CN110903021A - 玻璃精密模压成型方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种玻璃精密模压成型方法及其成型装置，可以有效提高玻璃的良品率。玻璃精密模压成型方法，该方法包括以下步骤：1)将预形体镜片装入成型装置中，经过多级预热，从室温T0加热至TS温度；2)保持在设定温度，通过多级气缸对上加热板施加压力P且保压维持一段时间t1，将镜片一次模压成非球面透镜产品；3)控制上模仁和下模仁保持温度T1，实现第一级冷却退火；再将上模仁和下模仁温度降至T2，实现第二级冷却退火；再将模压后的非球面透镜产品从T2温度冷却至室温，实现第三级冷却退火后取出。本发明通过控制玻璃精密模压工艺范围，提高了精密模压的稳定性，消除了玻璃在一次模压成型过程中产生的缺陷，提高了玻璃的良品率。

Description

玻璃精密模压成型方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种玻璃的成型方法，特别是涉及一种硫系红外玻璃精密模压一次成型方法及其成型装置。
背景技术
近年来，伴随红外电子产品小型化、精密化的发展趋势，高质量、高精度的小口径非球面硫系玻璃镜片的需求与日俱增。该类镜片采用非球面面型，可有效修正系统影像的畸变、色差，改善成像质量、提高系统鉴别能力及简化仪器结构等，且由于硫系玻璃材质具有良好的透中红外和消热差性能，其广泛应用于红外光学系统中。目前，对于该类镜片的批量精密制造主要采用精密模压成型技术生产出所需形状的目标镜片，但相比于普通透光玻璃，其模压成型过程存在以下问题：硫系红外玻璃材质属于极其软材质，在模压、芯取、检验、包装等方面都易造成镜片产生二次划伤及破裂；硫系玻璃易碎，如果模压工艺参数设置不当，难以制造出所需形状的光学镜片；对加压载荷和温度较为敏感，模压成型时易造成镜片表面发雾，成型质量难以控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种玻璃精密模压成型方法及其成型装置，可以有效提高玻璃的良品率。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：玻璃精密模压成型方法，该方法包括以下步骤：
1)将预形体镜片装入成型装置中，经过多级预热，从室温T0加热至TS温度，所述TS温度＝镜片材料的弛垂温度±15℃，每级温差递减；
2)保持在设定温度，通过多级气缸对上加热板施加压力P且保压维持一段时间t1，将镜片一次模压成非球面透镜产品；
3)控制上模仁和下模仁保持温度T1，T1温度＝镜片材料的转变温度Tg±15℃，并维持一段时间t2，实现第一级冷却退火；然后再将上模仁和下模仁温度降至T2，T2温度＝镜片材料的转变温度Tg以下5-30℃，并维持一段时间t3，实现第二级冷却退火；然后再将模压后的非球面透镜产品从T2温度冷却至室温，实现第三级冷却退火后取出。
进一步的，步骤1)所述TS温度＝镜片材料的弛垂温度-10℃～+5℃。
进一步的，步骤1)所述多级预热采用四级预热。
进一步的，步骤1)所述每级温差为5-50℃，最佳为10-20℃。
进一步的，步骤1)所述每级的保温时间小于200S，最佳保温时间为80-120S。
进一步的，步骤2)所述压力P为0.1-0.45MPa，优选为0.2-0.3MPa。
进一步的，步骤2)所述t1为60-140S，优选为80-120S；步骤3)所述t2为80-120S，所述t3为80-120S。
进一步的，步骤3)所述T1温度＝镜片材料的转变温度Tg-5℃～+10℃。
进一步的，步骤3)所述T2温度＝镜片材料的转变温度Tg以下8-15℃，所述T2温度范围为100-180℃。
进一步的，步骤3)所述三级退火速率保持在0.05-0.8℃/S，优选为0.1-0.5℃/min。
进一步的，在整个模压及退火过程中，在成型装置内不间断通入惰性气体作为保护气体。
进一步的，通入量控制在70-100L/min及以上，最佳通入量为80-90L/min。
玻璃精密模压成型装置，包括上模仁、下模仁、模套、上加热板和下加热板，所述上模仁和下模仁设置在模套内，所述上加热板和下加热板分别设置在上模仁和下模仁上，在所述下模仁内设置套环。
