CN105366918A - 基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法及其专用成形装置 - Google Patents

基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法及其专用成形装置 Download PDF

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Abstract

一种基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法及其专用成形装置,它主要可解决现有模压成形技术充填率不高和不一致等技术问题。其技术方案的要点是:它在加热板和玻璃预形体之间引入导热性能较好的锡液介质,并通过锡液介质将活塞的压力传递给玻璃预形体表面,从而推动熔融状态玻璃均匀充填锡液容器一个端口上安装的成形面设置为微结构形状的模具;锡液容器另一个端口活塞上方安装有超声振动辅助系统,可对活塞施加一定频率和振幅可控的辅助振动,锡液介质将活塞的超声振动传递给玻璃预形体,提高熔融状态玻璃的充填率,从而实现微结构薄玻璃元件的高精密模压成形。

Description

基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法及其专用成形装置
技术领域
本发明属于微结构薄玻璃元件模压成形技术领域,尤其涉及一种采用超声振动辅助模压、高温锡液辅助加热、高压液体辅助模压成形的方法及生产设备。
背景技术
使用模压成形方法来制造玻璃元件是一种先进制造技术,应用该技术可提高生产率,并实现批量生产的市场要求。玻璃模压成形属于热成型技术,即采用高精度模具在高温无氧条件下将玻璃预形体压制变形,直接复制模芯形状的一种高效加工方法。玻璃在模压成形过程中玻璃预形体的充填率、玻璃内部的温度和应力分布直接影响到透镜的成形质量。现有的微结构玻璃元件模压成形技术,一般是采用模具直接压制熔融状态的玻璃完成充填,冷却固化后脱模得到透镜。如日本东京都HOYA株式会社的春日善子、立和名一雄、柳田裕昭发明的并于2002年10月15日申请中国专利的“光学玻璃、模压成形用玻璃材料、光学元件及其制造方法”(专利申请号:200610111058.9,公开(公告)号:CN1931755A,公开(公告)日:2007.03.21),它是通过采用成形用玻璃材料加热、软化并且模压成形的玻璃模压成形品的制造方法,包含使玻璃原材料软化的工序、使所得到的熔融玻璃成形的工序、以及对已成形的玻璃进行退火的工序;或采用超声辅助方法来提高充填率。如湖南大学的尹韶辉、朱科军等发明并于2011年1月19日申请中国专利“超声波振动辅助精密模压成形的方法”(专利申请号:201110021412X,公开(公告)号:CN102173563A,公开(公告)日:2011.09.07),它是在玻璃预形体充填过程中,通过直接给上模具(或下模具)施加一定方向、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。
然而采用包括上述工艺等方法制作微结构薄玻璃元件时,目前广泛使用的模压成形方式一般为下模具(或上模具)的单一直线运动,由模具直接压制玻璃预形体变形而完成充填过程,玻璃预形体在模压成形过程中难以充满带有微结构成形腔的模具,存在充填率低、充填率不一致的问题。虽然通过超声辅助方法可以提高其充填率,但由于模具直接作用于玻璃预形体,导致玻璃元件的应力集中而分布不均,尤其在模压薄玻璃元件时,在退火过程中成品表面容易出现微裂纹,甚至产生破裂的现象。此外,较大的残余应力导致成形产品久置后易变形,也会影响其光学性能。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷,本发明提供一种充填率高、各微结构充填率更均匀且易于控制的基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法。
