CN212770424U - 一种对向超声振动辅助模压成形装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种对向超声振动辅助模压成形装置，由对向超声振动系统，伺服加载系统和电加热棒加热+均热板传热的加热系统组成，可实现对模压过程中上下模具同时施加超声纵振、精确伺服加载和模压温度的实时调节控制。相对于传统模压和单向超声振动模压方法，有效解决了传统模压针对复眼阵列、V槽、矩形槽、金字塔、菲涅尔环等具有尖锐棱角和大深径比等阵列式微结构玻璃元件模压充型不完全、玻璃与模具之间易黏附；仅对上模具施加超声振动的超声振动模压无法改变玻璃元件与下模具之间的黏附与流动性能，造成上下接触型面的摩擦系数不同，并导致成型时玻璃元件的上部和下部流动状况产生差异，带来应力、应变及面型精度的差异等技术难题。

Description

一种对向超声振动辅助模压成形装置

技术领域

本实用新型涉及到微结构玻璃光学元件模压成形领域，尤其涉及一种提高微结构玻璃光学元件模压填充率和脱模性能的对向超声振动辅助模压成形装置。

背景技术

近年来，光学产业对微透镜、微槽、微锥、微棱镜等阵列玻璃微结构表面的需求不断增加。具有微表面结构的玻璃光学元件，特别是微结构复眼阵列透镜，对提升光学系统的成像质量有着重要作用，以其特殊的几何特性，可以提供多种光学功能和更优的成像质量，已成为智能手机、数码相机、空间光通信、红外探测、医疗设备、智能制导系统等领域的核心器件，可实现高清、高分辨、高均匀性及整形扩束的成像、反射和衍射功能。

微结构玻璃光学元件模压成形技术具有重复精度高、无污染、净成形、低成本、适合批量化生产等优点，被认为是国际上最具革命性的光学制造技术之一。与传统快刀伺服单点金刚石车削、飞秒激光束、电子束、等离子体束、LIGA技术等透镜制造方法相比，具有生产效率高、加工材料多样化、加工一致性和工艺稳定性好等优势。但针对复眼阵列、V槽、矩形槽、金字塔、菲涅尔环等具有尖锐棱角和大深径比的阵列式微结构玻璃元件，现有模压成型方式存在热压过程中玻璃材料在微小尺度模具沟槽内的流动和变形受阻，导致成型后玻璃微结构的充型率不足，产品几何精度下降；玻璃-模具接触界面容易粘接，导致成型后玻璃微结构充型部分脱模困难，造成玻璃破裂等问题。

超声振动辅助模压通过在传统模压原理的基础上，引入超声振动系统对模压系统施加纵向的超声纵振，能够改善模压过程中的填充率和脱模性能，解决传统模压中存在的技术问题。

在国内公开及资料里，湖南大学的实用新型(专利ZL201420846015.5)提供了一种复杂微结构光学元件的超声振动精密模压成型装置，包括气缸、滑块与导轨、连杆、超声发生器、换能器、变幅杆、隔热板、加热板。该装置的应用，降低玻璃元件对模具表面的豁附和损坏，实现杂微结构光学元件的精密模压成型。但该装置仅在上模具施加纵向超声振动，改善模压填充率及脱模性能的效果较为有限，且只在上模一侧振动，虽有助于改善玻璃元件与上模具之间的脱模粘附状况，但是无法改善玻璃元件与下模具之间的脱模粘附状况；只在上模一侧振动，虽改变了玻璃元件与上模具之间的摩擦系数和流动状况，但无法改变玻璃元件与下模具之间的摩擦系数和流动状况，造成上下接触型面的摩擦系数不同，并导致成型时玻璃元件的上部和下部流动状况产生差异，带来应力、应变及面型精度的差异。如图1所示，在上模施加单向超声振动后，上模复眼透镜的填充边缘线与模具轮廓线尚未重合，即未完全填充，同样下模凹透镜的填充边缘线与模具轮廓线尚未重合，且两者偏离量较上模具更大，同时下模具轮廓线与凹透镜的填充边缘线接触处的应力大于上模具轮廓线与子复眼透镜的填充边缘线接触处的应力，经模压试验表明，下模具处存在玻璃与模具之间的粘附情况更加明显，因此，有必要对下模也施加超声振动改善填充情况和脱模性能。

