CN113651522A - 非等温玻璃模压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非等温玻璃模压过程中为了提高模具使用寿命而提供的模压成型方法。所述方法为在下模具(102)上放置待压玻璃制品(103)，电机驱动下模具(102)以一定速度上升，利用电压给下模具(102)加热，以此传热给所述玻璃制品(103)，使所述玻璃制品(103)的温度上升到玻璃的转化温度(Tg)及以上；电机继续驱动下模具(102)继续上升，同时携带所述玻璃制品(103)位移，使玻璃制品(103)接触上模具(101)，完成压制过程；所述上模具(101)和下模具(102)由单晶硅材料制成。采用本发明的模压成型方法，能够在镜头的模压成型的过程中只对玻璃材料产生模压形变，保持硅模具的形状和形态不变，从而延长硅模具的使用寿命，整体上降低生产成本。

Description

非等温玻璃模压方法
技术领域
本发明属于超精密加工、非等温玻璃成型领域，特别涉及高效超精密玻璃透镜非等温玻璃模压过程中为了提高模具使用寿命而提供的模压成型方法。
背景技术
玻璃透镜因具有良好的光学性能和成像质量、增加透光性、减少光学系统的体积和重量，被广泛应用于光学、光电、光机械系统。近年来，玻璃透镜的超精密制造技术一直被探索，模压成型方法是量产非球面透镜最为高效简便的办法。在该方法中，通过特定的模具在高温下压缩软化的玻璃半成品，制成透镜。在传统工艺中，模具一般由碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)或硅酸铝钇(YAS)等经过超精磨削加工而成，然后经过金刚石刀具精细修整，最后进行精密抛光。
CN104176911A公开了一种高效超精密玻璃透镜非等温模压成型设备及成型方法，其中利用了在非等温模压成型过程中加热、模压、退火、冷却工艺上具有并行的特点，提供了在非等温玻璃模压成型(NGMP)工艺中，将玻璃预制件的温度控制从成型模具中分离出来的方法。首先，将工件在预热装置中被加热到成型温度(即软化点温度)以上；其次，高温的预热工件被温度稍低的成型模具压成透镜；再次，成型的透镜在成型模具中被退火用来释放内应力；最后，将退火的成型透镜从成型模具中取出来，放在冷却盘上被单独冷却至室温。模具温度的变化范围只有几十摄氏度，比在等温玻璃模压成型(IGMP)方法中要小得多，模具的冷热疲劳有效降低，因此，模具的使用寿命显著延长(至少提高2-3倍以上)，利用率显著提高，模具的使用寿命得以有效延长。
然而该现有技术针对的模具是作为能够优选使用的材质，例如，CN102557393A举出的各种耐热合金(不锈钢等)、以碳化钨为主要成分的超硬材料、各种陶瓷(碳化硅、氮化硅等)、含碳的复合材料等。或者CN105814005A所涉及的金属模具。
透镜模压成型技术已经成为当下透镜制造的热门方案，因为传统工艺的种种不足，以硅为模具的非等温玻璃模压工艺正在被研发。然而由于硅的价格低于碳化钨，且硅作为性能优异的半导体有着其他化合物无法比拟的优点。
在技术工艺完善时，发现硅模具在模压过程中硅会变形，一方面导致制成的透镜不合规制，另一方面造成模具损耗，需更换新的模具来进行实验，因此增加了时间成本以及耗材成本。
现有技术的发展说明，因此需要新的透镜模压成型方法，在利用成本低的硅作为模具的同时使模具具有较长的使用寿命，从而从整体上降低生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模压成型方法，特别是一种制备超精密玻璃透镜非等温玻璃，在模压过程中为了提高模具使用寿命而提供的模压成型方法。
本发明提供一种非等温玻璃模压成型方法，包括：加热步骤：在下模具(102)上放置待压玻璃制品(103)，电机驱动下模具(102)以一定速度上升，利用电压给下模具(102)加热，以此传热给所述玻璃制品(103)，使所述玻璃制品(103)的温度上升到玻璃的转化温度(Tg)及以上；所述玻璃制品(103)的粘度η以下列方程定义：
Figure BDA0003261638540000031
