CN106116116B - 一种光学精密非球面玻璃模压成型设备 - Google Patents

Abstract

本发明适用于玻璃模压成型技术领域，公开了一种光学精密非球面玻璃模压成型设备，包括机架、固定在所述机架内的上模具组件、连接在所述上模具组件下方的下模具组件、设置在所述上模具组件与下模具组件之间的加热装置，以及一端连接在所述下模具组件的下方、另一端固定在所述机架的底部且用于驱动所述下模具组件上下运动以实现合模和开模的驱动组件。本发明的模压成型设备制造出来的玻璃光学元件具有高精度，设备的稳定性和可靠性都比较高，可以根据模具和元件的大小做到一模多出。

Description

一种光学精密非球面玻璃模压成型设备

技术领域

本发明属于玻璃模压成型技术领域，尤其涉及一种光学精密非球面玻璃模压成型设备。

背景技术

投影仪、数码相机、手机等等使用精密玻璃透镜的设备在我们的生活中随处可见。而随着近年来制造技术的不断发展以及市场对各类产品更轻薄短小的需求带动下，更轻薄的非球面镜相比球面镜而言受到了更广泛的青睐。

为了便于大量加工并减少成本，很多玻璃透镜都采用聚合物材料加工而成。与聚合物材料镜片相比，玻璃镜片在很多方面更具优势：第一，玻璃镜片具有更高的折射率和更宽的光穿透频谱范围，适用于制作更薄的成像质量高的透镜；第二，玻璃镜片硬度高，抗变形性和高温表现好，能够适应各种使用环境；第三，玻璃的热胀系数比聚合物小，具有更好的热稳定性，不用像聚合物透镜那样在不同温度下使用时需要反复校准焦距。

传统的玻璃透镜加工工艺采用去除材料法，包含一系列冷加工工序，如粗磨、精磨、抛光、磨边等十几道繁杂的工序。使用这种方法加工透镜不仅工艺耗时长而且不环保。尤其在加工非球面镜时，工艺复杂、难度高，且精度难以保证，致使成本高昂。

对比传统的玻璃透镜加工工艺，玻璃热压成型技术拥有一次模压成型、材料利用率高、容易批量生产以及能够模压透镜阵列等优势。但是，现有技术中的模压成型设备精度低，进而导致模压质量不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中模压成型设备精度低的缺陷，提供了一种光学精密非球面玻璃模压成型设备，其制成的光学元件的精度高。

本发明的技术方案是：提供了一种光学精密非球面玻璃模压成型设备，包括机架、固定在所述机架内的上模具组件、连接在所述上模具组件下方的下模具组件、设置在所述上模具组件与下模具组件之间的加热装置，以及一端连接在所述下模具组件的下方、另一端固定在所述机架的底部且用于驱动所述下模具组件上下运动以实现合模和开模的驱动组件。

实施本发明的一种光学精密非球面玻璃模压成型设备，具有以下有益效果：使用该设备制造出来的玻璃光学元件具有高精度，设备的稳定性和可靠性都比较高，可以根据模具和元件的大小做到一模多出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的光学精密非球面玻璃模压成型设备的结构示意图(一)；

图2是本发明实施例提供的光学精密非球面玻璃模压成型设备的结构示意图(二)；

图3是本发明实施例提供的加热装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的上模具组件和下模具组件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接或间接在另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接或间接连接到另一个元件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的光学精密非球面玻璃模压成型设备，其包括机架1、上模具组件2、下模具组件3、加热装置4和驱动组件5。其中，机架1可以用铸造或焊接加工成型，上模具组件2固定在机架1内且位于机架1的一端，下模具组件3连接在上模具组件2的下方，且可相对上模具组件2上下运动，进而实现上模具组件2和下模具组件3的合模与开模。加热装置4设置在上模具组件2与下模具组件3之间，且用于对模具和模压坯料进行加热。驱动组件5设置在下模具组件2的下方，且一端与下模具组件3连接，另一端固定在机架1的底部，即机架1远离上模具组件2的一端，该驱动组件5用于驱动下模具组件3上下运动以实现合模和开模。本发明实施例提供的一种光学精密非球面玻璃模压成型设备，能一次成型出超精密光学玻璃元件，对比传统的玻璃透镜加工工艺，玻璃热压成型技术拥有一次模压成型、材料利用率高、环境友好、能精确控制模压成型，光学元件的精度高、容易实现批量生产。另外，使用该设备制造出来的玻璃光学元件具有高精度，设备的稳定性和可靠性都比较高，可以根据模具和元件的大小做到一模多出。