在国外公开资料里，关于采用超声振动辅助模压成形的装置及方法尚未见相关报道，但有将超声振动应用于树脂材料的注塑成形的相关专利。日本飞信株式会社注册的欧洲专利(EP1645381A8)提供了一种使超声波振动作用于树脂材料熔融成型的装置及方法，将成型材料送入位于圆筒一端的模具中筒体中的材料熔化和揉捏，同时在右侧的一个方向上对成型材料进行振动，使其与树脂材料的流动方向相交叉。日本Toshihiro Furusawa等人注册的美国专利(US5017311A)提供了一种使用超声波振动可改善高分子量聚合物的流动性的方法，所述注塑设备具有固定模具和活动模具；所述可动模具的一侧具有空腔，另一侧连接有超声振动进给装置。以上两种专利提供的方法仅限于树脂材料的注塑成型，由于玻璃材料需要较高的温度才能软化，且流动性较差，具有较强的黏附性，而树脂材料成型温度低，注塑时玻璃呈熔融态，施加超声振动的目的主要是用于脱模，但超声振动辅助模压施加超声振动的目的是改善填充率及脱膜性能，因此两者在成型原理及机理上均不相同，同时，所述两种专利均为单向施加超声振动，同样存在仅仅改变下模具脱模粘附的状况的技术缺陷。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的不足，提供一种对向超声振动辅助模压成形装置，可解决复杂微结构光学元件单向超声模压成形时的：1)上模、下模脱模难，2)玻璃元件的上部和下部流动状况不一致，造成应力、应变的不均匀，面型精度不均匀等难题，改善玻璃材料在微小尺度模具沟槽内的流动性，提高微结构的充型率和面型精度，改善脱模困难及玻璃破裂等问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种对向超声振动辅助模压成形装置，包括相对设置的第一超声振动装置和第二超声振动装置；第一超声振动装置连接有凹面下模具35；第二超声振动装置连接有凸面上模具38，凹面下模具35和凸面上模具38之间形成模压腔45；第一超声振动装置和第一超声振动装置均连接有加热装置；第二超声振动装置通过压力传感器23连接有升降装置。

进一步的改进，所述第一超声振动装置包括第一换能器5，第一换能器5连接有第一超声变幅杆10；所述第二超声振动装置包括第二换能器10，第二换能器10连接有第二超声变幅杆30；第一换能器5和第二换能器10均为夹心式压电陶瓷超声换能器。

进一步的改进，所述加热装置包括与第一超声振动装置连接的第一加热棒12和第二加热棒34以及与第二超声振动装置连接的第三加热棒16和第四加热棒32；第一加热棒12和第二加热棒34通过第一均热传热台14与第一超声振动装置连接；第三加热棒16和第四加热棒32通过第二均热传热台17与第二超声振动装置相连；所述加热装置为加热棒，加热棒连接有加热源。

进一步的改进，所述第一加热棒12、第二加热棒34、第三加热棒16、第四加热棒32、凹面下模具35和凸面上模具38均安装在耐高温透明玻璃板3围合形成的模压室2内；模压室2一侧下部连通有模压室进气口13，另一侧上部连通有模压室排气口31。

进一步的改进，所述第一超声振动装置外罩设有第一超声振动装置冷凝腔7，第二超声振动装置外罩设有第二超声振动装置冷凝腔21；第一超声振动装置冷凝腔7一侧安装有第一超声振动装置气冷进气4，另一侧安装有第一超声振动装置冷凝腔气冷排气口8；第二超声振动装置冷凝腔21一侧安装有第二超声振动装置气冷进气口29，另一侧安装有第二超声振动装置冷凝腔气冷排气口20。

