CN1765786B - 压模成型装置及压模成型方法 - Google Patents

Abstract

一种包括上端母模(102)和下端母模(104)的压模成型装置。各个上、下端母模(102)、(104)具有设置在一条直线上的四个成型表面并满足公式关系：L·α·ΔT/t＜0.0008，其中L表示长度；t表示厚度；α表示热膨胀系数；ΔT表示感应加热过程中沿宽度方向在两端之间产生的温差。该压模成型装置可以包括由通过上端支承轴(110a、110b)连接到共同固定轴(118)的上端母模(102a、102b)和通过下端支承轴(112a、112b)由共同驱动轴(120)驱动的下端母模(104a、104b)组成的成型模组件。上端母模(102a、102b)和下端母模(104a、104b)分别通过感应加热线圈(122、124)共同加热。

Description

压模成型装置及压模成型方法

技术领域

本发明涉及一种通过将成型物质，例如预成型玻璃物质在加热并软化的状态下进行压模以获取光学元件的精密压模中的压模成型装置及压模成型方法，更具体地说，涉及一种成型之后不需要进行抛光处理的精密压模技术。 

背景技术

近年来，在光学元件例如光学透镜的制造领域，需要不进行表面抛光而获得高精度的透镜形状。为实现上述目的，有人提出一种制造方法，其包括下述步骤：制备预先成型的玻璃物质(预成型品)；将预成型品加热并进行软化；然后使用高精度压模成型表面对预成型品进行压模加工(日本未审专利公开JP2001-10829号)。特别是近年来，压模过程中经常使用一种具有延长外形的母模，其具有多个设置在同一条直线上的多个成型表面，这样可以同时对多个预成型品进行压模加工(日本未审专利公开JP11-29333号)。 

在另一方面，通过高精度压模方法制造光学元件的过程中，精确度和生产效率是两个重要的方面。 

非恒温压模方法(日本未审专利公开JP8-133756号)的出现，在某种意义上说具有划时代的进步。具体地说，与现有等温压模方法相比，其减少了母模的加热循环时间，成型玻璃光学元件的时间可以减少到几十秒的数量级。此外，表面精度和形状精度可以保持优良。 

考虑到生产效率，注意力主要集中到在同一加热循环中同时获得多个光学元件的方法上，即多产品批量生产方法上。如果加热循环必要并且需要预定时间，则只要在同一加热循环中同时制造多个光学元件，就可以提高压模加工的生产效率。 

用于同时制造多个光学元件的母模的选择方案之一是将多个成型表面设置在同一条直线上(参见上述日本未审专利公开JP11-29333号)。这种位于同一条直线上的设计方案具有下述优点。首先，母模的结构简单。在这里，应当特别考虑将玻璃物质配置到母模上的因素。在玻璃物质设置到同一条直线上时，配给部件沿直线位置分成两部分通过两部分之间的间隙将玻璃物质放下。借助这样一种简单机构，即可以同时将玻璃物质配给到母模中(也即各个成型表面中)。 

为了能够将处于加热和软化状态的玻璃物质放下，使用气体使软化状态的玻璃物质浮在浮力托盘中，然后放下并配给到母模中。这种技术的优点在于能够在不损坏玻璃物质的表面情况下将玻璃物质稳定地配给到母模中。举例来说，将多个浮力托盘设置在同一条直线之上，然后将各个浮力托盘分开成两个部分，玻璃物质同时从两部分中的间隙中落入到成一条直线的成型表面上。在此例中，该装置的结构相对来说比较简单。然后，可以在玻璃物质温度与预热温度产生变化之前立即实施压模成型操作。上述技术的优点主要在于生产效率高并且可以在温度均匀条件下稳定、精确地制造多个光学元件。 

如上所述，母模成型表面的直线设置具有很多优点。然而，母模的这种设置在下述方面却具有劣势。 

如果具有延长外形的母模设置有多个沿直线排列的成型表面，同时母模因为沿厚度方向存在温差而产生翘曲和变形，这样成型表面的上端和下端将发生倾斜。这种倾斜效果在母模沿径向方向的朝向相对端部位更大一些。这样就导致成型产品例如光学透镜出现偏斜及成品厚度偏差的问题。靠近母模成型表面相对端的成型产品的偏斜和厚度比其他部位要大一些。近年来，母模翘曲变形的问题越来越严重。这是因为目前都要求缩短压模形成过程的周期，所以就采用快速加热和快速冷却方法。另外，为达到同时制造更大量产品的要求，母模的长度被进一步延长。 

产生翘曲的主要原因之一是母模中存在温度梯度，特别是沿垂直方向的温度梯度。当成型表面设置在同一条直线上时，当越多的成型表面安装在母模上及成型表面设置在越靠近母模的相对端时，母模翘曲更加严重，上述偏斜和厚度偏差的问题就变得更加严重。 

举例来说，图1显示出一种典型成型装置的基本结构。图1所示的成型装置具有母模，该母模包括上端母模502和下端母模504。上端母模502和下端母模504各自具有沿图中横断面方向或水平方向延伸的延长外形。上、下端母模502、504分别由上、下端支承部件506、508支承。上端支承部件506与固定轴510连接，而下端支承部件508与马达结构或者类似机构的驱动轴512连接。上、下端母模502、504分别具有多个形成于正对表面上用于容纳透镜形状的预成型品的成型部位514、516。在上、下端母模502、504之间，每个预先成型为所需预定形状的预成型产品通过加热单元(图中未示出)加热到预定温度，如对应于粘度为10^5.6泊至10⁹泊之间的温度，之后将其移送到指定位置。上、下端母模502、504分别环绕有用于对上、下端母模502、504加热的感应加热线圈518、520。预先加热的上、下端母模502、504夹紧并对处于软化状态的预成型品进行压模处理以在预成型品上形成高精度的成型表面。 

