CN115477464A - 一种石英玻璃模压成形装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石英玻璃模压成形装置和方法，石英玻璃模压成形装置，包括：模具、冲压件、加热件、冷却件和制动件；其中，加热件包括加热腔、电磁加热单元和红外加热单元。该装置通过电磁加热单元和红外加热单元组成复合加热系统，在复合加热系统和作用下可在10分钟内快速将加热腔内的温度升至1500℃以上，且加热温度更加均匀。与现有模压设备相比，解决了目前玻璃模压成形设备无法加热至1500℃高温的模压条件，加热效率高。
Description
技术领域
本发明涉及精密光学制造领域，具体涉及一种石英玻璃模压成形装置和方法。
背景技术
高纯度熔融石英玻璃具有极佳的光谱透过性、极低的热膨胀系数和电导率、极高的化学稳定性、耐辐照性以及在极端条件下较长的工作寿命等特点，在陀螺仪、激光线反射镜、半导体掩膜板等部件中有广泛应用。
熔融石英玻璃具有较高的软化温度，一般在1500℃左右，而目前国内及国外的模压成形设备的最高模压温度均在800℃以下，无法实现熔融石英玻璃光学元件的模压成形。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种石英玻璃模压成形装置和方法。
根据本发明的一个方面，提供一种石英玻璃模压成形装置，包括：模具、冲压件、加热件、冷却件和制动件；其中，模块包括具有成形面的第一模具和第二模具，第一模具和第二模具相对设置，且第一模具设置在第二模具的上方；冲压件包括用于冲压第一模具的按压单元；加热件包括加热腔、电磁加热单元和红外加热单元，电磁加热单元缠绕在第一模具和第二模具上，红外加热单元设置在加热腔上，加热腔被配置为在制动件的控制下，将第一模具和第二模具容置于其腔体内；按压单元与第一模具之间设置有支撑座，当第一模具和第二模具容置于加热腔内时，加热腔与支撑座抵接，以形成密闭环境；冷却件包括水冷单元和气冷单元，水冷单元设置在加热腔的外侧壁，气冷单元设置在支撑座远离第一模具一侧，并通过支撑座上设置的过孔将冷气输入加热腔内。
可选地，在根据本发明的石英玻璃模压成形装置中，其中，还包括：真空抽气件，设置在支撑座远离所述第一模具一侧；真空抽气件被配置为当第一模具和第二模具容置于加热腔内时，抽空加热腔内的空气，使得加热腔内形成真空环境。
可选地，在根据本发明的石英玻璃模压成形装置中，其中，还包括：设置在支撑座远离第一模具一侧的冷却盖板。
可选地，在根据本发明的石英玻璃模压成形装置中，其中，冲压件还包括：与按压单元连接的伺服电机，伺服电机可通过按压单元带动第一模具向着靠近第二模具的方向或远离第二模具的方向运动。
可选地，在根据本发明的石英玻璃模压成形装置中，其中，伺服电机的电缸轴上连接有压力传感器，用于检测模压过程中的模压力。
可选地，在根据本发明的石英玻璃模压成形装置中，其中，第一模具和第二模具上均设置有温度传感器，用于检测模压过程中加热腔内的温度。
可选地，在根据本发明的石英玻璃模压成形装置中，其中，支撑座上设置有卡扣单元，卡扣单元被配置为当第一模具和第二模具容置于加热腔内时，将加热腔与支撑座进行固定。
可选地，在根据本发明的石英玻璃模压成形装置中，其中，还包括：支架件，包括第一平台、第二平台和用于支撑第一平台及第二平台的多个支撑柱，第一平台和第二平台相对设置，且第一平台位于第二平台上方，加热腔和支撑台设置在第一平台和第二平台之间。
可选地，在根据本发明的石英玻璃模压成形装置中，其中，伺服电机设置在支架件外，第一平台上形成有供伺服电机的电缸轴通过的通道，伺服电机的电缸轴与上平台的接触处设置有导向定位套筒，用于防止检测模压过程中按压单元的轴向窜动。
可选地，在根据本发明的石英玻璃模压成形装置中，其中，还包括支撑工字钢和模压装置底板，机架通过底部支撑工字钢固定在模压装置底板上。
根据本发明的又一个方面，提供一种石英玻璃模压成形方法，应用与上述石英玻璃模压成形装置，包括：将待成型的石英玻璃固定在第二模具上，将形体固定在第一模具上；通过制动件将加热腔移动至可将第一模具和第二模具容置于其腔体内；启动电磁加热单元和红外加热单元对加热腔进行加热至预设温度后，通过冲压件对第一模具进行冲压预设时间；通过冷却件对加热腔进行降温，通过制动件移动加热腔，得到冲压成型后的石英玻璃。
根据本发明的又一个方面，提供一种计算设备，包括：至少一个处理器；和存储有程序指令的存储器，其中，所述程序指令被配置为适于由所述至少一个处理器执行，所述程序指令包括用于执行上述方法的指令。
根据本发明的又一个方面，提供一种存储有程序指令的可读存储介质，当所述程序指令被计算设备读取并执行时，使得所述计算设备执行上述的方法。
