CN101186427A

CN101186427A - 非球面光学玻璃精密压模工艺及光学玻璃精密高温软化炉

Info

Publication number: CN101186427A
Application number: CNA2007100715413A
Authority: CN
Inventors: 姚祖义
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2008-05-28

Abstract

本发明涉及非球面光学玻璃精密模压成型工艺，其分3步工序进行，其特征在于：3步工序是：(1)加热工序：采用非球面光学玻璃精密高温软化炉加热在1200℃高温，用200－500秒时间对非球面光学玻璃原料加热至软化温度Tg以上，达到成型要求，进料-加热-出料，自动完成；(2)成型工序：把已软化的非球面光学玻璃原料，放至保温的金属模具内，温度范围在300－650℃左右，进行压制成型，压力在5－1吨左右，采用热压玻璃成型设备和精密模压成型新技术，获得高精度的非球面光学玻璃热压成型件；(3)缓冷工序：利用隧道式退火炉，在700－400℃温度，4小时左右进行降温，退火。本发明采用新工艺提高了生产速度，降低了成本，大大提高了成型机的工作效率，同时也提高了单位时间的生产效率，而且还改善了光电仪器的性能。

Description

非球面光学玻璃精密压模工艺及光学玻璃精密高温软化炉

技术领域：

本发明涉及热压非球面光学玻璃成型的制作新工艺，具体涉及通过多台非球面光学玻璃精密高温软化炉构成的热压玻璃成型设备和精密模压成型新技术完成光学玻璃非球面透镜加工，不需要研磨、抛光的加工方法，可获得热压成型高精度的非球面透镜系列。

背景技术：

近年来研究开发出许多新的非球面光学零件，非球面光学玻璃透镜模压成型技术是一种高精度光学元件加工技术，是目前大量生产复杂透镜的现代高科技工艺。它把软化的玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。这项技术现在已成为国际上最先进的光学零件制造技术方法之一，是光学行业在光学玻璃零件加工方面的重大革命。由于此项技术能够直接压制成型精密的非球面光学玻璃零件，开创了光电子仪器广泛采用非球面光学玻璃件的时代。

非球面光学玻璃件模压成型技术是一项综合技术，需要设计专用的模压成型设备，采用高质量的模具和选用合理的工艺参数。非球面光学玻璃透镜模压成型法，是将熔融状态的光学玻璃毛坯倒入高于玻璃转化点50℃以上的低温模具中加压成形。这种方法不仅容易发生玻璃粘连在模具的模面上，而且产品还容易产生气孔和冷模痕迹(皱纹)，不易获得理想的形状和面形精度。

后来，采用特殊材料精密加工成的压型模具，在无氧化气氛的环境中，将玻璃和模具一起加热升温至玻璃的软化点附近，采用等温加压法，获得高精度的形状表面，但这种玻璃光学零件的制造方法缺点是：加热升温、冷却降温都需要很长的时间，因此生产速度很慢。

发明内容：

为了解决缩短加热升温、的时间，为了解决玻璃粘连在模具的模面上的问题，为了获得高精度的非球面光学玻璃热压成型件，为了提高生产速度，降低成本，本发明的目的是提供新型非球面光学玻璃精密热压成型新设备和新的热压成型加工技术。单独设计和研制成非球面光学玻璃精密高温软化炉，控制温度偏差小于±2℃，改变了传统光学玻璃软化工艺，原先需要脱模剂、瓷盒等脱模材料，新工艺不需上述多种脱模材料，为企业节省了大批的资金和材料而研制成的非球面光学玻璃精密高温软化炉采用电、气、水为一体、实时监控和自动控制温度的控制与逻辑控制器、自动控制非球面光学玻璃原料进行软化温度高达1200℃。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

非球面光学玻璃精密模压成型工艺进行分3步工序进行。(1)加热工序：采用非球面光学玻璃精密高温软化炉加热在1200℃高温，用200-500秒时间对非球面光学玻璃原料加热至软化温度Tg以上，达到成型要求，进料-加热-出料，自动完成。

(2)成型工序：把已软化的非球面光学玻璃原料，放至保温的金属模具内，温度范围在300-650℃左右，进行压制成型，压力在1-5吨左右，采用热压玻璃成型设备和精密模压成型新技术，获得高精度的非球面光学玻璃热压成型件。

