工的数学模型，由模型的求解得到磨削切入 点、磨削深度、反射块每层的摆角、转角等加工所需的参数，通过p r o e 软件对条纹状反 射块、蜂巢状反射块、钻石状反射等进行加工仿真验证。 3 ) 基于磁性研抛方式的模芯回转面及回转面上反射块的抛光工具设计，考虑到在专 用模芯复合加工机床上转速与磨料吸附力之间的问题，用有限元分析软件m a x w e l l 对磁性 抛光工具进行磁场的仿真和比较，从而确定永磁体的形状和安装方式，以便保障抛光工具 在较高速度旋转时有足够的磁感应强度，对磨料有足够的吸附能力。 1 4 本章小结 本章阐述了本课题研究的背景及意义，及国内外对灯具模芯的加工方法和设备，另对 磁性研磨技术的国内外研究现状进行了概述，最后指出了课题的来源和主要研究内容。 9 广东工业大学t 学硕十学位论文 2 1 概述 第二章灯具模芯的特性及制造工艺研究 随着社会经济水平的提高人们对灯具的要求越来越高，灯具产品不但要有足够的亮度 和均匀性，而且要节能。灯具的主要功用是改变光源的光输出分布，以满足各种视觉作业 任务的要求，使人的视觉感官获得最大程度的舒适。一般灯具由三部分组成，包括电源、 光源和反射罩，其中反射罩对灯具灯光的均匀性和节能效果有显著影响。灯具反射罩应具 有高反射性、良好的控光角度和反射的均匀性。灯具反射罩一般采用注塑、冲压或金属板 材旋压加工而成，不管用哪种加工方式都需要有性能良好的灯具模具模芯才能加工出来， 其形状精度和表面精度都有较高要求。模芯一般的设计流程如图2 1 所示，由图中可以看 到，试制模芯凸模后就要进行效果测试，如果达不到要求就要返回修改设计，以便更好的 完成设计，达到要求，如果在凸模加工这个环节上可以提高精度和效率，则必可以得到事 半功倍的效果。 图2 1 灯具模芯设计加工流程 f i g 2 - 1p r o c e s so fd e s i g na n dm a c h i n i n g f o rt h ec o r em o u l do fl u m i n a i r e 目前外形复杂、美观，光照效果好的模芯形状设计，是光学、设计经验、计算机辅助 l o 第= 章灯具横芯的特性厦制造工艺研究 光学分析设计、材料学、模具c a d “c a m 技术的集成，其性能直接影响着灯具产品的照明 效果。由于对灯具性能要求越来越高，对模芯模具的加工要求也越来越严格。因此对模芯 模具特性的研究，了解其相关特性，是进行加工反射罩模芯模具的前提。 22 反射罩模具性能分析 本部分对反射罩模芯的材料特性、表面曲面特性和灯具模芯上反射块组成分布等特性 进行了研究，从而从整体上把握了模芯的特性，为后面进一步的研究提供了基础。 2 2 1 模芯材料特性 具有反射块块状单元结构的反射罩可以消除灯光反射的不均匀性，反射罩的加工一般 有冲压、旋压和注塑成型三种方法，以铝合金为主体的反射罩采用冲压或旋压加工，以塑 料为主体的反射罩采用注射成型无论何种方法都需要制造出具有块状反射单元的灯具模 芯凸模，图2 2 所示为典型的具有反射块单元的灯具模芯凸模。 闰2 - 2 典型灯具反射罩凸模芯产品 f i g2 - 2 t y p i c a c o r e m o u l dp r o d u c t s 目前企业以铝台金为主体的反射罩多以旋压为主，因为金属旋压是一种无切削的压力 加工工艺，这种工艺能够较容易地制作无缝环状制件，金属旋压口5 , 2 6 】工艺具有节省原材料、 成本低廉、设备简单和产品质量高等优点。旋压加工要求模芯零件强韧性好，硬度高，尺 寸精密，表面光洁度高嘲：另外对凸模模芯所用材科要求也很高，必须要能经受旋压所 叠9参 广东工业大学工学硕士学位论文 施加的热和力的周期性冲击，要具有较高的耐磨性。灯具模芯零件材料一般采用硬度为 h r c 5 4 以上的合金钢【8j ，由于合金元素作用，增加了淬透性，细化了晶粒，提高了淬火 稳定性，同时也提高了模芯表面耐磨性及心部韧性，更有利于增强模芯凸模寿命。 在模芯材料选择方面，有不少企业模芯模具材料采用c r l 2 ( 铬1 2 ) 和c r l 2 m o v ( 铬 1 2 钼钒) 的冷作模具钢，其物理性能如表2 1 所示。