这里，上、下端母模502、504沿其厚度方向形成温度分布曲线。这是因为上、下端母模502、504的热量分别通过支承部件506、508发生耗散。这种温度差异将导致上、下端母模502、504发生如图1中点划线所示的翘曲。如果在上、下端母模发生翘曲的情况下进行压模成型操作，就可能产生成型缺陷并且上端或下端母模502或504可能发生损坏。如果翘曲导致平行度减小，压模成型的产品的上下表面就可能发生倾斜。如果所需产品的参数要求比较严格，则可能无法达到预定的性能要求。 

在目前，需要进一步增加上、下端母模502、504的长度以同时成型更多个(例如说六个)预成型产品从而提高生产效率及成型更大直径的透镜。在这种情况下，解决上述翘曲的问题就显得非常紧迫。 

发明内容

本发明的目的之一是提供一种压模成型装置及压模成型方法，通过该装置及方法能够减小母模的翘曲进而提高光学元件的尺寸精度。 

本发明的另一个目的是提供一种用于制造光学元件的装置及方法，通过该装置及方法可以在实现高生产效率和没有产品偏差的情况下获得成型之后不需要研磨或者抛光的高精度光学元件。 

本发明提供一种通过使用多个成型表面对多个物质同时进行压模操作以获得多个光学元件的压模成型装置，其包括：至少一个上端母模和至少一个下端母模，各个母模具有沿一定方向延伸的外形；至少一个上端母模和至少一个下端母模上沿所述方向分别对正的多个上端成型表面和多个下端成型表面；用于对上端和/或下端母模进行加热的加热器；分别支承至少一个上端母模和至少一个下端母模以使上端成型表面和下端成型表面相互正对的上、下端支承部件；和连接到上端支承部件或下端支承部件用于使上端母模或下端母模相向移动和相互分离以实施压模成型的驱动轴；其中：各个上、下端母模满足公式关系： 

L·α·ΔT/t＜0.0008    (1) 

其中L表示母模沿所述方向的长度(mm)；t表示母模的厚度(mm)；α表示母模的热膨胀系数(/℃)；ΔT表示压模成型操作步骤中母模沿厚度方向在两端之间产生的温差。 

采用上述结构可以防止具有延长外形的母模产生翘曲。这样可以提高通过成型表面形成的光学元件的尺寸精度、减小翘曲并提高透镜厚度的精确度。 

优选方式中，该压模成型装置包括多个上端母模和多个下端母模。多个上端母模和多个下端母模上的多个上端成型表面和多个下端成型表面沿所述方向对正。 

优选方式中，加热器包括一个环绕在至少一个上端母模或至少一个下端母模上的感应加热线圈。 

优选方式中，多个母模设置成使成型表面形成一条直线并且各个母模具有支承轴。 

优选方式中，压模成型装置还包括多个以使多个上端成型表面和多个下端成型表面沿所述方向对正的上端母模和多个下端母模组成的成型模组件和多个各自支承所述压模成型组件中的各个上端母模和下端母模的支承轴。上端母模和/或下端母模在驱动轴驱动下通过支承轴相向移动和相互分离。 

如上所述，由多个母模组成的成型模组件通过感应加热线圈共同加热，并且上、下端母模分别由各个支承轴支承。通过此种结构，即使多个 加工对象同时完成压模操作，也可获得具有优良尺寸精度的光学元件。这是因为成型表面与支承轴之间的距离可以减小，与具有一个包括多个直线排列的成型表面的母模和一个支承轴相比，本发明中上、下端母模中的温度分布可以保持均匀，这样使各个成型表面的压模条件保持一致。即使在使用具有多个成型表面的上、下端母模同时完成压模直径为10mm或者10mm以上光学元件时，所获得的光学元件的尺寸精度也十分精良。另外，由于上、下端母模由各个支承轴支承，各个上、下端母模的压模条件可以基本保持一致。此外，由于成型模组件包括多个上、下端母模，这样可以减小各个母模的长度。因此，即使多个加工对象同时完成压模操作或者同时获得多个具有中等口径尺寸的光学元件，也可以减小上、下端母模因为热量分布引起的翘曲。 

优选方式中，成型模组件中的各个上端母模和各个下端母模分别具有多个上端成型表面和下端成型表面。 

优选方式中，压模成型装置还包括环绕成型模组件用于通过感应加热方式对上、下端母模共同加热的感应加热线圈。上、下端母模在邻接边位置具有相互邻接的圆形拐角。 

优选方式中，所述驱动轴的中心轴线与成型模组件沿纵向方向的中心位置基本一致。 

本发明还提供一种通过使用多个成型表面对多个物质同时进行压模操作以获得多个光学元件的压模成型方法，其中的步骤包括：制备压模装置，其包括至少一个上端母模和至少一个下端母模，各个母模具有沿一定方向延伸的外形；至少一个上端母模和至少一个下端母模上沿所述方向分别对正的多个上端成型表面和多个下端成型表面；且上端成型表面和下端成型表面相互正对；对上、下端母模进行加热；驱动上端或下端母模利用上、下端成型表面对物质进行压模成型操作，其中： 

各个上、下端母模满足公式关系： 

L·α·ΔT/t＜0.0008    (1) 