(3)缓冷工序：利用隧道式退火炉，在700-400℃温度，3-6小时进行降温，退火。

非球面光学玻璃透镜模压成型技术是一种高精度光学元件加工技术，它是把软化的玻璃放入高精度的模具中，模具材料具备如下特征：(1)表面无疵病，能够研磨成无气孔、光滑的光学镜面；(2)在高温环境条件下具有很高的耐氧化性能，而且结构等不发生变化，表面质量稳定，面形精度和光洁度保持不变；(3)不与玻璃起反应、发生粘连现象，脱模性能好；(4)在高温条件下具有很高的硬度和强度等。模压工艺采用低熔点玻璃的材料，使压制过程在较低的温度下进行，因此利于延长模具的使用寿命，缩短压制的时间。

非球面光学玻璃透镜精密高温软化炉是由4大主要部分组成：非球面光学玻璃透镜精密高温软化炉，其是由4大主要部分组成：(1)不锈钢膛壁的闭合式精密高温软化炉；(2)可稳动用耐热不锈钢制成的可自动开启和关闭的盖板；(3)用压缩空气驱动具有双向的道轨的汽缸送料系统；对送料器采用水或空气进行冷却，使玻璃与送料器不会作粘结；(4)温度控制、逻辑控制、自动送料控制系统和非球面光学玻璃精密高温软化时间控制系统组成的控制系统以及机架；控制系统分别控制闭合式精密高温软化炉的温度、盖板的开启和关闭、汽缸送料系统；闭合式精密高温软化炉、汽缸送料系统及控制系统分别固定在机架上。

单独设计成的非球面光学玻璃精密高温软化炉和可稳动用耐热不锈钢制成的可自动开启和关闭的盖板，进行升温，使热度达到均匀化，加热精密的非球面光学玻璃棒料到光学玻璃软化温度Tg以上的一定温度为止，解决了用很短的时间对精密的非球面光学玻璃棒料进行软化；缩短了加热升温的时间。

压缩空气驱动具有双向的道轨的汽缸送料系统，送料系统安装有承载台，根据加工各种精密的非球面光学玻璃件的材料、尺寸、重量和熔点的不同要求，确定送料系统的速度、时间、物料支承台最高位的准确位置。

温度控制与逻辑控制确定实时监控和自动控制非球面光学玻璃棒料进行软化的加温速度和时间。精密软化炉用S型双热电耦测量精密软化炉的实际温度，用一个独立的过热安全传感器，采用一个有专用算法的可实现最高的控制分辩率和最短的响应时间的可控硅固态功率控制器，温度控制器反复连续检测其状态，保证温度探测数据的精确和可靠性。采用水或空气冷却可避免由于快速加热而导致被加工光学元件和承载台的夹持器件发生粘贴，按一定时间间隔设计采用多个光学玻璃精密高温软化炉加热软化非球面光学玻璃棒料。

采用多台非球面光学玻璃精密高温软化炉构成的热压非球面光学玻璃成型设备和隧道式退火炉组成的非球面光学玻璃精密模压成型新技术，使用单独设计和研制成非球面光学玻璃精密高温软化炉加工软化各种精密的非球面光学玻璃件原料，缩短了加热升温的时间，解决了玻璃粘连在模具的模面上的问题，获得了高精度的非球面光学玻璃热压成型件，采用新工艺提高了生产速度，降低了成本，大大提高了成型机的工作效率，同时也提高了单位时间的生产效率，而且还改善了光电仪器的性能。非球面光学玻璃模压成型法制造非球面光学零件不需要传统的粗磨、精磨、抛光、磨边定中心等工序，就能使零件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；可很容易经济地实现精密非球面光学零件的批量生产。这种成型法可将一部分功能分配到热压成型机外的装置中去完成，改变了过去那种功能只能在成型机装置内进行的做法。

本发明单独设计和研制成非球面光学玻璃精密高温软化炉，控制温度偏差小于±2℃，改变了传统光学玻璃软化工艺，原先需要脱模剂、瓷盒等脱模材料，新工艺不需上述多种脱模材料，为企业节省了大批的资金和材料研制成的非球面光学玻璃精密高温软化炉采用电、气、水为一体、实时监控和自动控制温度的控制与逻辑控制器、自动控制非球面光学玻璃原料进行软化温度高达1200℃。