进一步地，驱动组件5包括传动柱51、传动块52、滚珠丝杆53和电机54。其中，传动柱51的一端与下模具组件3固定连接，传动柱51的另一端与传动块52固定连接；传动块52远离传动柱的一端与滚珠丝杆53转动连接；滚珠丝杆53远离传动块52的一端与电机54驱动连接，该电机54固定在机架1的底部，且用于驱动滚珠丝杆53转动进而驱动传动块52和传动柱51带动下模具组件3上下运动。

进一步地，驱动组件5还包括滚珠丝杆座55和丝杆螺母56。其中，该滚珠丝杆座55设置在传动块52内，且固定在滚珠丝杆53一端的端部，以限制传动块52的行程；该丝杆螺母56套设在滚珠丝杆53上且与传动块52连接，当电机54驱动滚珠丝杆53转动时，该丝杆螺母56沿着滚珠丝杆53的长度方向上下运动，进而带动传动块52上下运动。另外，驱动组件5还包括设置在电机54的外部且用来承受压力的电机箱57。

进一步地，如图2所示，驱动组件5还包括导轨座58和导轨59。其中，导轨座58竖直固定在机架1内侧，导轨59安装在导轨座58上，传动块52滑动连接在导轨59上，在电机54的驱动下，传动块52沿着导轨59上下运动，该导轨59主要保证成型过程的精度。

进一步地，本发明实施例的模压成型设备还包括设置在下模具组件3与传动块52之间的压力传感器7和位移传感器6。该压力传感器7用于检测下模具组件3所承受的压力，而位移传感器6用于检测下模具组件3移动的位置。

进一步地，上述加热装置4里的主要发热部分是近红外灯管，且该加热装置4内设置有温度传感器，以便实时监测加热装置4的温度。另外，本发明实施例的模压成型设备还包括控制系统，该控制系统能够根据的温度传感器、位移传感器6和压力传感器7输出的信号来控制电机54使得模具的压力随着玻璃成型室的温度变化而改变；电机54优选为伺服减速电机，上述控制系统主要包括电控比例阀、三菱PLC控制器、AD数字处理器、触摸屏和电源模块。

具体地，如图3所示，加热装置4包括石英罩41、辐射屏42、多层发热管43、隔热层44和炉壁45。其中，石英罩41呈中空状，且模具装置的模芯套设在石英罩41的空腔中，辐射屏42套设在石英罩41外，多层发热管43环绕设置在石英罩41的外侧且固定在辐射屏42上，隔热层44套设在辐射屏42的外侧，可以有效降低界面之间的热交换，炉壁45套设在隔热层44外，且用于固定隔热层44。优选地，辐射屏42呈弧形状，可以有效地把发热管43发出的热量聚焦在一起。

进一步地，发热管43为红外发热管，其发热光线为短波红外光(即近红外)，具有1-3秒钟升温冷却时间，使加热过程控制更灵活，由于波长较短，可以穿透一定厚度进行加热，使加热更加均匀，与远红外光加热管相比，近红外光加热管的电热转化效率更高，可达90％以上。

例如，发热管43为石英红外加热管，其采用了经特殊工艺加工的石英玻璃管、配用电阻材料作为发热电丝。通电后，发热金属电热丝发射的可见光以及其他光线，其中最高达95％被石英玻璃管所阻挡、吸收，使管内温度升高产生纯硅氧键的分子振动，辐射远红外光线或近红外光线。金属电热丝主要采用红外钨丝，在通电下钨丝温度可达1800-2400℃。其中碳纤维电热丝是纯黑体材料，在电-热转换过程，可见光很小，电热转换效率达95％以上。并且，红外灯管升温速率快，能够在短时间(75S)内将模腔内温度升至800摄氏度，并使光学玻璃材料达到软化点。