进一步的，所述套环的Ф内径＝镜片的外径+(0.1-0.8)mm，最佳套环的Ф内径＝镜片的外径+(0.2-0.5)mm；所述套环的Ф外径＝模套的内径；所述套环的高度H＝下模仁的高度+镜片的边厚+(0.1-0.4)mm，最佳套环的高度H＝下模仁的高度+镜片的边厚+(0.15-0.2)mm。
本发明的有益效果是：通过控制玻璃精密模压工艺范围，提高了精密模压的稳定性，消除了玻璃在一次模压成型过程中产生的缺陷，提高了玻璃的良品率；减少后工程芯取环节，节约了生产成本。本发明方法特别适合硫系玻璃模压成型，但同样适用于其他硫系玻璃及低熔点玻璃模压一次成型。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是本发明装置的套环的剖视图。
具体实施方式
由于硫系红外玻璃材料存在超软、昂贵且后工程冷却加工难度大的特性，因此本发明采用一次模压成型，这样既可以避免后工程芯取报损，又可以节约材料成本。
本发明的成型装置包括上模仁1、下模仁2、模套3、上加热板4和下加热板5，上模仁1和下模仁2设置在模套3内，上加热板4和下加热板5分别设置在上模仁1和下模仁2上，上加热板4和下加热板5内都设置有加热棒8，在下模仁2内设置套环6，套环6可直接控制模压镜片7的外径，如图1所示。
本发明通过对镜片7的体积及膨胀量、以及套环6在高温下的膨胀量进行精确计算，镜片7在模压成型时由于套环6的存在，可将镜片7在模压膨胀过程中受限于套环6，因此模压后镜片7的外径尺寸直接为套环6的内径尺寸，成型后的镜片7的外径尺寸可直接达到设计尺寸，无需流转到后工程芯取，从而节省材料成本和时间成本。
发明人通过实验验证，上述套环6的Ф内径＝镜片7的外径+(0.1-0.8)mm，最佳套环6的Ф内径＝镜片7的外径+(0.2-0.5)mm；套环6的Ф外径＝模套3的内径；套环6的高度H＝下模仁2的高度+镜片7的边厚(指：镜片7的边缘厚度，以下同)+(0.1-0.4)mm，最佳套环6的高度H＝下模仁2的高度+镜片7的边厚+(0.15-0.2)mm。
上述套环6最好采用低膨胀率材料制成，如碳化硅、碳化钨、金属陶瓷等，最好采用金属陶瓷和碳化钨，其中，金属陶瓷的热膨胀率趋近于0。
本发明的模压成型方法包括以下步骤：
1)将预形体镜片7装入成型装置中，如图1所示，经过多级预热进行预热，从而让镜片7的均热效果最佳，从室温T0加热至TS温度，TS温度＝镜片7材料的弛垂温度±15℃，最佳TS温度＝镜片7材料的弛垂温度-10℃～+5℃。上述多级预热是通过控制加热棒8的电流将上加热板4和下加热板5加热，再通过热传导和热对流将镜片7加热到设定值。上述多级预热最好采用四级预热，温度设置呈阶梯形设置，每级温差递减，每级温差在5-50℃，最佳为10-20℃，每级保温时间小于200S，硫系玻璃每级最佳保温时间为80-120S；
2)上模仁1和下模仁2在上加热板4和下加热板5的加热作用下，保持在上述设定温度TS温度，通过多级气缸对上加热板4施加压力P且保压维持一段时间t1，将镜片7一次模压成非球面透镜产品，上述多级气缸为2-3级气缸，上述压力P设定值为0.1-0.45MPa，优选为0.2-0.3MPa，上述t1为60-140S，优选为80-120S；
3)控制加热棒8的电流使上模仁1和下模仁2保持温度T1，T1温度＝镜片7材料的转变温度Tg±15℃，优选T1温度＝镜片7材料的转变温度Tg-5℃～+10℃，并维持一段时间t2，t2优选为80-120S，实现第一级冷却退火；然后再将上模仁1和下模仁2温度降至T2，T2温度＝镜片7材料的转变温度Tg以下5-30℃，优选T2温度＝镜片7材料的转变温度Tg以下8-15℃，T2温度范围为100-180℃，并维持一段时间t3，t3优选为80-120S，实现第二级冷却退火；然后再将模压后的非球面透镜产品从T2温度冷却至室温并取出，实现第三级冷却退火。为了防止光学玻璃非球面透镜在整个冷却过程中产生炸裂或裂痕，上述三级退火速率保持在0.05-0.8℃/S，优选为0.1-0.5℃/min。
本发明方法在整个模压及退火过程中，为了创造一个无氧环境，防止成型装置被氧化，防止成型装置内残留O2在高温下与镜片7发生氧化反应，影响镜片7的表面质量，需要在成型装置内不间断通入惰性气体作为保护气体，如氮气、氬气、氦气等，为了防止成型装置高温氧化、透镜材料发生化学反应，优选氮气，考虑到工艺稳定及经济效益，氮气的通入量控制在70-100L/min及以上，最佳通入量为80-90L/min，可以有效控制镜片表面发雾。