其中L表示母模沿所述方向的长度(mm)；t表示母模的厚度(mm)；α表示母模的热膨胀系数(/℃)；ΔT表示压模成型操作步骤中母模沿厚度方向在两端之间产生的温差。 

优选方式中，该压模成型装置包括压模装置包括多个上端母模和多个下端母模；多个上端母模和多个下端母模上的多个上端成型表面和多个下端表面分别沿所述方向正对。 

优选方式中，通过一个环绕在上端或下端母模中至少一个母模上的感应加热线圈进行加热。 

优选方式中，该压模成型装置还包括以使多个上端成型表面和多个下端成型表面沿所述方向对正的多个上端母模和多个下端母模组成的压模成型组件。驱动上端或下端母模利用上、下端成型表面对物质进行压模成型操作。各个上端母模和下端母模由支承轴支承。 

优选方式中，物质加热到高于上、下端母模的温度，并且使其在配送到成型表面中间位置之前处于软化状态。 

优选方式中，所述的物质为玻璃，其在配送到成型表面之间位置之前加热到对应于粘度不高于10⁹泊的温度。 

本发明的其他目标将在说明书的描述中予以阐明。 

附图说明

图1显示出一种现有技术中的压模成型装置。 

图2显示出一种根据本发明第一实施例的压模成型装置。 

图3是图2中下端母模的平面视图。 

图4A和图4B是说明本发明技术效果的视图。 

图5显示出第一实施例的修改实施方式的压模成型装置。 

图6显示出一种根据本发明第二实施例的压模成型装置。 

图7显示出一种根据本发明第三实施例的压模成型装置。 

图8是显示图7中下端母模的平面视图。 

图9是显示偏斜测量结果的坐标图。 

图10显示出一种根据本发明第四实施例的压模成型装置。 

图11显示出一种根据本发明第五实施例的压模成型装置。 

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施例进行详细的说明。 

首先参见图2，对根据本发明第一实施例中的压模成型装置100进行详细说明。压模成型装置100用于在预先将玻璃物质压模成扁圆球形的预成型品上进行压模成型操作以制造预定形状的光学透镜。 

压模成型装置100具有设置在上、下端并且相互正对的上端母模102和下端母模104。各个上、下端母模102、104由钨合金制成并具有沿图中横截面方向或者水平方向延伸的延长外形。 

上端母模102具有四个设置在一条直线的上端模部件112。同样，下端母模104具有四个设置在一条直线上并且分别与上端模部件112相对的下端模部件114。上端模部件112具有用作压模预成型品的成型表面的下表面，而下端模部件114具有用作压模预成型品的成型表面的上表面。下端母模104与沿垂直方向移动的下端支承部件108相连。上端母模102与作为固定部件的上端支承部件106相连。上、下端母模102、104环绕有用于高频感应加热的感应加热线圈110。感应加热线圈110沿上、下端母模102、104的外形轮廓线或周缘线大体绕成椭圆形状。 

每个上端模部件112在其周缘处设置有衬套116。衬套116装入到下端模部件114中并具有小量间隙以使其可以滑动并用于防止光学透镜的上、下表面之间发生轴向偏差。上端母模102设置有突出的导销118，而下端母模104设置有与导销118结合的导孔120。各个上端模部件112、下端模部件114和衬套116由通过化学气相沉积方法(CVD)沉积形成的烧结碳化硅制成。 

参见图3，下端母模104大体呈椭圆形状并具有圆形径向相对端。四个成型表面A、B、C和D(下端模部件114的上表面)沿下端母模104径向方向设置成一条线并具有相同的间距。虽然图中未示出，上端母模102与下端母模104平面视图的形状相似。 

在此实施例中，上端母模102满足下述公式关系： 

L×α×ΔT/t＜0.0008        (1) 

其中：L表示长度(mm)；t表示厚度(mm)；α表示热膨胀系数(/℃)；ΔT表示压模成型过程中上端母模102沿厚度方向两端之间产生的温差(℃)。 

同样，下端母模104满足上述公式(1)中的参数关系，其中：L表示 长度(mm)；t表示厚度(mm)；α表示热膨胀系数(/℃)；ΔT表示压模成型过程中上端母模102沿厚度方向两端之间产生的温差(℃)。 

当上、下端母模102、104满足上述公式(1)中的参数关系时，其在压模成型过程中的翘曲可以得到有效地抑制。 

下面，参照图4A和图4B对上、下端母模102、104翘曲得到有效抑制的技术效果进行说明。如图4A所示，每个上、下端母模202、204具有重度翘曲。当翘曲增加时，位于各个母模径向相对端的成型表面(实施例中下端模部件114的上表面)的倾角θ增大。此外，上下成型表面之间朝向径向相对端之间的距离也稍微有所增加。另一方面，参见图4B，在本实施例中通过抑制上、下端母模102、104的翘曲使成型表面的倾角θ′得到最小化。这样就可以提高压模成型光学透镜的尺寸精度。所以，当母模的成型表面设置成一条线，导致如图4A所示的倾角θ过大时，如图4B所示，可减少母模的长度L以使倾角θ′变小。为了使用母模采用压模成型方法同时获得大量光学元件，如图5所示，可以采用多个母模并将其成型表面设置在同一直线上。 

下面，参照图5对第一实施例中压模成型装置的修改实施方式进行说明。该压模成型装置具有两组如图中所示的上、下端母模102、104。图5中是显示下端母模104的结构的俯视图。在该压模成型装置中，两个下端母模104设置有两个模部件114并形成一条直线。虽然图中未示出，两个上端母模102具有与下端母模104相似的形式(即两个模部件112形成一条直线的形式)。两个上端母模102(图中未示出)和两个下端母模104环绕有加热线圈400用于通过高频感应加热方式对上、下端母模102、104同时进行加热。在此种变更形式中，由于满足公式(1)中的参数关系，其可以对大量预成型品进行压模成型并抑制各个上、下端母模102、104产生翘曲。值得说明是，本方案中也可以设置三组或者更多组上、下端母模102、104。采用上、下端母模，虽然成型表面数量增加，但是上、下端母模的翘曲并没有增加。这样，即可同时获得大量具有优良尺寸精度和厚度精度的光学透镜。 