进一步地，在石英红外加热管的生产工艺中，还可通过镀膜工艺在石英红外加热管外壁镀层，以调整红外光的辐射方向和提高加热效率。镀膜工艺中主要有镀金与镀白两种，镀金是采用含量6％的金水，镀白是采用含氧化铝、钛等氧化物。镀金与镀白两者相比，镀金的优势在于稳定性更高、表面发射率更低；而镀白的耐热性更好，镀金层一般在650℃以下的温度使用，镀白可在1200℃环境温度以下使用。另外，在辐射屏42的内壁上镀制有耐热反射基材料层，其增加了红外灯管发散热量的方向性以及防止辐射屏42内壁被氧化。

进一步地，每一层发热管43包括两个半圆管，两个半圆管围合成环绕在石英罩41外的圆形发热管43，两个半圆管的两端均固定在辐射屏42的内壁上。具体地，在半圆管的两端均设置有呈方形的固定部431，并在辐射屏42的内壁上开设有用于固定固定部431的方孔421，方形的固定部431与方孔421配合可以防止发热管43沿其轴线转动。

进一步地，在两界面之间加入导热性能低的材料(如玻璃纤维、气凝胶)可以有效降低界面之间的热交换。因此，在发热管43与炉壁45之间添加一定厚度且导热系数小的材料作为隔热层44。优选地，选用硅质气凝胶这种材料制作隔热层44。

进一步地，为了便于装配炉壁45，其包括相互配合以形成用于容纳隔热层44的空间的两个半炉壁件，每一半炉壁件包括套设在隔热层44外的侧壁451，以及设置在侧壁451两端且用于固定连接两个半炉壁件的紧固部452。具体地，紧固部452呈片状，且在紧固部452上开设有多个紧固孔453，通过该紧固孔453来固定两个半炉壁件。优选地，侧壁451与紧固部452一体成型。

进一步地，上述机架1包括呈方形的主支架11以及设置在主支架11两端内侧的爪型支架12。上模具组件2固定在主支架11上端的爪型支架12上，电机54固定在主支架11下端的爪型支架12上。该爪型支架12可以使得机架1所受到的力均匀分散，减小机架1的变形，进而确保模压的精度。

进一步地，如图4所示，上述上模具组件2包括上垫板21、上模板22、上模柱23、上模座24和上模芯25。其中，上垫板21呈板状且与爪型支架12固定连接，上模板22呈板状且设置在上垫板21的下方，上模柱23固定连接在上模板22的下方且呈柱状，上模座24固定连接在上模柱23的下方，上模芯25固定连接在上模座24的下方。具体地，上模柱23与上模板22、上模座24与上模柱23以及上模芯25与上模座24之间均通过螺栓实现固定连接。

进一步地，上述下模具组件3包括下垫板31、下模板32、下模柱33、下模座34和下模芯35。其中，下垫板31呈板状且与驱动装置连接，下模板32呈板状且设置在下垫板31的上方，下模柱33固定连接在下模板32的上方且呈柱状，下模座34固定连接在下模柱33的上方，下模芯35固定连接在下模座34的上方。具体地，下模柱33与下模板32、下模座34与下模柱33以及下模芯35与下模座34之间均通过螺栓实现固定连接。上模芯25与下模芯35围合成用于放置玻璃胚料的模腔。上模柱23与下模柱33均呈柱状且直径大小相同，加热装置4套设在上模柱23与下模柱33外并位于上模板22和下模板32之间。

进一步地，在上模具组件2和下模具组件3之间还设置有导向组件，该导向组件包括导向柱26和导向套27。其中，导向柱26沿合模方向固定在上模板22上，而导向套27的一端沿合模方向固定在下模板32上，导向套27的另一端套设在导向柱26外，且用于在开模和合模时相对导向柱26上下运动，即导向柱26在驱动装置的驱动下相对导向套27上下运动。

进一步地，上模芯25和下模芯35在相接的端面上均设置有锥面251，即在上模芯25和下模芯35抵接的端面上设置有相互密封配合、锥度一样的锥面251。该锥面251有利于在合模时为上模芯25和下模芯35进行导向，防止上模芯25和下模芯35配合时发生偏移，进而提高模压精度。优选地，该锥面251的锥度为1:10。可以理解的是，该锥面251的锥度也可以是根据实际情况确定的其它数值。

