CN1302280A - 光学元件的成形方法及其成形装置 - Google Patents

光学元件的成形方法及其成形装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种易于控制玻璃原材料的形状变化、成形模和玻璃原材料无损伤的简易稳定的光学元件的成形方法和成形装置。该装置包括:用来对玻璃原材料(1)加热进行成形加工的、与内含有加热器(6a)的加热体(15)结合的上模(2);与内含有加热器(6b)的加热体(16)结合的下模(3);设置多个成形压力的上轴(7)、下轴(8)和气缸(9);夹持搬运玻璃原材料(1)的喷嘴(13);设置有槽(12)的旋转台(11);对所述模的移动速度进行运算和控制的装置;相应于所述模的移动速度使成形压力逐渐减小和逐渐增加的运算和控制装置;检测模的位移量的传感器(10);相应于比所述玻璃原材料(1)的转变点高的设定温度、模的位移量、模的移动速度进行成形控制的装置。

Description

光学元件的成形方法及其成形装置
本发明涉及用模子压力成形加工形成玻璃制品，即诸如玻璃透镜等的光学元件的光学元件的成形方法及其成形装置。
迄今为止，作为一般的用玻璃原材料形成光学元件等的成形加工，是通过检测一对上、下模的温度，将模子加热到高于玻璃原材料转变点温度但低于其软化温度的、可对玻璃原材料成形加工的温度，通过加压等施加成形压力来进行的。
在这种现有的成形加工方法中，光学元件的精度是很重要的问题。玻璃的热膨胀系数在比转变点高的高温区比低于转变点的低温区大几倍，是很大的数值。因此，在高温区通过加压等进行成形加工时，即使在刚刚成形加工后达到了预定的精度，由于冷却到转变点以下的温度时成形制品大量收缩，很难得到期望的精度。
为了解决这一课题，至少在加压等成形加工中最后要合模时，使成形制品的玻璃原材料的温度尽量接近转变点温度。但是，直接测定玻璃原材料的温度很困难，而且因测定位置不同温度也有差别，通过测定模子温度进行推测，成形加工控制的精度提高受到限制。
本发明的光学元件的成形方法，是将玻璃原材料放置在一对上、下模之间，检测所述模的温度并进行控制，将所述模和所述玻璃原材料加热而进行成形加工，该成形方法包括下列步骤：
a)在加热到预定的预热温度T1并保持在该温度下的所述上、下模之间，放置玻璃原材料的步骤；
b)然后，根据预定的升温指令对所述模和所述玻璃原材料控制并加热的步骤；
c)当所述模的温度到达比所述玻璃原材料的转变点T3高的预定温度T2时，以可使所述玻璃原材料变形的变形负荷的压力P1，使所述玻璃原材料和所述模接触，并移动所述上、下模的至少一个的步骤；d)然后，借助于所述模的位移量S1检测出伴随所述玻璃原材料软化的变形，之后紧接着继续施加不小于上述压力P1的压力P2，同时检测出玻璃原材料的变形速度，确认在玻璃原材料的粘力和压力P2相平衡的状态下经过了不短于预定时间的步骤；
e)然后，将所述压力P2替换成比P2小的压力P3的步骤；
f)然后，根据预定的降温指令对所述玻璃原材料和所述模的温度进行控制并冷却，在确认到达转变点T3以下时，释放成形压力的步骤；以及
g)然后，移动所述上、下模的至少一个，并继续冷却，到达所述预热温度T1后，将成形加工后的光学元件取出的步骤。
根据本发明，在玻璃原材料加热到比转变点温度T3高的温度之前，玻璃原材料和模子不接触。用模子的位移量检测玻璃原材料的变形量，向压力P2切换，促进向预定模形状的变形。另外，由在玻璃原材料的转变点T3附近的热膨胀系数变化，用压力P2可强制加压减少成形制品的收缩差和模子材料的收缩差。
上述的本发明的目的在于，不仅可以直接掌握玻璃原材料的加工温度，而且还不损伤上、下模和玻璃原材料，并能稳定地进行加压等的成形加工。
本发明的另一目的在于，在成形加工时，将所述成形压力控制为相应于所述玻璃原材料的变形速度逐渐减小或逐渐增加，从而可以提高成形加工的精度。
本发明的又一目的在于，用气缸和电动气动比例阀进行所述模的成形压力控制，可不必采用伺服结构等从而成本低廉。
本发明的再一目的在于，借助于所述模的移动速度可容易地检测所述玻璃原材料的变形速度。
本发明的另一目的在于，借助于所述模的移动速度变为零可容易地检测所述玻璃原材料的粘力和所述压力P2的平衡状态。
本发明提供一种光学元件的成形装置，其中将玻璃原材料放置在一对上、下模之间，检测并控制所述模的温度，对所述模和所述玻璃原材料加热进行成形加工。
为了确实实现通过成形加工得到高精度光学元件的目的，该成形装置包括：
a)至少将成形压力设置成成形加工负荷的压力P2、和比所述压力P2小的变形负荷的压力P1的装置；
b)可相应于所述模的移动速度使成形压力逐渐减小和逐渐增加的运算和控制装置；
c)在成形压力保持在所述压力P1的状态下检测所述模的位移量的装置；
d)在成形压力保持在所述压力P2的状态下对所述模的移动速度进行运算和控制的装置；以及
e)具有相应于比所述玻璃原材料的转变点T3高的设定温度T2、所述模的位移量S1、所述模的移动速度进行成形控制的动作指令装置的控制驱动部。