为了解决上述技术问题并实现本发明目的,本发明采用如下技术方案:首先准备一个带加热装置的锡液容器,由加热装置将锡液容器内的锡熔化,然后通过将玻璃预形体放置于高温锡液表面,当玻璃预形体与高温锡液接触并被加热至模压温度后,通过动力装置给锡液容器内的锡液以压力,通过超声振动装置给锡液以超声振动,锡液将此压力或超声振动传递给已处于熔融状态的玻璃预形体表面,从而推动熔融玻璃均匀充填锡液容器一个端口上安装的成形表面设置为微结构的模具,通过锡液传力使每一个微结构都具有相同压力而形成更均匀的微结构薄玻璃元件;锡液容器另一个端口活塞上方安装有超声振动装置,启动超声振动装置可带动活塞振动,从而通过锡液给熔融状态的玻璃预形体施加一定频率和振幅可控的振动,从而推动熔融玻璃更好的充填满微结构成形腔内的微结构,充填完后再通过进行保压处理,从而复制出模具成形表面设置的微结构形状,常规退火及冷却处理,待成形薄玻璃元件冷却凝固后,再开模取出制品即告完成所有工序。
本发明的工艺过程包括加热、合模、基于锡液介质超声振动辅助模压、保压及退火、冷却和取出成形制品五个工序。
本发明在加热工序中,在锡液容器中充入氮气,以防止空气中的氧气氧化锡液;待锡液容器内达到无氧环境后,打开锡液容器的加热装置并对锡液容器进行加热,使金属锡达到熔点后在锡液容器内熔化成液态。
本发明的在合模工序中,将玻璃预形体放置处于熔化状态的锡液表面,由于玻璃的密度小于锡液,在浮力作用下将玻璃预形体放置处于锡液表面,当玻璃预形体与高温锡液接触并被加热后,通过动力装置给锡液容器的锡液以压力,挤压锡液容器内的锡液至锡液容器安装模具的端口,排除玻璃预形体与锡液之间的空气,并保证熔融状态下的玻璃预形体能铺满整个锡液面形成封闭面;随后将模具微结构成形腔开口向下并压紧于锡液容器端口的锡液上方的玻璃预形体;加热装置持续加热,当微结构成形腔内玻璃预形体的粘度达到106~108dPa·s时,停止加热,并以常规方法保温。
本发明的在基于锡液介质超声振动辅助模压工序中,当玻璃预形体被均匀加热至模压温度后,所述模压温度为使玻璃的粘度值在106~108dPa·s范围内,启动动力装置给锡液容器的锡液以压力,挤压锡液容器内的锡液以增加锡液的内部压力,同时启动超声振动装置,锡液将此压力和超声振动传递给已处于熔融状态的玻璃预形体,从而推动熔融状态玻璃充填锡液容器一个端口上安装的模具上设置的微结构成形腔,通过锡液辅助使每一个微结构成形腔都具有相同压力和超声振动而形成微结构薄玻璃元件,从而复制模具表面的微结构形状;整个过程中微结构成形腔表面各个微结构都受到相等大小的向上压力。或者先启动动力装置给锡液容器的锡液以压力,当预形体对微结构成形腔充填到一定程度后,再启动与活塞连接的超声振动装置,通过锡液给熔融状态的玻璃预形体施加一定频率和振幅可控的振动,直至熔融玻璃完全充填满微结构成形腔。通过启动超声振动装置,从而提高其充填率。
本发明的在保压及退火工序中,待玻璃充分充模后,关闭超声振动装置,以保持较小保持压力处于恒定状态,以免退火时玻璃因结构松弛和降温收缩而产生变形,关闭加热装置,通过自然散热,缓慢降低锡液容器内锡液、玻璃以及模具的温度;当微结构成形腔内玻璃的粘度由106~108dPa·s变为1013dPa·s时,完成退火。
本发明的在冷却和取出成品工序中,待模具内玻璃的粘度达到1013dPa·s时,该玻璃形成成品,撤掉作用于锡液容器内的压力,待微结构成品冷却至室温后,将模具从锡液容器端口取下,从其中取出微结构成品;此时,锡液容器内的锡保留在U型槽内,在下一模压成形加热阶段又变成液体,可循环反复利用。