进一步的改进，所述第一均热传热台14上开环形槽，环形槽内设有定位套筒44，定位套筒44固定连接第一超声变幅杆10和限位外套筒37，内套筒36外固定有限位外套筒37，定位内套筒36和外套筒37上均成形有模具排气孔40；模压腔45处于内套筒36内；第一超声变幅杆10顶部与凹面下模具35之间安装有下模具热电偶控温点15；第二超声变幅杆30底部连接有压杆19，所述压杆与第二均热传热台17之间固定有上模具热电偶控温点33。

进一步的改进，所述耐高温透明玻璃板3与第一均热传热台14之间安装有第一绝热板11；耐高温透明玻璃板3与第二均热传热台17之间安装有第二绝热板18。

进一步的改进，所述升降装置包括伺服电机26，伺服电机26连接有伺服电缸25，伺服电缸25通过24连接压力传感器23。

上述提到的伺服电机通过运动控制卡来控制回转运动，再通过滚珠丝杠副将电机转动转换为电缸丝杠的直线运动，为终端负载提供驱动力和位移，最后，结合传感器压力信号和编码器位移信号的实时采集和反馈处理，实现输出端驱动力、位移和速度的精确闭环控制。

所述的超声换能器与超声电源相连接，所述变幅杆与超声换能器相连接，首先由超声波电源产生高频交变电信号，然后通过压电换能器将该高频电信号转换为机械振动，最后通过变幅杆放大该机械振动并将其分别传输到上模具、下模具和玻璃坯料，由此实现玻璃元件的超声振动辅助热压成型。

所述的模具和玻璃的加热温度或降温温度通过热电偶控温点实现温度实时检测，并将温度信号传递到温度控制仪控制加热源的加热温度或冷却系统进行实时升温或者降温，将温度控制在所需的温度值。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本技术实用新型提供了一种对向超声振动辅助模压成形装置，该装置由对向超声振动系统，伺服加载系统和电加热棒加热+均热板传热的加热系统组成，可实现对模压过程中上下模具同时施加超声纵振、精确伺服加载和模压温度的实时调节控制。相对于传统精密模压和已有的单向超声振动模压方法，采用对向超声振动辅助模压装置及分段式施加超声振动的模压工艺方法有效解决了传统模压针对复眼阵列、V槽、矩形槽、金字塔、菲涅尔环等具有尖锐棱角和大深径比等阵列式微结构玻璃元件模压充型不完全、玻璃与模具之间易黏附；单向超声振动无法同时改变玻璃元件与上、下模具之间的黏附与流动性能，造成上下接触型面的摩擦系数不同，并导致成型时玻璃元件的上部和下部流动状况产生差异，带来应力、应变及面型精度的差异等技术难题，具有提高玻璃材料在微小尺度模具沟槽内的流动性，提升微结构的充型率、面型精度和成型均匀性，改善脱模困难及玻璃破裂等技术优势。

附图说明

图1是仅下模具施加超声振动的微结构阵列模压仿真填充率及应力分布图

图2是本实用新型侧视图A-A向局部剖视示意图

图3是本实用新型侧视示意图

图4是本实用新型B部(且结构模具装配体及玻璃)局部放大示意图

图5是本实用新型正视示意图

图6是本实用新型模压成形原理图

图中：1-模压成形装置机架；2-模压室；3-耐高温透明玻璃板；4、29-第一、二超声振动装置气冷进气口；5、22-第一、二换能器；第一、二6、28-装配预紧螺栓；7、21-第一、二超声振动装置冷凝腔；8、20-第一、二超声振动装置冷凝腔气冷排气口；9、模压室支撑板；10、30-第一、二超声变幅杆；11、18-第一、二绝热板；12、16、32、34-第一、三、四、二加热棒；13-模压室进气口；14、17-第一、二均热传热台；15-下模具热电偶控温点；19-压杆；23-压力传感器；24-联轴器；25-伺服电缸；26-伺服电机；27-连接销；31-模压室排气口；33-上模具热电偶控温点；35-凹面下模具；36-定位内套筒；37-限位外套筒；38-凸面上模具；39-上模具非球面轮廓；40-模具排气孔；41-玻璃；42-复眼阵列复眼阵列子透镜；43-耐高温透明玻璃板紧定螺栓；44-固定套筒；45-模压腔。