c r l 2 钢是一种应用广泛的冷作模具钢， 属高碳高铬类型的莱氏体钢，其具有较好的淬透性和良好的耐磨性。c r l 2 钢中碳化物为 m 7 c 3 型碳化物，维氏硬度为2 1 0 0 h v ，因此其耐磨性较好。c r l 2 m o v 钢有高淬透性，在 3 0 0 - 4 0 0 时仍可保持良好硬度和耐磨性，韧性较c r l 2 钢高，淬火时体积变化最小。高碳 高铬钢c r l 2 及c r l 2 m o v 都属于合金工具钢，其耐磨性强、淬透性好、强度较高，是常用 的冷作模具钢的重要材料【2 8 】。冷作模具钢在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大， 模具的工作部分承受较大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力，因此，对于灯具模具模芯来 说，不管是旋压、冲击或者注塑都有更好的寿命，冷作模具钢基本可以满足这些加工要求。 表2 - 1c r l 2 和c r l 2 m o v 基本性能参数 t a b l e 2 1c r l 2 & c r l 2 m o vp r o p e r t i e s 基本物理常数 c r l 2 c r l 2 m o v 平均含碳量 2 0 - 2 3 1 4 5 1 7 0 铬1 1 5 0 1 3 0 1 1 o 一1 2 5 0 钼0 4 0 - 0 6 0 钒 0 1 5 - 0 3 0 8 5 0 。c 淬火后硬度 5 3 5 h r c5 4 h r c 9 8 0 。c 淬火后硬度 6 4 h r c6 4 h r c 冷作模具钢的主要特点是：模具工作温度不高，工作部分受到很大的压力、摩擦力、 拉力、冲击力，尤其是可以受到强烈的摩擦和挤压【2 9 1 ，这对于用灯具模芯模具冲压、注 塑或者旋压出灯罩尤为适用。灯具模芯所使用的冷作模具钢有以下的力学性能： ( 1 ) 高硬度 硬度是模具材料的一个重要的性能指标，根据冷作模具的工作条件不同，硬度值可在 5 4 6 4 h r c 范围内选择。一般韧性要求高的取下限，要求韧性好的宜取中限。 ( 2 ) 高耐磨性 由于以灯具模芯为代表冷作模具的正常失效多数是磨损造成的，因此，高耐磨性是冷 1 2 第二章灯具模芯的特性及制造工艺研究 作模具的一个基本性能要求。冷作模具的磨损主要为磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损。一 般硬度高，耐磨性就好。 ( 3 ) 高强度和足够的韧性 为防止灯具模芯的变形、崩刃、开裂，材料必须有很高的强度和足够的韧性。 ( 4 ) 热处理变形要小 冷作模具钢材料具有良好的淬透性和淬硬性，保证灯具模芯能在较缓和的冷却介质中 淬火硬化和减少模具变形、开裂的倾向性。 ( 5 ) 适当的热稳定性 对于高速冲载或剧烈磨损的冷作模具，表面温度往往上升的很快，如果材料的热稳定 性差，模具就会因温度升高而造成工作部位软化，冷作模具钢有较好的热稳定性。 此外，冷作模具钢还具有较好的可锻性和切削加工性能。 2 2 2 模芯表面特性 2 2 2 1 模芯表面特性 高品质的灯具模芯，要有完美的模芯配光曲线设计，同时要有高质量的加工。模芯曲 面经历了从传统的二次曲面，包括抛物面、双曲面、椭球面等；到复合曲面，如椭球抛物 面、椭球双曲面等；再到后来的自由曲面等。 ( 1 ) 抛物面形曲面 这是传统的曲面形状，己经应用了许多年。抛物面曲面的应用，可以使灯丝位于抛物 面反射镜焦点附近，配光采用折射配光方法控制，利用抛物面曲面，产生了近似平行的光 束，如图2 3 所示。该光束经过抛物面折光罩的反射与扩散，达到具有一定光强分布的照 明效果。此种曲面可以应用于聚光灯、汽车车灯、尸刃c a n s ( 舞台灯) 等。 