2025年光學(xué)模具試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種材料最適合作為高精度光學(xué)透鏡模具的基體材料？A.45號(hào)鋼（硬度HRC20-25）B.馬氏體時(shí)效鋼（硬度HRC50-55，熱膨脹系數(shù)11×10??/℃）C.鋁合金（硬度HRC15-20，熱膨脹系數(shù)23×10??/℃）D.碳化硅基復(fù)合材料（硬度HRC65-70，熱膨脹系數(shù)3×10??/℃）2.光學(xué)模具型腔表面粗糙度要求通常需達(dá)到：A.Ra0.1μm～0.2μmB.Ra10nm～20nmC.Ra0.5μm～1μmD.Ra50nm～100nm3.用于加工光學(xué)模具自由曲面的關(guān)鍵設(shè)備是：A.普通數(shù)控銑床B.五軸聯(lián)動(dòng)超精密車床（最小進(jìn)給量0.1μm）C.電火花成型機(jī)（放電間隙0.02mm）D.線切割機(jī)床（切割精度±0.01mm）4.光學(xué)注塑模具中，為避免熔接痕影響光學(xué)性能，主流道與分流道的過(guò)渡角度應(yīng)控制在：A.30°～45°B.60°～90°C.120°～150°D.180°（直線過(guò)渡）5.冷壓成型光學(xué)玻璃模具的工作溫度通常為：A.100℃～200℃（低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度）B.400℃～600℃（接近玻璃軟化點(diǎn)）C.800℃～1000℃（高于玻璃熔融溫度）D.200℃～300℃（玻璃高彈態(tài)區(qū)間）6.評(píng)估光學(xué)模具輪廓度誤差時(shí)，常用的測(cè)量?jī)x器是：A.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（接觸式，精度±1μm）B.白光干涉儀（非接觸式，精度±0.01μm）C.游標(biāo)卡尺（精度±0.02mm）D.輪廓儀（接觸式，精度±0.1μm）7.光學(xué)模具表面鍍制類金剛石（DLC）膜的主要目的是：A.提高導(dǎo)熱性B.增強(qiáng)耐腐蝕性C.降低表面能（減少材料粘附）D.增加表面硬度（HRC70→HRC85）8.設(shè)計(jì)手機(jī)攝像頭鏡片模具時(shí)，對(duì)模具收縮率補(bǔ)償影響最大的因素是：A.模具材料的熱膨脹系數(shù)B.注塑材料（如光學(xué)級(jí)PMMA）的結(jié)晶度C.注塑工藝中的保壓壓力（50MPa→120MPa）D.模具冷卻系統(tǒng)的均勻性（溫差±5℃→±2℃）9.以下哪種缺陷會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件出現(xiàn)“牛頓環(huán)”現(xiàn)象？A.模具型腔表面局部劃痕（深度0.5μm）B.模具型面面形誤差（PV值0.3μm）C.模具表面污染物殘留（直徑5μm顆粒）D.模具分型面錯(cuò)位（偏移量0.05mm）10.用于5G光模塊透鏡的模具，其型腔表面波紋度（Wc）需控制在：A.0.1μm～0.5μmB.10nm～50nmC.0.5μm～1μmD.50nm～100nm二、填空題（每空1分，共15分）1.光學(xué)模具的核心性能指標(biāo)包括________、________、________和耐疲勞壽命。2.超精密車削光學(xué)模具時(shí)，常用的刀具材料為_(kāi)_______（如單晶金剛石，硬度HV10000），其刃口半徑需小于________nm以避免材料犁削效應(yīng)。3.光學(xué)注塑模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，冷卻水通道與型腔表面的距離應(yīng)控制在________mm～________mm（根據(jù)模具厚度調(diào)整），以平衡冷卻效率與型腔剛度。4.冷壓成型模具的熱平衡設(shè)計(jì)需重點(diǎn)控制________（模具升溫速率）和________（模具與玻璃的溫差），避免玻璃內(nèi)部產(chǎn)生________（如應(yīng)力雙折射）。5.光學(xué)模具表面拋光工藝中，磁流變拋光的原理是利用________（磁性流體+磨料）在磁場(chǎng)作用下形成“柔性磨頭”，可實(shí)現(xiàn)________（亞納米級(jí)）表面粗糙度。6.評(píng)估模具型面與設(shè)計(jì)數(shù)模的一致性時(shí)，需計(jì)算________（如GD&T中的輪廓度）和________（如表面形貌的均方根偏差Rq）。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述光學(xué)模具材料選擇的“四性”原則及其具體要求。2.