NL8100602A

NL8100602A - Werkwijze voor het precisie-persen van glazen voorwerpen,werkwijze voor het vervaardigen van een mal en mal voor het precisie-persen van glazen voorwerpen.

Info

Publication number: NL8100602A
Application number: NL8100602A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1981-02-09
Filing date: 1981-02-09
Publication date: 1982-09-01
Also published as: EP0057952A1; US4397669A; DE3260199D1; JPS57145038A; EP0057952B1; JPS6363490B2; ATE7780T1

Description

/. \ ^ - ** EHN 9956 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Werkwijze voor het precisie-persen van glazen voorwerpen, werkwijze voor het vervaardigen van een mal en mal voor het pree is ie-per sen van glazen voorwerpen".

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het precisie-persen van glazen voorwerpen, waarbij een glas in een mal wam wordt geperst.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor 5 het vervaardigen van een mal alsmede op een mal voor het precisie-persen van glazen voorwerpen.

De uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op het precisie-persen van glazen lenzen in het bijzonder asferische lenzen. Dergelijke lenzen moeten een bepaalde vormnauwkeurigheid en een bepaalde 10 oppervlaktekwaliteit bezitten. In dit verband wordt met "precisie" bedoeld dat de lens direkt na het persen, dat wil zeggen zonder een daaropvolgende nabewerking, op geen enkel punt van het oppervlak meer dan 0,5 ^um afwijkt van de gewenste kromming en waarbij de oppervlakte-ruwheid minder dan 0,02 ^um bedraagt.

15 Uit het Amerikaans octrooischrift 4,098,596 is een werkwijze bekend voor het persen van optische lenzen in een matrijs. De matrijs is vervaardigd uit wclfraamcarbide, een wolfraamlegering of uit glasachtige koolstof (glassy carbon). Metalen hebben het nadeel dat zij bij temperatuurcycli zoals die optreden bij het wam persen van glas hun 20 kristalstructuur wijzigen (korrelgroei, kristallisatie e.d.). Dat gaat vaak gepaard met geometrische wijzigingen, met het gevolg dat matrijzen van metaal een beperkt aantal keren gebruikt kunnen worden. Koolstof glas • heeft het nadeel dat dit moeilijk met de vereiste vormnauwkeurigheid mechanisch tot de gewenste gladheid kan worden bewerkt.

25 De vombestendigheid en de standtijd van de bekende matrijzen en mallen laten daardoor te wensen over.

De uitvinding heeft een oplossing van de hierboven geschetste problemen tot doel.

Volgens de uitvinding wordt voor het precisie-persen van glazen 30 voorwerpen, waarbij een glas in een mal wam wordt geperst, een glazen voorgespannen en versterkte mal toegepast met aan het oppervlak een rand-zone onder drukspanning die via een neutrale spanningsvrije zone overgaat naar de kern die onder trekspanning staat.

8100602 PHN 9956 2 ,. * ...

Een voorgespannen versterkte glazen mal heeft een langere standtijd dan een metalen mal en is goed bestand tegen druk- en stoot-belastingen. Met metalen, bijvoorbeeld stalen mallen moet in een inerte gasatmosfeer worden geperst; dit geldt in mindere mate of helemaal niet 5 voor een glazen mal. Het versterkte glas is krasvaster dan staal. Een glazen mal is goed en zelfs beter te polijsten dan staal, zodat een betere oppervlaktekwaliteit verkregen kan worden. Glas heeft een veel geringere warmteafvoer zodat het persprodukt minder af geschrikt wordt, 1 waardoor de oppervlakte kwaliteit wordt verbeterd. Dankzij de geringere 10 warmteafvoer kunnen lagere perstenoperaturen worden toegepast, waardoor de kans op plakken tussen mal en persprodukt wordt verminderd en het gebied van mogelijke perstemperaturen wordt verruimd. Dankzij de mogelijke lagere mal temperaturen kunnen glassoorten die een hogere perstem-peratuur vereisen nog geperst worden.

15 Opgemerkt wordt, dat matrijzen uit kwartsglas voor het persen van kunststof lenzen bekend zijn uit het Britse octrooischrift 505 836. Weliswaar is een mal van kwartsglas eveneens vormbestendig; een mal a van voorgespannen versterkt glas is echter sterker, dat wil zeggen minder bros en stootgevoelig dan een mal van kwartsglas.

20 Een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke voor gespannen versterkte mal heeft volgens de uitvinding als kenmerk, dat door een mechanische bewerking een glazen voorvorm wordt vervaardigd, de voorvorm vervolgens aan een etsbehandeling wordt onderworpen, de geëtste voorvorm op het persvlak mechanisch wordt nabewerkt en uiteinde-25 lijk de nabewerkte mal door een chemisch-thermische behandeling voorgespannen en versterkt wordt.

