CN101293727A - 特殊光学玻璃元件热压成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及特殊光学玻璃元件热压成型工艺进行分3步工序进行，其包括加热工序、成型工序和缓冷工序，其特征在于：1)加热工序：采用高精度光学元件光学玻璃精密高温软化炉加热在1200℃高温，用200－500秒时间对特殊光学元件光学玻璃原料加热至软化温度Tg以上，达到成型要求；2)成型工序：把已软化的高精度光学元件光学玻璃原料，放至保温的金属模具内，单件用手工从取放入温度范围在300－650℃左右，进行压制成型；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，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，使零件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；开创了光电仪器可以广泛采用非球面光学玻璃零件的时代。

Description

特殊光学玻璃元件热压成型工艺

技术领域：

本发明涉及高精度热压光学玻璃元件成型工艺，具体涉及通过按一定时间间隔设计采用多台特殊光学元件光学玻璃精密高温软化炉加热软化光学玻璃棒料和隧道式退火炉构成的热压玻璃成型设备和高精度的精密模具来完成特殊光学元件热压光学玻璃成型，不需要研磨、抛光毛坯加工、定中、磨边、胶合的加工方法。

背景技术：

近年来研究开发出许多新的特殊光学元件，在光电行业中得到广泛的应用，如各种高次非球面光学透镜、不规则的各种光学棱镜、高次非球面光学透镜和光学棱镜组成的复合件，上述的各种光学元件统称为特殊光学元件，该类特殊光学元件用冷工工艺来完成，需要采用一系列复杂工序，毛坯加工，粗加工，粗磨，精磨、抛光；定中、磨边、胶合。致使加工误差较高，制造困难、调试麻烦，费用高，为了简化加工工艺、采用热压光学玻璃成型的制作工艺，将特殊的光学元件一次模压成型。

特殊光学元件光学玻璃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光学透镜、光学棱镜的现代高科技工艺。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。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元件。

在特殊光学元件模压成型法中，如将熔融状态的光学玻璃毛坯倒入高于玻璃转化点5℃以上的低温模具中加压成形，容易发生玻璃粘连在模具的模面上，产品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。如采用等温加压法，将光学玻璃和用特殊材料精密加工成的压型模具一起加热升温至玻璃的软化点附近，在无氧化气氛的环境中获得高精度的形状表面，但这种制造方法缺点是：加热升温、冷却降温都需要很长的时间，因此生产速度很慢。而用冷加工工艺来完成各种高次非球面光学透镜和光学棱镜组合的复合光学元件、是很困难的事情。

发明内容：

为了提高生产速度，降低成本；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，以便获得高精度的特殊光学元件光学玻璃热压成型件，完成各种高次非球面光学透镜和光学棱镜组合的复合光学元件一次加工成型，本发明的目的是采用自行研制成的特殊光学元件光学玻璃精密热压成型新设备、提供特殊光学玻璃元件热压成型工艺。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所用的技术方案是：

特殊光学玻璃元件热压成型工艺进行分3步工序进行。

1)加热工序：采用特殊光学元件光学玻璃精密高温软化炉加热在1200℃高温，用200-500秒时间对特殊光学元件光学玻璃原料加热至软化温度Tg以上，达到成型要求，每台软化炉加温时对特殊光学元件光学玻璃坯料的进料-加热-出料，自动完成。

本发明采用的光学玻璃精密高温软化炉控制光学玻璃软化温度偏差小于±2℃，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℃。特殊光学元件光学玻璃透镜精密高温软化炉是由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粘连；特殊光学元件光学玻璃精密高温软化炉的结构如图1所示。(4)进行特殊设计的温度控制、逻辑控制、自动送料控制和特殊光学元件光学玻璃精密高温软化时间控制系统组成。

软化加热工序：

1、打开电源，开启气压达6Kg，开启水路，查看水值；

2、软化炉第二次上升温到455℃停20分钟；

3、软化炉第三次上升温到800℃停30分钟；

4、生产前应该打开水和空气开关，检查水的流量；

5、按生产技术参数，调节软化时间和升降时间；

6、将已预热好的软化炉升到要生产的温度，拿下支架；

7、温度升到设置值后，设置运行状态为自动；

8、用手使用夹具将坯料放到升降支架上，准备生产，按下启动开始生产；

9、用200-500秒时间对特殊光学元件光学玻璃原坯料加热至软化温度Tg以上，以达到成型要求的温度；每台软化炉加温时对特殊光学元件光学玻璃坯料的进料-加热-出料，自动完成；

