1 镜面铣削加工原理
镜面铣削是通过高精度的铣削刀具和精确控制铣削参数，在工件表面进行微量铣削，去除微观层面的材料不均匀性，获得较低表面粗糙度值的镜面效果。镜面铣削加工过程中，刀具的铣削刃与工件表面相互作用，在每一次铣削行程中，刀具铣削刃切除较薄的一层材料，通过多次铣削逐渐修整工件表面，使其达到镜面要求。
2 镜面铣削加工特点
2.1 高精度表面加工
高精度表面加工能实现较低的表面粗糙度，制造企业采用PCD刀具精铣52 HRC钢，铣削后工件表面能清楚看到文字镜像到工件表面的效果，如图1所示，达到光学镜面粗糙度Ra0.01 µm的要求[6]，可以满足表面质量要求较高的应用场景，如光学反射镜、导光条、透镜等精密模具。
2.2 良好的形状精度保持
镜面铣削形状复杂的工件时，通过CAM（计算机辅助制造）编程参数设置，可以优化NC（数控）程序代码质量，更精确控制刀具路径轨迹，更好地保持工件的形状精度，实现对各种曲面的镜面加工，取消人工抛光，避免了手工作业对精度的影响。
2.3 设备与技术要求高
镜面铣削需要高精度的CNC加工中心，包括精密的主轴系统、进给系统及控制系统，同时对操作人员的技术水平和加工精度意识要求也较高，保证编程工艺可以执行。
3 镜面铣削质量影响要素
3.1 刀 具
镜面铣削刀具的棒材、涂层的硬度、耐磨性和耐热性对加工表面质量影响显著，如硬质合金刀具具有较高的硬度和耐磨性，适用于一般金属材料的高光面铣削，而对于硬度达到52 HRC的钢需长时间连续加工，则只有CBN刀具或PCD刀具才能胜任，其在高温高压下能保持良好的铣削性能，刀具使用寿命也长，能保证加工工件的表面精度。图2所示为工件加工的表面效果对比，CBN刀具加工表面亚光有可见刀纹，PCD刀具可实现光亮不可见刀纹。
3.2 铣削余量
铣削余量控制是实现精加工顺利完成和表面达到镜面质量的关键因素，据相关资料研究，如果要实现镜面效果，精铣前余量应非常小，根据材料硬度和刀径不同，余量控制在0.001~0.005 mm。半精加工后实际残留余量控制较重要，在CAM编程时要设计合理，还要对刀具磨损进行严格的监管，保证半精加工后余量接近理论值，理论参考余量。
3.3 铣削参数
铣削参数的合理性是实现镜面效果的关健因素之一，其中机床的高转速和稳定性、铣削行距、每转进给量的合理匹配较重要。根据研究并参考成功案例，使用PCD无刃球头刀具，如图3所示，精铣52 HRC钢的铣削参数如表2所示，最终精铣的工件可达到镜面效果。
Ra表示粗糙度，D表示刀具直径，R表示刀具半径，ae表示铣削行距，f表示每转进给量，n表示转速，vf表示进给速度。铣削行距ae计算公式为：
（1）
根据式（1）可得表3中理论粗糙度值Ra 0.003 5 µm，以此Ra为固定值，如果在机床转速为23 000 r/min的条件下，根据式（1）可以推算φ2R1 mm球刀的铣削参数，如表3所示，其中f与ae系数稍作优化，以适合更多加工型面特征。
3.4 编程参数设置
镜面铣削加工对刀路轨迹的质量要求高，刀路轨迹的扭曲、变形都会影响镜面加工的质量，因此从微观上对刀路轨迹的分析尤为重要，以下论述基于Powermill编程软件。编程公差对刀路轨迹影响如图4所示，打开“显示接触点路径”，可观察公差0.001 mm刀路轨迹较近似直线，变形小、质量较高，而公差0.009 mm的刀路轨迹，局部出现变形弯曲现象，质量较差，不能满足镜面加工的高精度要求。
进一步优化编程参数“点分布”对刀路轨迹的影响，当编程公差如上所述设置0.001 mm，“点分布”的输出类型选“重新分布”，如图5（a）所示，“公差系数”和“网络系数”设置0.001计算刀路轨迹，打开“显示接触点路径”，可观察刀路轨迹比上述更近似直线、质量更高。当“公差系数”和“网络系数”设置成0.05时，如图5（b）所示，尽管编程公差还是0.001 mm，但刀路轨迹局部发生弯曲变形，因此“编程公差”、“点分布”的“公差系数”、“网络系数”参数应设计较小，更有利于表面质量优化。
3.5 铁屑及时排除
镜面精铣过程中，工件表面不允许有任何微细铁屑滞留，以避免对已精铣镜面形成刮痕，可采用2种措施：①加工前需对钢进行消磁处理，以避免精铣时的微屑吸附在工件上而造成损害；②镜面精铣过程中，需采用大流量的乳化液或铣削油进行喷射，如图6所示，及时冲除微细铁屑及冷却，油雾或空气冷却会破坏镜面效果，应避免使用。
3.6 加工工艺系统的稳定性
加工工艺系统的稳定性包括机床的稳定性、刀具系统的稳定性及工件的装夹稳定性。机床的振动会使刀具与工件之间产生相对位移，导致加工表面出现振纹，影响工件表面加工质量；刀具系统的稳定性，如刀具的悬伸长度、刀柄与主轴的连接刚度等，也会影响铣削过程的平稳性；工件装夹不牢固会在铣削力作用下产生位移或振动，无法保证加工工件的表面质量。
4 镜面铣削加工试验研究
4.1 试验目的
加工工件达到镜面效果的数控机床，通常要求主轴转速达到40 000 r/min以上。通过试验验证：机床主轴转速23 000 r/min的条件下，φ2R1 mm的PCD球刀采用上述方法计算的铣削参数，在这些工况下铣削能否实现镜面效果，以确定上述转速能否实现镜面、上述参数计算方法是否正确，为实际生产提供依据。
4.2 试验材料与加工设备
试验材料选用2343ESR，其是光学模具零件较常用的材料，淬火后能获得较高的硬度，可达到48~52 HRC，适当的线膨胀系数可以保证模具在温度变化时，尺寸变化相对稳定，不会因过度的热胀冷缩而导致模具精度下降或产生裂纹等缺陷，对于制造高精度的模具，可以保持良好的尺寸稳定性和精度。试验设备采用高精度立式加工中心MAKINO-V56I，机床配备高精度的激光对刀器，为保证长时间、高转速状态主轴安全运行，把主轴的最高转速限制在23 000 r/min，加工刀具包括整体硬质合金立铣刀、CBN、PCD刀具，使用电子显微镜观察加工工件表面的微观形貌。
4.3 试验方案
模型尺寸为40 mm×25 mm×23 mm，测试中间凹形球面铣削为镜面，球面设计为SR15 mm，如图7所示。图7 镜面工件模型编程工艺如表4所示，粗铣完成后，半粗加工（保留0.01 mm余量）和半精加工（保留0.003 mm余量）2道工艺能使SR15 mm弧面余量均匀且接近理论余量，为精铣镜面创造条件。
精加工采用镜面加工精铣PCD刀具（见图3），表面是无刃的光滑球头，其他加工的刀具都有铣削刃，PCD刀具是f（每转进给量），而不是fz（每刃进给量），其值虽设置较小，但还是有刃与刃之间的残留值。
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4.4 试验结果
通过上述对材料、刀具、铣削参数、编程等要素处理，机床加工的工件凹形球面能将文字清晰镜像到表面的效果，且表面放大40倍后，看不到刀纹，达到镜面要求，如图8所示。
