新型成型技術(shù)論文(2)
新型成型技術(shù)論文
新型成型技術(shù)論文篇二
光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)
摘要 光學(xué)玻璃模壓成型法由于能直接一次成型，因而大大節(jié)省了材輔料、時間、設(shè)備及人力，且能模壓出不同形狀。在非球面光學(xué)玻璃零件和小型、微型光學(xué)元件制造方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。通過闡述該項(xiàng)綜合技術(shù)所涉及的低熔點(diǎn)玻璃材料的要求與現(xiàn)狀、模具材料與加工、模壓工藝和設(shè)備，詳細(xì)介紹了光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)的概況與關(guān)鍵點(diǎn)，指出我國應(yīng)繼續(xù)大力發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)。
關(guān)鍵詞 光學(xué)玻璃;模壓成型;低熔點(diǎn)玻璃;模具工藝
中圖分類號TN205 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708(2012)64-0105-02
Abstract Because of directly forming, optical glass molding technology could save the material, time, equipment and manpower, and different shapes could be molded into. It had wide application prospects in manufacturing of aspheric optical glass parts and small, micro optical element. Optical glass molding technology overview and key points were introduced in detail through elaborating the comprehensive technology which involves the low melting point glass material requirements and current situation, the mold material and processing, molding process and equipment. In the end, pointed out that our country should continue to develop molding technology vigorously.
Keywords optical glass; molding; low Tg glass; process
0 引言
光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)，是利用了玻璃從熔融態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的過程是連續(xù)可逆的熱加工性質(zhì)，在玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg附近，在無氧條件下，對玻璃和模具進(jìn)行加溫加壓，一次性將光學(xué)玻璃模壓成達(dá)到使用要求的光學(xué)零件[1]。由于光學(xué)玻璃模壓成型法摒棄了傳統(tǒng)的粗磨、精磨、拋光以及定心磨邊等工序，直接一次成型，大大節(jié)省了材輔料、時間、設(shè)備及人力，且能模壓出不同形狀，尤其是在非球面光學(xué)玻璃零件和小型、微型光學(xué)元件制造方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，需綜合考慮玻璃材料、模具材料、模壓設(shè)備及模壓的工藝參數(shù)等，它所涉及的技術(shù)均為各個領(lǐng)域的尖端技術(shù)[2]。
1 適于精密模壓的光學(xué)玻璃材料及預(yù)成型件
理論上講，光學(xué)玻璃都可以模壓。但實(shí)際上，一方面，轉(zhuǎn)變溫度Tg高的玻璃，以及含Ti高于5%的玻璃，在高溫下會與模具產(chǎn)生反應(yīng)，致使模具的使用壽命很短且零件表面質(zhì)量差;另一方面，含有Pb、As等氧化物的玻璃不符合環(huán)境保護(hù)要求也不能用于模壓。為適應(yīng)玻璃模壓成型技術(shù)的發(fā)展，要求材料廠家開發(fā)出轉(zhuǎn)變溫度Tg低(600℃以下)的環(huán)保型光學(xué)玻璃材料。世界各光學(xué)材料生產(chǎn)企業(yè)都投入了很大精力，開發(fā)出多種低熔點(diǎn)的適宜于模壓成型的玻璃材料。尤其是最近五年左右時間，低熔點(diǎn)玻璃從品種數(shù)量的增長、折射率范圍的擴(kuò)大、Tg值的降低等方面，都有了很大的進(jìn)步。目前，日本和德國在這方面走在了世界的前列，HOYA(保谷光學(xué))、OHARA(小原光學(xué))、SUMITA(住田光學(xué))和SCHOTT(肖特光學(xué))是其中的佼佼者。由于各個廠家的材料配方不同，導(dǎo)致光學(xué)常數(shù)相同或相近時，玻璃的Tg值會有所不同，且材料具體各項(xiàng)參數(shù)也有差異，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時必須首先考慮好所使用的光學(xué)玻璃材料的生產(chǎn)廠家。
由于模壓成型技術(shù)是光學(xué)玻璃材料直接一次性成型，出模后不再進(jìn)行拋光，因此，對用于模壓的毛坯相應(yīng)提出了更高的要求。通常，毛坯會預(yù)加工成球形、橢球形或平面、平凸、雙凸形[3-4]，也稱之為預(yù)成型件。預(yù)成型件有熱加工和冷加工兩種方式，其中，小直徑球形和橢球形可通過滴料直接成型，而其它幾種形式的預(yù)成型件及直徑超出滴料范圍的預(yù)成型件必須先用傳統(tǒng)的研磨拋光方法制造出來。各廠家滴料成型的預(yù)成型件一般每批次最小訂單量為30 000件。