下面，参见图6对根据本发明第二实施例中的压模成型装置300的结构进行详细说明。在压模成型装置300中，在上端母模102与上端支承部 件106之间形成间隔并在间隔之间插入多个垫块302。同样，在下端母模104与下端支承部件108之间也形成间隔并在间隔之间插入多个垫块304。间隔的作用在于抑制上、下端母模102、104的热量通过上、下端支承部件106、108耗散。通过这种结构设置，公式(1)中的温差ΔT得到抑制。除了上述间隔的设置，压模成型装置300的其他部分与第一实施例中的压模成型装置100结构相似。这样，在此实施例中，各个上、下端母模102、104仍然满足公式(1)中的参数关系。为了减少温差ΔT，支承轴可以由不导热材料制成或者减小支承轴的横截面积。 

上述变更实现形式(参见图5)也可以运用到本发明的第二实施例中的压模成型装置300。另外，母模也可以由热膨胀系数α相对比较小的材料制成。同时，也可以适当控制母模的厚度t。不论如何，只要满足公式(1)中的参数关系，即可以稳定、一致地制造具有足够精度的光学元件。 

下面，参照图7和图8对本发明第三实施例中的压模成型装置进行说明。举例来说，该压模成型装置通过压模成型方法在作为物质的预成型品基础上制造直径为17mm的中等口径透镜。将玻璃物质初加工成扁圆球形可制成预成型品。如图7所示，该压模成型装置包括由上端模102和下端模104组成的成型模组件。各个上、下端母模102、104具有沿图中横截面方向或者水平方向延伸的延长外形并由例如钨合金制成。上、下端母模102、104分别环绕加热线圈122、124。加热线圈122、124通过高频加热方式分别对上、下端母模102、104进行加热。 

上端模102包括由左、右端母模102a、102b组成的双模。下端模104包括由左、右端母模104a、104b组成的双模。上部母模102a、102b在垂直方向上分别正对于下部母模104a、104b。上部母模102a、102b的上表面分别与一对支承板106a、106b相连。支承板106a、106b上表面分别与一对上端支承轴110a、110b相连。上端支承轴110a、110b通过共同基座114与固定轴118相连。另一方面，下部母模104a、104b的下表面分别与一对支承板108a、108b相连。支承板108a、108b下表面分别与一对下端支承轴112a、112b相连。上端支承轴112a、112b通过共同基座116与驱动轴120相连。驱动轴120通过具有交流伺服电机的驱动机构驱动沿纵向作直线移动。驱动轴120的中心轴线120a与上、下端模102、104各自沿 径向方向的中心位置在同一条直线上。当驱动轴120沿着垂直方向移动时，上、下端母模102、104实现开启和闭合。 

图8是显示出下端模104(下端母模104a、104b)及环绕其上的感应加热线圈124的俯视图。图中未示出的上端模102(上端母模102a、102b)在俯视图中的形状与下端模104的形状相似。下端母模104a、104b相对于下端模104径向方向的中心位置O形状对称。下端母模104a具有一对沿径向方向延伸的长边202、垂直于长边202的内短边204(最接近中心位置0)和与内短边204相对的外短边206(最远离中心位置O)。外短边206形成半径等于两个长边之间一半距离(两个长边之间的距离即下端母模的宽度)的半圆弧。另一下端母模104b的形状与下端母模104a相对于中心位置0对称。在优选方式中，下端母模104a、104b的内短边204之间形成0.5-3mm的间隙。 

感应加热线圈124环绕于下端母模104a、104b上并形成与下端母模104a、104b外周缘相应的外形。环绕于上端母模102a、102b的感应加热线圈122与感应加热线圈124在俯视图中的形状相似。 

下端母模104b的上端表面设置有三个用于将玻璃产品形状加工成预成型品的成型部分200。这六个成型部分200设置在与下端母模104a、104b宽度方向中心位置上的中心线M共线的直线上。这六个成型表面200分别成型表面A、B、C、D、E和F作为预成型品表面。 

每个下端母模104a、104b在下端母模104a、104b相互邻接的邻接位置具有园角形状。这是因为拐角部位在高频感应加热情况下，温度更容易上升。将这些角形成园角，下端母模104a、104b温度分布能够保持均匀。具体地说，各个下端母模104a、104b的内短边204和长边202之间的拐角具有曲线R。作为曲线R的替代方式，这些拐角也可以形成倒角。下端母模104a、104b的邻接边上的内短边204也可以选择性地形成曲线形状。 

下面对各个下端母模104a、104b中的成型表面A至F的结构进行说明。成型表面A、B之间的间距d1(设置尺寸)、成型表面B、C之间的间距d2、成型表面D、E之间的间距d4、成型表面E、F之间的间距d5基本上彼此相等。另外，成型表面A与外短边206之间的间距d0和成型表面F与外短边206之间的间距d5与上述间距(d1等间距)相等。另一方面， 相对于位于其间的中心位置0彼此邻接的成型表面C、D的间距d3比上述间距(d1等间距)要大一些。从成型表面C到内短边204之间的最短距离d7与从成型表面C到长边202之间的最短距离d8的间距基本相等。同样，从成型表面D到内短边204之间的最短距离与从成型表面D到长边202之间的最短距离d8的间距基本相等。上述d0至d8之间的尺寸关系的设置是为了使成型表面之间A至F高频感应加热过程中温度差异实现最小化。 

