非球玻璃透镜模压成型技术

翻译文献：非球玻璃透镜模压成型AnuragJain,AllenY.Yi美国俄亥俄州43210，哥伦布市1971尼尔大道俄亥俄州立大学，工业系焊接与系统工程摘要.模压成型已成为非球面玻璃透镜中等至大批量生产的可行性制造工艺。从热收缩到模具涂层磨损和长成型周期这一过程缺乏基本的理解和其他技术问题使得这一过程不适合应用到工业上。在这项研究中，模拟了透镜成型过程的各个阶段来了解不同成型参数对透镜最后质量的影响。二维轴对称的玻璃成型模拟过程使用了商业有限元方法代码。玻璃被模拟成牛顿流体和温度依赖性粘度而且还要考虑到热量在玻璃模具界面的传导。这项研究的主要目标之一就是创建包括粘弹性的（对机械负荷的玻璃的时域响应）仿真模型。为数有限的实验被完成，并与实验数据的预测结果比较。虽然预测的结果似乎是定性与实验数据吻合，进一步研究需要对粘弹性、结构弛豫（玻璃温度改变依赖响应时间）和在高应力水平，玻璃的非牛顿特性进行更有效的工具，用于流程分析和优化使有限元。绪论玻璃镜片制造作为一个科学和工程课题已经被研究了几十年。由于制作方法的限制，早些时候的研究与开发的重点是球面透镜。然而，相较于那些非球面透镜，球面透镜可以产生高阶畸变。最近大量的努力一直致力于非球面光学制造研究[1-3]。在这一领域的发展使得采用非球面光学元件的光学设计已成为经济现实。非球面透镜具有一个表面或两面不符合一个球形。像差是由于使用球面透镜产生的能够尽量少的使用非球面透镜的元素。如果设计合理，使用非球面光学设备元素可以减少光学畸变，内部反射透镜计数，和最小化装配要求。使用非球面玻璃元素可以满足对更便宜、更好、更轻，和小光设备的稳步增长的需求。对于大批量的OEM产品，如相机镜头、投影物镜和电信产品非球面光学镜片注塑成型已唯一可用的制造方法。虽然玻璃是一种材料的选择对于光学的应用程序，传统的玻璃透镜制造工艺向运营商和最终提出几个问题由于使用了大量的冷却剂的用户和泥浆，复杂抛光过程控制和极高的制造成本。作为传统的光学玻璃制作过程中的替代方法，压缩成型的精度非球面光学可能是一个有吸引力的方法。在这个过程中玻璃采空区在单人操作中处于按下状态，形成一个完成的镜头。释放应力，防止散热片缩痕，形成的镜头被允许待在模具型腔进行退火。图1是一个示意图显示泛型的玻璃成型工艺的顺序[4]。实心点表明所述加热元件处于关闭状态。图1.玻璃成型过程的示意图玻璃成型过程大致可以分为在三个不同阶段A、B和C（见图2）。黑线表示温度变化,灰线在玻璃成型周期中位置较低的模具。在阶段一，N2流经模具装配区清洁模腔。模具的装配和玻璃采空区加热的温度略高于玻璃的工作温度。玻璃工件的粘度被软化到107-109，在这一阶段能够成型。在阶段B，玻璃镜片在恒温下成型。在C阶段，成型工艺间的衔接通过一个快速的冷却阶段而且镜片大约在200℃下成型。各种不同的N2流速用来加速冷却供装配的模具零件。1.实验测试镜头有38.453毫米半径的凹球面和48.985毫米半径的凸球面。镜头的外直径是25毫米，中心厚度是大约5毫米。透镜毛坯的玻璃材质是BK7[6]（玻璃化转变温度Tg=557℃）。钨硬质合金（WC）用于生成（上部和较低）模具[7]。模具表面的精度地面和抛光到光学质量前薄白金涂层的500毫微米厚沉积。惰性薄膜涂层在工艺过程中为在严酷工作条件下工作的模具提供保护。模具制作的详细进程在表一中进行了总结。所有25项透镜模压的测试在同一条件下进行，概述如下：a）加热模具和玻璃采空区到成型温度684℃。