De vervaardiging van een voorvorm door mechanische bewerking, bijvoorbeeld door een slijpbewerking, kan met konventionele mechanische middelen worden uitgevoerd.. In deze fase wordt geen precisie gevraagd.

30 De voorvorm is ruw van oppervlaktekwaliteit, dat wil zeggen ze heeft haarscheuren. Door de daaropvolgende koude etsbehandeling verdwijnen deze haarscheuren. Gelijktijdig wordt de diameter van de voorvorm, zo nodig, tijdens de etsbehandeling op de gewenste waarde gebracht. Door de aansluitende nabewerking, bijvoorbeeld een polijstbewerking, die met 35 de vereiste precisie dient plaats te vinden en die bij voorkeur numeriek gecontroleerd wordt uitgevoerd, wordt het persvlak van de voorvorm op de juiste vormnauwkeurigheid gebracht; het nabewerkte oppervlak dient vrij van haarscheuren te zijn. De tot nu toe bewerkte voorvorm heeft welis- 8100602 7 * PHN 9956 3 waar de vereiste vormauwkeurigheid en oppervlaktakwaliteit, de mal is echter nog breekbaar. Deze mal wordt onbreekbaar gemaakt door de uiteindelijke chemisch-thermische behandeling waardoor de mal voorgespannen en versterkt wordt.

5 Het voorspannen en versterken door de chemisch-thermische behandeling berust op de ionenuitwisseling,' waarbij Na+ ionen uit het glas vervangen worden door K+ ionen. Hiertoe wordt volgens de uitvinding de nabewerkte voorvorm tijdens de chemisch-thermische behandeling gedurende een aantal uren aan een bad bestaande uit KNO^ met 0,2 gewichts-10 procenten Al2 (SO^)2 en met een temperatuur van ca. 500°C of hoger blootgesteld.

Door de chemisch-thermische behandeling ontstaat aan het oppervlak van de mal een randzone met een penetratiediepte van 100 tot 200 ^,um en met een drukspanningsprofiel met een drukspanning die vanaf 15 een positieve randspanning een maximum doorloopt en tot de waarde nul daalt en via een neutrale spanningsvrij e zone overgaat naar de kern die onder trekspanning staat. Er is aangetoond dat veelvuldige perscycli net een gemiddelde temperatuur van de mal van 350°C het spanningspatroon in de mal niet doen veranderen qua penetratiediepte noch qua maximale 20 drukspanning.

Door de chemisch-thermische behandeling kunnen vormveranderingen van de gepolijste voorvorm optreden. Een dergelijke mal kan qp de gewenste vormnauwkeurigheid worden gebracht, doordat de vorm van de versterkte mal wordt opgemeten en de mal bij afwijkingen van de vereis-25 te vorm nagepolijst wordt en aan een tweede chemisch-thermische behandeling wordt onderworpen.

De glazen mal volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat de mal voorgespannen en versterkt is met aan het oppervlak een randzone onder drukspanning die via een neutrale spanningsvrije 2one over-30 gaat naar de kern die onder trekspanning staat. De drukspanning in de randzone neant vanuit het vrije oppervlak vanaf een positieve randwaarde eerst toe tot een maximale waarde en vervolgens af tot nul.

De voordelen van een voorgespannen versterkte glazen mal zijn boven reeds vermeld. Bovendien hebben glazen mallen het voordeel dat ze 35 lichtdoorlatend zijn. Zou men bijvoorbeeld een persproces willen toepassen, waarbij om een glazen kern heen een dun kunststof laagje, dat zich door UV-licht laat uitharden, wordt aangebracht, dan kan het U.V.-licht door de glazen mal heen penetreren. Zou men lenzen willen maken van 8100602 C β é % PHN 9956 4 een konposietsamenstelling van dicht gestapelde glazen bolletjes met een ü.V.-hardende kunststof met dezelfde brekingsindex als binder, dan kan het ü.V.-licht penetreren via de glazen mal.

De mal volgens de uitvinding kan vaker worden gebruikt 5 dan de bekende metalen matrijzen, omdat bij gebruik geen vormveranderingen optreden ten gevolge van structuurveranderingen.