本发明的另一个的目是提供一种能通过基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法来使微结构成形腔表面各个微结构在充填过程中充填率更高且充填更均匀,可用于微结构薄玻璃元件的基于锡液介质超声振动辅助模压成形的装置。它包括模具1、锡液容器、液压装置和超声振动装置以及动力装置;锡液容器一端为敞口,另一端成密封配合安装有液压装置,且在锡液容器上设置有加热装置7;模具1为盖形结构,锡液容器内盛装锡液6,并在模具1与锡液容器敞口之间放置玻璃预形体4;模具1成密封配合套装在锡液容器一端的敞口上,且在模具1对应锡液容器敞口一侧设置表面为微结构成形腔2。所述超声振动装置包括变幅杆9、连杆11、换能器10、滑块和导轨12,伺服电机14经转换器13与滑块和导轨12相连接,滑块和导轨12经连杆11、换能器10、变幅杆9与液压活塞8相连接。
本发明的锡液容器包括U型槽、直通孔、或L形通槽结构。
本发明的超声振动装置包括变幅杆9以及通过连杆11连接的换能器10与滑块和导轨12。
本发明的液压装置可采用包括活塞机构、或其它可改变锡液容器容积的机构。
本发明的优选实施方式是:锡液容器一端配合安装液压活塞8、且经转换器13连接伺服电机14。
本发明的锡液容器内盛装锡液6,并在模具1与锡液容器敞口之间放置玻璃预形体4,玻璃预形体4位于锡液6的液面之上。加热装置7使锡液6溶化形成锡液,并将与之接触的玻璃预形体4均匀加热至模压温度,通过液压活塞8挤压锡液6,锡液6将此压力等值传递给已处于熔融状态的玻璃预形体4,并推动熔融玻璃充填微结构成形腔2,待熔融状态的玻璃预形体4即将充满微结构2时,启动超声振动装置,将一定频率与振幅可控的振动通过锡液6施加到玻璃预形体4上,使其充分充模,待保压处理后,复制出模具1下表面设置的微结构成形腔2表面的微结构形状,待成形薄玻璃元件退火、冷却凝固后,再开模取出制品。
本发明的在模具1上与锡液容器的敞口端相配合安装处设置有密封垫3,为其增强密封效果。
本发明的有益效果是:基于锡液的良好压力传递性能,通过锡液辅助可使模具表面的各个微结构都具有相同压力而形成更均匀的微结构;引入超声振动,利用超声振动的作用改善玻璃在复杂微结构上的流动性和均匀性,提高玻璃、模具的贴合度,增强填充性能。通过专用的基于锡液介质超声振动辅助模压成形的装置,通过液压活塞挤压锡液,锡液将此压力等值传递给已处于熔融状态的玻璃预形体,并推动熔融玻璃均匀充填微结构,改善各个微结构充填率不一致的问题:通过对活塞施加一定频率和振幅可控的超声振动,锡液将此超声振动传递给预形体表面,提高复杂微结构模具的充填性能,从而提高成形精度,它可广泛用于微结构薄玻璃元件成形工艺领域。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图;
图2是本发明的结构示意图;
图3是在工艺流程中处于合模状态的结构示意图;
图4是在工艺流程中处于基于锡液介质超声振动辅助模压、保压及退火状态的结构示意图;
图5是本发明的微结构成形腔为通孔的模具俯视图;
图6是本发明用于制造菲涅尔透镜的模具主视图。
图1中标示为:1-模具、2-微结构成形腔、3-密封垫、4-玻璃预形体、5-U型槽、6-锡液、7-加热装置、8-液压活塞、9-变幅杆、10-换能器、11-连杆、12-滑块与导轨、13-转换器、14-伺服电机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1:本发明的实施工艺过程包括加热、合模、基于锡液介质超声振动辅助模压、保压及退火、冷却和取出成形制品等工序,参考图1至图6。其具体步骤如下所示:
步骤一、加热。使用如图2所示的微结构薄玻璃元件基于锡液介质超声振动辅助模压成形的装置,将足够的金属锡装入两端开口直径相近的U型槽内,导入氮气,用以驱赶U型槽内的氧气,U型槽左端露出的锡液需要无氧环境,以免锡液氧化。并且整个模压成形过程都处于无氧条件下,在充满氮气的环境下,防止空气中的氧气氧化模具,同时氮气兼具有调控加热、冷却速率的作用。待U型槽内达到无氧环境后,打开U型槽底部的加热装置并将U型槽加热至232℃(锡的熔点为231.89℃),金属锡达到熔点在U型槽内熔化成液态。