b）在负Y方向684℃时以0.145毫米/每秒的速度成型。c）冷却封闭的模具装配件和镜片到200℃。模压的镜头随后被调离模具和冷却至20℃。第三阶段采用N2气体清除O2和控制过程中的冷却速率。成型压力控制在在冷却期间500N的恒定的水平力尽量减少从镜片的残余应力变形和温度的变化。模具表面在每个周期之前要先进性检查以确保铂涂料层没有明显损坏。图2.玻璃成型过程中的温度变化表1.碳化钨模具制作工艺2.数值仿真玻璃成形模拟使用了商业有限元方法（FEM），代码DEFORM-2D，基于对更新塑性大变形的拉格朗日公式分析。该方案利用网格重新划分算法，由严重的磨削工艺车轮配置工件速度砂轮速度表面速度进给速度进料冷却剂SD1,200浓度100树脂粘接，刀尖圆弧半径0.5毫米400rpm9,600rpm500mm/min1.5mm/min水性冷却液抛光工艺金刚石晶粒尺寸粗加工：3m完成：1m网格畸变触发，造成的结果是优胜劣汰的新的一代人不变形网格流程变量的值从旧网格插值到新网格。2.1模型和边界条件表2总结了玻璃和输入到仿真模型的模具的材料性能。玻璃的流动行为被假定为服从牛顿粘塑性成形法[8]，温度模拟了使用关系：在这里，等效vonMises应力，[MPa]，是应变率，[sec-1]和η（T)是粘度的温度依赖性[MPa-s]，可以从Fulcher定律中发现：A、B和T0是实验研究的待定系数，典型粘度值的形成温度范围约等于100MPa/秒（700℃）和1MPa/秒（900℃）。图3显示的是玻璃成型工艺与位移的二维轴对称有限元模型和其应用的热边界条件。越低的模具和模具被约束在Y方向和速度边界条件按照模具运动在形成阶段应用于上模和模具。采空区和工具的热边界条件有（上模和下模）：表2.玻璃和模具材料的性能玻璃（BK7)模具(WC)材料类型刚塑性弹性弹性模量（GPa）82570泊松比0.2060.22密度（kg/m3)251014650热导率(W/m℃）1.163比热（J/kg℃）750314热扩展（×10－6/℃）7.14.9k是考虑对象的热导率，Tc是模具镜片接口的接触温度，n是曲面边界的单位向量，界面传热系数在玻璃和模具的接触界面是2800W/㎡℃。在相似的温度和压力条件下玻璃模压实验中得到了类似的实验数据。对流换热系数(h)值为20W/㎡°C时被用来模拟在加热阶段的自由对流，值为200W/㎡℃时用来模拟在冷却阶段的强对流。指示约束边界Y方向的指示速度边界条件图3.示意图显示了模具、冲模和镜片表面的边界应用条件。剪切摩擦模型被用于模拟玻璃与模具之间的摩擦条件。τ是界面的剪切强度[MPa]，k是柔性材料的剪切屈服应力[MPa]，m是剪切系数(0≤m≤1)。假设玻璃和模具之间完全黏贴是的剪切摩擦系数为1.0。四结点四边形单元被用于模拟所有实体，大约2500元素用于模拟采空区、500的元素被用来模拟的上模和下模，200的元素被用于模拟模具。完整的仿真模型分为四个步骤：a）加热模具和玻璃采空区到成型温度684℃。b)在684℃成型。c）把模具组件和透镜冷却到200℃。d）单独把透镜从200℃冷却到20℃（即室温）。2.2数值结果图4显示了仿真成型的不同阶段：（1）初始加热透镜和模具组件到成形温度为684ºC。（2）透镜采空区在684℃形成（绝热过程）。（3）把模具组件和透镜冷却到200℃。（4）透镜在室温20℃下完成。图4.透镜成形过程的数值仿真2.3透镜几何预测图5显示了非球面透镜从这两个实验得到的曲线与X轴作为参照（设计）的曲线仿真的偏差。在图中横轴代表与透镜中心的距离（原点）。