水平面方向上，下端支承轴112a(参见图7)的位置沿对正方向对应于下端母模104a成型表面A至C中心位置(即成型表面B的位置)。同样，在水平面方向上，下端支承轴112b(参见图7)的位置沿对正方向对应于下端母模104b成型表面D至F中心位置(即成型表面E的位置)。通过这种结构，可以使压力通过成型表面A至F均匀地施加预成型品上。同样，水平面方向上，上端支承轴110a、110b分别对应于上端母模102a、102b的中心位置。 

下端母模104a、104b各自具有邻接中心位置O的内侧部分。内侧部分与其他部分相比，其温度容易上升。这样，最好在上述内侧部分设置部分冷却的空气制冷单元以实现下端母模104a、104b中的温度均匀分布。在优选方式中，上端母模102a、102b也设置有相似的冷却单元。 

接下来，对上述实施方式中的具体实施例进行说明。 

首先对实施例1至4进行说明，使用本发明中的压模成型装置(参见图2)制造直径为6.6mm的两面凸透镜。在实施例1至4中，长度L、厚度t、宽度W、热膨胀系数α、压模成型装置100中的母模102、104沿宽度方向两端的温差Δt如表1所示(将在后面给出具体图表)。在实施例1至3和实施例4中，母模102、104分别由不同热膨胀系数的钨合金制成。 

在这里，使用由硼硅酸钡玻璃(转化温度点为514摄氏度、流挂点温度为545摄氏度)制成的扁平球形玻璃预成型品(每个具有54毫克的重量)。上述玻璃预成型品配给到位于支承臂上的四个浮动托盘中并且被处于浮动状态的气体浮力所支承。处于该状态中的玻璃预成型品和支承部件一起放置到加热室(图中未示出)中。通过派马罗克斯电热合金丝PYROMAX(PX-DS)的加热作用使加热室的温度保持在700摄氏度。四个玻璃预成型品一起在加热室中加热达到与光学玻璃元件成型循环速度相一致的 预定时间段直到玻璃预备成型品的温度达到596摄氏度左右(对应于粘度为10⁸泊)。另一方面，通过将成型母模加热到550(对应于粘度为10^10.2泊)±3摄氏度使四个成型表面得到预热。之后，将支承臂放置到下端母模104正上方的位置。快速张开支承臂，浮动托盘同时张开以使预成型品从浮动托盘中分别落下并转移到下端母模104中的成型表面中。然后，支承臂立即从下端母模104的正上方移开并切断高频电源。下端母模上移并在60公斤/平方厘米(Kg/cm²)压力下进行压模操作。在仅有模部件112重力作用下使透镜冷却到470摄氏度。接下来，下端母模104下移以使上、下端母模102、104彼此分离或者分开。通过使用吸附垫块(图中未示出)将透镜移走。压模成型过程的循环时间取决于高频电源和母模的尺寸大小(热容量大小)。当使用长度为190mm的母模时，循环时间为180秒；当使用长度为112mm的母模时，循环时间为110秒。 

接下来，对通过上述压模成型过程获得的光学透镜进行测量。对成型光学透镜四个成型表面中的远端表面(图3中成型表面A或D)进行测量。具体地说，通过测微计对光学透镜的厚度进行测量。利用边缘最大值、最小值及透镜的直径来计算透镜的偏斜数值。上述测量的结果如图表1所示： 

表1 

另一方面，如实施例5至7所示，通过本发明第二实施方式中的压模成型装置300(如图6所示)在硼硅酸钡玻璃上压模成型直径为6.6mm的两面凸透镜。在实施例5至7中，长度L、厚度t、宽度W、热膨胀系数α、压模成型装置100中的母模102、104沿宽度方向两端之间的温差Δt如表1所示进行变化。在实施例5、6和7中，母模102、104分别由不同热膨胀系数的钨合金制成。压模成型工艺与实施例1至4中的工艺相似。压模完成之后，对通过上述压模成型过程获得的光学透镜进行测量。其测量结果如图表1所示。在上述测量结果的基础上，分别计算实施例1至7中L·α·ΔT/t的数值。图9显示出L·α·ΔT/t值与偏斜之间的关系。如图9我们可以看出，L·α·ΔT/t值与偏斜基本上呈正比关系。L·α·ΔT/t的值越小，偏斜越小。通常情况下，光学透镜偏斜的容差在两分之内。在图9中，将L·α·ΔT/t值限定在不大于0.0008范围之内以将偏斜控制在两分或者小于两分的范围之内。 

从表1我们可以看出，实施例5至7中的偏斜度比实施例1至4中的偏斜度要小一些。对此我们可以推断出这是因为在母模102、104与支承部件106、108之间设置了间隙使从母模到支承部件的热传导和温差ΔT得到抑制(进而减小L·α·ΔT/t值)。 

如上所述，在各个前述实施方式的压模成型装置中，母模102、104满足L·α·ΔT/t不大于0.0008的条件。所以，其可以抑制母模102、104在感应加热过程中产生偏斜，从而提高光学透镜的尺寸精度。 

特别是在本发明的第二实施方式中，在母模102、104与支承部件106、108之间分别设置有间隔。这样减小了母模102、104沿厚度方向两端之间的温差ΔT，光学透镜的尺寸精度进一步得到提高。 

前述实施方式可以在权利要求范围之内作出种种变更。举例来说，前述实施方式中上、下端母模各自具有四个成型表面。然而每个母模中的成型表面可以具有任何需求数目的表面。在前述实施方式中，上端母模102和上端模部件112是分离部件。然而上端母模102和上端模部件112也可以形成整体结构。与之相似，下端母模104和下端模部件114也可以形成整体结构。 

前述实施方式采用非恒温压模成型方式。然而本发明也可以采用成型 母模和置于成型母模中的预成型品共同加热的等温压模成型方式。前述实施方式采用分别具有多个模部件的母模结构。作为替代形式，母模本身也可以具有多个成型表面。 

