CN105036527A - 硫系玻璃模压模具及模压方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硫系玻璃模压模具及模压方法，属于光学零件模压技术领域。本发明是针对硫系玻璃材料热膨胀系数大，模压易崩边、碎裂等问题，通过合理的结构及参数设计提出的模压模具结构，设计简单合理，为零件模压过程产生的应力提供释放空间并降低了对模压预制件的加工精度要求，克服了上述缺陷，可高效、高质量加工硫系玻璃非球面。

Description

硫系玻璃模压模具及模压方法

技术领域

本发明涉及光学零件模压技术领域，具体涉及一种硫系玻璃模压模具及模压方法。

背景技术

红外成像系统是红外制导、探测等热像仪器的关键组件。昂贵的红外光学零件成为限制红外成像系统成本的重要因素。目前多数的红外光学零件是由晶体材料加工所得，这些材料价格昂贵、加工复杂。所以寻找一种性价比高且易于加工的替代材料成为必然的选择。硫系玻璃在红外波段有着高的透过率和较好的光学性能,能够替代前述部分材料。而且,由于其是非晶态的物质,可以采用模压的方法加工成任意的形状而备受红外业界的关注。

硫系玻璃是指以元素周期表中的第VIA元素为基础，并引入其它非金属或金属元素相互组合形成的一种非晶态(玻璃)材料。它在3～5μm和8～14μm两个红外系统常用的大气窗口有着良好的透射性，同时具有可模压成型、折射率温度系数小等特点，较为适合红外光学系统应用。可以在保证系统光学性能的同时实现低成本。在批量生产的低成本民用红外光学系统中，硫系玻璃是提供系统指标实现优良光学性能和降低成本的最佳选择。

精密模压技术是一种高精度、高效率的光学零件成型技术，光学预制件在一定的温度、压力和真空条件下，一次性模压成型出所需的面形精度。利用此项技术可以容易地加工出球面、非球面、衍射面等一些复杂外形的光学镜片。与传统工艺相比，精密模压技术能大幅度降低生产所需成本，并实现批量生产。

然而，相比目前成熟的可见光玻璃模压，红外硫系玻璃模压成型尚属新兴技术。硫系玻璃有一个不足之处：热力学性能不稳定，限制了其在模压成型的应用。由于模压加工过程中模具与预制件需加热至玻璃软化温度点，再进行压制成型。硫系玻璃热膨胀系数远大于模压模具材料，光学零件在封闭模具中难以完全释放应力，在压制过程中容易产生崩边、碎裂现象。因此，成型质量难以满足技术要求，硫系玻璃光学零件模压。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种硫系玻璃模压模具及相应的模压方法，不出现碎边问题，且降低加工精度要求。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硫系玻璃模压模具，所述模具为组合式结构，包括上模仁1、下模仁2以及套筒3，所述上模仁1和下模仁2位于套筒3内，且上模仁1的下端面与下模仁2的上端面为非球面面形，二者之间围成的模腔用于容纳被模压对象硫系玻璃，所述上模仁1、下模仁2分别包括面形压制区101、环槽区102、端面定位区103和径向定位区104，四个区域由中心向外依次设置，所述环槽区102位于在硫系玻璃外圆区域之外，用于硫系玻璃在模压填充过程中释放多余材料。

优选地，所述环槽区102的上沿端面为模仁轴向定位面，用于控制硫系玻璃的中心厚度，所述上模仁1和下模仁2的外圆柱面为径向定位区，与套筒3内圆柱面的轴线重合。

优选地，所述套筒3沿轴向中心处圆周方向均布有若干排气孔4，用于排除模压过程中上、下模仁与套筒3之间形成的封闭空间内的气体。

优选地，所述磨具设计过程中，通过以下方式设计而成：首先根据硫系玻璃的非球面面形、中心厚度和口径设计相对应的面形压制区101，在面形压制区101外设计台阶状结构，在模仁加工过程中台阶状结构即形成环槽区102，然后根据上、下模仁外径和高度设计相应套筒3内、外径、高度以及排气孔4位置。

优选地，所述上、下模仁之间形成的模腔尺寸，上、下模仁的径向尺寸通过如下方式设计：

若硫系玻璃为双面非球面，根据其中心厚度h和口径D计算硫系玻璃的体积；

其次，根据硫系玻璃热膨胀系数α₁与模仁材料热膨胀系数α₂计算模仁的径向尺寸和轴向尺寸：

模仁与硫系玻璃在模压加工过程中的径向间隙量：

C_径向＝T·D·(α₁-α₂)；

式中，T为模压温度；

则模仁径向尺寸即模仁凹面口径为D_模仁＝D+C_径向；

模仁与零件在模压加工过程中的轴向间隙量：

C_轴向＝T·h·(α₁-α₂)；

则模仁轴向尺寸即上下模仁之间形成的模腔的尺寸为h_模腔＝h+C_轴向；

按照与硫系玻璃的非球面呈完全相反的面形来设计得到对应模仁的初始面形，使用此初始面形的模仁对硫系玻璃试件加工，在模压退火过程中，测量变形后的硫系玻璃面形，得到面形误差曲线即硫系玻璃径向各点的实际偏离量，再将此实际偏离量补偿至模仁中，反馈修整模仁面形，并重新模压试件，直至硫系玻璃面形误差满足要求。

