CN1740105A - 制造火抛光玻璃坯的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造火抛光玻璃坯的悬浮工艺，其中当玻璃毛坯被注入包括多孔材料膜的悬浮模具时，膜和玻璃坯之间的在进料开始时高的通流被减小。

Description

制造火抛光玻璃坯的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用低粘度玻璃制造火抛光(fire-polished)的玻璃坯的悬浮方法和设备，其特别用于制造具有高质量光学性能的精密压制光学元件。

背景技术

已知精密压制预成形玻璃毛坯(以下称为玻璃坯)以制造具有高质量光学性能和高精度表面结构和质量的光学元件，例如用于制造折射和衍射元件和透镜，特别是非球面透镜。

精密压制避免了用于光学元件的至少一个表面的精密形成的时间消耗和昂贵的铣削、研磨和抛光的需要。精密压制通常通过对玻璃坯重新加热并将它压入高质量模子中来实现。这种工序特别用于以铣削、研磨和抛光形成元件的相对复杂的表面结构困难和费力的情况下。

由于玻璃坯中的缺陷会转移到最终产品上并例如导致成像畸变，所以对玻璃坯的均匀性和表面质量提出了高的要求。具有缺陷的玻璃坯意味着最终产品将不再可用。

玻璃坯通常从玻璃熔化物直接得到，通过冷却已经注入模具而没有直接与模具表面接触的玻璃毛坯，产生已知为火抛光表面的玻璃坯。

在本文中，使用悬浮工艺得到产品，其中气垫形成在已经被注入的玻璃毛坯和模具之间，因此避免了直接接触。将模具设计为已知的悬浮模具，即可渗透气体，以便适当体积的气流能出现在模具表面。已经部分注入悬浮模具的熔化玻璃在悬浮模具中冷却，并且在玻璃的表面张力、重力和形成在模具表面和玻璃毛坯之间的气垫的压力的作用下，形成为近似模具的形状，而气垫防止了它与模具接触。

作为示例，为了将玻璃毛坯注入悬浮模具，已知对于已经通过针型送料器(needle feeder)分配的玻璃毛坯汇集在悬浮模具中，气体通过该模具流动。在填充操作期间，悬浮模具以玻璃毛坯的顶端与送料器喷嘴之间的距离保持不变的方式向下移动。当针关闭时，在送料器端部处的玻璃毛坯收缩并分离。为了有助于该分离，悬浮模具可以以增加的速度向下移动。

使用悬浮工艺来制造火抛光玻璃坯以及进一步通过精密压制处理它们是很久以前就公知的。相应的工艺和适合实现该工艺的模具在例如DE-C 24 10 923中描述。

然而，这种工序已经被证明是非常复杂的，特别是对于低粘度玻璃，这是由于玻璃复杂的性质，特别是在进料(infeed)和冷却处理期间。

制造玻璃坯时包含的工序基本上取决于玻璃毛坯的量、将要制造的玻璃坯的外形以及玻璃的粘度特性。当将玻璃毛坯注入模具时，在所需的气垫的最佳产生和设置以及关于冷却和成形过程的曲线的控制期间，在这些工序中产生问题。不稳定的工序导致玻璃坯的质量下降，具有气泡、条痕、表面缺陷和/或冷却波纹。

为了改进注入玻璃和成形玻璃坯时的工序，在US 2002/0062660 A1中提出了以对准目标的方式控制气体的流速以产生最佳的气垫。在第一步中，向下流动的熔化的玻璃毛坯汇集在悬浮模具中，在第二步中模具以增加的速度(高于玻璃毛坯向下流动的流速)向下运动，以及在第三步中已经被注入的玻璃毛坯成形于气垫上。第一步以低于第三步中流速的气体流速完成；第一步中的流速甚至可以为零。

然而，利用这种类型的工序，玻璃毛坯在注入时可能与模具接触，这将导致质量下降，即，在玻璃坯中产生冷却波纹和表面缺陷。此外，在这种类型的工序期间玻璃可能粘住模具，封锁住模具中的孔。从而，模具不能再使用或至少清除起来很费事。