广东1 二业大学t 学硕上学位论文 线 面 图2 3 抛物面曲面光路反射图 f i g 2 3l i g h tw a yr e f l e c t i o nm a po fp a r a b o l i cs u r f a c e ( 2 ) 多反射面式曲面 多反射面式曲面由多个曲面构成，各个反射面可以定义为抛物面，双曲面，椭球抛物 面，双曲抛物面，抛物柱等，优化组合这些曲面可以形成理想的配光方案。该类反射曲面 已经得到广泛应用，但是由于要满足标准的配光光型，使得多个曲面间会形成较明显的阶 跃3 0 1 ，影响了反射体渡膜时的均匀性，从而增大加工误差，使得配光光形较理论光形而 言产生变化。 ( 3 ) 自由曲面式曲面 这种形式的曲面完全依靠反射体的面形来保证配光效果，无需通过透镜扩散光束，无 需遮光罩遮挡光线，便可形成需要的配光光型。自由曲面灯是目前国际国内最流行的前照 灯样式【3 ，灯罩为不具有折光作用的光滑透明罩，因而可有较大的倾斜角度，目前在技 术和软件上先进的有：德国海拉、中日合资小糸车灯和北美车灯等公司，他们可以开发设 计高质量的自由曲面灯具。 2 2 2 2 灯具模芯曲面上反射块组成分布分析 模芯上只有光滑的曲面一般达不到良好配光效果，要想反光罩有高的反射比，强的规 则反射，显著的控光能力，达到最佳的光强分布及灯具对各种光束角的功能要求，大大提 1 4 第二章灯具棋芯的特性丑制造i 艺研究 高灯具光效及减少眩光，还需要在拥有各种曲面的模芯上加工出不同的反射块，以达到最 佳的配光要求。 为了达到需要的配光效果，模芯表面上可以有不同的反射块，如钻石状、条纹状、蜂 巢状、珠点状等等，如图2 - 4 所示，为几种不同的反射块形状展开国，图2 _ 4 中第二个条 纹状展开图即为图2 - 2 中左侧模芯中反射块的展开形状。模芯曲面上的反射块组成分布不 是随意的，它是光路反射的一个中转站，因此它的分布要符合光学要求，以达到最好的光 照和反射性能。 鼢鲳鼢 o o o o o o o o o o o o o o o 钻石i条纹状钻石蜂巢珠点 图2 4 几种不同反射块形状展开图 f i g 2 - 4s e v e r a le x p a n s i o ng r a p h so f d i f f e r e n tr e f l e c t i o n b l o c k s 不同形状模芯上反射块加工出的相应反射罩产品如下图2 - 5 所示 9 孥 图2 - 5 不同形状反射块模芯加工出的反射罩 f i 9 2 5 d i f f e r e n t f l e c t i n gc o v e r m a d e b y d i f f e r e n tc o ”m o u l d 另外模芯上反射块形状正在由二维向三维形态发展，由简单的反射平面向立体反射单 元发展的态势。如图2 - 6 所示，为实拍的模芯上部分三维反射块形状。这样就在设计和加 工上更进一步提高了的灯具模芯设计和制造的难度，同时也提出了对设备更高的要求。 广东i 业大 i 学硕士学位论文 g d2 - 6 三维反射面模芯 f i 9 2 - 63 dr e f l e c t i n gs u r f a c e o nc o r e m o u l d o f l u m i n a i r e 23 灯具反射罩模芯的现行加工工艺 图2 - 7 灯具反射罩模芯的加工工艺过程 f i 9 2 7 p r o c e s s i n g p r o c e d l w e s o f c o r e m o u l do f l u m i n a i r e 灯具反射罩模芯的加工工艺过程如图2 7 所示，在图中可以看到首先进行模芯的圆柱 善 妻 f 第= 章灯具模芯特性丑制造i 艺研究 面车削，接着仿形车削回转曲面，如果表面曲面不需要进行反射块的加工，即为光滑曲面， 则对回转陆面进行磨削之后手工抛光即可；但是如果曲面需要进行反射块的加工，如上 面提到的钻石状、条纹状等的模芯反射块，则需要首先磨削或电火花加工出反射块，之后 再采用手工的方式进行表面抛光。 