其中f代表摩擦力，S代表接触面积，V代表速度。速度梯度
Figure BDA0003261638540000032
表现为垂直方向的下模具(102)带动电机上升的速度，当
Figure BDA0003261638540000033
时，此时单位为Pa，代表压强；压制步骤：电机继续驱动下模具(102)继续上升，同时携带所述玻璃制品(103)位移，使玻璃制品(103)接触上模具(101)，完成压制过程；所述上模具(101)和下模具(102)由单晶硅材料制成；退火步骤：对所述玻璃制品(103)进行慢速退火处理形成成型的透镜，将所述成型透镜在上模具(101)和下模具(102)中释放内应力；冷却取模步骤：将退火后的成型透镜冷却至室温；将冷却后的模成型透镜从上模具(101)和下模具(102)中脱离出来。
本发明的模压成型方法的一个方面，其中：所述玻璃制品为玻璃球，由硼硅酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸玻璃、镧系玻璃制备。
本发明的模压成型方法的另一个方面，其中：所述单晶硅的德拜温度为650K，在室温到350℃(623K)的区间内，硬度下降不明显，而超过350℃(623K)之后逐渐有明显的变化；其中，活化能是关键因素，通过下列方程(1)定义：
Figure BDA0003261638540000034
其中H为硅的硬度，T为过渡点以上的温度，k为玻尔兹曼常数，sinh是双曲正弦函数，改变活化能U和拟合参数A与β，就能精确拟合过渡点以上的温度依赖性曲线，并根据上述方程(1)拟合出硅的硬度-温度曲线。
本发明的模压成型方法的再一个方面，其中：在玻璃的转化(Tg)温度开始到玻璃的粘度变为104.6dPa·s对应的温度为止的温度区间，所述玻璃制品由黏性体经黏塑性体、黏弹性体逐渐转变成弹性体，所述温度区间为所述玻璃制品的加工区间。
本发明的模压成型方法的进一步方面，其中：所述玻璃制品(103)与上模具(101)和下模具(102)接触面随着接触程度的不同而发生改变，且所述接触面相对于硅质的上模具(101)和下模具(102)和玻璃制品(103)是一样的；对比硅质的上模具(101)和下模具(102)和玻璃制品(103)的压强关系确定某一范围的压力值和速度值使硅质的上模具(101)和下模具(102)压制玻璃制品(103)而使所述硅质的上模具(101)和/或下模具(102)不变形。
本发明的模压成型方法的再一个方面，其中：所述玻璃制品为K9玻璃，超过Tg温度的K9玻璃软化速度快，因此所述压制步骤不会对硅质的上模具(101)和下模具(102)造成破坏，在未达到Tg温度之前，玻璃体状态下的压强大于硅，压制步骤会对硅造成损坏。
采用本发明的模压成型方法，能够在镜头的模压成型的过程中只对玻璃材料产生模压形变，而保持硅模具的形状和形态不变，从而延长硅模具的使用寿命，整体上降低生产成本。
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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创新性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的模压成型方法中压制步骤示意图。
图2为现有的模压成型方法中压制步骤出现模具形变的示意图。
图3为本发明所述方法的单晶硅模具的硬度温度关系图。
图4为本发明根据活化能方程拟合的硅和锗的硬度-温度曲线图。
图5为本发明的玻璃球所用材料的数据表。
图6为本发明的K9的粘度-温度关系曲线。
图7为本发明以开尔文温度表示的K9的温度-压强关系曲线。
图8为本发明的硅材料和玻璃材料的温度传导仿真示意图。
图9为本发明的硅材料和玻璃材料接触位置的放大图。
表1为H－K9L的粘度－温度值。
表2为硅和K9玻璃在特定温度下的压强对比。
具体实施方式
现结合相应的附图，对本发明的具体实施例进行描述。然而，本发明可以以多种不同的形式实施，而不应被解释为局限于此处展示的实施例。提供这些实施例只是为了本发明可以详尽和全面，从而可以将本发明的范围完全地描述给本领域的技术人员。附图中说明的实施例的详细描述中使用的措辞不应对本发明造成限制。