10、将加热至软化温度Tg以上的特殊光学元件光学玻璃原坯料放至保温的金属模具内，温度范围在300-650℃左右，准备压制成型；

11、生产完毕，软化温度降为0后，自然降到室温后，关闭电源，放入支架，关闭水、气等。

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。这种成型法将光学玻璃软化这部分功能分配到成型机外的装置中去完成，改变了过去那种光学玻璃软化功能只能在成型机装置内进行的做法。大大提高了模压成型机的工作效率，同时也提高了单位时间的生产效率。

2)成型工序：把已软化的特殊光学元件光学玻璃原料，放至保温的金属模具内，单件用手工从取放入温度范围在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，获得高精度的特殊光学元件光学玻璃热压成型件。设计研制高质量的模具和选用合理的工艺参数；精确地控制模压成型过程中的温度和压力等工艺参数，保证模压成型光学零件的尺寸精度和重复精度；采用精度达微米级的加工设备和测试仪器保证非球面面形的测试与评价；保证模压成型光学零件的尺寸精度和重复精度；使零件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度。

热压成型工艺

1、根据不同的产品要求：高次非球面透镜系列、阵列式特殊光学元件、各种特殊棱镜系列、各种高次非球面光学透镜和光学棱镜组成复合光学元件按装不同模具，将模具安装到热压型机上的上加热底座盘和模具的下加热底座盘，在生产前3-4分钟打开空气净化器；

2、打开电源设置好各项生产技术参数，将模具的上加热底座盘、模具的下加热底座盘同时加温达800-1000℃，

3、用手使用夹具将软化好的特殊光学元件光学玻璃坯料，准确地放到已升温的模具上开始压型；

4、每次压型前均需用压缩空气吹模具内的玻璃；

5、首压的产品需要对产品的首检、关于尺寸、规格的限制；

6、生产中需要巡检。

本发明采用的高精度热压光学玻璃元件成型工艺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。根据热压成型高精度的高次非球面透镜系列、阵列式的非球面透镜系列、各种特殊棱镜系列、各种高次非球面光学透镜和光学棱镜组成复合光学元件的光学要求，设计和制造高精度的精密成型模具，采用热压光学玻璃成型的制作工艺，将特殊的光学元件一次模压成型。

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。退火炉包含6个区段，每段工作区长1.4m，可控工作区1为载荷区和运输传送带，可控工作区2为均匀退火，可控工作区3-7为不同温度的退火，可控工作区8为强风冷却，可控工作区9完成退火。

根据特殊光学元件光学玻璃坯料的种类和要求选择不同的退火温度和时间。

本发明采用的隧道式连续退火炉用于光学元件的精密退火，出料量每小时144件，日产量3450件，系统主退火温度700℃(30分种)最大退火温度650℃连续控制8段温度控制区段，整体长度8500mm，控制系统有高精度和高分辨率的PID控制器，可独立操作，具有单独的控制机柜，测量范围0-1000度。具有自启动功能，过程参数显示、设置点、偏移、控制器输出、安全监控过程变量、操作合理、温度过高和偏移报警监测等功能。每个控制区段具有S形的控制传感器(选择铂-铑-铂10％的热电偶)各设一个温控点并显示该温度，单独的安全传感器型号K(镍铬镍铝)。连续退火炉包含6个区段，每段工作区长1.4m，可控工作区1为载荷区和运输传送带，可控工作区2为均匀退火，可控工作区3-7为不同温度的退火，可控工作区8为强风冷却，可控工作区9完成退火。

通过本发明可获得热压成型高精度特殊光学元件：如高次非球面透镜系列、各种特殊棱镜系列、各种高次非球面光学透镜和光学棱镜组成复合光学元件、阵列式特殊光学元件；特殊光学元件在科技中得到广泛的应用，如：1可应用各种照明系统，包括汽车前照灯高次非球面透镜、阵列式热压成型光学元件；2可用于机场跑道灯的新型特殊棱镜是表面有多个柱面透镜排列的特殊透镜、或在棱镜入射表面可有各种高次非球面光学透镜组成；3可用于新一代的太阳能聚光系统中的高次非球面太阳能聚能光学玻璃透镜和棱镜整体成型产品；4可用于手机面板和手机键热压成型光学玻璃成型产品；5可用于光电行业中各种光学系统中的光学玻璃元件一次热压成型。