步骤二、合模。开动伺服电机,通过转换器驱动U型槽液压活塞向下运动,挤压右端U型槽内的锡液至U型槽左端,抬高左端锡液的液面至靠近U型槽左端的端口,将合适体积大小的玻璃预形体放置于U型槽左端左侧,推动玻璃板从左至右运动,排除玻璃与锡液之间的空气,并保证熔融状态下的玻璃预形体能铺满整个锡液面形成封闭面。模具的边缘开一个浅口环形凹槽,凹槽内圈直径与U型槽左端口的内圈直径成装配尺寸,凹槽里填充二分之一凹槽体积的碳硼烷——有机硅聚合物(最高耐热温度达到800℃的非干性粘弹型密封粘胶剂,具有良好的热稳定性),随后将模具微结构成形腔开口向下并压紧于U型槽左端的端口,模具凹槽与U型槽上端口通过添加的密封材料紧密贴合,模具微结构成形腔与U型槽左端内腔形成密闭腔。U型槽底部的加热装置持续加热,此时玻璃预形体浮于锡液表面,由于锡液的导热性能良好,与之完全接触的玻璃预形体受热均匀。当微结构成形腔内玻璃预形体的粘度达到106~108dPa·s时,停止加热,并以常规方法保温。
步骤三、基于锡液介质的超声振动辅助模压。当玻璃预形体被均匀加热至模压温度后,启动动力装置给锡液容器的锡液以压力,挤压锡液容器内的锡液以增加锡液的内部压力,同时启动超声振动装置,锡液将此压力和超声振动传递给已处于熔融状态的玻璃预形体,从而推动熔融状态玻璃充填锡液容器一个端口上安装的模具,模具成形面上设置有微结构成形腔,通过锡液辅助可使每一个微结构成形腔都具有相同压力而形成高精度微结构薄玻璃元件,从而复制模具表面的微结构形状;整个过程中微结构成形腔表面各个微结构都受到相等大小的向上压力。或者在基于锡液介质超声振动辅助模压中,先启动动力装置给锡液容器的锡液以压力,当预形体对微结构充填到一定程度后,再启动与活塞连接的超声振动装置,通过锡液给熔融状态的玻璃预形体施加一定频率和振幅可控的振动,直至熔融玻璃完全充填满微结构成形腔表面的微结构。通过超声振动装置提供的一定频率的振动,可提高熔融状态的玻璃预形体与模具的贴合度,增强其填充性能,减少闭气现象;并且锡液辅助可使每一个微结构都具有相同压力而形成高精度微结构薄玻璃元件,从而能更好复制模具表面的微结构形状。
步骤四、保压及退火。待玻璃充分充模后,关闭超声振动装置,同时以常规方法保持液压活塞所提供的较小保持压力处于恒定状态,保持一段时间,以免退火时玻璃因结构松弛和降温收缩而产生变形。关闭U型槽底部加热装置,通过U型槽的自然散热,缓慢降低U型槽内锡液、玻璃以及模具的温度。当微结构成形腔内玻璃的粘度由106~108dPa·s变为1013dPa·s时,完成退火。
步骤五、冷却和取出成品。待步骤四所得模具内玻璃的粘度达到1013dPa·s时,该玻璃形成成品,撤掉作用在模具上的压力,待微结构玻璃产品冷却至室温后,将模具从U型槽左端口取下,从中取出微结构成品。此时,U型槽内的锡液低于熔点变成固态的金属锡,保留在U型槽内,在下一模压成形加热阶段又变成液体,可循环反复利用。
实施例2:参考图1至图6。以使用如图2所示的成形装置生产微柱状阵列透镜为例,详细说明本发明的工艺过程:
步骤一、使用如图2所示的微结构薄玻璃元件基于锡液介质超声振动辅助模压成形的装置,将足够的熔点为231.89℃的金属锡装入两端开口直径相近的U型槽5内,U型槽5材料为不锈钢。导入氮气,用以驱赶U型槽5内的氧气,U型槽5左端露出的锡液6需要无氧环境,以免锡液6氧化。并且整个模压过程都需要无氧状态,在充满氮气的环境下,防止空气中的氧气氧化模具1,同时氮气兼具有调控加热、冷却速率的作用。待U型槽5内达到无氧环境后,打开U型槽5底部的加热装置7并将U型槽5进行加热至232℃,金属锡达到熔点在U型槽内熔化成液态的锡液6。