发明内容

因此，本发明的目的在于进一步提高玻璃坯的质量以及提供一种更有效的生产方法。

这些目的是通过权利要求1和24所述的方法和设备实现的。有利的实施例在进一步的权利要求中描述。

根据本发明的用于制造火抛光玻璃坯的方法为悬浮工艺并且包括以下步骤：

-将熔化的玻璃毛坯注入能渗透流体的第一半模具；

-在第一半模具中冷却玻璃毛坯；

-当玻璃毛坯被注入和冷却时，让流体通过第一半模具，使第一流体垫形成在第一半模具和玻璃毛坯之间；

-至少当玻璃毛坯被注入时，玻璃毛坯和第一半模具之间的流体的通流(through-flow)减小同时仍然维持第一流体垫；以及

-为了产生第一流体垫，让流体流过包括能渗透流体的多孔材料的第一半模具。

第一半模具至少在子区域、优选在第一半模具中的坑或凹口区域中具有通过它的流体，允许用于形成气垫的流体均匀地流出并分布在第一半模具的多孔区域的表面上，面对玻璃毛坯的第一半模具有流体流过。

在玻璃毛坯和第一半模具之间的流体的通流尤其作为玻璃毛坯的粘度和几何形状的函数进行设置和减小。

在进料的起始时设置的最大通流以已经注入的玻璃毛坯可以形成玻璃坯而不与半模具接触的方式设置。在本文中，由于半模具的多孔性以及借助于极精细分布孔的流体的相关均匀排出，可能在半模具中产生高通流而没有流体流过玻璃毛坯，流体流过玻璃毛坯使玻璃坯不能用。

通流的起始值基本上由进料期间玻璃毛坯的粘度确定。用于减小通流的曲线取决于进料和冷却期间玻璃坯的几何形状和玻璃毛坯的粘度曲线。例如，与相同体积的具有更显著的凸面几何形状的玻璃坯相比，具有微小凸面几何形状的玻璃坯的通流能更快地减小并达到更低的水平。

粘度表示玻璃的材料特性并取决于玻璃的化学成份。粘度具有高的温度相关性，并且对于所有玻璃粘度-温度曲线基本上具有相同的特性、基本上连续的曲线。在室温下粘度的范围为从＜10dPa*s(熔化状态)至10¹³dPa*s。实际上，通常在三种粘度范围，即熔化范围、工作范围和冻结范围之间有所区别。

在本发明的范围中，术语低粘度玻璃用于表示熔化范围从700℃至1500℃、工作范围从500℃至1100℃的玻璃。这种类型的玻璃例如包括磷酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃、Fluorglas、镧玻璃以及重火石玻璃。

将玻璃毛坯注入悬浮模具中，即注入第一半模具中，优选在玻璃毛坯的粘度在熔化范围时发生，特别是在＜10²dPa*s的粘度时利用针型送料器注入低粘度玻璃毛坯。

在根据本发明方法的有利实施例中，当使用低粘度破璃毛坯时，在玻璃毛坯和第一半模具之间的流体的通流从20l/min(标准状态下)减小到足够维持流体垫的最小水平。

通流的减小可以连续和不连续地进行。

通流的设置和减小例如可以使用比例控制阀来实现，优选使得玻璃毛坯和第一半模具之间的间隙尽可能最小化，同时玻璃毛坯放置在半模具中的固定位置中，由此放置良好的玻璃坯圆度。

此外，优选地一旦达到Littleton点附近的玻璃毛坯粘度，在玻璃毛坯的冷却期间将玻璃毛坯和第一半模具之间的流体通流再次增大是可能的。Littleton点也已知为软化点。Littleton点附近的粘度近似为10^7.6dPa*s。

在更有利的实施例中，利用针型送料器将玻璃毛坯注入第一半模具中。为此，第一半模具设置在送料器喷嘴之下，垂直向下流动的熔化玻璃毛坯汇集在第一半模具中，其中送料器喷嘴的尖端和玻璃毛坯的顶面之间的距离保持恒定。

玻璃毛坯以所属领域技术人员公知的方式按部分添加。为了有助于玻璃毛坯的分离，可以在进料结束时增加送料器喷嘴的尖端和玻璃毛坯的顶面之间的距离。

进料也可以使用另外的分配方法特别是包括不留下切割标记的方法来实现。

在根据本发明方法的更有利的结构中，在玻璃毛坯已经注入之后，第二流体垫形成在玻璃毛坯的顶面和能渗透流体的第二半模具之间。

为此，第一半模具例如可以从送料器喷嘴移动到第二半模具，以便第一半模具以所需的距离被精确地设置在第二半模具下。

第二流体垫可以用于最优化玻璃毛坯的冷却，由此避免不希望的收缩，以及用于成形玻璃坯的顶面。

此外，这允许玻璃坯固定在两个流体垫之间，以致于玻璃坯保持在模具中的固定位置上而不移动，其结果为同样确保了好的圆度。这在下述情况中是特别有利的，即如果该方法使用旋转装置实现，作为旋转器经常启动和减速的结果，旋转装置上模具中的玻璃坯将摇动。