图1为本发明的模压成型方法中压制步骤示意图。加热步骤，在下模具102上放置待压玻璃制品，例如玻璃球103，能够使用的玻璃的种类没有特别的限制，能够与用途对应地选择来使用公知的玻璃。例如，举出硼硅酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸玻璃、镧系玻璃等光学玻璃。电机(未示出)驱动下模具102上升，用电压给下模具102加热，以此传热给玻璃球103，使玻璃球103的温度上升到玻璃的转化温度(Tg)及以上；压制步骤，下模具102电机继续驱动下模具102上升，同时携带玻璃球103位移，使玻璃球103接触上模具101，完成压制过程；退火冷却步骤，进行慢速退火处理，将成型的透镜在成型模具中进行初步退火处理，以便释放内应力；将退火的成型透镜从成型模具中取出来，放在冷却盘上被单独冷却至室温；取模步骤，将冷却后的模压成型制品从上模具101和下模具102中脱离出来。
这里所述的上模具101和下模具102均为市面上普遍的单晶硅材料，当外部受到的力大于所述单晶硅材料在该温度下能承受的力，即屈服应力。屈服强度或屈服应力是材料的一种属性，是对应于材料开始塑性变形的屈服点的应力。
利用该制造方法制造的玻璃成形体，能够作为数码相机等摄像镜头、DVD等光拾取器透镜、光通信用的耦合透镜等各种光学元件而使用。另外，还能够作为基于再加热冲压法的各种光学元件的制造所使用的玻璃预成型件而使用。
图2为现有的模压成型方法中压制步骤出现模具形变的示意图。当压力高于屈服应力或屈服强度会发生塑性形变，从而造成上模具101和下模具102在玻璃球103发生形变前，以及发生形变，从而需要更换模具，增加时间和成本消耗。压痕上方的平均压力称为硬度，是其屈服或流动应力的测量值。
上模具101和下模具102为单晶硅制成，单晶硅的德拜温度一般为650K，图3为本发明所述方法的单晶硅模具的硬度温度关系图。从图3可以看到，硅在室温到350℃(623K)的区间内，硬度下降不明显，而超过350℃(623K)之后才慢慢有明显的变化。活化能是关键因素，通过下列方程(1)：
Figure BDA0003261638540000071
其中H为硅的硬度，T为过渡点以上的温度，k为玻尔兹曼常数，sinh是双曲正弦函数，改变活化能U和拟合参数A与β，就能精确拟合过渡点以上的温度依赖性曲线，并根据上述方程(1)拟合出硅和锗的硬度-温度曲线。图4为根据活化能方程拟合的硅和锗的硬度-温度曲线图。其中，图4的硬度的单位kg/mm2与压强单位GPa有相对应的转换关系。为
1GPa＝100kg/mm2 (2)
图5为本发明的玻璃球所用材料的数据表。玻璃的温度依赖性很强，在不同温度下有不同的状态。由固体转变成为液体是在一定温度区间内进行的，此温度区间从玻璃的转化(Tg)温度开始到玻璃的粘度变为104.6dPa·s对应的温度为止，低于此玻璃转化温度范围，体系呈现如固体的行为，称之为玻璃体，高于玻璃的粘度变为104.6dPa·s对应的温度范围为熔体；在玻璃转化温度和玻璃的粘度变为104.6dPa·s对应的温度范围内，玻璃液会由黏性体经黏塑性体、黏弹性体逐渐转变成弹性体，这种渐变的性质正是玻璃具有良好加工性能的基础，只有玻璃在这个温度区间范围内才能被加工。玻璃的多种性质中对温度表现得最为敏感的是玻璃的粘度。
玻璃的粘度η为
Figure BDA0003261638540000081
其中f代表摩擦力，S代表接触面积，V代表速度。速度梯度
Figure BDA0003261638540000082
表现为垂直方向的下模具102带动电机上升的速度0.01mm/s，当
Figure BDA0003261638540000083
Figure BDA0003261638540000084