下面，对制造本发明第三实施方式中透镜(作为玻璃光学元件)的方法进行说明。首先，通过感应加热线圈122、124分别对上端母模102a、102b和下端母模104a、104b进行高频感应加热。接着，使用移送悬臂(图中未示出)将初步加工成扁圆球形并加热到高于上端母模102a、102b和下端母模104a、104b温度的预成型品移送到下端母模104a、104b中。为了将预成型品配给到下端母模104a、104b中，使用定位部件(图中未示出)将预成型品定位于下端母模104a、104b的成型表面A至F之上的位置并放下，从而将预成型品配给到下端母模104a、104b中。接着，驱动轴120上移通过上端支承轴110a、110b和下端支承轴112a、112b将上端母模102a、102b和下端母模104a、104b合拢在一起。这样，六个预成型品在上端母模102a、102b和下端母模104a、104b之间通过压模操作形成需求形状的透镜。预成型品压模完成之后，驱动轴120下移将上、下端模102、104开启或者分开。接下来，利用移动部件(图中未示出)将留在下端模104上的六个玻璃光学元件吸附住并移开。这样即可以获得经过表面处理过的高精度的透镜(玻璃光学元件)。 

如上所述，在第三实施方式的压模成型装置中，压模成型操作在上端母模102a、102b和下端母模104a、104b之间完成。因此，在同时压模大量(例如六个)预成型品的情况下，各个上端母模102a、102b和下端母模104a、104b具有相对较小的长度。其结果是，这种方案可以减小上端母模102a、102b和下端母模104a、104b因为温度沿着母模宽度方向分布引起的翘曲并防止翘曲导致的成型缺陷或者损坏。由于成型表面A至F与支承轴之间的距离可以减到较小数值，这样即可以减小成型表面之间的温度差异，同时也可以减小成型母模之间的温度差异。从而各个成型表面的压模条件可以保持一致。 

另外，上端母模102a、102b由上端支承轴110a、110b支承，而下端母模104a、104b由下端支承轴112a、112b支承。这样，即可使上端母模102a、102b和下端母模104a、104b的压模条件(例如压模压力)相等。 上端支承轴110a、110b连接到一个共同固定轴118上，而下端支承轴112a、112b连接到一个共同驱动轴120上。这样，利用单一驱动机构即可精确地完成压模操作。 

此外，成型表面A至F设置在各个母模102a、102b上的同一直线上。这样可以使用移送悬臂或类似机构以实现高效移送，进而提高了生产效率。 

上端支承轴110a、110b分别支承在上端母模102a、102b的中心位置。下端支承轴112a、112b分别支承在下端母模104a、104b的中心位置。这样，施加在预成型品成型表面A至F上的压力可以达到一致。 

上端母模102a、102b之间保持0.5-3mm的间距。这样上端母模102a、102b之间不会发生相互影响，从而可以获得优良的压模效果。同样，下端母模104a、104b之间保持0.5-3mm的间距。这样下端母模104a、104b之间不会发生相互影响，从而可以获得优良的压模效果。 

此外，下端母模104a、104b邻接边的拐角是圆形。这样，下端母模104a、104b的温度分布可以保持均匀。同样，上端母模102a、102b邻接边的拐角是圆形。这样，上端母模102a、102b的温度分布可以保持均匀。 

下面，对根据本发明第四实施方式中的压模成型装置进行说明。参见图10，该压模成型装置包括由一对成型模60组成的成型模组件，各个成型模包括具有延长外形的母模600、四对由母模600支承以在垂直方向移动的上、下端模部件602、604。图10中仅显示出两个成型模60中一个。每个成型模60中，上端模部件602和下端模部件604分别设置在同一直线上。两个成型模60中，上端模部件602和下端模部件604分别设置在同一直线上(沿图10中横截面方向或者水平方向)。成型模组件环绕有感应加热线圈(图中未示出)，感应加热线圈环绕成型模组件的外形曲线上并大体呈椭圆形。 

各个上、下端模部件602、604由粘结碳化物制成并具有涂覆有贵重合金薄层的成型表面(即用于压模预成型品P的表面)。母模600由钨金属合金制成并具有比粘结碳化物稍大的热膨胀系数。成型模60由托盘606支承，托盘606连接到沿垂直方向驱动的上端支承轴612的上端。在上端支承轴612上面，设置有作为固定轴的支承轴610。通过将下端支承轴上 移，上端模部件602与上端支承轴610的头部(下端面)接触。其结果是，在上、下端模部件602、604之间完成压模操作。 

两个成型模60除了上、下端模部件的数量以外，其部分与图8中所示的下端模部件104a、104b俯视图相似。在两个成型模60中，各个邻接边的拐角形成曲线R或倒角。 

作为具体实施例，采用上述压模成型装置和由硼硅酸钡玻璃(转换温度点为512摄氏度，流挂温度点为545摄氏度)制成的球形预成型品P制造外径为15mm的两面凸透镜。具体地说，球形预成型品P放置在母模600中的各个上端模602和各个下端模604中间。母模600固定于托盘606之上并导入到处于惰性空气中的成型室中(图中未示出)。托盘606安放在下端支承轴612之上。接下来，下端支承轴612上移使母模60处于感应加热线圈中。感应加热线圈上加载有高频电流以通过高频感应加热方式对母模60加热。此时，通过嵌入在各个下端模部件604中的模温度探测热电偶探测出各个下端成型表面(下端模部件604的上端表面)的温度。另一方面，通过嵌入在各个上端模部件602中的模温度探测热电偶探测出各个上端成型表面(上端模部件602的下表面)的温度。其结果是，下端成型表面和上端成型表面在感应加热过程中的温度差异控制在不超过±10摄氏度的范围之内。接着，预成型品通过感应加热线圈的加热作用加热到596摄氏度(该温度对应于玻璃的粘度是10⁸泊)。接下来，下端支承轴612进一步向上移动以使上端模部件602的上端表面与上端支承轴610的头部接触，这样对处于软化状态的预成型品P进行压模操作。接着，成型的透镜冷却到不高于玻璃转化温度点的温度。接下来，下端支承轴612向下移动并且透镜与成型模一起移动。这样，即可获得没有散光偏差和不均匀延展的优良尺寸精度的透镜。 