對預(yù)成型件的要求：因?yàn)槟翰豢赡芟鞅砻婕皟?nèi)部的缺陷，因此毛坯在壓型前的表面清潔度、表面粗糙度及材料內(nèi)部質(zhì)量均不得低于完工后的要求;由于要精密控制壓型后的尺寸，毛坯的尺寸和重量也應(yīng)進(jìn)行精密控制。
為進(jìn)一步防止高溫時玻璃與模具發(fā)生粘連，HOYA、OHARA、SCHOTT等廠家現(xiàn)已開發(fā)出在預(yù)成型件表面鍍防粘薄膜的方法，一方面可防止粘附，另一方面還可提高模壓過程中玻璃和成型面之間的潤滑性。薄膜的種類可為含碳薄膜或氮化物薄膜、貴金屬膜等，優(yōu)選使用含碳薄膜，尤其是模具材料為SiC、ZrO2時。
2 模壓模具的材料選擇及加工技術(shù)
在光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)中，高精度的鏡片和特殊的工藝過程要求模壓成型的模具應(yīng)達(dá)到以下要求：1)加工后的模具表面應(yīng)達(dá)到光學(xué)鏡面的表面粗糙度，在高溫環(huán)境下能保持表面質(zhì)量包括面形精度和表面疵病、表面粗糙度不變;2)模壓過程中不與玻璃起反應(yīng)或發(fā)生粘連現(xiàn)象，脫模性能良好;3)在高溫環(huán)境具有很高的剛性、硬度、強(qiáng)度，能耐冷熱反復(fù)沖擊。模具材料的選擇、模具的加工與研磨拋光、模具的表面處理等應(yīng)綜合考慮以上要求。
以HOYA為例，已開發(fā)出多種有關(guān)模具材料的專利。主要的模具材料包括SiC、Si3N4、WC超硬合金和金屬陶瓷，并在模具基體的成型表面上加鍍脫模膜。以WC等超硬合金為基體時，表面加鍍貴金屬膜或氮化物膜;以SiC為基體時，表面加鍍硬質(zhì)碳膜;膜層厚度控制在10nm~50nm左右。
由于所使用的模具材料硬度大，一般具有硬脆性，在加工過程中容易產(chǎn)生裂紋，影響工件的使用性能，因此對模具加工中所使用的刀具和加工方法提出了很高的要求。模具基體加工的機(jī)床都是超精密數(shù)控加工機(jī)床，與金剛石微分砂輪和高精度的在線檢測補(bǔ)償系統(tǒng)相配合。加工方法包括納米磨削技術(shù)和PCD刀具微細(xì)銑削技術(shù)，后又發(fā)展出將ELID(Electrolytic In.Process Dressing)鏡面磨削技術(shù)[4]與納米磨削技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用到非球面透鏡模具的加工上。
為達(dá)到更好的表面精度，模具表面還需進(jìn)行研磨拋光?？捎糜谀＞邟伖獾募夹g(shù)有磁流變拋光(MRF)技術(shù)[5]、磁射流拋光(MJP)技術(shù)及超聲波研磨技術(shù)。
3 模壓工藝及設(shè)備
光學(xué)玻璃模壓成型專用機(jī)床的制造技術(shù)主要掌握在日本、美國、德國和荷蘭等國，如日本東芝、SYS，美國曼徹斯特精密光學(xué)公司、康寧公司，德國蔡司，荷蘭飛利浦等[6]。
模壓成型的具體工藝過程和工藝參數(shù)，隨設(shè)備不同而有所區(qū)別，但加熱與模壓工序都要求是在無氧化氣氛下進(jìn)行。一般來說，光學(xué)玻璃模壓成型可以分為等溫成型和異溫成型兩種方式。等溫成型是將預(yù)成型件導(dǎo)入到模壓成形模具中，并將該成型模具與玻璃一起進(jìn)行加熱來進(jìn)行零件加工的方法。
異溫成型是先加熱預(yù)成型件，使其軟化，再將其導(dǎo)入到已預(yù)熱的模壓成型模具中進(jìn)行精密模壓成型的方法。簡單地講，等溫成型就是將模具和預(yù)成型件同時加熱和冷卻，同時取出;異溫成型就是將預(yù)成型件單獨(dú)加熱后成型單獨(dú)冷卻和取出，模具溫度保持不變。等溫成型方式加熱升溫和冷卻降溫都需要較長時間，因此生產(chǎn)速度較慢，在面形精度、中心偏差要求較高的情況下，推薦使用等溫成型方式;在重視生產(chǎn)率提高的情況下推薦使用異溫成型方式。
4 結(jié)論
光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)現(xiàn)已廣泛用于各類球面和非球面光學(xué)零件的制造中，尤其是在小型和微型光學(xué)元件及非球面制造方面具有傳統(tǒng)光學(xué)零件不可比擬的優(yōu)越性。目前，包括低熔點(diǎn)玻璃的熔煉、模具加工與鍍膜、模壓設(shè)備及工藝等關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在國外廠家手中，我國尚處于起步階段，很多方面還受制于國外技術(shù)壁壘，因此，繼續(xù)深入開展光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)方面的研究十分迫切，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
參考文獻(xiàn)
[1][日]谷田部善雄著.非球面透鏡加工.張立士，譯.
[2]陳國，王偉.低熔點(diǎn)玻璃精密模壓技術(shù)概況[J].市場周刊，2010，9：109-110.
[3]舒朝濂，田愛玲，等.現(xiàn)代光學(xué)制造技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：317-322.
[4]關(guān)佳亮，等. ELID精密鏡面磨削技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用[J].航空精密制造技術(shù)，2002，38(2)：5-7.
[5]康桂文.磁流變拋光技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].機(jī)床與液壓，2008，36(3)：173-176.
[6]張坤領(lǐng)，等.非球面加工現(xiàn)狀[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2007(5)：1-6.
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