时，此时单位为Pa，代表压强，接触面随着接触程度的不同而发生改变，但这个接触面相对于硅质的上模具101和下模具102和玻璃球103是一样的，通过对比硅质的上模具101和下模具102和玻璃球103的压强关系来确定某一范围的压力值和速度值使硅质的上模具101和下模具102可以压制玻璃球103而使所述硅质的上模具101和/或下模具102不变形，减少时间和成本的损耗。以K9玻璃为玻璃球103的示例，K9玻璃是用K9料制成的玻璃制品，用于光学镀膜等领域。K9玻璃属于光学玻璃，由于晶莹剔透，所以K9玻璃加工出来的产品，也可以被称为水晶玻璃制品。
K9玻璃的组成如下：SiO2＝69.13％B2O3＝10.75％BaO＝3.07％Na2O＝10.40％K2O＝6.29％As2O3＝0.36％
它的光学常数为：折射率＝1.51630色散＝0.00806阿贝数＝64.06光学玻璃国家标准是按阿贝数分类的，阿贝数≥50的玻璃规定为冕牌玻璃用“K”来表示，阿贝数<50的玻璃规定为火石玻璃用“F”来表示。在这两大类下还用轻“Q”；重“Z”；特“T”和化学元素符号加前缀，数字加后缀进行细分，共分为18大类，141个牌号。例如：BaK11(钡冕)K9(冕)一般来讲，冕牌属于碱硅酸盐系统，绝大多数火石玻璃属于铅硅酸盐系统。本发明一种实施方式中采用的玻璃球103材料，为成都光明产的直径为6mm的H-K9L玻璃球，K9玻璃对标肖特的BK7玻璃。
高分子科学方程(Vogel-Tamman-Fulcher，也称VFT)方程(方程4)能用来模拟玻璃的粘度-温度曲线，另外，道格拉斯发展的指数方程(the two-exponential equationderived by Douglas)也可以被用来模拟拟合效果。其中，VFT方程的普适性较高，求解方便：
Figure BDA0003261638540000091
其中R是摩尔气体常数(Ris the molar gas constant)，未知数包括AVTF、BVTF、Tv，只需三对粘度-温度已知量就可以得到VTF方程表达温度区间内粘度-温度的关系。
获得三组粘度-温度曲线，以此为已知量，分别求得AVTF、BVTF、Tv，将他们带入VTF方程并作图求得H-K9L高温下的温度——粘度曲线。表1为H－K9L的粘度－温度值：
温度(℃) 粘度(dPa·s)
511 10<sup>14.5</sup>
547 10<sup>13</sup>
714 10<sup>7.6</sup>
表1
图6为本发明的K9的粘度-温度关系曲线。将求得的玻璃的粘度与速度梯度0.1mm/s相乘则可以得到玻璃的压强—温度关系。为了方便与硅进行比较将温度由摄氏度转为开尔文温度。
图7为本发明以开尔文温度表示的K9的温度-压强关系曲线。
上述单位间的换算关系为：
1GPa＝100kg/mm2＝1010dPa (5)
如图7所示，在温度－压强关系曲线中的横坐标为833的点为对应的K9的Tg温度，根据图5所示的锗和硅硬度的温度依赖性关系曲线以及图7的以开尔文温度表示的K9的温度-压强关系曲线，表2中取几个具有代表性的点来表示他们的对应关系。表2为硅和K9玻璃在特定温度下的压强对比：
Figure BDA0003261638540000101
表2
从上表的数据可以看出，超过Tg温度的K9玻璃软化速度十分快，因此压制步骤不会对硅造成破坏，而在未达到Tg温度之前，玻璃体状态下的压强大于硅，压制步骤会对硅造成损坏。
进一步进行热仿真，模拟当硅质的上模具101和下模具102为590℃时与其接触的玻璃球的状况以及温度的传递状况。图8为本发明的硅材料和玻璃材料的温度传导仿真示意图。图9为硅材料和玻璃材料接触位置的放大图。其中，从图8、9可以看出尽管接触了一段时间，K9玻璃整体的温度还是差异比较大，最高和最低温度相差近100℃，真正达到Tg温度的只有艳黄色部分201，经过在热仿真，发现超过Tg的部分只有与硅模具接触部分往上深度为0.14mm的区域，图9中箭头起点接近Tg值，往下为高于Tg值，从数值上来讲是大于833K的部分为超过Tg值的部分，当电机驱动下模具使待压制玻璃球接触上模具并接触一段时间后，此时只有一小部分满足软化程度(即达到Tg值以上)，可以压制的玻璃只有一小部分，需要使电机速度慢于热传导速度，当与模具接触的玻璃温度均高于Tg值后才能继续压制，以这种方法的压制才不会损坏模具。