步骤二、开动伺服电机14,通过转换器13驱动U型槽5液压活塞8向下运动,挤压右端U型槽5内的锡液6至U型槽5左端,抬高左端锡液6的液面至靠近U型槽5左端的端口,将合适体积大小的玻璃预形体4(如15mm厚度的圆形平板玻璃)放置于U型槽5左端左侧,玻璃预形体4材料可为D-ZK2、D-ZK3等低熔点玻璃,推动玻璃预形体4从左至右运动,排除玻璃预形体4与锡液6之间的空气,并保证熔融状态下的玻璃能铺满整个锡液面形成封闭面。准备一材料为碳化钨的如图3所示微结构成形腔2为通孔结构的微结构阵列模具1,模具1边缘开一个浅口环形凹槽,凹槽内圈直径与U型槽5左端口的内圈直径成装配尺寸,凹槽里填充二分之一凹槽体积的碳硼烷——有机硅聚合物(最高耐热温度达到800℃的非干性粘弹型密封粘胶剂,具有良好的热稳定性)形成密封垫3。随后将模具微结构2开口向下并压紧于U型槽5左端的端口,模具1凹槽与U型槽5上端口通过添加的密封垫3紧密贴合,微结构成形腔2与U型槽5左端内腔形成密闭腔。U型槽底部的加热装置7持续加热,此时玻璃预形体4浮于锡液6表面,由于锡液6的导热性能良好,玻璃预形体4受热均匀。当微结构2内的熔融玻璃的粘度达到106~108dPa·s时,停止加热,并以常规方法保温。
步骤三、启动伺服电机14,伺服电机14通过转换器13带动U型槽5右端的活塞8,使活塞8向下运动,通过活塞8的运动挤压U型槽5内的锡液6增加锡液6的内部压力,使U型槽5左端内锡液6受到向上的压力继而作用在玻璃预形体4上,锡液6将此压力等值均匀传递给已处于熔融状态的玻璃预形体4的表面,推动玻璃预形体4充填微结构成形腔2,待熔融状态的玻璃玻璃预形体4充填微结构成形腔2到一定程度后,启动超声振动装置,换能器10将电信号转变为高频的机械振动。变幅杆9用于将换能器10所产生的水平超声振动放大。通过位移传感器将模具的位移信息反馈给滑块和导轨12,保证液压活塞8的运动精度,从而控制模压精度,一定频率的振动通过锡液6传递到微结构成形腔2内的熔融状态的玻璃预形体4上,使其随之振动,玻璃预形体4在振动作用下玻璃流动性增强、应力叠加、动态变形阻力降低、流动性与变形适应性提高,直至完全充斥填满模具成形腔2,从而复制模具1表面的微结构形状。整个过程中熔融玻璃浮在锡液6表面并且受到均匀的向上的力。
步骤四、待熔融玻璃充分充模后,关闭超声振动装置,同时以常规方法保持活塞8所提供的较小保持压力处于恒定状态,保持一段时间,以免退火时玻璃因结构松弛和降温收缩而产生变形。关闭U型槽5底部加热装置7,通过U型槽5的自然散热,缓慢降低U型槽5内锡液6、玻璃以及模具1的温度。当微结构2内玻璃的粘度由106~108dPa·s变为1013dPa·s时,完成退火。
步骤五、待步骤四所得模具1内玻璃的粘度达到1013dPa·s时,该玻璃形成成品,撤掉作用在模具1上的压力,待玻璃产品冷却后,将模具1从U型槽5左端口取下,从中取出微结构成品。此时,U型槽5内的锡液6低于熔点变成固态的金属锡,保留在U型槽5内。U型槽5内的金属锡,在下一模压成形加热阶段又变成锡液6,可循环反复利用。
实施例3:参考图1至图6。以使用如图2所示的成形装置制造菲涅尔透镜为例,详细描述本发明的工艺方法。
步骤一、使用如图2所示的微结构薄玻璃元件基于锡液介质超声振动辅助模压成形的装置,将足够的熔点为231.89℃的金属锡装入两端开口直径相近的U型槽5内,U型槽5材料为不锈钢。导入氮气,用以驱赶U型槽5内的氧气,U型槽5左端露出的锡液6需要无氧环境,以免锡液6氧化。并且整个模压成形过程都需要无氧状态,在充满氮气的环境下,防止空气中的氧气氧化模具1,同时氮气兼具有调控加热、冷却速率的作用。待U型槽5内达到无氧环境后,打开U型槽5底部的加热装置7并将U型槽5进行加热至232℃,金属锡达到熔点在U型槽内熔化成液态的锡液6。
步骤二、开动伺服电机14,通过转换器13驱动U型槽5液压活塞8向下运动,挤压右端U型槽5内的锡液6至U型槽5左端,抬高左端锡液6的液面至靠近U型槽5左端的端口,将合适体积大小的玻璃预形体4放置于U型槽5左端左侧,玻璃预形体4材料可为D-ZK2、D-ZK3、等低熔点玻璃,推动玻璃预形体4从左至右运动,排除玻璃预形体4与锡液6之间的空气,并保证熔融状态下的玻璃能铺满整个锡液面形成封闭面。准备一材料为碳化钨的如图6所示制作菲涅尔透镜的模具1,模具1边缘开一个浅口环形凹槽,凹槽内圈直径与U型槽5左端口的内圈直径成装配尺寸,凹槽里填充二分之一凹槽体积的碳硼烷——有机硅聚合物(最高耐热温度达到800℃的非干性粘弹型密封粘胶剂,具有良好的热稳定性)形成密封垫3。随后将模具微结构成形腔2开口向下并压紧于U型槽5左端的端口,模具1凹槽与U型槽5上端口通过添加的密封垫3紧密贴合,微结构2与U型槽5左端内腔形成密闭腔。U型槽底部的加热装置7持续加热,此时玻璃预形体4浮于锡液6表面,由于玻璃预形体4与加热面之间出现了导热性能良好的锡液6中间层,玻璃预形体4受热、受力更均匀并改善充填性能和内部应力分布。当微结构成形腔2内的熔融玻璃的粘度达到106~108dPa·s时,停止加热,并以常规方法保温。