附图说明：

图1是本发明的光学玻璃精密高温软化炉结构主视图；

图2是本发明的本发明的光学玻璃精密高温软化炉结构侧视图；

图3是不锈钢膛壁的闭合式非球面光学玻璃精密高温软化炉的结构图；

图4是非球面光学玻璃精密压模工艺及高温软化炉控制流程图；

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明：

非球面光学玻璃精密模压成型工序分3步工序进行。

(1)加热工序：采用非球面光学玻璃精密高温软化炉加热在1200℃高温，用500秒时间对非球面光学玻璃原料加热至软化温度Tg以上，达到成型要求，进料-加热-出料，自动完成。

(2)成型工序：把已软化的非球面光学玻璃原料，放至保温的金属模具内，温度范围在650℃左右，进行压制成型，压力在5吨，采用热压玻璃成型设备和精密模压成型新技术，获得高精度的非球面光学玻璃热压成型件。(3)缓冷工序：利用隧道式退火炉，在700-400℃温度，4小时进行降温，退火。

本发明涉及的组合式的热压非球面光学玻璃成型设备通过利用不同的工序确保热压非球面光学玻璃玻璃件的形状和面形精度，实现了高精度的面形复制。

热压非球面光学玻璃精密高温软化炉的主要是用于加热工序，使非球面光学玻璃软化，非球面光学玻璃精密高温软化炉采用电、气、水为一体实时监控和自动控制温度的控制与逻辑控制器、自动控制非球面光学玻璃原料进行软化的主要部件结构由四大部分组成：

非球面光学玻璃透镜精密高温软化炉，其是由4大主要部分组成：(1)不锈钢膛壁的闭合式精密高温软化炉；(2)可稳动用耐热不锈钢制成的可自动开启和关闭的盖板；(3)用压缩空气驱动具有双向的道轨的汽缸送料系统；对送料器采用水或空气进行冷却，使玻璃与送料器不会作粘结；(4)温度控制、逻辑控制、自动送料控制系统和非球面光学玻璃精密高温软化时间控制系统组成的控制系统以及机架；控制系统分别控制闭合式精密高温软化炉的温度、盖板的开启和关闭、汽缸送料系统；闭合式精密高温软化炉、汽缸送料系统及控制系统分别固定在机架上。

具体外形结构如图1、2所示，炉堂1、炉门2、送料器具3、工作面4、水管5、墙板6、电磁开关7、汽缸8、温度控制表9、感应开关10、控制接线器13、电源14、气表15，炉堂1下部开设有炉门2，送料器具3固定在送料系统的汽缸8上且接有水管5，工作面4固定两墙板6之间，电磁开关7固定在墙板6的一侧且连接炉堂1的电加热，温度控制表9、感应开关10、控制接线器13、电源14分别连接炉堂1，气表15连接送料系统的汽缸8。

如图3所示，不锈钢膛壁的闭合式精密高温软化炉1，其包括矿棉炉芯24、左右炉门盖板19、前后盖板20、盖板17、炉芯固定盖板23、炉芯顶盖固定板21、矿棉板22、定位套18、盖板筛孔通风盖16、钨丝连接件25、瓷质钨丝定位卡26、软化炉加热圈27、28、盖板驱动系统、线性升降驱动系统及集成逻辑控制系统成的单机或网络化的中央逻辑控制系统，矿棉炉芯24的前后左右固定炉芯固定盖板23，矿棉板22固定在矿棉炉芯24的顶盖上，盖板筛孔通风16和定位套18将盖炉芯顶固定板23与矿棉炉芯24固定，钨丝连接件25与软化炉加热圈27、28连接，通过瓷质钨丝定位卡26将软化炉加热圈27、28固定在矿棉炉芯24的前后左右内壁，盖板2的驱动由面板上的逻辑控制系统来控制送料驱动系统3的两个汽缸运动完成，当送料驱动系统3将已经加热的物料从精密高温软化炉膛返回时，可用内置的可编程逻辑控制系统控制盖板延迟关闭，使送料台至最低点，让加热的非球面光学玻璃原料仍然处于其承载台上，由于设置延迟时间其盖板仍然处于开启状态，目的是降低非球面光学玻璃原料的冷却率。

工作原理，当送料系统设置为移动时两盖板随即打开，允许非球面光学玻璃原料与承台进入炉膛，一当非球面光学玻璃原料支承台到了高位的准确位置，盖板再次关闭，这样有利于减少能量损耗并能消除因过热而导致的爆裂现象。