优选地，环槽区102的尺寸设计方式如下：根据上下模仁非球面表达式Z1ˊ、Z2ˊ计算得到上模仁矢高h2，下模仁矢高h1，环槽区102槽深h′＝h_模腔-h1-h2，槽宽d，环槽内空间体积：V_槽＝π·(D_模仁/2+d)²·h′-π·(D_模仁/2)²·h′。

优选地，所述模具的材料为磨具钢、硬质合金碳化钨或高温陶瓷材料。

本发明还提供了一种利用所述的模具对硫系玻璃进行模压的方法，包括以下步骤：

S1、将作为上、下模仁外圆柱面的径向定位区104与套筒3的内圆柱面精密配合，以限制上、下模仁径向移动；

S2、将硫系玻璃置于上、下模仁之间，经过升温使硫系玻璃软化后保温后，在模压机作用下，上、下模仁沿轴向移动，相互靠近直至上、下模仁端面定位区103接触，在此过程中，硫系玻璃逐渐填充满整个面形压制区101，上、下模仁的非球面面形压制至硫系玻璃上，而硫系玻璃的多余材料沿径向扩充至环槽区102；

S3、硫系玻璃经退火、冷却，完成硫系玻璃模压加工过程。

(三)有益效果

本发明是针对硫系玻璃材料热膨胀系数大，模压易崩边、碎裂等问题，通过合理的结构及参数设计提出的模压模具结构及相应的模压方法，设计简单合理，为零件模压过程产生的应力提供释放空间并降低了对模压预制件的加工精度要求，克服了上述缺陷，可高效、高质量加工硫系玻璃非球面。

附图说明

图1是模压模具组合图；

图2是模仁结构示意图；

图3是套筒结构示意图；

图4是零件与模具压制前剖视图；

图5是零件与模具压制后爆炸视图；

图6是模压工艺过程及模具设计具体过程；

图7是硫系玻璃模压零件示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1～图5所示，本发明提供了一种硫系玻璃模压模具，所述模具为组合式结构，包括上模仁1、下模仁2以及套筒3，所述上模仁1和下模仁2位于套筒3内，且上模仁1的下端面与下模仁2的上端面为非球面面形，二者之间围成的模腔用于容纳被模压对象硫系玻璃，所述上模仁1、下模仁2分别包括面形压制区101、环槽区102、端面定位区103和径向定位区104，四个区域由中心向外依次设置，所述环槽区102位于用于硫系玻璃在模压填充过程中释放多余材料，在硫系玻璃外圆区域之外，不影响零件光学质量，零件模压加工后采用定心磨边去除多余材料。

所述环槽区102的上沿端面为模仁轴向定位面，用于控制硫系玻璃的中心厚度，所述上模仁1和下模仁2的外圆柱面为径向定位区，与套筒3内圆柱面的轴线重合，避免被压制零件产生径向偏移，保证零件中心偏。

所述套筒3沿轴向中心处圆周方向均布有若干排气孔4，用于排除模压过程中上、下模仁与套筒3之间形成的封闭空间内的气体，详见图3。

如图6所示，为一种红外硫系玻璃非球面光学零件模压工艺过程及模具设计具体过程。工艺过程包括：零件图纸输入、模具设计、模具加工、试件模压成型、测量、结束；其中模具设计为核心过程，具体步骤包括：零件体积计算、材料热膨胀计算、模仁径向尺寸设计、模腔轴向尺寸设计、模仁面形设计、模仁环槽尺寸设计、套筒设计。

所述磨具设计过程中，通过以下方式设计而成：首先根据硫系玻璃的非球面面形、中心厚度和口径设计相对应的面形压制区101，在面形压制区101外设计台阶状结构，在模仁加工过程中台阶状结构即形成环槽区102，然后根据上、下模仁外径和高度设计相应套筒3内、外径、高度以及排气孔4位置。

如图7所示，为一种IG6红外硫系玻璃双凸非球面零件设计图，中心厚度h：2.87±0.02mm，口径D：Φ10.8±0.005mm，双面非球面，遵循非球面公式：

$Z=\frac{x^2/R0}{1+\sqrt{1-(1+K)\·x^2/R0}}+A4\·x^4+A6\·x^6+A8\·x^8+A10\·x^{10};$

第一面非球面Z1，顶点曲率半径R0：-9.2444mm，二次曲线系数K：-3.0768，高次项系数A4：-2.843E-4、A6：1.7955E-6、A8：-1.0003E-7、A10：8.956E-10；第二面非球面Z2，顶点曲率半径R0：-17.3757mm，二次曲线系数K：-15.0817，高次项系数A4：-1.5325E-5、A6：6.6228E-6、A8：-3.6114E-8。

