CN102173563A - 超声波振动辅助精密模压成形的方法 - Google Patents

超声波振动辅助精密模压成形的方法 Download PDF

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尹韶辉
朱科军
陈逢军
余剑武
王宇
唐昆
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Abstract

一种超声波振动辅助精密模压成形的方法，为如下步骤：一、择一玻璃坯料(5)导入超声波振动辅助精密模压成形装置的下模具(6)中，红外线辐射至粘度达106～108dPa·s；二、启动伺服电机(17)带动下模具(6)朝上运动至玻璃坯料(5)并与上模具(4)压紧；三、启动超声波振动发生装置(1)带动上模具(4)实现超声波振动，玻璃坯料(5)随之振动充模；四、再度模压，对上模具(4)和下模具(6)实施退火处理；五、玻璃坯料(5)粘度达1013～1015dPa·s形成成品，移动下模具(6)取出。使用本方法能实现复杂型面模具的充模，防止困气发生，获得结构与强度均匀的高质量光学元件。

Description

超声波振动辅助精密模压成形的方法
技术领域
本发明涉及一种模压成形技术，尤其涉及一种用于加工复杂型面光学元件的超声波振动辅助精密模压成形的方法。
背景技术
高性能的、紧凑的图像传感单元一般由高折射率玻璃制成，光学玻璃产品可以通过模压成形技术来形成光学功能表面，与单独的玻璃研磨和抛光技术相比，它能够低成本、高生产率、稳定地大规模生产光学透镜。但是，针对复杂型面的光学零件，尤其是对于带有微细结构的例如菲涅耳透镜等光学元件，其玻璃坯料在模压过程中难以充满带有微结构的模具型腔之中而影响成型精度。而目前广泛使用的模压方式多为单一的下模具或上模具直线运动挤压方式，所产光学元件制品，其上部分和下部分的内部组织结构、密度、强度及应力分布均不均匀，久置极易变形从而弱化其光学性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提供一种超声波振动辅助精密模压成形的方法，该方法既能实现玻璃坯料对复杂型面模具的充模，又能有效防止困气的发生，并由此获得内部组织结构与强度均匀的高质量光学元件。
本发明的技术解决方案是，所提供的这种超声波振动辅助精密模压成形的方法，是在已知的精密模压成形装置及其模压成形使用工艺的基础上，引入超声波振动辅助，通过对上模具或下模具施加一定频率和振幅的可控振动，形成超声波振动辅助的超精密模压成形工艺。该工艺过程如图1所示，其具体步骤如下：
一、加热与均热处理。参见附图1～2，取一普通超声波振动辅助精密模压成形装置为模压加工成形装置，择一其重量与目标件重量相当的玻璃坯料5导入或预热后导入该装置的下模具6中，打开惰性气体进口15，注入氮气，以此驱赶包含下模具6与上模具4在内的模压腔14内的氧气。模压腔14内达到无氧环境后，打开红外线灯12，利用棱镜13的反射作用与遮光板3的局部遮挡作用，集中光源对模压腔14内的下模具6和上模具4及二者之间的玻璃坯料5实施红外线辐射加热。当模压腔14内的玻璃坯料5的粘度达到106～108dPa·s时停止加热，常规方法保温；
二、预加压。启动伺服电机17，该伺服电机17提供的动力经过转换器9转换为可控动力后驱动隔热砖16，使隔热砖16通过下连接轴7带动下模具6朝上方运动，下模具6朝上运动期间，与下模具6对应的上模具4处于静止状态。当下模具6向上运动至玻璃坯料5并与上模具4压紧形成紧密接触时，通过降低伺服电机17的转速减慢下模具6的上行运动速度或关闭伺服电机17；
三、充模。当上述步骤二中下模具6运动至玻璃坯料5与上模具4压紧形成紧密接触的同时，启动超声波振动发生装置1，该超声波振动发生装置1通过夹具10和上连接轴2在弹簧11的弹力作用下带动上模具4实现超声波振动，亦使模压腔14内的玻璃坯料5随之振动。玻璃坯料5微粒在振力作用下活性增大、温度升高致软化、应力叠加、动态变形阻力降低、流动性与变形适应性提高，逐充斥填满布有凹槽的下模具6，实现设定型面模具的充分充模。在此期间，上述下模具6继续往上运动，直至下模具6与上模具4之间的间隙度上升到超声波振动幅度的5～10倍时，停止上述超声波振动发生装置1的工作以避免上模具4与下模具6之间发生撞击而受到损伤；
四、闭模与退火处理。上述玻璃坯料5经过步骤三实现设定型面的充分充模后，恢复上述伺服电机17的转速，使下模具6继续朝上方运动直至与上模具4闭合形成密闭的模压腔，以此再度实现对玻璃坯料5的模压，同时以常规方法保持上模具4和下模具6之间的持压力处于恒定状态。然后打开热气出口8排除热气，再打开惰性气体进口15，向下模具6内注入冷氮气，以此对闭合的上模具4和下模具6常规方法实施退火处理；