送料系统：用压缩空气驱动具有双向的道轨的汽缸送料系统，可作缓慢的精密线性运动。根据加工非球面光学玻璃原料的材料、尺寸、重量和熔点的不同要求，可采用安装有承载台的送料系统，确定非球面光学玻璃原料支承台最高位的准确位置，送料系统的速度和时间，工件的加温速度和时间温度控制与逻辑控制：非球面光学玻璃精密高温软化炉采用S型双热电耦和过热安全传感器可保证温度探测数据的精确和可靠性。双热电耦、热控制器接按收炉内的温度用型号为S的专用热电耦(控制传感器)，该传感器被插入到相同的陶瓷保护管中作为第二个S型过温元件，另外需要有冷结传感器(CJ)，它位于接口板的热电耦连接器上，致冷剂连结可用水或空气对夹持器进行冷却，后部的两个公的插头连结到外部致冷剂源，前部的两个母的快速连结口是将致冷剂连结到夹持器的返回管道。用精密数字控制器来实现温度的实时监控和自动控制及线性加热。用S型双热电耦测量精密软化炉的实际温度，用一个独立的过热安全传感器，采用一个有专用算法的可控硅固态功率控制器实现高分辩率和短的响应时间，当精密软化炉的温度超过设定的极值时，用断开主交流接触器的方式而断开加热循环的电流，一旦温度下降到警示以下的水平，过热控制器自动闭合加热环路，智能自动起动逻辑电路，使精密高温软化炉的温度平稳恢复到准确的温度。采用水冷却另一作用是可避免由于快速加热而导致被加工光学元件和承载台的夹持器件发生粘贴。不工作时精密软化炉温度保持450℃，精密高温软化炉温度控制的范围400-1200℃。

如图4所示，非球面光学玻璃精密压模工艺及高温软化炉控制流程是：启动——加热——加热温度——自动开始——延时时间——开启炉门——承载台上升——上升是否到位——关闭盖门——温度过低或过热——开启炉门——下降是否到位——关闭炉门——间歇时间到——是否停止——结束。其中加热温度低返回加热程序；炉门没有开启到位，延时、报警；承载台不上升，上升不到位，延时、报警，不关闭盖门；温度过低或过热，延时、报警，继续加热；下降不到位，延时、报警，不关炉门。

Claims

1.非球面光学玻璃精密模压成型工艺，其分3步工序进行，其特征在于：3步工序是：

(1)加热工序：采用非球面光学玻璃精密高温软化炉加热在1200℃高温，用200-500秒时间对非球面光学玻璃原料加热至软化温度Tg以上，达到成型要求，进料-加热-出料，自动完成。

(2)成型工序：把已软化的非球面光学玻璃原料，放至保温的金属模具内，温度范围在300-650℃左右，进行压制成型，压力在5-1吨左右，采用热压玻璃成型设备和精密模压成型新技术，获得高精度的非球面光学玻璃热压成型件。

(3)缓冷工序：利用隧道式退火炉，在700-400℃温度，4小时左右进行降温，退火。

2.非球面光学玻璃透镜精密高温软化炉，其是由4大主要部分组成：(1)不锈钢膛壁的闭合式精密高温软化炉；(2)可稳动用耐热不锈钢制成的可自动开启和关闭的盖板；(3)用压缩空气驱动具有双向的道轨的汽缸送料系统；对送料器采用水或空气进行冷却，使玻璃与送料器不会作粘结；(4)温度控制、逻辑控制、自动送料控制系统和非球面光学玻璃精密高温软化时间控制系统组成的控制系统以及机架；控制系统分别控制闭合式精密高温软化炉的温度、盖板的开启和关闭、汽缸送料系统；闭合式精密高温软化炉、汽缸送料系统及控制系统分别固定在机架上。

3.根据权利要求2所述的非球面光学玻璃透镜精密高温软化炉，其特征在于：不锈钢膛壁的闭合式精密高温软化炉，其包括矿棉炉芯、左右盖板、前后盖板、盖板、炉芯固定盖板、炉芯顶固定板、矿棉板、定位套、盖板筛孔通风盖、钨丝连接件、瓷质钨丝定位卡、软化炉加热圈、盖板驱动系统、线性升降驱动系统及集成逻辑控制系统成的单机或网络化的中央逻辑控制系统，矿棉炉芯的前后左右固定炉芯固定盖板，矿棉板固定在矿棉炉芯的顶盖上，盖板筛孔通风和定位套将盖炉芯顶固定板与矿棉炉芯固定，钨丝连接件与软化炉加热圈连接，通过瓷质钨丝定位卡将软化炉加热圈固定在矿棉炉芯的前后左右内壁。