Claims (14)

1.玻璃精密模压成型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将预形体镜片(7)装入成型装置中，经过多级预热，从室温T0加热至TS温度，所述TS温度＝镜片(7)材料的弛垂温度±15℃，每级温差递减；
2)保持在设定温度，通过多级气缸对上加热板(4)施加压力P且保压维持一段时间t1，将镜片(7)一次模压成非球面透镜产品；
3)控制上模仁(1)和下模仁(2)保持温度T1，T1温度＝镜片(7)材料的转变温度Tg±15℃，并维持一段时间t2，实现第一级冷却退火；然后再将上模仁(1)和下模仁(2)温度降至T2，T2温度＝镜片(7)材料的转变温度Tg以下5-30℃，并维持一段时间t3，实现第二级冷却退火；然后再将模压后的非球面透镜产品从T2温度冷却至室温，实现第三级冷却退火后取出。
2.如权利要求1所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，步骤1)所述TS温度＝镜片(7)材料的弛垂温度-10℃～+5℃。
3.如权利要求1所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，步骤1)所述多级预热采用四级预热。
4.如权利要求1所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，步骤1)所述每级温差为5-50℃，最佳为10-20℃。
5.如权利要求1所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，步骤1)所述每级的保温时间小于200S，最佳保温时间为80-120S。
6.如权利要求1所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，步骤2)所述压力P为0.1-0.45MPa，优选为0.2-0.3MPa。
7.如权利要求1所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，步骤2)所述t1为60-140S，优选为80-120S；步骤3)所述t2为80-120S，所述t3为80-120S。
8.如权利要求1所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，步骤3)所述T1温度＝镜片(7)材料的转变温度Tg-5℃～+10℃。
9.如权利要求1所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，步骤3)所述T2温度＝镜片(7)材料的转变温度Tg以下8-15℃，所述T2温度范围为100-180℃。
10.如权利要求1所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，步骤3)所述三级退火速率保持在0.05-0.8℃/S，优选为0.1-0.5℃/min。
11.如权利要求1所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，在整个模压及退火过程中，在成型装置内不间断通入惰性气体作为保护气体。
12.如权利要求11所述的玻璃精密模压成型方法，其特征在于，通入量控制在70-100L/min及以上，最佳通入量为80-90L/min。
13.玻璃精密模压成型装置，其特征在于，包括上模仁(1)、下模仁(2)、模套(3)、上加热板(4)和下加热板(5)，所述上模仁(1)和下模仁(2)设置在模套(3)内，所述上加热板(4)和下加热板(5)分别设置在上模仁(1)和下模仁(2)上，在所述下模仁(2)内设置套环(6)。
14.如权利要求13所述的玻璃精密模压成型装置，其特征在于，所述套环(6)的Ф内径＝镜片(7)的外径+(0.1-0.8)mm，最佳套环(6)的Ф内径＝镜片(7)的外径+(0.2-0.5)mm；所述套环(6)的Ф外径＝模套(3)的内径；所述套环(6)的高度H＝下模仁(2)的高度+镜片(7)的边厚+(0.1-0.4)mm，最佳套环(6)的高度H＝下模仁(2)的高度+镜片(7)的边厚+(0.15-0.2)mm。
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