Met mallen volgens de uitvinding kan men glazen voorwerpen vervaardigen bij temperaturen tot ongeveer 1000°C. Bij voorkeur worden de glazen voorwerpen door warmpersen bij temperaturen van 300-600°C ver-10 vaardigd. Voor een dergelijk warmpersen zijn in het bijzonder glazen geschikt met een Amerikaans verwekingspunt, dat wil zeggen de temperatuur 6 6 o waarbij de viscositeit 10 ' Pa.s bedraagt, van minder dan 600 C.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening. In de tekening toont: 15 Figuur 1 een doorsnede van een persinrichting met matrijzen volgens de uitvinding; figuur 2 een diagram met het drukspanningsprofiel in de rand-zone van de matrijzen.

In figuur 1 is een persinrichting 10 met een mal bestaande uit 20 twee matrijshelften 1 en 2 weergegeven elk voorzien van een thermokoppel 3. De persvlakken van de matrijshelften zijn met 6 en 7 aangegeven. Met 8 is een verwarmingsdraad aangeduid waarmee de beide matrijshelften via een niet weergegeven voeding en besturing tot de gewenste pers-tenperatuur kunnen worden verhit. Op een drager 4 bevindt zich een ge-25 perst glazen voorwerp 5.

De matrijshelften 1 en 2 worden volgens de uitvinding als volgt vervaardigd. Door slijpen en boren wordt uit gesmolten glas een voorvorm vervaardigd. Het oppervlak van de voorvorm is mat ten gevolge van de ruwheid van het oppervlak. De voorvorm wordt chemisch geëtst om een 30 nagenoeg haarscheurvrij oppervlak te verkrijgen. Het persvlak 6 res-pektievelijk 7 wordt op een speciale polijstbank, bijvoorbeeld zoals beschreven in Philips Techn. Rev. _30 117-133 (1969), zodanig bewerkt dat het oppervlak tot niet meer dan enkele tienden micrometer afwijkt van het gewenste oppervlak en de oppervlakteruwheid minder dan 0,02 ^,um bedraagt, 35 dat wil zeggen optisch glad is. De dusdanig bewerkte voorvorm wordt vervolgens door een chemisch-thermische behandeling voorgespannen en versterkt. Hiertoe wordt de voorvorm gedurende een aantal uren in een bad gedompeld bestaande uit chemisch zuiver KNO^ waaraan 0,2 gewichtsprocen- 8100602 H3N 9956 5 ¥ * ^ E> ten Al2 (SO^)^ Is toegevoegd. Indien de dusdanig verkregen voorgespannen versterkte matrijshelft niet aan de vereiste vormnauwkeurigheid voldoet, wordt de polijstbewerking en de aansluitende chemisch-thennische behandeling herhaald.

5 Met een op de hierboven beschreven wijze vervaardigde matrijs, kan men als volgt lenzen persen. Een voorvorm, bijvoorbeeld een fijn geslepen kubus glas, wordt verhit op een temperatuur in de nabijheid of iets hoger dan het Amerikaans verwekingspunt van het betreffende glas. Op een drager 4 wordt de kubus tussen de pp ongeveer 300°C voor-10 verwarmde matrijshelften 1 en 2 aangebracht. De glazen kubus wordt dan onder een druk van bijvoorbeeld 400-700 kPa tussen de matrijshelften geperst gedurende enkele seconden. Dan wordt het geperste voorwerp 5 tussen de matrijshelften vandaan gehaald en bijvoorbeeld aan de lucht af gekoeld.

15 Bij een praktisch uitvoeringsvoorbeeld werden glazen mallen vervaardigd van een natrium—aluminium-s ilikaatglas met de volgende samenstelling in gewichtsprocenten: gew.% mol.%

Si02 66,8 70,0 20 A1203 14,6 9,0

Na20 14,8 15,0

MgO 3,8 6,0

Sb203 0,4

Het glas heeft een ontspanningstemperatuur van rond 600°C' 25 een Amerikaans verwekingspunt' van 855°C en een uitzettingscoëfficient van 8.10 7.

Figuur 2 geeft het drukspanningsprofiel weer van het genoemde glas na de chemisch-thermische behandeling. De drukspanningswaarde, 2 uitgedrukt in N/itra , kan worden afgeleid via een spanningsoptische 30 coëfficiënt, S.O.C., uit de penetratiediepte uitgedrukt in nm/cm. De spanningen en penetratiediepten werden gemeten door middel van een spanningsmicroscoop met een vergroting van 60. De metingen werden uitgevoerd op glasstaafjes van de genoemde glassoort.

In het diagram geeft kromme A het spanningsprofiel weer na de 35 chemisch-thermische behandeling van de glasstaafjes; de staven werden gedurende 24 uur in een bad van de genoemde samenstelling en met een tsnperatuur van 525°C gedompeld. De randspanning bij een penetratiediepte 0 was 6500 nm/cm; de maximale drukspanning was 11000 πιη/αα op 8100602 PHN 9956 6 een penetratiediepte van 55 ^ura; de maximale penetratiediepte bedroeg 210 yum met een drukspanning 0.