比較冷壓成型模具與注塑成型模具在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的主要差異（從溫度控制、脫模機(jī)構(gòu)、型腔復(fù)雜度三方面分析）。3.分析光學(xué)模具表面“橘皮紋”缺陷的產(chǎn)生原因及解決措施（需結(jié)合加工工藝與材料特性）。4.說(shuō)明超精密加工中“誤差補(bǔ)償技術(shù)”在光學(xué)模具制造中的應(yīng)用（以車削加工為例，列舉3種補(bǔ)償方法）。5.為什么光學(xué)模具的分型面設(shè)計(jì)需優(yōu)先采用“曲面分型”而非“平面分型”？結(jié)合手機(jī)鏡頭模具實(shí)例說(shuō)明。四、計(jì)算題（15分）某光學(xué)透鏡采用光學(xué)級(jí)PC材料注塑成型，模具設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)收縮率進(jìn)行補(bǔ)償。已知：材料標(biāo)準(zhǔn)收縮率（23℃，50%RH）：0.5%～0.8%（平均0.65%）；實(shí)際注塑工藝參數(shù)：熔體溫度280℃，模具溫度80℃，保壓壓力100MPa（標(biāo)準(zhǔn)工藝為保壓80MPa）；經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，保壓壓力每增加10MPa，收縮率降低0.05%；模具溫度每升高10℃，收縮率降低0.03%；要求：（1）計(jì)算實(shí)際工藝條件下的修正收縮率；（2）若透鏡設(shè)計(jì)直徑為12.5mm，計(jì)算模具型腔的理論加工直徑（保留3位小數(shù)）。五、綜合分析題（30分）某企業(yè)開(kāi)發(fā)一款A(yù)R眼鏡用自由曲面棱鏡模具，要求棱鏡表面粗糙度Ra≤5nm，面形誤差PV≤0.1μm，且需耐受10萬(wàn)次注塑循環(huán)（模具溫度120℃～150℃）?，F(xiàn)需解決以下問(wèn)題：（1）從材料選擇角度，推薦3種候選模具材料，并說(shuō)明各自優(yōu)缺點(diǎn)；（2）設(shè)計(jì)超精密加工工藝路線（包含粗加工、半精加工、精加工工序），需明確各工序的設(shè)備、刀具/磨料及精度目標(biāo)；（3）提出模具表面強(qiáng)化方案（需考慮耐磨性、抗粘附性、熱穩(wěn)定性），并說(shuō)明選擇依據(jù)；（4）制定模具壽命驗(yàn)證方案（需包含關(guān)鍵性能指標(biāo)的檢測(cè)方法與判定標(biāo)準(zhǔn)）。答案一、單項(xiàng)選擇題1.D2.B3.B4.A5.B6.B7.C8.C9.B10.B二、填空題1.面形精度（或輪廓度）、表面粗糙度、熱穩(wěn)定性（或尺寸穩(wěn)定性）2.單晶金剛石、503.3、8（或根據(jù)模具厚度調(diào)整的經(jīng)驗(yàn)范圍）4.升溫速率（或加熱速率）、溫差、內(nèi)應(yīng)力（或應(yīng)力雙折射）5.磁性流體（或磁流變液）、亞納米級(jí)（或0.1nm～1nm）6.輪廓度誤差、表面形貌均方根偏差（或Rq值）三、簡(jiǎn)答題1.四性原則：（1）尺寸穩(wěn)定性：熱膨脹系數(shù)≤5×10??/℃（避免溫度波動(dòng)導(dǎo)致型腔變形）；（2）表面可加工性：材料硬度均勻（HRC50-60），無(wú)微觀缺陷（如夾雜物），便于超精密拋光至Ra≤10nm；（3）耐磨損性：硬度≥HRC55，表面處理后硬度≥HRC70（抵抗注塑/冷壓過(guò)程中的摩擦損耗）；（4）熱匹配性：與光學(xué)材料（如玻璃/塑料）的熱膨脹系數(shù)差值≤2×10??/℃（避免冷卻時(shí)應(yīng)力集中導(dǎo)致元件開(kāi)裂）。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異：（1）溫度控制：冷壓模具需集成高精度加熱/冷卻系統(tǒng)（±1℃），因玻璃軟化點(diǎn)（500-700℃）遠(yuǎn)高于注塑材料（180-300℃）；注塑模具側(cè)重均勻冷卻（溫差±2℃），避免塑件收縮不均。（2）脫模機(jī)構(gòu)：冷壓模具因玻璃與模具粘附力大（高溫下表面反應(yīng)），需設(shè)計(jì)真空吸附或氣吹脫模；注塑模具依賴頂針/推板，需避免頂出痕（頂針直徑≤1mm）。（3）型腔復(fù)雜度：冷壓模具型腔多為軸對(duì)稱（因玻璃流動(dòng)性差）；注塑模具可加工自由曲面（熔體流動(dòng)性好，配合高壓注塑填充復(fù)雜結(jié)構(gòu)）。3.橘皮紋產(chǎn)生原因及解決措施：原因：（1）超精車削時(shí)切削參數(shù)不當(dāng)（如進(jìn)給量過(guò)大＞0.5μm/r，導(dǎo)致材料塑性變形殘留）；（2）拋光工藝中磨料粒徑不均勻（如混合1μm與0.1μm磨料，局部切削力不均）；（3）模具材料微觀組織不均（如馬氏體時(shí)效鋼中存在未溶碳化物，拋光時(shí)局部凹陷）。