下面，参照图11对根据本发明的第五实施方式中的压模成型装置进行说明。第五实施方式中的压模成型装置包括由一对成型模80组成的成型模组件，各个成型模包括设置有四个上端模部件812的上端母模802和设置有四个下端模部件814的下端母模804。图11仅仅显示出了两个成型模80中的一个。在各个成型模80中，上端模部件812和下端模部件814分别设置在同一条直线上以使各个成型表面位于同一条直线上。由两个成 型模80组成的成型模组件中，上端模部件812和下端模部件814分别设置在同一条直线上(沿图11中的横截面方向或者水平方向)。成型模组件环绕有由大体沿成型模组件外周表面并呈椭圆形的感应加热线圈(图中未示出)。上端母模部件802由作为固定轴的上端支承轴806支承。下端母模部件804固定到沿垂直方向驱动的下端支承轴808上。 

各个上端模部件812在其外周缘处设置有衬套816。衬套816装入到下端模部件814中并具有一定的间隙以使其可以滑动用于防止透镜的上、下表面之间发生轴向偏差。上端母模802设置有突出的导销818，而下端母模804设置有与导销818结合的导孔820。各个上、下端母模802、804由钨合金制成。各个上端模部件812、下端模部件814和衬套816由通过化学气相沉积方法(CVD)沉积形成的烧结碳化硅制成。 

两个成型模80与图8所示的下端母模104a、104b具有相似的平面视图。在两个成型模80中，邻接边上的拐角具有倒角或者形成曲线。 

作为具体实施例，采用上述压模成型装置通过压模硼硅酸钡玻璃(转换温度点为512摄氏度，流挂温度点为545摄氏度)制造外径为15mm的两面凸透镜(一个表面是球形；另一个表面为非球形)。具体地说，将通过热塑成型方式制备的呈扁平球形的预成型品预热到470摄氏度。将四个预成型品配送到预热到470摄氏度的下端母模804上的四个模部件814中。接下来，下端母模804(长度为130mm，宽度为35mm)立即上移与预热到470摄氏度的上端母模802结合。此时，导销818和导孔820相互结合并且衬套816装配到下端模部件814之上。通过感应加热线圈的感应加热方式对上、下端母模802、804加热以使预成型品达到596摄氏度(该温度对应于预成型品粘度为10⁸泊)。此时，通过模温度检测热电偶测量出下端成型表面(下端模部件814的上端表面)和上端成型表面(上端模部件812的下端表面)之间的温度偏差值。将该温度偏差控制在不超过±10摄氏度的范围之内。接着，下端母模804上移在70公斤/平方厘米的(Kg/cm²)压力作用下完成压模操作。压模操作完成之后，沿厚度方向的温度差异为40摄氏度左右，而L·α·ΔT/t等于0.0007。压模操作完成之后，成型的透镜以每分钟50摄氏度(50℃/min)的速度冷却到不高于玻璃转化点的温度。此时，各个上端模部件812中的透镜发生收缩并且透镜在仅有上 端模部件重力作用下冷却。换句话说，透镜的上表面在冷却过程中与上端模部件812相接触。当温度降低到490摄氏度时，下端母模804下移以使上、下端母模802、804相互分开。下端母模804进一步降低到成型室(图中未示出)的下部。使用吸附垫块将四个透镜移开。如果有必要，移开的透镜可以进行退火处理。这些模(上、下端母模802、804及上、下端模部件812、814)在预成型过程中基本上实现均匀加热和冷却。这样即可获得高尺寸精度和优良表面质量的透镜。此外，离心率和偏轴度参数也比较优良。 

下面，对本发明的第六实施方式进行说明。根据第六实施方式的压模成型装置包括由一对成型模组成的成型模组件，成型模除了上端母模802和下端母模804分别包括三个上端模部件812和六个下端模部件814以外，其他的结构与第五实施方式中的结构相似。各个上、下端母模和上、下端模部件与第五实施方式中的结构相似(除了上、下端模部件的数量)。相同的附图标记表示近似的部件。两个成型模的结构与图8所示的下端模104a、104b的结构相似。在两个成型模中，邻接边的各个拐角具有倒角或者形成曲线。 

作为具体实施例，通过上述压模成型装置制造直径为10mm的两面凸透镜。首先，上、下端母模802、804(长度为100mm、宽度为35mm)通过感应加热线圈感应加热以获得如表2所示的温度。在表2中设置了三种类型的模温度。通过模温度监测热电偶测定出下端成型表面(下端模部件814的上表面)和上端成型表面(上端模部件812的下表面)之间的温度差异。其结果是，温度差异控制在不超过±10摄氏度的范围之内。 