五、开模。待步骤四所得闭合的上模具4与下模具6内的玻璃坯料5的粘度达到1013～1015dPa·s，该玻璃坯料5形成成品，向下移动下模具6，从中取出成品。
本发明的有益效果是：超声波振动加工是利用频率产生器内部的振荡电路产生超声波频率信号，此振荡信号经换能器将电能转换为机械能，以产生超声波频率的机械振动。最终利用聚能器与放大器将机械振动的振幅放大，以增加工具加工端的振幅输出提升加工效率。同时，由于加工成形时材料温度升高、摩擦力降低、塑流应力降低及成形回弹量降低，实现了传统加工无法实现的成形界限。因此，使用本方法既能实现玻璃坯料对复杂型面模具的充模，又能有效防止困气的发生，并由此获得内部组织结构与强度均匀的高质量光学元件。
附图说明
图1为本发明的工艺流程参考图；
图2为超声波振动辅助精密模压成形装置一个具体实施例的结构示意图，图中标示为：1、超声波振动发生装置，2、上连接轴，3、遮光板，4、上模具，5、玻璃坯料，6、下模具，7、下连接轴，8、热气出口，9、转换器，10、夹具，11、弹簧，12、红外线灯，13、棱镜，14、模压腔，15、惰性气体进口，16、隔热砖，17、伺服电机。
具体实施方式：
实施例1：
一、参见附图1～2，本实施例使用的超声波振动辅助精密模压成形装置为中国湖南大学校办光学仪器厂制造的UAPM-1型超声波振动辅助超精密模压成形机。择一其重量与目标件重量相当的玻璃坯料5导入该指定超声波振动辅助精密模压成形装置的下模具6中，打开惰性气体进口15，向下模具6内注入氮气，以此驱赶包含下模具6与上模具4在内的模压腔14内的氧气。模压腔14内达到无氧环境后，打开红外线灯12，利用棱镜13的反射作用与遮光板3的局部遮挡作用，集中光源对下模具6和上模具4及玻璃坯料5实施红外线辐射加热。当模压腔14内的玻璃坯料5的粘度达到106dPa·s时停止加热，常规方法保温；
二、启动伺服电机17，该伺服电机17提供的动力经过转换器9转换为可控动力后驱动隔热砖16，使隔热砖16通过下连接轴7带动下模具6朝上方运动，下模具6朝上运动期间，与下模具6对应的上模具4处于静止状态。当下模具6向上运动至玻璃坯料5并与上模具4压紧形成紧密接触时，通过降低伺服电机17的转速减慢下模具6的上行运动速度；
三、当上述步骤二中下模具6运动至玻璃坯料5与上模具4压紧形成紧密接触的同时，启动超声波振动发生装置1，该超声波振动发生装置1通过夹具10和上连接轴2在弹簧11的弹力作用下带动上模具4实现超声波振动，亦使模压腔14内的玻璃坯料5随之振动。玻璃坯料5微粒在振力作用下活性增大、温度升高致软化、应力叠加、动态变形阻力降低、流动性与变形适应性提高，逐充斥填满布有凹槽的下模具6，实现设定型面模具的充分充模。在此期间，上述下模具6继续往上运动，直至下模具6与上模具4之间的间隙度上升到超声波振动幅度的5～10倍时，停止上述超声波振动发生装置1的工作以避免上模具4与下模具6之间发生撞击而受到损伤；
四、上述玻璃坯料5经过步骤三实现设定型面的充分充模后，恢复上述伺服电机17的转速，使下模具6继续朝上方运动直至与上模具4闭合形成密闭的模压腔，以此再度实现对玻璃坯料5的模压，同时以常规方法保持上模具4和下模具6之间的持压力处于恒定状态。然后打开热气出口8排除热气，再打开惰性气体进口15，向下模具6内注入冷氮气，以此对闭合的上模具4和下模具6常规方法实施退火处理；
五、待闭合的上模具4与下模具6内的玻璃坯料5的粘度达到1013dPa·s，该玻璃坯料5形成成品，向下移动下模具6，从中取出成品。
实施例2：
一、参见附图1～2，本实施例的超声波振动辅助精密模压成形装置亦采用中国湖南大学校办光学仪器厂制造的UAPM-1型超声波振动辅助超精密模压成形机。择一其重量与目标件重量相当的玻璃坯料5导入该指定超声波振动辅助精密模压成形装置的下模具6中，打开惰性气体进口15，向下模具6内注入氮气，以此驱赶包含下模具6与上模具4在内的模压腔14内的氧气。模压腔14内达到无氧环境后，打开红外线灯12，利用棱镜13的反射作用与遮光板3的局部遮挡作用，集中光源对下模具6和上模具4及玻璃坯料5实施红外线辐射加热。当模压腔14内的玻璃坯料5的粘度达到108dPa·s时停止加热，常规方法保温；
二、启动伺服电机17，该伺服电机17提供的动力经过转换器9转换为可控动力后驱动隔热砖16，使隔热砖16通过下连接轴7带动下模具6朝上方运动，下模具6朝上运动期间，与下模具6对应的上模具4处于静止状态。当下模具6向上运动至玻璃坯料5并与上模具4压紧形成紧密接触时，关闭伺服电机17，下模具6停止运动；
步骤三～四同实施例1；
五、待闭合的上模具4与下模具6内的玻璃坯料5的粘度达到1015dPa·s，该玻璃坯料5形成成品，向下移动下模具6，从中取出成品。