具体实施方式

实施方式一：结合图2、图3、图5说明本实施方式，本实用新型包括模压成形装置机架1；模压室2；耐高温透明玻璃板3；第一、二超声振动装置冷凝腔气冷进气口4、29；第一、二换能器5、22；第一、二装配预紧螺栓6、28；第一、二超声振动装置冷凝腔7、21；第一、二超声振动装置冷凝腔气冷排气口8、21；模压室支撑板9；第一、二超声变幅杆10、30；第一、二绝热板11、18；第一、三、四、二连接有加热源的加热棒12、16、32、34；模压室进气口13；第一、二均热传热台14、16；下模具热电偶控温点15；压杆19；压力传感器23；联轴器24；伺服电缸25；伺服电机26；连接销27；模压室排气口31；上模具热电偶控温点33；凹面下模具35；定位内套筒36；外套筒38；凸面上模具38；上模具非球面轮廓39；模具排气孔40；玻璃41；复眼阵列复眼阵列子透镜42；耐高温透明玻璃板紧定螺栓43；固定套筒44；模压腔45。所述第一、二换能器5、22和第一、二超声变幅杆10、30分别通过第一、二预紧固定螺栓6、28装配形成超声振动装置，所述超声振动装置数量为2个，即第一超声振动装置与第二超声振动装置，再与超声波电源一起组成超声振动系统。模压室2通过4颗螺栓连接固定在模压室支撑板9上，所述模压室支撑板9、伺服电缸25；伺服电机26均通过螺栓固定在模压成形装置机架1上，模压室2左右两侧设有模压室进气口13和模压室排气口31，用于输送氮气进入模压室防止高温条件下模具氧化。所述；第一、三、四、二连接加热源的加热棒12、16、32、34、压杆19、超声变幅杆杆10均在模压室内，为玻璃及模具实施加热，并隔绝热量向外传热，模压室正面设置有耐高温透明玻璃板3，采用密封橡胶片实现所述耐高温透明玻璃板与模压室之间的密封，并通过紧定螺栓43实现密封，方便整个模压过程的观测。

具体实施方式二：结合图2、图4说明本实施方式，凹面下模具35固定在超声变幅杆10上，并通过固定套筒44进行定位。所述压杆19与所述凸面上模具38接触，模压时由两个超声振动系统分别为凸面上模具38和凹面下模具35施加超声纵振。所述电缸输出端通过称重传感器与310S不锈钢压杆相连，压杆下端伸入模压室作用于上模具。所述伺服电机26及伺服电缸25通过联轴器24与压力传感器相连接。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，所述夹心式超声波第一换能器5和第二换能器22分别由5块5mm厚度压电陶瓷、前盖板和后盖板组成，所述第一超声变幅杆10和第二超声变幅杆30分别通过螺纹连接安装到第一换能器5和第二换能器22上，形成第一超声振动装置和第二超声振动装置，所述超声振动装置安装在第一超声振动装置冷凝腔7内和第二超声振动装置冷凝腔21内，第一超声振动装置冷凝腔7通过所述第一超声振动装置气冷进气4，气冷排气口8为第一超声振动装置降温；第二超声振动装置冷凝腔21通过所述第二超声振动装置气冷进气29，气冷排气口20为第二超声振动装置降温。