表2 

接着，通过空气流使三个预成型品浮动在传送悬臂(图中未示出)上并将其传送到指定位置。接着，将传送悬臂放置到六个下端模部件814正上方的位置并将预成型品同时放下以配送到下端模部件814中。预成型品预热到表2所示的三种不同的预热温度。然后立即将传送悬臂从下端模部件814正上方移开。切断感应线圈的感应作用。下端支承轴808上移以在70公斤/平方厘米(Kg/cm²)压力作用下完成压模操作。压模操作完成之后，沿厚度方向的温度差异为39摄氏度，而L·α·ΔT/t等于0.00058。压模完成之后，将透镜冷却到不高于玻璃转化点的温度。在冷却过程中，透镜仅受到上端模部件812的重力作用。接着，将下端母模804下移20mm左右以使上、下端母模802、804相互分开。通过吸附垫块将透镜移走。通过感应加热线圈的作用，上、下端母模立即恢复到压模开始温度以近似方式完成下一个成型循环。 

其结果是，在表2所示成型条件下，可以连续获得高品质的透镜。可以理解，根据此实施方式，即可实现高效连续生产大批量透镜的操作。 

在第三到第六实施方式中，成型模组件由各自具有两个母模的上端模102和下端模104组成。作为替代方式，母模的数目可以是三个或者更多的数目。在优选方式中，这些母模相互之间宽度相等(沿成型模组件径向方向)。在第三到第六实施方式中，各个上、下端模102、104具有三个或者四个成型表面。然而，成型表面数量也可以少于或者多于上述数值。作 为替代方式，各个母模也可以仅仅具有一个成型表面。 

如上所述，根据本发明，母模满足L·α·ΔT/t＜0.0008，其中L表示长度；t表示厚度；α表示热膨胀系数；ΔT表示压模过程中沿着宽度方向两端之间产生的温差。这样，即可减小母模的翘曲，从而提高各个成型表面形成的光学元件的尺寸精度。 

如上所述，根据本发明，由多个母模组成的成型模组件通过感应加热线圈一同加热，并且母模分别由各个支承轴支承。通过此种结构，即使多个加工对象同时完成压模操作，也可获得优良尺寸精度的光学元件。这是因为成型表面与支承轴之间的距离可以减小从而母模中的温度分布可以保持均匀，这样使各个成型表面的压模条件保持一致。即使在使用具有多个成型表面的母模同时完成压模直径为10mm或者10mm以上光学元件时，所获得的光学元件也具有优良的尺寸精度。 

另外，由于母模由各个支承轴支承，各个母模的压模条件可以基本保持一致。此外，由于成型模组件包括多个母模，可以减小各个母模的长度。这样，即使多个加工物质同时完成压模操作或者同时获得多个具有中等口径尺寸的光学元件，也可以满足公式(1)中的关系从而减小母模因为热量分布引起的翘曲。 

Claims (5)

1.一种用于同时压模多个成型物质以形成多个光学元件的压模成型装置，包括：

多个上端母模和多个下端母模，所述多个上端母模和多个下端母模中的每一个分别包括多个上端成型表面和多个下端成型表面；

多个支承部件，所述支承部件中的每一个支撑所述多个上端母模中的每一个或所述多个下端母模中的每一个；

至少一个感应加热线圈，所述感应加热线圈全体地围绕所述多个上端母模和所述多个下端母模，以及

驱动轴，所述驱动轴移动所述多个上端母模或所述多个下端母模，以使所述多个上端母模或所述多个下端母模相向移动和相互移动离开，其中：

所述多个上端支承部件或所述多个下端支承部件由所述驱动轴共同地驱动，

其中所述上端母模和下端母模具有沿着一个方向延伸的形状，所述上端成型表面和下端成型表面沿所述方向对正，

其中，每个上、下端母模满足公式关系：

L·α·ΔT/t＜0.0008，(1)

其中L表示母模沿所述方向的长度，t表示母模的厚度，α表示母模的热膨胀系数，以及ΔT表示压模成型操作步骤中母模沿厚度方向在两端产生的温差，以及

其中所述长度的计算单位为mm，所述厚度的计算单位为mm，所述热膨胀系数的计算单位为/℃，以及所述温差的计算单位为℃。

2.根据权利要求1所述的压模成型装置，其特征在于：

所述多个上端母模和所述多个下端母模中的每一个在其彼此相邻近的一端具有圆形拐角。

3.一种通过同时压模成型多个物质以获得多个光学元件的压模成型方法，包括步骤：

将成型物质输送到压模成型装置，以及

执行压模操作，

其中所述压模成型装置包括：

多个上端母模和多个下端母模，所述多个上端母模和多个下端母模中的每一个分别包括多个上端成型表面和多个下端成型表面；

多个支承部件，所述多个支承部件中的每一个支撑所述多个上端母模中的每一个或所述多个下端母模中的每一个；

至少一个感应加热线圈，所述感应加热线圈全体地围绕所述多个上端母模和所述多个下端母模，以及

驱动轴，所述驱动轴移动所述多个上端母模或所述多个下端母模，以使所述多个上端母模或所述多个下端母模相向移动和相互移动离开，

由此所述多个上端支承部件或所述多个下端支承部件由所述驱动轴共同地驱动，

其中所述上端母模和下端母模具有沿着一个方向延伸的形状，所述上端成型表面和下端成型表面沿所述方向对正，

其中，每个上、下端母模满足公式关系：

L·α·ΔT/t＜0.0008，(1)

其中L表示母模沿所述方向的长度，t表示母模的厚度，α表示母模的热膨胀系数，以及ΔT表示压模成型操作步骤中母模沿厚度方向在两端产生的温差，以及

其中所述长度的计算单位为mm，所述厚度的计算单位为mm，所述热膨胀系数的计算单位为/℃，以及所述温差的计算单位为℃。

4.根据权利要求3所述的压模成型方法，其特征在于：

在所述物质被输送之前，所述成型物质被加热到高于所述上端和下端母模的温度并软化。

5.根据权利要求3所述的压模成型方法，其特征在于：

所述成型物质为玻璃物质，在所述物质被输送之前，其被加热到对应于粘度不高于10⁹泊的温度。

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