根据本发明的方案，通过电磁加热单元和红外加热单元组成复合加热系统，在复合加热系统和作用下可在10分钟内快速将加热腔内的温度升至1500℃以上，且加热温度更加均匀。与现有模压设备相比，解决了目前玻璃模压成形设备无法加热至1500℃高温的模压条件，加热效率高。
根据本发明的方案，通过真空抽气件能够实现真空模压，避免玻璃在模压时受内部空气影响而产生的玻璃材料在模具槽内的流动性受阻、模具氧化等问题，解决玻璃模压过程中填充不完全、面型精度低等问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100的结构示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100的正视图；
图3示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100的正视图的剖面F-F示意图；
图4示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100的侧视图；
图5示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100的侧视图的剖面E-E示意图；
图6示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100在工作状态下的等轴示意图；
图7示出了根据本发明一个实施例的单一加热方式和复合加热方式的对比示意图；
图8示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形方法800。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
目前，熔融石英光学玻璃材料加工光学元件主要采用传统的冷加工工艺，例如研磨、抛光等。这种加工方式适用于小批量制造，但难以实现大批量的稳定制造。此外，针对微结构光学元件，由于磨削抛光工具尺寸限制，无法实现熔融石英光学玻璃的结构光学元件加工。而玻璃模压成型技术则可望有效解决这些难题，实现光学玻璃元件的大批量、高效率、高精度制造。该技术利用玻璃从熔融态向固态转化过程的连续可逆的热加工性质，在高温、无氧的条件下通过模具对玻璃毛坯施加一定的压力，从而将模具型面的形状复制到受热软化的玻璃表面上，再经退火冷却固化，得到所要求的光学设计表面。与传统冷加工技术相比，该技术属变形加工，可大幅度减少原材料消耗，降低制造成本，同时具备重复精度高、无污染、净成型、可批量化生产等优势，而且模压成型后的光学玻璃元件的热稳定性、热膨胀、硬度等物理性能和折射率、阿贝数等光学性能都优于传统冷加工技术，开创了大批量、高效率制造非球面玻璃透镜的新时代，被认为是国际上最具革命性的光学制造技术之一。
虽然模压成型技术可实现玻璃光学元件的大批量、高效率、高精度制造，但目前的模压成形技术主要是针对低转变点光学玻璃，一般转变点温度Tg≤550℃，而熔融石英玻璃具有较高的软化温度，一般在1500℃左右。因此，无法实现熔融石英玻璃光学元件的模压成形。
为解决上述现有技术中存在的问题，提出本发明的方案。本发明的一个实施例提供了一种石英玻璃模压成形装置100。参考图1-6，其中，图1示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100的结构示意图。图2示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100的正视图。图3示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100的正视图的剖面F-F示意图。图4示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100的侧视图。图5示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100的侧视图的剖面E-E示意图。图6示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形装置100在工作状态下的等轴示意图。
如图1-6所示，石英玻璃模压成形装置100包括冲压件110、模具120、加热件130、冷却件140、制动件150、支架件160、真空抽气件170、支撑工字钢180和模压装置底板190。
其中，支架件160包括上平台162(第一平台)、下平台164(第二平台)和多个支撑柱166。多个支撑柱166均匀设置在上平台162和下平台164之间。