根据本发明的成形装置，设置了用来夹持和搬送玻璃元件和成形加工后的光学元件的喷嘴和旋转台，具有可用同一机构搬送玻璃原材料和光学元件的优点。
而且，根据本发明的成形装置，用气缸作为模子的驱动源，具有装置的结构简易的优点。
图1是根据本发明实施例的光学元件的成形装置的主要部分的正面剖视图；
图2(a)～(c)分别是同一成形过程中的温度、位移和压力的特性图。
下面，结合附图说明本发明的一个实施例。
图1是根据本发明实施例的光学元件的成形装置的主要部分的正面剖视图；图2(a)～(c)分别是同一成形过程中的温度、位移和压力的特性图。
根据本发明的一个实施例的光学元件的成形装置，如图1所示，由下列部分构成：对形成光学元件的成形加工之前的玻璃原材料2进行成形加工用的、由优质钢等形成的上模2、与该上模2对应的同样的下模3、由金属材料形成的固定并夹持上模2的上夹具4、同样地固定并夹持下模3的下夹具5。在其单面上固定上模4的加热体15内藏有加热器6a，通过由耐热金属材料或陶瓷等形成的上轴7结合固定在本体构架14内侧的一个表面上。
下轴8由摩擦阻力小的气缸9驱动，密封贯通本体构架14的一个表面，自由地上下移动。加热体16的一个表面上固定有下夹具5，另一个表面上固定下轴8的前端面，且加热器6b内藏在加热体16中。
在本装置中，在由本体构架14分开的里面和外面，设置旋转搬运玻璃原材料1和光学元件的可自由旋转的旋转台11，并设置吸附或夹持玻璃原材料1或光学元件、并在下模3和槽12之间自由移动的喷嘴(nozzle)13。而且，在旋转台11的一个表面上设置检测下轴8即下模3的位移量的传感器10、和用来插入并载置玻璃原材料1和成形加工的光学元件制品的多个槽12。
下面用图1、图2说明其动作。向设置在成形加工机一侧面上的旋转台11上设置的槽12中提供玻璃原材料1。然后，驱动旋转台11旋转，在本体构架14的内部将玻璃原材料1送到充有不活泼气氛的成形加工机内部。
在成形加工机内，喷嘴13夹持并搬运玻璃原材料1(图中未示出喷嘴的驱动机构)。为了缩短将玻璃原材料1升温到其转变点T3以上的设定温度T2的时间，使下模3保持在比预定转变点温度T3低的预热温度T1。然后把玻璃原材料1供到下模3中。
确认玻璃原材料1供到下模3中之后，内藏有上、下加热器6a、6b的加热体15、16，通过预定的升温指令和控制对上模2和下模3进行加热。(图中未示出控制和加热机构。)
上模2和下模3的温度到达设定温度T2后，借助于电动气动比例阀(图中未示出)的摩擦阻力小的气缸9将下模3上升，使玻璃原材料1和上模2、下模3保持接触。此时的变形负荷的压力P1的大小为可以在温度T2下使玻璃原材料1变形。
虽然玻璃原材料1在常温下坚固且不易损伤，但容易损伤成形模。但是，随着温度的升高，玻璃原材料1的粘度降低，一旦温度超过其转变点T3，玻璃原材料1就软化，可以变形。
在玻璃原材料1充分软化的设定温度T2的状态下，将其夹在上模2和下模3之间，加工机确认玻璃原材料1开始急速变形的位移量S1。然后紧接着，在保持设定温度T2的同时，将成形加工负荷切替成比变形负荷的压力P1大的压力P2，一直进行玻璃原材料1的成形。而且，直到加工机到达玻璃原材料1的粘度造成的粘力与压力P2相平衡的状态，都保持压力P2和设定温度T2。
此时，为了使玻璃原材料1更快地接近预定的成形加工形状，基于玻璃原材料1的特性，优选地，以使成形加工负荷的压力逐渐增加或逐渐减小的方式对加工机进行运算和压力控制(图中未示出控制机构)。
传感器10检测出下模3的移动和经过的时间，计算并求出玻璃原材料1的变形速度。检测出玻璃原材料1的粘力和压力P2相平衡的状态，即位移的变化速度充分接近零的阶段，加工机将成形加工负荷的压力P2切替成比压力P2稍小的压力P3。压力切替后，将玻璃原材料1和上模2、下模3的温度控制切替为根据预定的降温指令进行冷却控制，而不会对成形制品的表面和光学特性产生影响。另外，压力P2和压力P3相等也是可以的。
加工机以对玻璃原材料1无损伤的方式根据降温指令冷却控制(图中未示出冷却控制机构)进行冷却，一直冷到比玻璃原材料1的转变点T3低的预热温度T1。此时，加工机由于在转变点温度T3附近，因热膨胀系数变化导致的成形制品的收缩差和上、下模材料的收缩差被比压力P2稍小的压力P3强行挤压而减小。由此，不仅可以一直正确地掌握玻璃原材料1的温度和上、下模温度，还可以使加工机稳定地进行压力加工等的成形加工。
在确认玻璃原材料1到达转变点温度T3以下的温度后，气缸9把成形加工后的光学元件和下模3一起下降。继续冷却到预热温度T1后，喷嘴13吸附或夹持光学元件并移动到槽12中，使旋转台11旋转驱动，把光学元件取到成形加工机外面。从而结束该加工过程。
根据本发明的光学元件的成形方法和其装置，不仅可以直接掌握玻璃原材料的加工温度，可确实成形加工得到高精度的光学元件，而且还可以不损伤上、下模和玻璃原材料，并能稳定地进行光学元件的成形加工。