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，使零件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；开创了光电仪器可以广泛采用非球面光学玻璃零件的时代。可很容易经济地实现精密特殊光学元件的批量生产，不仅使光电仪器缩小了体积、减少了重量、节省了材料、减少了光学零件镀膜和工件装配的工作量、降低了成本，而且还改善了光电仪器的性能，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。

附图说明：

图1是本发明的特殊光学元件光学玻璃精密高温软化炉结构图；

图2是可获得热压成型高精度的高次非球面透镜系列的工艺模具；

图3是获得热压成型各种棱镜系列的工艺模具；

图4是获得各种高次非球面光学透镜和光学棱镜组成复合光学元件的工艺模具；

图5是用于手机面板和手机键热压成型光学玻璃成型的工艺模具。

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：

如图1所示，特殊光学玻璃元件热压成型工艺分3步工序进行：

1)加热工序：由金属模具的外部进行传导加热；采用光学玻璃精密高温软化炉加热特殊光学元件光学玻璃原料到光学玻璃软化温度1200℃，用很短的时间进行升温，使热度做到均匀化，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特殊光学光学玻璃原料。

热压特殊光学元光学玻璃精密高温软化炉的主要是用于加热工序，使热压特殊光学元件光学玻璃软化，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、自动控制热压特殊光学元件光学玻璃进行软化的主要部件结构由四大部分组成：

(1)不锈钢膛壁的闭合式精密高温软化炉11；(2)可稳动用耐热不锈钢制成的可自动开启和关闭的盖板12；(3)用压缩空气驱动具有双向的道轨13的汽缸送料系统14；对送料器采用水或空气对夹持器进行冷却，使玻璃送料器不会粘结；(4)进行特殊设计的温度控制、逻辑控制、自动送料控制系统和热压特殊光学元件光学玻璃精密高温软化时间控制系统15组成。

软化加热工序：

1、打开电源，开启气压达6Kg，开启水路，查看水值；

2、软化炉第二次上升温到455℃停20分钟；

3、软化炉第三次上升温到800℃停30分钟；

4、生产前应该打开水和空气开关，检查水的流量；

5、按生产技术参数，调节软化时间和升降时间；

6、将已预热好的软化炉升到要生产的温度，拿下支架；

7、温度升到设置值后，设置运行状态为自动；

8、用手使用夹具将坯料放到升降支架上，准备生产，按下启动开始生产；

9、用200-500秒时间对特殊光学元件光学玻璃原坯料加热至软化温度Tg以上，以达到成型要求的温度；每台软化炉加温时对特殊光学元件光学玻璃坯料的进料-加热-出料，自动完成。

10、将加热至软化温度Tg以上的特殊光学元件光学玻璃原坯料放至保温的金属模具内，温度范围在300-650℃左右，准备压制成型；

11、生产完毕，软化温度降为0后，自然降到室温后，关闭电源，放入支架，关闭水、气等。

2)成型工序：向模具内放入软化的特殊光学光学玻璃原料，使温度、压力做到均匀化，对金属模进行保温。采用热压玻璃成型设备和精密模压成型新技术，获得高精度的特殊光学光学玻璃热压成型件。

一种工艺是只使用一个上模具如图2所示，将上模具安装到热压成正比型机上的上加热底座盘和上盖板上。

模具的上加热底座盘、模具的下加热底座盘同时可加温达800-1000℃，热压特殊光学光学玻璃成型设备按光学元件的要求和不同的玻璃材料设定加温值，可自动控制模压成型温度，完成高次非球面透镜系列、阵列式特殊光学元件、各种特殊棱镜系列、各种高次非球面光学透镜和光学棱镜组成复合光学元件的一次热压成型工艺。

(3)缓冷工序：利用隧道式退火炉，以一定的速度进行降温，退火。

隧道式连续退火炉用于光学元件的精密退火，出料量每小时144件，日产量3450件，系统主退火温度700℃(30分种)最大退火温度650℃连续控制8段温度控制区段，测量范围0-1000度。具有自动控制、显示、输出、报警监测等功能。