具体实施方式四：结合图2、图4说明本实施方式，所述第一超声振动装置与均热传热台14装配定位，所述均热传热台14与模压室侧壁之间设有绝热板11，防止均热传热平台的高温传递到模压室侧壁上。所述凹面下模具35置于所述第一超声振动装置上，均热传热台与超声变幅杆、外套筒之间设有定位套筒44，所述下模具热电偶控温点15安装在与均热传热台接触的第一超声振动装置顶部。所述第二超声振动装置下部与压杆19相连，所述压杆与均热传热台装配定位，压杆与凸面上模具38上表面接触，所述上模具热电偶控温点33安装在压杆与凸面上模具上表面接触处上方。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，伺服电机26通过运动控制卡来控制回转运动，再通过滚珠丝杠副将电机转动转换为电缸25丝杠的直线运动，为终端负载提供驱动力和位移，最后，结合传感器压力23信号和编码器位移信号的实时采集和反馈处理，实现输出端驱动力、位移和速度的精确闭环控制。第一超声换能器5和第二超声换能器22分别与超声电源相连接，所述第一变幅杆10第二变幅杆30分别于与第一超声换能器5和第二超声换能器22相连接，首先由超声波电源产生高频交变电信号，然后通过压电换能器将该高频电信号转换为机械振动，最后通过变幅杆放大该机械振动并将其分别传输到上模具、下模具和玻璃坯料，由此实现玻璃元件的超声振动辅助热压成型，提高微结构玻璃光学元件模压成形过程中的填充率和脱膜性能。所述的模具和玻璃的加热温度或降温温度通过下模具热电偶控温点15、上模具热电偶控温点33实现温度实时检测，并将温度信号传递到温度控制仪控制加热源的加热温度或冷却系统进行实时升温或者降温，将温度控制在所需的温度值。

具体实施方式六：结合图2、图3、图4、图5、图6说明本实施方式，本实施方式所描述的一种对向超声振动辅助模压装置的成形方法包括如下步骤。

步骤一：将高温透明玻璃板卸下，并将装载有玻璃的模具装配体置于与传热平台和外套筒接触配合的超声变幅杆上表面、调节压杆位置刚好与上模具表面接触，装载上高温透明玻璃板，密封。

步骤二：启动伺服电机，控制压杆向下运动，保持压杆底部刚好与上模具顶部接触，启动加热源，通过加热棒向传热平台加热，热量传递至模具进行升温，温度升高至玻璃转变点温度以上一定温度，整个加热过程通过所述模压进气口输入氮气，防止模具氧化，将温度升高至玻璃转变点温度以上的模压温度，如图6(a)。

步骤三：所述的对向超声振动装置模压过程采用三段式超声振动工艺，设置模压总时间t_z(90～120s)，模压开始预设时间t₁(20～30s)后启动下模具连接的第一超声振动装置对下模具施加超声纵振，振动频率范围为30～35KHz，振幅范围为8～10μm，时间为t₂(30～40s)，增加下模具玻璃的填充率；再启动与上模具连接的第二超声振动装置对上模具施加超声纵振，振动参数与第一超声振动装置相同，施加振动时间为t₃(40～50s)，使上、下模具与玻璃之间完全填充，此时下模具施加超声振动时间为(t₂+t₃)s；如图6(b)；退火阶段，关闭第一超声振动装置和第二超声振动装置，降低模压腔内温度，在相同载荷下进行保压和退火处理，如图6(c)；二次降温进行脱模预处理阶段，再次降低模压腔内温度至玻璃转变点温度T_g以下50℃左右，同时开启第一超声振动装置和第二超声振动装置进行对向超声振动脱模预处理，此时保持振动频率在15～20KHz的低频振动频率范围，振幅范围为2～4μm，时间为t₄(20～30s)，然后在关闭第一、二超声振动装置，目的是提高光学元件与模具之间的脱模性能，如图6(d)；冷却阶段，利用冷水机提供的冷气再次降低模压腔温度进行冷却，待冷却完成后，取出模具，得到所需模压光学元件，如图6(e)。