Claims (8)

1．一种光学元件的成形方法，其中将玻璃原材料放置在一对上、下模之间，检测所述模的温度并进行控制，将所述模和所述玻璃原材料加热而进行成形加工，该成形方法特征在于包括下列步骤：
a)在加热到预定的预热温度T1并保持在该温度下的所述上、下模之间，放置玻璃原材料的步骤；
b)在所述步骤a)后，根据预定的升温指令对所述模和所述玻璃原材料控制并加热的步骤；
c)接着所述步骤b)，当所述模的温度到达比所述玻璃原材料的转变点T3高的预定温度T2时，以可使所述玻璃原材料变形的变形负荷的压力P1，使所述玻璃原材料和所述模接触，并移动所述上、下模的至少一个的步骤；
d)在上述步骤c)后，用所述模的位移量S1检测出伴随所述玻璃原材料软化的变形，之后紧接着继续施加不小于上述压力P1的压力P2，同时检测出玻璃原材料的变形速度，确认在玻璃原材料的粘力和压力P2相平衡的状态下经过了不短于预定时间的步骤；
e)在所述步骤d)后，将所述压力P2替换成比P2小的压力P3的步骤；
f)在所述步骤e)后，根据预定的降温指令对所述玻璃原材料和所述模的温度进行控制并冷却，在确认到达转变点T3以下时，释放成形压力的步骤；以及
g)在所述步骤f)后，移动所述上、下模的至少一个，并继续冷却，到达所述预热温度T1后，将成形加工后的光学元件取出的步骤。
2．根据权利要求1所述的光学元件的成形方法，其中：在所述步骤c)、d)、e)、f)中，将所述成形压力控制为相应于所述玻璃原材料的变形速度逐渐减小或逐渐增加。
3．根据权利要求1或2所述的光学元件的成形方法，其中：用气缸和电动气动比例阀进行所述模的成形压力控制。
4．根据权利要求1所述的光学元件的成形方法，其中：借助于所述模的移动速度来检测所述玻璃原材料的变形速度。
5．根据权利要求4所述的光学元件的成形方法，其中：借助于所述模的移动速度变为零来检测所述玻璃原材料的粘力和所述压力P2的平衡状态。
6．一种光学元件的成形装置，其中将玻璃原材料放置在一对上、下模之间，检测并控制所述模的温度，对所述模和所述玻璃原材料加热进行成形加工，该成形装置特征在于包括：
a)至少将成形压力设置成成形加工负荷的压力P2、和比所述压力P2小的变形负荷的压力P1的装置；
b)可相应于所述模的移动速度使成形压力逐渐减小和逐渐增加的运算和控制装置；
c)在成形压力保持在所述压力P1的状态下检测所述模的位移量的装置；
d)在成形压力保持在所述压力P2的状态下对所述模的移动速度进行运算和控制的装置；以及
e)具有相应于比所述玻璃原材料的转变点T3高的设定温度T2、所述模的位移量S1、所述模的移动速度进行成形控制的动作指令装置的控制驱动部。
7．如权利要求6所述的光学元件的成形装置，其中还包括：f)夹持和搬运玻璃元件和成形加工后的光学元件的喷嘴、以及旋转台。
8．如权利要求6或7所述的光学元件的成形装置，其中：作为所述模的驱动源，采用气缸。
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