第二半模具优选同样包括能渗透流体的多孔材料，特别是和第一半模具相同的多孔材料。

优选使用纯净的、工业级的气体，特别是纯净的空气，作为产生第一和/或第二流体垫的流体。

优选第一半模具和/或第二半模具对于流体具有从1*10^-14m²至30*10^-14m²的渗透率k。通常，流体不流过垂直于模具表面整个模具，而是主要流过需要在玻璃毛坯和半模具之间形成流体垫的模具区域。

渗透率为气体或液体(流体)通过多孔材料体的流量的度量。一个物体的渗透率k近似地由达西定律(Darcy`s law)定义，为：

                   k＝(q*μ*l)/(Δp*A)

其中：

k＝渗透率；

q＝流体通过物体的流速；

μ＝流体的粘度；

Δp＝流体流过物体时流体的压降；

l＝在流体流过物体的方向上物体的长度；以及

A＝流体流过的物体的截面区域；

上式是在近似为层流状态、恒压和恒温的条件下。具有预定几何形状的物体的渗透率对于具有预定粘度的流体是恒定的。

如果流体通过物体的流速减小，那么在流体流过物体时将观察到流体中的压降成比例地变化。

优选使用的多孔材料是烧结材料。在本发明的范围中，术语烧结材料应理解为包括由粉末金属固结成体的粉末冶金产品。烧结为物体提供强度。粒度、粒度分布、容积密度、微粒表面积和摩尔量的有目标的选择决定了烧结体的孔隙度以及它的渗透率。

下述烧结材料特别适合：基于耐蚀和耐热的铬-镍合金、镍-铜合金和/或镍-铬-钼合金，特别是铬镍铁合金(Inconel)600，或多孔非氧化陶瓷，特别是SiC、Si₃N₄或石墨，其对于气体尤其是空气具有适当的孔隙度、使得它们能经受住至少400℃温度的高温稳定性、以及足够的尺寸稳定性和耐压强度。

作为冷却期间玻璃毛坯的体积收缩的结果，玻璃坯的顶面可以收缩。凹面可能形成，但如果凹面过分显著会使得玻璃坯不适合随后的压制工艺。

在该方法的进一步有利的结构中，为了优化冷却工艺以及避免表面收缩，在玻璃毛坯被注入后将其有效地冷却。该有效冷却例如可以经由使冷却气体通过上述第二半模具，或者使用空气成形器(air shaper)来实现。

最优化冷却的进一步选择是以水雾喷射玻璃坯或改变玻璃坯附近的大气湿度。

由于热辐射，高熔点玻璃冷却更快。为了在冷却期间保持由高熔点玻璃构成的玻璃毛坯的内部区域和该玻璃毛坯的处于低水平的外部区域之间的温度差，并由此避免玻璃坯中的高压力和由此引起的裂缝和损伤的形成，对于这种类型的玻璃毛坯在其注入以后从上方加热是有利的。

为此，作为例子，IR(红外)辐射加热器或对流加热器可以放置在玻璃毛坯的上方。此外，将反射玻璃毛坯的热辐射的表面或耐火绝缘盖设置在玻璃坯上方也是可能的。

附图说明

下面基于示例性的实施例解释本发明。在附图中：

图1概略地描述了从上方冷却的、已经注入第一半模具的玻璃毛坯，以及

图2示出了当注入玻璃毛坯时作为玻璃粘度函数的通流曲线。

具体实施方式

根据本发明的方法通过基于由镧重火石玻璃例如Schott玻璃N-LaSF43制造玻璃坯的示例进行描述。将制造的玻璃坯的直径为15mm，其高度为7mm，其体积为0.9cm³。玻璃坯一般的体积在0.1cm³和5cm³之间，直径为近似4mm至40mm，以及最小厚度为5mm。