冲压件110包括伺服电机112、设置在伺服电机112的电缸轴一端的按压装置114、电机支架116和导向定位套筒118。
电机支架116设置在上平台162的上表面，伺服电机112设置在电机支架116上，实现模压过程中的伺服加载。优选地，伺服电机匹配有对应的编码器，可实时计算模压过程中的加载位移。上平台162上形成有供伺服电机112的电缸轴通过的通道，导向定位套筒118设置在该通道处，防止冲压件在模压过程中的轴向窜动。在一些实施例中，伺服电机112的电缸轴上配置有压力传感器1120，用来检测模压过程中的模压力。
模具120包括上模具(第一模具)122和下模具(第二模具)124，其中，上模具122与按压装置114通过支撑座123连接，按压装置144通过伺服电机112可带动上模具122向上或向下移动。如图2所示，上模具122和下模具124被配置为圆柱状，二者之间形成有用于放置石英玻璃200的容置腔126，石英玻璃200可固定在下模具124上，用于对石英玻璃200进行塑形的形体固定在上模具122上，当上模具122向靠近下模具124方向靠近时，通过上模具122和下模具124之间的挤压力，可在石英玻璃200上形成上述形体的形状。
在一些实施例中，支撑座123的四角均安装有加载导杆1220，加载导杆1220的一端焊接在上模具122上，另一端从上平台162上穿过。以保证支撑座123随着电缸主轴的伸缩在竖直方向上线性移动。支撑座123的整体结构可在加载导杆1220的导向下上下移动。
加热件130包括加热腔132、电磁加热单元134和红外加热单元136。加热腔132为内部中空且上部设有开口的结构，当成形装置100在工作状态下时，开口与支撑座123抵接，将上模具122和下模具124容置在腔体内。
电磁加热单元132缠绕在上模具122和下模具124上，通电后即可实现电磁加热，电磁感应加热金属模具的加热功率公式为：
其中，Q为总热量，单位为J；c为被加热金属的平均比热容，单位为kal/(kg.℃)；T为模具升高温度，单位为℃；G为被加热金属的总质量，单位为kg；t为升温所用的时间，单位为s。计算可得电磁感应加热功率Pd＝7.86kW，考虑到加热过程中的升温能力和要求，外加10～15％的裕度，故最终功率为9kW。
红外加热单元136设置在加热腔132的外侧壁上，其包括红外加热管1360，外加热管1360由高温镍铬电炉丝进行加热，功率为5kW，合计14kW。
加热件130采用电磁加热和红外加热的复合加热方式，参考图7，图7示出了根据本发明一个实施例的单一加热方式和复合加热方式的对比示意图。可见，采用复合加热方式加热效率更快，在10分钟内可将温度快速升高至1500℃，而且加热更加均匀。
在一些实施例中，支撑座123的上表面上设置有冷却盖板1230，用来隔绝模压过程中加热腔132内的温度。
在一些实施例中，上模具122和下模具124上分别设置有温度传感器1220和1240，用于检测模压过程中加热腔132内的温度。
冷却件140包括水冷单元142和气冷单元144。
其中，水冷单元142包括设置在加热腔外侧的炉体水冷却板1422和冷水管入口1424。通过冷水管1424注入循环冷却水至炉体水冷却板1422中，可隔绝加热件130在工作时，加热腔132的温度，并且，在加热件130结束工作时对加热腔132进行冷却。
气冷单元144包括设置在支撑座123上的注气口1440，以及配有气流阀和导气管的模压支撑杆1442。注气口1440穿过支撑座123与加热腔132导通。模压支撑杆1442贯穿上述加热腔，在模压退火冷却阶段通过从注气口1440注入制冷气体进行石英玻璃200光学元件的急速冷却，随后，制冷气体通过模压支撑杆1442排出。优选地，制冷气体可以为氮气。
真空抽气件170设置在支撑座123上，并穿过支撑座123与加热腔132导通。用于在在模压开始前，通过真空抽气件170将加热腔132内的空气抽空形成真空，以现真空模压，避免石英玻璃200在模压时受内部空气影响而产生的玻璃材料在模具槽内的流动性受阻、模具氧化等问题，解决玻璃模压过程中填充不完全、面型精度低等问题。
制动件150包括底座152、多个可上下升降的导向杆154和升降气缸156。其中，加热腔132与底座152相连接，底座152被配置为与导向杆154相配合，导向杆154升降气缸156连接，在升降气缸156的作用下可实现加热腔132的上下移动。
支撑座123上设置有卡扣单元1230，卡扣单元1230被配置为当加热腔132被制动件150移动至上部与支撑座123相接触时，通过卡扣单元1230将支撑座123和加热腔132进行固定。优选地，卡扣单元1230为含电机驱动的定位卡扣，定位卡扣可360度旋转。
支架件160过底部支撑工字钢180固定安装在模压装置底板190上。