以上为对本实用新型的具体实施实例阐述，需指出的是，本实用新型不局限与上述实施方式，所述的超声振动参数及模压成形工艺不仅限于所描述的结构及工艺参数，其具体情况视模压对象及玻璃参数性能而定，均在本实用新型保护权限范围之内，但本领域人员可以在权利要求范围内进行变形或修改，这不影响本实用新型的实质内容。

Claims (8)

1.一种对向超声振动辅助模压成形装置，其特征在于，包括相对设置的第一超声振动装置和第二超声振动装置；第一超声振动装置连接有凹面下模具(35)；第二超声振动装置连接有凸面上模具(38)，凹面下模具(35)和凸面上模具(38)之间形成模压腔(45)；第一超声振动装置和第一超声振动装置均连接有加热装置；第二超声振动装置通过压力传感器(23)连接有升降装置。

2.如权利要求1所述的对向超声振动辅助模压成形装置，其特征在于，所述第一超声振动装置包括第一换能器(5)，第一换能器(5)连接有第一超声变幅杆(10)；所述第二超声振动装置包括第二换能器(22)，第二换能器(22)连接有第二超声变幅杆(30)；第一换能器(5)和第二换能器(22)均为夹心式压电陶瓷超声换能器。

3.如权利要求2所述的对向超声振动辅助模压成形装置，其特征在于，所述加热装置包括与第一超声振动装置连接的第一加热棒(12)和第二加热棒(34)以及与第二超声振动装置连接的第三加热棒(16)和第四加热棒(32)；第一加热棒(12)和第二加热棒(34)通过第一均热传热台(14)与第一超声振动装置连接；第三加热棒(16)和第四加热棒(32)通过第二均热传热台(17)与第二超声振动装置相连；所述加热装置为加热棒，加热棒连接有加热源。

4.如权利要求3所述的对向超声振动辅助模压成形装置，其特征在于，所述第一加热棒(12)、第二加热棒(34)、第三加热棒(16)、第四加热棒(32)、凹面下模具(35)和凸面上模具(38)均安装在耐高温透明玻璃板(3)围合形成的模压室(2)内；模压室(2)一侧下部连通有模压室进气口(13)，另一侧上部连通有模压室排气口(31)。

5.如权利要求1所述的对向超声振动辅助模压成形装置，其特征在于，所述第一超声振动装置外罩设有第一超声振动装置冷凝腔(7)，第二超声振动装置外罩设有第二超声振动装置冷凝腔(21)；第一超声振动装置冷凝腔(7)一侧安装有第一超声振动装置气冷进气(4)，另一侧安装有第一超声振动装置冷凝腔气冷排气口(8)；第二超声振动装置冷凝腔(21)一侧安装有第二超声振动装置气冷进气口(29)，另一侧安装有第二超声振动装置冷凝腔气冷排气口(20)。

6.如权利要求3所述的对向超声振动辅助模压成形装置，其特征在于，所述第一均热传热台(14)上开环形槽，环形槽内设有定位套筒(44)，定位套筒(44)固定连接第一超声变幅杆(10)和限位外套筒(37)，内套筒(36)外固定有限位外套筒(37)，定位内套筒(36)和外套筒(37)上均成形有模具排气孔(40)；模压腔(45)处于内套筒(36)内；第一超声变幅杆(10)顶部与凹面下模具(35)之间安装有下模具热电偶控温点(15)；第二超声变幅杆(30)底部连接有压杆(19)，所述压杆与第二均热传热台(17)之间固定有上模具热电偶控温点(33)。

7.如权利要求4所述的对向超声振动辅助模压成形装置，其特征在于，所述耐高温透明玻璃板(3)与第一均热传热台(14)之间安装有第一绝热板(11)；耐高温透明玻璃板(3)与第二均热传热台(17)之间安装有第二绝热板(18)。

8.如权利要求1所述的对向超声振动辅助模压成形装置，其特征在于，所述升降装置包括伺服电机(26)，伺服电机(26)连接有伺服电缸(25)，伺服电缸(25)通过(24)连接压力传感器(23)。

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