垂直轴表示测量曲线和设计曲线的偏差（实验和仿真）。它可以观察从预测的结果相配的图与实验数据的中心但镜头移动至中心预测的结果曲线往往偏离了试验曲线。当前的有限元模型不包括的影响粘弹性（解释在第2.4节）的影响结构弛豫（时间取决于响应与原子重新分配在高关联温度）的玻璃在玻璃化转变温度。讨论了数值仿真在下面的部分是我们第一次尝试纳入中建模的玻璃粘弹特性成形过程。图5.计算与透镜形状相对的实验尺寸2.4粘弹性玻璃是一种粘弹性材料，这就意味着周围的玻璃化转变范围应激的反应对变形不再是成比例的。除了在瞬时弹性应变，还有延迟过去一段时间内出现的弹性应变和逐渐复苏后应力消除。此外还有引起的粘性流动永久应变。被认为是大多数氧化物玻璃线性粘弹性材料和简单术语层面(TRS)。光学玻璃的组件折射率均匀，残余应力要在可以接受的程度内。退火过程为获得释放后的自由应力不得不小心的设计。因此，对于准确预测应力在一个成型透镜中的分布，对纳入粘弹性的玻璃材料进行建模变得绝对必要。在此研究中，曾尝试通过使用模型玻璃的粘弹性响应商业有限元预测代码马克一个成型的镜头内部的应力分布。粘弹性由对应的热弹性有限元分析方程[13]给出：D是弹性模量矩阵，σ是应力，ε和是实际应变张量和热应变张量，剪切模量G在矩阵D中被时间依赖性相似体G(t）代替，恒切变玻璃的时间相关值（表3）输入仿真模型：给出的应力总变化公式：.其中，t是小的时间步长和k(t)是局部应力组件。应力松弛的部分在时间步长t，变化热应力都转换为节点力和从外部力量在数值减去模型。位移、应变和应力的变化可以计算一个简单中的方式相同弹性分析[13]。图6(a)显示预测的应力分布在末尾成型的玻璃镜片内循环（即那一瞬间模具被关闭）。图6(b)所示在模压的玻璃镜头内的应力分布时间即时，t=20秒后的模具有完全关闭，同时温度仍一直维持在600°c。从这些数字可以看出，在第一次发生应力大幅度放宽20秒后合模。应力松弛10平均价值280MPa的最大值MPa大约。这里面的残余应力镜头进一步将到期的耗散消失在结构弛豫退火过程中的能量周期和收缩率的镜头。结构弛豫由于残余应力的透镜收缩和影响是在将来可以处理的问题研究。另一个有趣的观察，从数字6(a)和6(b)是模具型腔不是完全填充成型周期（如见到末尾在右上角的图6（a），但之后20模具模具开合秒完全获取可能由于粘弹性松弛的填充玻璃材料。图7显示了在一个固定的应力历史情节期间完全成型的玻璃内的位置A周期。从位置A，得到预测的应力从粘弹性材料模型继续生成在成型期间，达到最大值在关闭了模具的瞬间的值。在那之外期间有了这些模具仍处于相同的位置压力迅速下降并达到稳定值后大约40秒（即20秒后模具关闭）。3.结论精密玻璃非球面透镜在大体积。图精度的成型玻璃镜片是小于10，这是相当于或比常规的球形玻璃制造过程。然而由于热膨胀的模具、注塑的透镜曲线被转移了。这也是结果表明有限元分析程序可以用于预测结果和优化成型参数。然而，一些商业程序都不配备适当的数学表述来模拟粘弹性行为及结构弛豫的玻璃材料。更可靠的应力预测内模压的镜头是可能通过实施粘弹性有限元软件MARC中。图6.VonMises应力分布预测(a)在最后成型步骤（b）的模压镜片内成型后的20秒图7.在位置A的应力历史曲线里面的玻璃镜片4.致谢作者要感谢博士Anthony(副教授、机械俄亥俄州立大学工程)的研究支持。这项研究的支持也是由俄亥俄州大学焊接的工业与系统工程(IWSE)学院提供，尤其是由博士R.A.米勒（IWSE教授和院长）。