措施：（1）優(yōu)化車削參數(shù)（進(jìn)給量≤0.2μm/r，切削速度200-300m/min）；（2）采用分級(jí)拋光（先3μm金剛石磨料粗拋，再0.1μm氧化鈰精拋）；（3）選擇細(xì)晶均質(zhì)材料（如經(jīng)1000℃固溶處理的馬氏體時(shí)效鋼，晶粒度≥10級(jí)）。4.誤差補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用（車削為例）：（1）熱誤差補(bǔ)償：通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)床熱變形（如主軸升溫10℃導(dǎo)致Z軸伸長(zhǎng)5μm），實(shí)時(shí)調(diào)整刀具位置（補(bǔ)償-5μm）；（2）幾何誤差補(bǔ)償：預(yù)先測(cè)量機(jī)床導(dǎo)軌直線度誤差（如Y軸導(dǎo)軌在200mm行程內(nèi)偏差+3μm），在加工程序中修正刀具軌跡（偏移-3μm）；（3）力變形補(bǔ)償：計(jì)算切削力引起的模具彈性變形（如切削力5N導(dǎo)致薄壁型腔凹陷0.2μm），加工時(shí)預(yù)留+0.2μm的過(guò)切量。5.曲面分型優(yōu)勢(shì)（手機(jī)鏡頭模具實(shí)例）：平面分型易在棱鏡/透鏡邊緣產(chǎn)生飛邊（因分型面接觸壓力不均），飛邊會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件邊緣遮光或雜散光；曲面分型（與型腔面型一致）可減少分型線長(zhǎng)度（如將直線分型改為與透鏡邊緣曲率匹配的弧線），降低飛邊風(fēng)險(xiǎn)；實(shí)例：某7P手機(jī)鏡頭模具采用非對(duì)稱曲面分型，分型線與第3片透鏡外輪廓吻合，飛邊高度從0.03mm降至0.01mm，良率提升15%。四、計(jì)算題（1）修正收縮率計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)平均收縮率=0.65%；保壓壓力增加20MPa（100-80），收縮率降低0.05%×2=0.1%；模具溫度升高10℃（80-70，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)模具溫度70℃），收縮率降低0.03%×1=0.03%；修正收縮率=0.65%0.1%0.03%=0.52%。（2）型腔理論直徑=設(shè)計(jì)直徑/(1-收縮率)=12.5/(1-0.0052)=12.5/0.9948≈12.566mm。五、綜合分析題（1）候選材料及優(yōu)缺點(diǎn)：①馬氏體時(shí)效鋼（如18Ni300）：優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高（σb=1900MPa）、熱膨脹系數(shù)低（10×10??/℃）、可精密加工；缺點(diǎn)是高溫（150℃）下硬度略有下降（HRC52→HRC50），長(zhǎng)期使用易磨損。②碳化鎢基硬質(zhì)合金（WC-6Co）：優(yōu)點(diǎn)是硬度高（HRC85）、耐磨性好；缺點(diǎn)是脆性大（斷裂韌性10MPa·m?），加工自由曲面難度大（需EDM+拋光）。③硅基復(fù)合材料（SiC/Si）：優(yōu)點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)極低（3×10??/℃）、導(dǎo)熱性好（120W/m·K）；缺點(diǎn)是成本高（是模具鋼的5倍），表面拋光至Ra5nm需專用設(shè)備（如等離子輔助拋光）。（2）超精密加工工藝路線：①粗加工：五軸數(shù)控銑削（設(shè)備：DMGULTRASONIC20linear），刀具：PCD球頭銑刀（直徑2mm，刃口半徑1μm），精度目標(biāo)：面形誤差PV≤5μm，表面粗糙度Ra≤0.5μm。②半精加工：磁流變拋光（設(shè)備：QEDR320），磨料：羰基鐵粉（5μm）+二氧化硅（0.1μm），精度目標(biāo)：面形誤差PV≤0.5μm，表面粗糙度Ra≤50nm。③精加工：離子束拋光（設(shè)備：TIFS-1000），工藝：氬離子束（能量500eV），精度目標(biāo)：面形誤差PV≤0.1μm，表面粗糙度Ra≤5nm。（3）表面強(qiáng)化方案：采用“DLC膜+過(guò)渡層”復(fù)合涂層：①過(guò)渡層：磁控濺射鈦（Ti）層（厚度0.2μm），增強(qiáng)DLC膜與基體結(jié)合力（結(jié)合強(qiáng)度＞50N）；②頂層：等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）類金剛石膜（厚度1μm），表面能＜20mN/m（減少PC熔體粘附），硬度HV2000（耐磨性是基體的5倍），熱穩(wěn)定性＞400℃（滿