本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。
以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。本发明已结合例子在上面进行了阐述。然而，在本发明公开范围以内的上述实施例以外的其它实施例也同样可行。本发明的不同的特点和步骤可以以不同于所描述的其它方法进行组合。本发明的范围仅受限于所附的权利要求书。更一般地，本领域普通技术人员可以轻易地理解此处描述的所有的参数，尺寸，材料和配置是为示范目的而实际的参数，尺寸，材料和/或配置将取决于特定应用或本发明教导所用于的应用。

Claims (6)

1.一种非等温玻璃模压成型方法，包括：
加热步骤：在下模具(102)上放置待压玻璃制品(103)，电机驱动下模具(102)以一定速度上升，利用电压给下模具(102)加热，以此传热给所述玻璃制品(103)，使所述玻璃制品(103)的温度上升到玻璃的转化温度(Tg)及以上；
所述玻璃制品(103)的粘度η以下列方程定义：
Figure FDA0003261638530000011
其中f代表摩擦力，S代表接触面积，V代表速度，速度梯度
Figure FDA0003261638530000012
表现为垂直方向的下模具(102)带动电机上升的速度，当
Figure FDA0003261638530000013
时，此时单位为Pa，代表压强；
压制步骤：电机继续驱动下模具(102)继续上升，同时携带所述玻璃制品(103)位移，使玻璃制品(103)接触上模具(101)，完成压制过程；所述上模具(101)和下模具(102)由单晶硅材料制成；
退火步骤：对所述玻璃制品(103)进行慢速退火处理形成成型的透镜，将所述成型透镜在上模具(101)和下模具(102)中释放内应力；
冷却取模步骤：将退火后的成型透镜冷却至室温；将冷却后的模成型透镜从上模具(101)和下模具(102)中脱离出来。
2.如权利要求1所述的模压成型方法，其中：所述玻璃制品为玻璃球，由硼硅酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸玻璃、镧系玻璃制备。
3.如权利要求1所述的模压成型方法，其中：所述单晶硅的德拜温度为650K，在室温到350℃(623K)的区间内，硬度下降不明显，而超过350℃(623K)之后逐渐有明显的变化；其中，活化能通过下列方程(1)定义：
Figure FDA0003261638530000021
其中H为硅的硬度，T为过渡点以上的温度，k为玻尔兹曼常数，(sinh是双曲正弦函数)，改变活化能U和拟合参数A与β，精确拟合过渡点以上的温度依赖性曲线，并根据上述方程(1)拟合出硅的硬度-温度曲线。
4.如权利要求1所述的模压成型方法，其中：
在玻璃的转化(Tg)温度开始到玻璃的粘度变为104.6dPa·s对应的温度为止的温度区间，所述玻璃制品由黏性体经黏塑性体、黏弹性体逐渐转变成弹性体，所述温度区间为所述玻璃制品的加工区间。
5.如权利要求1所述的模压成型方法，其中：
所述玻璃制品(103)与上模具(101)和下模具(102)接触面随着接触程度的不同而发生改变，且所述接触面相对于硅质的上模具(101)和下模具(102)和玻璃制品(103)是一样的；对比硅质的上模具(101)和下模具(102)和玻璃制品(103)的压强关系确定某一范围的压力值和速度值使硅质的上模具(101)和下模具(102)压制玻璃制品(103)而使所述硅质的上模具(101)和/或下模具(102)不变形。
6.如权利要求5所述的模压成型方法，其中，
所述玻璃制品为K9玻璃，超过Tg温度的K9玻璃软化速度快，因此所述压制步骤不会对硅质的上模具(101)和下模具(102)造成破坏，在未达到Tg温度之前，玻璃体状态下的压强大于硅，压制步骤会对硅造成损坏。
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