这种类型的玻璃坯例如适合应用于数码相机或数字投影机的透镜或其它光学元件的精密压制。

玻璃坯在第一半模具2中制造，这在图1中概略地描述。第一半模具2被设计为悬浮模具并固定到模具台4。模具台4设置在旋转装置(未示出)上以便它能在垂直方向移动，其中多个模具台4定位于旋转装置上。旋转装置将模具台4传送到各个工艺位置，例如玻璃毛坯1的注入，玻璃毛坯1的冷却和成形以及玻璃坯的移去。图1所示的模具台4是在已经被注入的玻璃毛坯1的冷却和成形位置。

第一半模具2由以GKN烧结金属制造的Inconel 600、SIKA IL-05 IS组成。第一半模具2具有可渗透气体的表面区域6和不渗透气体的表面区域7。

这些区域能通过适合的模具表面处理制造。可渗透表面区域6相应于第一半模具2的坑和凹口。这是允许在注入的玻璃毛坯1和第一半模具2之间形成气垫3所需的最大表面区域。

实现在坑的中心但不完全覆盖坑的可渗透表面区域6以及相应的扩大的不渗透表面区域7同样是可能的。在流体流过的区域中，该区域由可渗透表面区域6限定，第一半模具2具有恒定的厚度，流体基本上垂直于坑的表面流过它。坑被设计为与所制造的玻璃坯的所需形状匹配。

为了形成气垫3，纯净且无油的空气在压力下经由气体供给管路5注入到模具台4并流过第一半模具2。

图1也示出了玻璃毛坯1的有效冷却。这通过位于模具台4上方的具有第二半模具8的冷却台9实现。第二半模具8由以GKN烧结金属制造的不锈钢1.4404，SIKA R-1 IS组成。第二半模具8同样具有可渗透气体表面区域6和不渗透气体表面区域7。这些区域是平行于模具台4延伸的第二半模具8的表面区域。在流体流过的区域中，该区域由可渗透表面区域6限定，第二半模具8具有恒定的厚度并且流体基本上垂直于它而流过。

同样纯净且无油的空气在压力下经由气体供给管路10提供给冷却台9用于冷却的目的。

工艺程序：

位于旋转装置上并包括第一半模具2的模具台4放置在针型送料器的下方，其中模具台4也朝向针型送料器垂直向上移动。

将加压的、纯净且无油的空气经由气体供给管路5送入模具台4，同时玻璃毛坯1以＜10dpas的粘度被送入。

将玻璃毛坯1和第一半模具2之间空气通流的起始值通过控制气体供给的比例控制阀设置为20l/min(标准状态下)。

当玻璃毛坯1被连续送入时，首先减小通流，保持立即在玻璃毛坯1和第一半模具2之间形成的气垫3，其次将模具台4垂直向下移动，以便针型送料器的尖端和玻璃毛坯1的顶面之间的距离在进料期间保持恒定。

为了结束进料和帮助玻璃毛坯1的分离，该距离通过进一步降低模具台4而增加。

为了如上所述制造玻璃坯，根据图2所示的作为玻璃毛坯1粘度的函数的曲线，在进料期间实现对通流的控制和降低。

在玻璃毛坯1的进料结束以后，将通流保持在大约1l/min的水平(标准状态下)。

在进料结束后，将旋转装置向前移动并使具有位于第一半模具2中气垫3上的玻璃毛坯1的模具台4定位在冷却台9的下方。

为了冷却，10l/min的空气量经由气体供给管路10被注入冷却台9并沿玻璃毛坯的顶面方向流过第二半模具8，以冷却该顶面。

在达到10¹³dPa*s的玻璃毛坯1的粘度之后，玻璃毛坯1能从第一半模具2中移走。

标记列表

1 玻璃毛坯

2 第一半模具

3 气垫

4 模具台

5 到模具台的气体供给管路

6 可渗透表面

7 不渗透表面

8 第二半模具

9 冷却台

10 到冷却台的气体供给管路

Claims (24)