优选地，上模芯25和下模芯35均由碳化钨材料制成，碳化钨材料硬度高且能耐高温。进一步优选地，上模芯25和下模芯35的表面均镀有贵金属铂镀层，该贵金属铂镀层能够进一步提高上模芯25和下模芯35的耐高温温度。可以理解的是，上模芯25和下模芯35也可以由其它硬质材料制成，并且其表面也可以镀除铂之外的贵金属。

进一步地，在上模板22和下模板32上均开设有用于供抽真空和充氮气使用的气体通孔321。另外，在上模板22和下模板32上还开设有冷却水道孔，以供冷却水进入，进而冷却上模芯和下模芯。在上模板22和下模板32上设置有水冷槽，用来冷却密封圈，而密封圈用来密封加热装置4的石英罩与上模板22和下模板32的空隙，密封之后水冷槽中充入水流，抽真空装置启动，抽走石英罩中的空气；充入保护气体氮气，加热装置4中的加热管发热，把玻璃坯料加热到600℃左右的软化点温度，然后排走氮气，再真空化；上模芯和下模芯合模成型，对加热的玻璃坯料进行模压成型；保压一段时间，把模具表面的精度完全复制到玻璃坯料上面，此时成型完成。然后进行去应力退火，以一定的速度充入氮气(根据玻璃材料来选择充入氮气的速率)，然后再快速冷却，模压过程完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光学精密非球面玻璃模压成型设备，其特征在于，包括机架、固定在所述机架内的上模具组件、连接在所述上模具组件下方的下模具组件、设置在所述上模具组件与下模具组件之间的加热装置，以及一端连接在所述下模具组件的下方、另一端固定在所述机架的底部且用于驱动所述下模具组件上下运动以实现合模和开模的驱动组件；

所述驱动组件包括传动柱、传动块、滚珠丝杆和电机，其中，所述传动柱的一端与所述下模具组件固定连接，另一端与所述传动块固定连接；所述传动块远离所述传动柱的一端与所述滚珠丝杆转动连接；所述滚珠丝杆远离所述传动块的一端与所述电机驱动连接，所述电机用于驱动所述滚珠丝杆转动进而驱动所述传动块和传动柱带动所述下模具组件上下运动；

所述驱动组件还包括设置在所述传动块内且固定在所述滚珠丝杆端部的滚珠丝杆座、套设在所述滚珠丝杆上且与所述传动块连接的丝杆螺母，以及设置在所述电机的外部且用于承受压力的电机箱，所述滚珠丝杆座用于限制所述传动块的行程。

2.如权利要求1所述的光学精密非球面玻璃模压成型设备，其特征在于，所述驱动组件还包括竖直固定在所述机架内侧的导轨座，以及安装在所述导轨座上的导轨，所述传动块滑动连接在所述导轨上。

3.如权利要求1所述的光学精密非球面玻璃模压成型设备，其特征在于，所述模压成型设备还包括设置在所述下模具组件与所述传动块之间的压力传感器和位移传感器。

4.如权利要求1所述的光学精密非球面玻璃模压成型设备，其特征在于，所述机架包括呈方形的主支架，以及设置在所述主支架两端内侧的爪型支架。

5.如权利要求1所述的光学精密非球面玻璃模压成型设备，其特征在于，所述加热装置内设置有温度传感器。

6.如权利要求4所述的光学精密非球面玻璃模压成型设备，其特征在于，所述上模具组件包括固定在所述爪型支架下方的上垫板、设置在所述上垫板下方的上模板、固定连接在所述上模板下方的上模座、固定连接在所述上模座下方的上模柱，以及固定连接在所述上模柱下方的上模芯；所述下模具组件包括与所述传动柱连接的下垫板、设置在所述下垫板上方的下模板、固定连接在所述下模板上方的下模座、固定连接在所述下模座上方的下模柱，以及固定连接在所述下模柱上方的下模芯。

7.如权利要求6所述的光学精密非球面玻璃模压成型设备，其特征在于，所述上模板和下模板上均开设有用于供抽真空和充氮气使用的气体通孔。

8.如权利要求6所述的光学精密非球面玻璃模压成型设备，其特征在于，所述上模芯和下模芯均由碳化钨材料制成，且所述上模芯和下模芯的表面均镀有贵金属铂镀层。