De kromme B geeft het spanningsprofiel weer na een ter substitutie van een aantal perscycli uitgevoerde thermische testbehandeling van de 5 staafjes, die gedurende 24 uur bij een temperatuur van 350°C in een oven verbleven. De randspanning was daarna gedaald tot 4000 nm/cm en de maximale drukspanning was gelijk gebleven op 11.000 nm/cm; de penetratiediepte bij de spanning 0 bleef dezelfde, te weten 210 ^um.

Een vergelijking tussen de krommen A en B maakt duidelijk dat de 10 thermische testbehandeling respectievelijk perscycli het versterkte karakter van het glas niet nadelig beïnvloeden; de krommen verschuiven slechts en de maximale spanningswaarde alsmede de plaats van het spanningsnul-punt veranderen niet.

Met de in figuur 1 getoonde inrichting voorzien van de boven 15 beschreven mal van natrium-aluminium-siliciumglas werden uit verschillende glassoorten lenzen vervaardigd. Daartoe werd een kubus met een afmeting van 8 x 8 x 8 mm tussen de matrijshelften geperst bij de hieronder aangegeven pers temperatuur. De vonnnauwkeur igheid, dat wil zeggen de afwijking ten opzichte van de ideale vorm en de gladheid van de con-20 tactoppervlakken van de mal bedroegen respectievelijk minder dan 0,1 yUm en minder dan 0,02 ^um. Alle geperste lenzen bezaten een vormnauw-keurigheid van minder dan 0,1 ^um en een gladheid van minder dan 0,02 ^um. Deze lenzen behoefden daarom niet meer gepolijst te worden. In de hieronder volgende tabel is de samenstelling van de toegepaste glazen 25 en de toegepaste perstemperaturen aangegeven. Tevens is de lostijd, dat wil zeggen de tijdsduur waarbinnen het glas door krimp zich losmaakt van de matrijs aangegeven.

TABEL

30 Glas| SjwffST 1 I lostijd

no. stelling ^ peratuur J

1) FK3 (optisch glas 820 x 10 750°C ongeveer 5 sec.

van Schott) 2) 87 gew.% PbO: 940 x 10~8 470°C 5-30 sec.

35 10' gew.% SiC>2; 1 gew.% Sb2C>3; 1 gew.% B2C>3; 8100602 *. f · -r PHN 9956 7

Glas Glassamen- Perstan- r„, . ·, no. stelling ^f^cient peratuur IastL^ 2) 0,5 gew.% K20; 940 x 1θ“8 470°C 5-30 sec.

0,5 gew.% overige 3) 47 mol.% P205; 135 x 10-8 440°C 8-20 sec.

9 nol.% Li2°/ 19 mol.% BaO; 10 19 mol.% EbO; 0,9 mol.% Al202;

5,1 at.% F

4) ^2^3 2240 x 10 8 325°C minder dan 10 sec.

15 20 25 30 35 8100602

Claims

2. Werkwijze voor het vervaardigen van een mal voor het preeisie-persen van glazen voorwerpen, met het kenmerk, dat door een mechanische bewerking een glazen voorvorm wordt vervaardigd, de vcorvorm vervolgens aan een etsbehandeling wordt onderworpen, de geëtste voorvorm op het 10 persvlak mechanisch wordt nabewerkt en uiteindelijk de nabewerkte mal door een chemisch-thermische behandeling voorgespannen en versterkt wordt.
3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de nabewerkte vorvorm tijdens de chemisch-thermische behandeling gedurende een aantal 15 uren aan een bad bestaande uit KNO^ met 0,2 gewichtspröcenten en met een temperatuur van ca. 500°C of hoger wordt blootgesteld.
4. Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de vorm van de versterkte mal wordt opgemeten en de mal bij afwijkingen van de vereiste vorm nagepolijst wordt en aan een tweede chemisch-thermische 20 behandeling wordt onderworpen.
5. Mal voor het preeisie-persen van glazen voorwerpen, met het kenmerk, dat de mal voorgespannen en versterkt is met aan het oppervlak een randzone onder drukspanning die via een neutrale spanningsvrije zone overgaat naar de kern die onder trékspanning staat.
6. Mal volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de drukspanning in de randzone vanuit het vrije oppervlak eerst vanaf een positieve randwaarde eerste toeneemt tot een maximale waarde en vervolgens tot nul afneemt. 30 35 8100602