1.一种用于制造火抛光玻璃坯的方法，其包括如下步骤：

-将熔化的玻璃毛坯(1)注入可渗透流体的第一半模具(2)，

-在第一半模具(2)中冷却玻璃毛坯(1)，

-在玻璃毛坯(1)被注入和冷却时，通过使流体通过第一半模具(2)，使第一流体垫(3)形成在第一半模具(2)和玻璃毛坯(1)之间，

其中

-至少当玻璃毛坯(1)被注入时，玻璃毛坯(1)和第一半模具(2)之间的流体的通流减小但仍然维持第一流体垫(3)，

-为了形成第一流体垫(3)，让流体流过包括可渗透流体的多孔材料的第一半模具(2)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，将玻璃毛坯(1)和第一半模具(2)之间的流体的通流在进料开始时设置为初始值并在进料期间减小，所述通流作为玻璃毛坯(1)的粘度和/或几何形状的函数。

3.如权利要求1或2中任一个所述的方法，其中，玻璃毛坯(1)以熔化范围内的玻璃毛坯(1)的粘度被注入第一半模具(2)中，其优选为粘度低于10²dPa*s的低粘度玻璃毛胚(1)。

4.如权利要求3所述的方法，其中，在玻璃毛坯(1)和第一半模具(2)之间的流体的通流从20l/min(标准状态下)减小到足够维持流体垫(3)的最小水平。

5.如前述权利要求中任一个所述的方法，其中，在玻璃毛坯(1)和第一半模具(2)之间的流体的通流在玻璃毛坯(1)的冷却期间再次增大。

6.如权利要求5所述的方法，其中，当达到Littleton点附近的玻璃毛坯(1)的粘度时，在玻璃毛坯(1)和第一半模具(2)之间的流体的通流再次增大。

7.如前述权利要求中任一个所述的方法，其中，使用针型送料器将玻璃毛坯(1)注入第一半模具(2)中。

8.如权利要求7所述的方法，其中，在进料期间送料器喷嘴的尖端和玻璃毛坯的顶面之间的距离保持恒定。

9.如权利要求7和8中任一个所述的方法，其中，当进料结束时增加送料器喷嘴的尖端和玻璃毛坯的顶面之间的距离。

10.如前述权利要求中任一个所述的方法，其中，玻璃毛坯(1)在其注入后被有效冷却。

11.如前述权利要求中任一个所述的方法，其中，在玻璃毛坯(1)注入后，用于玻璃毛坯(1)的冷却和/或成形的第二流体垫在玻璃毛坯(1)的顶面和可渗透流体的第二半模具(8)之间形成。

12.如权利要求11所述的方法，其中，可渗透流体的多孔材料至少在第二半模具(8)的子区域中用于第二半模具(8)。

13.如前述权利要求中任一个所述的方法，其中，纯净的工业级气体用作产生第一和/或第二流体垫的流体。

14.如权利要求13所述的方法，其中，使用纯净的空气。

15.如前述权利要求中任一个所述的方法，其中，流体流过第一半模具(2)和/或第二半模具(3)，在每一个情况下都具有1*10^-14m²至30*10^-14m²的渗透率。

16.如前述权利要求中任一个所述的方法，其中，所使用的多孔材料是烧结材料。

17.如权利要求16所述的方法，其中，使用基于耐蚀和耐热的铬-镍合金、镍-铜合金和/或镍-铬-钼合金的烧结材料。

18.如权利要求17所述的方法，其中，使用Inconel 600。

19.如权利要求16所述的方法，其中，使用非氧化陶瓷烧结材料。

20.如前述权利要求中任一个所述的方法，其中玻璃毛坯(1)在其注入后从上方加热。

21.如权利要求20所述的方法，其中，玻璃毛坯(1)通过IR辐射加热来加热。

22.如权利要求20所述的方法，其中，玻璃毛坯(1)通过对流加热来加热。

23.如权利要求20所述的方法，其中，玻璃毛坯(1)通过反射玻璃毛坯(1)的热辐射的反射器来加热。

24.一种用于制造火抛光玻璃坯的设备，其包括

-用于将熔化的玻璃毛坯(1)注入所述设备的可渗透流体的第一半模具(2)中的装置，

-用于在第一半模具(2)中冷却玻璃毛坯(1)的装置，

-用于在第一半模具(2)和玻璃毛坯(1)之间形成第一流体垫(3)的装置，以及

-当玻璃毛坯(1)被注入和冷却时，用于使流体通过第一半模具(2)的装置，

以及

-用于至少当玻璃毛坯(1)被注入时，设置和减小玻璃毛坯(1)和第一半模具(2)之间的流体的通流同时仍然保持第一流体垫(3)的装置，由此

-包括可渗透流体的多孔材料的第一半模具(2)，以便形成第一流体垫(3)。

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