可采用用两种加工工艺进行制作，一种工艺是只使用一个上模具如图3所示、将将上模具安装到热压成正比型机上的上加热底座盘和上盖板上；另一种工艺是如图3、图4所示，将上下模具分别安装到热压型机上的上加热底座盘、上盖板和模具的下加热底座盘、下盖板，在图2、图3、图4、图5，1为上加热高底座盘、2上盖板，3上模具，4加工模具，5下模具，6下盖板，7为下加热底座盘，整套高次非球面透镜系列的热压成型模具见图2，整套阵列式特殊光学元件热压成型模具可用上述的工艺进行加工、整套各种特殊棱镜系列的热压成型模具见图3，整套各种高次非球面光学透镜和光学棱镜组成复合光学元件热压成型模具见图4。图5为可用于手机面板和手机键热压成型光学玻璃成型的工艺模具。

Claims (9)

1、特殊光学玻璃元件热压成型工艺进行分3步工序进行，其包括加热工序、成型工序和缓冷工序，其特征在于：

1)加热工序：采用高精度光学元件光学玻璃精密高温软化炉加热在1200℃高温，用200-500秒时间对特殊光学元件光学玻璃原料加热至软化温度Tg以上，达到成型要求，每台软化炉加温时对特殊光学元件光学玻璃坯料的进料-加热-出料，自动完成；

2)成型工序：把已软化的高精度光学元件光学玻璃原料，放至保温的金属模具内，单件用手工从取放入温度范围在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，获得高精度的特殊光学元件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。退火炉包含6个区段，每段工作区长1.4m，可控工作区1为载荷区和运输传送带，可控工作区2为均匀退火，可控工作区3-7为不同温度的退火，可控工作区8为强风冷却，可控工作区9完成退火。

2、根据权利要求1所述的特殊光学玻璃元件热压成型工艺，其特征在于：特殊光学元件光学玻璃透镜精密高温软化炉是由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粘连；(4)进行特殊设计的温度控制、逻辑控制、自动送料控制和特殊光学元件光学玻璃精密高温软化时间控制系统组成。

3、据权利要求1所述的特殊光学玻璃元件热压成型工艺，其特征在于：软化加热工序：

(1)、打开电源，开启气压达6Kg，开启水路，查看水值；

(2)、软化炉第二次上升温到455℃停20分钟；

(3)、软化炉第三次上升温到800℃停30分钟；

(4)、生产前应该打开水和空气开关，检查水的流量；

(5)、按生产技术参数，调节软化时间和升降时间；

(6)、将已预热好的软化炉升到要生产的温度，拿下支架；

(7)、温度升到设置值后，设置运行状态为自动；

(8)、用手使用夹具(见图2)将坯料放到升降支架上，准备生产，按下启动开始生产；

9、用200-500秒时间对特殊光学元件光学玻璃原坯料加热至软化温度Tg以上，以达到成型要求的温度；每台软化炉加温时对特殊光学元件光学玻璃坯料的进料-加热-出料，自动完成；

10、将加热至软化温度Tg以上的特殊光学元件光学玻璃原坯料放至保温的金属模具内，温度范围在300-650℃左右，准备压制成型；

11、生产完毕，软化温度降为0后，自然降到室温后，关闭电源，放入支架，关闭水、气等。

4、根据权利要求1或2所述的特殊光学玻璃元件热压成型工艺，其特征在于：模具的上加热底座盘、模具的下加热底座盘同时加温达800-1000℃。

5、根据权利要求1或2所述的特殊光学玻璃元件热压成型工艺，其特征在于：模具是上下模具分别安装到热压型机上的上加热底座盘、上盖板和模具的下加热底座盘、下盖板。

6、根据权利要求1或2所述的特殊光学玻璃元件热压成型工艺，其特征在于：通过本发明可获得热压成型高精度特殊光学元件：1、可应用各种照明系统，包括汽车前照灯高次非球面透镜、阵列式热压成型光学元件；2、可用于机场跑道灯的新型特殊棱镜是表面有多个柱面透镜排列的特殊透镜、或在棱镜入射表面可有各种高次非球面光学透镜组成；3、可用于新一代的太阳能聚光系统中的高次非球面太阳能聚能光学玻璃透镜和棱镜整体成型产品；4、可用于手机面板和手机键热压成型光学玻璃成型产品；5、可用于光电行业中各种光学系统中的光学玻璃元件一次热压成型。

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