所述上、下模仁之间形成的模腔尺寸，上、下模仁的径向尺寸通过如下方式设计：

若硫系玻璃为双凸非球面，根据其中心厚度h和口径D计算硫系玻璃的体积V_零件：对非球面表达式进行积分与零件圆柱体积之和，按下式计算得该零件体积为160.4435mm³，将中心厚度公差考虑在内，体积范围为158.6113mm³～162.2757mm³：

其中h_边厚为零件的边厚，本实施例中取值0.716mm。

其次，根据硫系玻璃热膨胀系数α₁与模仁材料热膨胀系数α₂计算模仁的径向尺寸和轴向尺寸：

零件材料：IG6(As40Se60)，热膨胀系数α₁：20.4E-6/℃；模仁材料：碳化钨WC，热膨胀系数α₂：4.4E-6/℃。模仁与零件在模压加工过程中径向间隙量：

C_径向＝T·D·(α₁-α₂)；

式中，T为模压温度，通常为硫系玻璃转变温度附近。此例中设T＝190℃，D＝10.8mm，因此C_径向＝0.033mm；模仁径向尺寸即模仁凹面口径为D_模仁＝D+C_径向＝10.833mm；

模仁与零件在模压加工过程中轴向间隙量：

C_轴向＝T·h·(α₁-α₂)；

式中，T为模压温度，通常为硫系玻璃转变温度附近。此例中设T＝190℃，h＝2.87mm，因此C_轴向＝0.009mm；模仁轴向尺寸即上下模仁之间形成的模腔的尺寸为h_模腔＝h+C_轴向≈2.88mm；

按照与硫系玻璃的非球面呈完全相反的面形来设计得到对应模仁的初始面形，顶点曲率半径、高次项系数符号亦相反，上模仁非球面Z2'，顶点曲率半径R0'：17.3757mm，二次曲线系数K'：-15.0817，高次项系数A4'：1.5325E-5、A6'：-6.6228E-6、A8'：3.6114E-8；下模仁非球面Z1'，顶点曲率半径R0”：9.2444mm，二次曲线系数K”：-3.0768，高次项系数A4”：2.843E-4、A6”：-1.7955E-6、A8”：1.0003E-7、A10”：-8.956E-10。使用此初始面形的模仁对硫系玻璃试件加工，在模压退火过程中，零件曲面上各点收缩程度不同，导致零件实际面形同设计面形会有差异。在这种情况下，测量变形后的硫系玻璃面形，得到面形误差曲线即硫系玻璃径向各点的实际偏离量，再将此实际偏离量补偿至模仁中，反馈修整模仁面形，并重新模压试件，直至硫系玻璃面形误差满足要求。

模仁环槽尺寸设计，根据零件设计图纸中心厚公差要求，计算可知预置件体积需满足158.6113mm³～162.2757mm³，这对预置件加工精度提出了较高的要求，且光学零件在封闭模具压制过程中容易产生崩边、碎裂现象。因此，提出环槽结构设计，环槽空间可用于硫系玻璃在模压填充过程中释放多余材料。模仁环槽结构上沿为模仁轴向定位面，下沿与模仁面形压制区外缘高度齐平，根据上下模仁非球面表达式Z1'、Z2'计算可知上模仁矢高h2＝0.538mm，下模仁矢高h1＝1.628mm，环槽区102槽深h′＝h_模腔-h1-h2＝0.714mm，槽宽d＝0.5mm。环槽区102内空间体积：

V_槽＝V_外圆柱-V_内圆柱＝π·(D_模仁/2+d)²·h′-π·(D_模仁/2)²·h′＝12.7105mm³

由此可知，上下模仁压合后形成的模腔空间总体积为174.4694mm³，模压预制件体积只需达到158.6113mm³～174.4694mm³范围内即可满足模压要求，预制件多余材料在模压过程中将填充至环槽空间中，很大程度上降低了对预制件加工精度的要求。

所述模具的材料为磨具钢、硬质合金碳化钨或高温陶瓷材料。

本发明还提供了一种利用所述的模具对硫系玻璃进行模压的方法，包括以下步骤：

S1、将作为上、下模仁外圆柱面的径向定位区104与套筒3的内圆柱面精密配合，以限制上、下模仁径向移动；

S2、硫系玻璃预制件置于上、下模仁之间，详见图4，经过升温使硫系玻璃软化后保温后，在模压机作用下，上、下模仁沿轴向移动，相互靠近直至上、下模仁端面定位区103接触，在此过程中，硫系玻璃逐渐填充满整个面形压制区101，上、下模仁的非球面面形压制至硫系玻璃上，而硫系玻璃的多余材料沿径向扩充至环槽区102；