Claims (1)

1.一种超声波振动辅助精密模压成形的方法，该方法的具体步骤如下：
一、取一普通超声波振动辅助精密模压成形装置为模压加工成形装置，择一其重量与目标件重量相当的玻璃坯料(5)导入或预热后导入该装置的下模具(6)中，打开惰性气体进口(15)，注入氮气，以此驱赶包含下模具(6)与上模具(4)在内的模压腔(14)内的氧气，模压腔(14)内达到无氧环境后，打开红外线灯(12)，利用棱镜(13)的反射作用与遮光板(3)的局部遮挡作用，集中光源对模压腔(14)内的下模具(6)和上模具(4)及二者之间的玻璃坯料(5)实施红外线辐射加热。当模压腔(14)内的玻璃坯料(5)的粘度达到106～108dPa·s时停止加热，常规方法保温；
二、启动伺服电机(17)，该伺服电机(17)提供的动力经过转换器(9)转换为可控动力后驱动隔热砖(16)，使隔热砖(16)通过下连接轴(7)带动下模具(6)朝上方运动，下模具(6)朝上运动期间，与下模具(6)对应的上模具(4)处于静止状态，当下模具(6)向上运动至玻璃坯料(5)并与上模具(4)压紧形成紧密接触时，通过降低伺服电机(17)的转速减慢下模具(6)的上行运动速度或关闭伺服电机(17)；
三、下模具(6)运动至玻璃坯料(5)与上模具(4)压紧形成紧密接触的同时，启动超声波振动发生装置(1)，该超声波振动发生装置(1)通过夹具(10)和上连接轴(2)在弹簧(11)的弹力作用下带动上模具(4)实现超声波振动，亦使模压腔(14)内的玻璃坯料(5)随之振动，玻璃坯料(5)微粒在振力作用下活性增大、温度升高致软化、应力叠加、动态变形阻力降低、流动性与变形适应性提高，逐充斥填满布有凹槽的下模具(6)，实现设定型面模具的充分充模，在此期间，上述下模具(6)继续往上运动，直至下模具(6)与上模具(4)之间的间隙度上升到超声波振动幅度的5～10倍时，停止上述超声波振动发生装置1的工作；
四、恢复上述伺服电机(17)的转速，使下模具(6)继续朝上方运动直至与上模具(4)闭合形成密闭的模压腔，以此再度实现对玻璃坯料(5)的模压，同时以常规方法保持上模具(4)和下模具(6)之间的持压力处于恒定状态，然后打开热气出口(8)排除热气，再打开惰性气体进口(15)，向下模具(6)内注入冷氮气，以此对闭合的上模具(4)和下模具(6)常规方法实施退火处理；
五、待闭合的上模具(4)与下模具(6)内玻璃坯料(5)的粘度达到1013～1015dPa·s，该玻璃坯料(5)形成成品，移动下模具(6)，取出成品。
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