本实施例提供的石英玻璃模压成形装置100，通过电磁加热单元134和红外加热单元136组成复合加热系统，在复合加热系统和作用下可在10分钟内快速将加热腔内的温度升至1500℃以上，且加热温度更加均匀。与现有模压设备相比，解决了目前玻璃模压成形设备无法加热至1500℃高温的模压条件，加热效率高。
图8示出了根据本发明一个实施例的石英玻璃模压成形方法800。方法800应用于上述的石英玻璃模压成形装置100，包括：
步骤802，将待成型的石英玻璃固定在第二模具上，将形体固定在第一模具上。
步骤804，通过制动件将加热腔移动至可将第一模具和第二模具容置于其腔体内。
步骤806，启动电磁加热单元和红外加热单元对加热腔进行加热至预设温度后，通过冲压件对第一模具进行冲压预设时间。
步骤808，通过冷却件对加热腔进行降温，通过制动件移动加热腔，得到冲压成型后的石英玻璃。
需要说明的是，本实施例提供的方法800的工作原理及流程与上述装置100相似，相关之处可参考对上述装置100的描述，在此不再赘述。
A11、如A1所述的装置，其中，所述支撑座上设置有卡扣单元，所述卡扣单元被配置为当所述第一模具和第二模具容置于所述加热腔内时，将所述加热腔与所述支撑座进行固定。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种石英玻璃模压成形装置，包括：
模具、冲压件、加热件、冷却件和制动件；
其中，所述模块包括具有成形面的第一模具和第二模具，第一模具和第二模具相对设置，且第一模具设置在第二模具的上方；
所述冲压件包括用于冲压所述第一模具的按压单元；
所述加热件包括加热腔、电磁加热单元和红外加热单元，所述电磁加热单元缠绕在所述第一模具和第二模具上，所述红外加热单元设置在所述加热腔上，所述加热腔被配置为在所述制动件的控制下，将所述第一模具和第二模具容置于其腔体内；
所述按压单元与所述第一模具之间设置有支撑座，当所述第一模具和第二模具容置于所述加热腔内时，所述加热腔与所述支撑座抵接，以形成密闭环境；
所述冷却件包括水冷单元和气冷单元，所述水冷单元设置在所述加热腔的外侧壁，所述气冷单元设置在所述支撑座远离所述第一模具一侧，并通过支撑座上设置的过孔将冷气输入所述加热腔内。
2.如权利要求1所述的装置，其中，还包括：
真空抽气件，设置在所述支撑座远离所述第一模具一侧；
所述真空抽气件被配置为当所述第一模具和第二模具容置于所述加热腔内时，抽空所述加热腔内的空气，使得所述加热腔内形成真空环境。
3.如权利要求1所述的装置，其中，还包括：
设置在所述支撑座远离所述第一模具一侧的冷却盖板。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述冲压件还包括：
与所述按压单元连接的伺服电机，所述伺服电机可通过所述按压单元带动所述第一模具向着靠近所述第二模具的方向或远离所述第二模具的方向运动。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述伺服电机的电缸轴上连接有压力传感器，用于检测模压过程中的模压力。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一模具和第二模具上均设置有温度传感器，用于检测模压过程中加热腔内的温度。
7.如权利要求4所述的装置，其中，还包括：支架件，包括第一平台、第二平台和用于支撑所述第一平台及第二平台的多个支撑柱，所述第一平台和第二平台相对设置，且所述第一平台位于所述第二平台上方，所述加热腔和支撑台设置在所述第一平台和第二平台之间。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述伺服电机设置在所述支架件外，所述第一平台上形成有供所述伺服电机的电缸轴通过的通道，伺服电机的电缸轴与所述上平台的接触处设置有导向定位套筒，用于防止检测模压过程中所述按压单元的轴向窜动。
9.如权利要求7所述的装置，其中，还包括支撑工字钢和模压装置底板，所述机架通过所述底部支撑工字钢固定在模压装置底板上。
10.一种石英玻璃模压成形方法，应用于如权利要求1-9任一项所述的石英玻璃模压成形装置，包括：
将待成型的石英玻璃固定在第二模具上，将形体固定在第一模具上；
通过所述制动件将所述加热腔移动至可将所述第一模具和第二模具容置于其腔体内；
启动电磁加热单元和红外加热单元对加热腔进行加热至预设温度后，通过所述冲压件对所述第一模具进行冲压预设时间；
通过所述冷却件对所述加热腔进行降温，通过制动件移动所述加热腔，得到冲压成型后的石英玻璃。
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