S3、硫系玻璃经退火、冷却，完成硫系玻璃模压加工过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种硫系玻璃模压模具，其特征在于，所述模具为组合式结构，包括上模仁(1)、下模仁(2)以及套筒(3)，所述上模仁(1)和下模仁(2)位于套筒(3)内，且上模仁(1)的下端面与下模仁(2)的上端面为非球面面形，二者之间围成的模腔用于容纳被模压对象硫系玻璃，所述上模仁(1)、下模仁(2)分别包括面形压制区(101)、环槽区(102)、端面定位区(103)和径向定位区(104)，四个区域由中心向外依次设置，所述环槽区(102)位于在硫系玻璃外圆区域之外，用于硫系玻璃在模压填充过程中释放多余材料。

2.如权利要求1所述的硫系玻璃模压模具，其特征在于，所述环槽区(102)的上沿端面为模仁轴向定位面，用于控制硫系玻璃的中心厚度，所述上模仁(1)和下模仁(2)的外圆柱面为径向定位区，与套筒(3)内圆柱面的轴线重合。

3.如权利要求1所述的硫系玻璃模压模具，其特征在于，所述套筒(3)沿轴向中心处圆周方向均布有若干排气孔(4)，用于排除模压过程中上、下模仁与套筒(3)之间形成的封闭空间内的气体。

4.如权利要求3所述的硫系玻璃模压模具，其特征在于，所述磨具设计过程中，通过以下方式设计而成：首先根据硫系玻璃的非球面面形、中心厚度和口径设计相对应的面形压制区(101)，在面形压制区(101)外设计台阶状结构，在模仁加工过程中台阶状结构即形成环槽区(102)，然后根据上、下模仁外径和高度设计相应套筒(3)内、外径、高度以及排气孔(4)位置。

5.如权利要求1所述的硫系玻璃模压模具，其特征在于，所述上、下模仁之间形成的模腔尺寸，上、下模仁的径向尺寸通过如下方式设计：

若硫系玻璃为双面非球面，根据其中心厚度h和口径D计算硫系玻璃的体积；

其次，根据硫系玻璃热膨胀系数α₁与模仁材料热膨胀系数α₂计算模仁的径向尺寸和轴向尺寸：

模仁与硫系玻璃在模压加工过程中的径向间隙量：

C_径向＝T·D·(α₁-α₂)；

式中，T为模压温度；

则模仁径向尺寸即模仁凹面口径为D_模仁＝D+C_径向；

模仁与零件在模压加工过程中的轴向间隙量：

C_轴向＝T·h·(α₁-α₂)；

则模仁轴向尺寸即上下模仁之间形成的模腔的尺寸为h_模腔＝h+C_轴向；

按照与硫系玻璃的非球面呈完全相反的面形来设计得到对应模仁的初始面形，使用此初始面形的模仁对硫系玻璃试件加工，在模压退火过程中，测量变形后的硫系玻璃面形，得到面形误差曲线即硫系玻璃径向各点的实际偏离量，再将此实际偏离量补偿至模仁中，反馈修整模仁面形，并重新模压试件，直至硫系玻璃面形误差满足要求。

6.如权利要求5所述的硫系玻璃模压模具，其特征在于，所述环槽区(102)的尺寸设计方式如下：根据上、下模仁非球面表达式Z1ˊ、Z2ˊ计算得到上模仁矢高h2，下模仁矢高h1，环槽区(102)槽深h′＝h_模腔-h1-h2，槽宽d，环槽区102内空间体积：V_槽＝π·(D_模仁/2+d)²·h′-π·(D_模仁/2)²·h′。

7.如权利要求1～6中任一项所述的硫系玻璃模压模具，其特征在于，所述模具的材料为磨具钢、硬质合金碳化钨或高温陶瓷材料。

8.一种利用权利要求1～7中任一项所述的模具对硫系玻璃进行模压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将作为上、下模仁外圆柱面的径向定位区(104)与套筒(3)的内圆柱面精密配合，以限制上、下模仁径向移动；

S2、将硫系玻璃置于上、下模仁之间，经过升温使硫系玻璃软化后保温后，在模压机作用下，上、下模仁沿轴向移动，相互靠近直至上、下模仁端面定位区(103)接触，在此过程中，硫系玻璃逐渐填充满整个面形压制区(101)，上、下模仁的非球面面形压制至硫系玻璃上，而硫系玻璃的多余材料沿径向扩充至环槽区(102)；

S3、硫系玻璃经退火、冷却，完成硫系玻璃模压加工过程。