步骤三、启动伺服电机14,伺服电机14通过转换器13带动U型槽5右端的活塞8,使活塞8向下运动,通过活塞8的运动挤压U型槽5内的锡液6增加锡液6的内部压力,使U型槽5左端内锡液6受到向上的压力继而作用在玻璃预形体4上,锡液6将此压力等值并同时传递给熔融玻璃,推动熔融玻璃充填微结构成形腔2,待熔融状态的玻璃预形体4充填微结构成形腔2到一定程度后,启动超声振动装置,换能器10将电信号转变为高频的机械振动。变幅杆9用于将换能器10所产生的水平超声振动放大。通过位移传感器将模具的位移信息反馈给滑块和导轨12,保证液压活塞8的运动精度,从而控制模压成形精度,一定频率的振动通过锡液6传递到微结构成形腔2内的熔融状态的玻璃预形体4上,使其随之振动,玻璃预形体4在振动作用下流动性增大、应力叠加、动态变形阻力降低、流动性与变形适应性提高,直至完全充斥填满模具成形腔2,从而复制模具1表面的微结构形状。整个过程中熔融玻璃浮在锡液6表面并且受到均匀的向上的力。
步骤四、待熔融玻璃充分充模后,关闭超声振动装置,同时以常规方法保持活塞8所提供的较小持压力处于恒定状态,保持一段时间,以免退火时玻璃因结构松弛和降温收缩而产生变形。关闭U型槽5底部加热装置7,通过U型槽5的自然散热,缓慢降低U型槽5内锡液6、玻璃以及模具1的温度。当微结构2内玻璃的粘度由106~108dPa·s变为1013dPa·s时,完成退火。
步骤五、待步骤四所得模具1内玻璃的粘度达到1013dPa·s时,该玻璃形成成品,撤掉作用在模具1上的压力,待微结构产品冷却后,将模具1从U型槽5左端口取下,从中取出微结构成品。此时,U型槽5内的锡液6低于熔点变成固态的金属锡,保留在U型槽5内。U型槽5内的金属锡,在下一模压成形加热阶段又变成锡液6,可循环反复利用。

Claims (10)

1.一种基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法,其特征在于:首先准备一个带加热装置的锡液容器,由加热装置将锡液容器内的锡加热熔化,然后通过将玻璃预形体放置处于高温锡液表面,当玻璃预形体与高温锡液接触并被加热至模压温度后,通过动力装置给锡液容器内的锡液以压力,锡液将此压力传递给已处于熔融状态的玻璃预形体表面,从而推动熔融玻璃充填锡液容器一个端口上安装的成形表面设置为微结构成形腔的模具,通过锡液传力使每一个微结构都具有相同压力而形成微结构薄玻璃元件;锡液容器另一个端口活塞上方安装有超声振动装置,启动超声振动装置带动活塞振动,从而通过锡液给熔融状态的玻璃预形体施加一定频率和振幅可控的振动,从而推动熔融玻璃更好的充填满微结构成形腔内的微结构,充填完后再通过进行保压处理,从而复制出模具下成形表面设置的微结构形状,常规退火及冷却处理,待成形薄玻璃元件冷却凝固后,再开模取出制品即告完成所有工序。
2.根据权利要求1所述基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法,其特征在于:其工艺过程包括加热、合模、基于锡液介质超声振动辅助模压、保压及退火、冷却和取出成形制品五个工序。
3.根据权利要求2所述基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法,其特征在于:在所述加热工序中,在锡液容器中充入氮气,以防止空气中的氧气氧化锡液,待锡液容器内达到无氧环境后,打开锡液容器的加热装置对锡液容器进行加热,使金属锡达到熔点后在锡液容器内熔化成液态。