采用电火花加上虽是可行的方法，但是需要电极的数量很大，每一个加工单元至少需 要粗、半精、精三次放电加工爿有可能达到模芯表面需要的车兀糙度，这样效率非常低，加 工成本也很高，尤其是对于模芯表而上反射块特别多、特zj j d , 或者形状特别复杂的模芯模 具，加工弊端将尤为突出。 图2 - 8 现行采用普通工具磨床对模芯表面反射块的磨削设备图 f i 9 2 8 c u r r e n t t o o lg r i n d e r f o r t h ec o r c m o u l ds u r f a c e m a c h i n i n g 图2 - 8 所示是采用万能工具磨床进行改装后对模芯上反射块平面磨削的现场设备图， 采用这种加工方式，可以加工出各种大小的反射块平面。但是在加工过程中，由于一方面 模芯绕着对称轴分度旋转，另一方面模芯还要沿着不同层的反射块进行分度摆角，加之还 要操作砂轮进给磨削，整个过程都是通过人工操作设备来完成的。在这种情况下，加工的 精度难以准确保证，而且还依赖于工人的熟练程度，同一个灯具模芯，不同的人做出来的 广东_ 业大学t 学硕十学位论文 精度就可能会相差较大；另外人工操作导致加工效率较低，尤其是对于反射块又多又小的 模芯更是难上加难。虽然这种加工设备和方法存在着不少弊端，但是基于成本考虑，很多 灯具模芯专门加工企业依然采用这种方式进行模芯的加工。 对于模芯曲面及其上的反射块的抛光，几乎全部都是采用手工抛光的方式，利用砂纸 和研磨膏人工抛光，这种抛光方式加工工序简单，表面粗糙度只能达到r a 0 9 一o 8 ( 普通 4 5 # 钢测试) ，同时由于人工抛光，影响模具表面轮廓精度。因此需要改进现行的工艺， 提出新的工艺方法。 2 4 模芯数控复合加工技术方案 2 4 1 复合加工 复合加工是加工领域的新方法，其特点是质量好、效率高、经济性【3 2 1 。复合加工是 在加工过程中运用多种加工方法，对工件的加工部位材料进行改性和去除的加工技术【3 3 3 4 j 。这种加工方法提高了加工效率，生产率一般大大高于单独用各种加工方法的生产率之 和，在提高加工效率的同时，兼顾了加工精度、加工表面质量及工具损耗等，具有常规加 工技术无法比拟的优点。 目前，复合加工已经成为世界机床发展的一个重要方向，越来越多的复杂零件开始采 用复合加工设备进行综合加工。复合加工机床突出体现了工件在一次装夹中完成大部分或 全部加工工序，从而达到减少机床和夹具，免去工序间的搬运和存储，提高工件精度，缩 短加工周期和节约作业面积等目的。复合加工机床可以大幅度提高多品种单件和中小批量 加工的效率。 2 4 2 模芯复合加工方案 上述现行灯具模芯加工工艺效率低下且难以保证形状精度和表面粗糙度，如何改善工 艺以达到精度更高、效率更高呢? 经过前面对灯具反射罩模具性能的分析以及对现行加工 工艺的研究，提出了针对反射罩模具专用加工数控机床的方案。通过前述灯具模芯加工工 艺可知：首先要在车床上车出光滑回转曲面，然后拿到万能工具磨床上进行磨削，最后再 取下进行手工抛光。在这个加工过程中，模芯模具经过3 次装夹，在多次装夹的过程中必 1 8 第二章灯具模芯的特性及制造1 = 艺研究 然影响模芯模具的形状精度，因此提出采用数控复合加工的思想，即模芯在经过人处理后 经过一次装夹即可完成所有工序，减少由于多次装夹造成的误差，同时也提高了模芯模具 的整体性能和精度。 反射罩模具传统加工和复合数控加工的比较详见表2 2 。 表2 2 反射罩模具传统加t 和数控复合加工的比较 t a b l e 2 2c o m p a r i s o no f t r a d i t i o n a lp r o c e s s i n ga n dn cc o m b i n e dm a c h i n i n go nc o r em o u l do fl u m i n a i r e 加_ 工艺过程设备装夹优缺点 方式 光滑回转 车床数控车 传 曲面车削 每个工艺 成本低，多次装夹以及手 统 过程都需 反射块平面磨削 万能工具磨床手动 工操作，影响表面质量及 力口 要重新装 形状精度 工 砂纸或手持式 手工 夹 表面抛光 抛光轮抛光 数光滑回转 控曲面车削 整个加工过程全自