4.根据权利要求2所述基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法,其特征在于:在所述合模工序中,将玻璃预形体放置处于熔化状态的锡液表面,由于玻璃的密度小于锡液,在浮力作用下将玻璃预形体放置处于锡液表面,当玻璃预形体与高温锡液接触并被加热后,通过动力装置给锡液容器的锡液以压力,挤压锡液容器内的锡液至锡液容器安装模具的端口,排除玻璃与锡液之间的空气,并保证熔融状态下的玻璃预形体能铺满整个锡液面形成封闭面;随后将模具的微结构成形腔开口向下并压紧于锡液容器端口的锡液上方的玻璃预形体;加热装置持续加热,当微结构成形腔内的玻璃预形体的粘度达到106~108dPa·s时,停止加热,并以常规方法保温。
5.根据权利要求2所述基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法,其特征在于:在所述基于锡液介质超声振动辅助模压工序中,当玻璃预形体被均匀加热至模压温度后,所述模压温度为使玻璃的粘度值在106~108dPa·s范围内,启动动力装置给锡液容器的锡液以压力,挤压锡液容器内的锡液以增加锡液的内部压力,同时启动超声振动装置,锡液将此压力和超声振动传递给已处于熔融状态的玻璃预形体表面,从而推动熔融状态玻璃充填锡液容器一个端口上安装的模具上设置的微结构成形腔,通过锡液辅助使每一个微结构成形腔都具有相同压力和超声振动而形成微结构薄玻璃元件,从而复制模具表面的微结构形状,整个过程中微结构成形腔表面各个微结构都受到相等大小的压力。
6.根据权利要求2或5所述基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法,其特征在于:在所述基于锡液介质超声振动辅助模压工序中,先启动动力装置给锡液容器的锡液以压力,当预形体对微结构充填到一定程度后,再启动与活塞连接的超声振动装置,通过锡液给熔融状态的玻璃预形体施加一定频率和振幅可控的振动,直至熔融玻璃完全充填满微结构成形腔表面的微结构。
7.根据权利要求2所述基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法,其特征在于:在所述保压及退火工序中,待玻璃充分充模后,关闭超声振动装置,以保持较小保持压力处于恒定状态,以免退火时玻璃因结构松弛和降温收缩而产生变形,关闭加热装置,通过自然散热,缓慢降低锡液容器内锡液、玻璃以及模具的温度;当微结构成形腔内玻璃的粘度由106~108dPa·s变为1013dPa·s时,完成退火。
8.根据权利要求2所述基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法,其特征在于:在所述冷却和取出成品工序中,待模具内玻璃的粘度达到1013dPa·s时,该玻璃形成成品,撤掉作用于锡液容器内的压力,待微结构成品冷却至室温后,将模具从锡液容器端口取下,从其中取出微结构成品。
9.一种基于锡液介质超声振动辅助模压成形的装置,其特征在于:它包括模具(1)、锡液容器、液压装置和超声振动装置以及动力装置;锡液容器一端为敞口,另一端成密封配合安装有液压装置,且在锡液容器上设置有加热装置(7);模具(1)为盖形结构,锡液容器内盛装锡液(6),并在模具(1)与锡液容器敞口之间放置玻璃预形体(4);模具(1)成密封配合套装在锡液容器一端的敞口上,且在模具(1)对应锡液容器敞口一侧设置表面为微结构成形腔(2)。
10.根据权利要求9所述基于锡液介质超声振动辅助模压成形的装置,其特征在于:所述超声振动装置包括变幅杆(9)、连杆(11)、换能器(10)、滑块和导轨(12),伺服电机(14)经转换器(13)与滑块和导轨(12)相连接,滑块和导轨(12)经连杆(11)、换能器(10)、变幅杆(9)与液压活塞(8)相连接;所述锡液容器采用包括U型槽(5)、直通孔、或L形通槽结构;液压装置采用包括活塞机构、或其它可改变锡液容器容积的机构。
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