光学玻璃精密模压工艺及设备

  玻璃的精密模压技术是20世纪80年代由美国柯达公司及日本保谷公司，为提高成像质量和简化光学系统所开发的。 这种先进的压型工艺是将玻璃直接压制成光学元件，不再经过粗磨、细磨、抛光、镀膜工序。 可直接装备到光学仪器上。 这样可大量节省人力和设备，降低能耗，提高原材料的利用率，缩短生产周期。生产出的光学元件质量高，良品率可达90%.一精密模压工艺及设备传统的光学玻璃镜头加工方法研磨加工工序繁琐，而且加工周期长，玻璃的材料利用率低。见表14-2所示。利用精密压制的方法则减少了多数工艺过程，而且可大批量生产非球面镜头，棱镜及有凹凸形状的薄板等制品。

  精密压制技术是多学科的复合技术，一般包括以下几个方面:非球面镜头的光学设计; 适宜精密压制工艺的玻璃;超精密模具加工技术;新型模具材料;预成形技术;精密成形(模具结构、压机、压制工艺条件);非球面形状的检测技术。现在精密模具压制技术生产的光学玻璃元件，已广泛用于摄像机、数码相机、手机中的摄像镜头，车载CD机、单镜头相机、各种光盘系统的拾波器透镜、 激光打印机的准直透镜、光通信中与光纤结合的透镜等。 此外一些形状复杂的透镜、棱镜、非球面透镜、带有微细突起的透镜(如高度差仅十几个微米的菲涅耳透镜)、微细透镜阵列等，近年来也采用精密模压的方法制造。 一些研究报告还给出利用玻璃态碳模具压制派莱克斯玻璃、石英玻璃基质的有精密尺寸要求的生物芯片用基板，这些已成为精密压制技术的新应用。一般玻璃的直接压制方法是将熔融态的光学玻璃在10~103dPa·s黏度状态下滴人比玻璃转变点(Tg)低于50C以下的金属模具中压制成形。收缩凹陷此时玻璃与模具间温差为400~600C，由于模具温度低，便可防止玻璃与金属模具的黏附。 而压制中玻璃与模具接触部分(主要是表面) 快速冷却固化，其内部的玻璃在压制后仍具有流动性。如图14-16所示为这种压制方法生产透镜的缺陷，即玻璃表面产生凹陷，这导致图14-16 压制中产生的凹陷收缩示意图形状精度为0.05~0.1mm，将不能用于透镜使用，除此之外还使玻璃表面形成胡须状、 橘皮状的粗糙表面以及剪刀疤痕。1970年美国柯达公司申请了精密压制成形透镜的专利，并将其用于相机中。其中有球面透镜也有非球面透镜。

       1971年日本保谷(HOYA)公司也申请了精密压制的专利。制备方法是将模具温度保持在玻璃转变点(Tg) 以上，接近软化点以下的温度范围内，对尚具有流动性的玻璃加压，直至玻璃温度分布均匀，在此状态下保压20s以上，以防止产生缩孔。 此处玻璃的转变点对应玻璃黏度为1013~1014dPa·s，而软化点为 107.6dPa·s.柯达公司的成形方法如下: 1向模具内放入一块玻璃; @将模具包围的容器排气抽真空，并且注人非氧化性气体; 3将模具和玻璃升温至玻璃转变点附近; 4对模具加压使玻璃成形;5在维持对玻璃的压力同时使玻璃模具温度降至玻璃转变点(Tg)以下(对应黏度1013~1014dPa·s以上);6撤除压力;为防止模具氧化，将模具进一步冷却至300'C;8开模。1981年美国康宁公司也申请了专利，成形步骤如下: 1制备接近最终形状的玻璃预制件;2制备具有最终形状的模具;3将预制件与模具分别升温至与玻璃黏度108~1012dPa·s范围对应的黏度(与柯达专利相比其黏度稍高一些); 4将预制件置于模具中; 5对模具加压使玻璃成形，保压一定时间，至少在模具的边缘使模具与玻璃为同一温度，最终使预制件与模具内腔形状一致;6当达到1011~1013dPa·s区间对应的温度时，将已成形的透镜由模具中取出;对已压制好的制品进行精密退火。随着对产量的要求及技术上的突破，一些公司采取了新的方法。 

  即对上述的二次压制法采取一次直接压制的方法。 与二次压制方法相比，从精度上看，二次压制方法的精度要高，但从铂金坩埚滴下的料滴直接压制的方法则可以大大提高产量，而且玻璃的利用率高。图14-17和图14-18分别为日本保谷(HOYA)公司及日本佳能公司的两种精密压制设备示意图。图14-19为将熔融玻璃直接制备雏形的方法。这种直接压制(一次)的设备各公司开发的种类不同，也对应玻璃组成及黏-温曲线的不同而有所区别。图14-19为将熔融玻璃形成料滴后利用玻璃表面张力及黏-温曲线，使料滴成形为球状或椭球体，然后移送至压机，进行精密压制。如图14-19(a)所示，对低黏度玻璃由流料管滴下的玻璃落入一锥形漏斗中，由下部小孔中吹出的热气流托住玻璃料滴，同时调整其温度(黏度)，使其在表面张力作用下呈球状，然后移送至成形模具(与之温度接近的模具) 中压制成形。 而对应黏度大的玻璃，如图14-19(b)所示，则需要剪刀将流出流料管的玻璃剪下，落入一雏形模具中，这些模具中下方开有小孔，热气流由雏形模具下方吹出，使料滴圆整化(成为接近球状或椭圆形状)，同时利用玻璃内部热量的重热作用使剪刀疤消除。 这些制备雏形的方法中，最关键是如何保证每个料滴的重量一致，以及在流料管口处不析晶.为保证模具不被氧化，在图14-17中的转台式(间歇式回转)压机上设有压制室的快门式挡板，可以保证压制室内不进入过多的空气并保持非氧化气氛，HOYA专利给出的这种压机压制时雏形温度应在107.4~1010.5dPa·s黏度对应的温度范围内。

  图14-18所示的系统是将熔融玻璃由流料管处拉制成光洁圆整的玻璃棒，通过在棒上的准确划痕后利用急冷制成料重不变的圆形截面的饼状玻璃块，落入下方石墨模中后由热氮气将其加热并使之上浮在锥形石墨模具中，玻璃通过加热黏度达到104~107dPa·s，此时的玻璃由其表面张力作用而球形化，然后再送至压制室压制成形。 这种成形方法元件的重量偏二精密模压模具材料及模具加工1.模具材料精密模压技术要求模具材料无气孔，且可以研磨出平滑的光学镜面; 高温下耐氧化且其材料结构不变化，可以保持表面的原状态; 与玻璃不黏结、不反应且脱模性好;在高温保持高强度、高硬度.模具材料一般采用超硬合金材料，在与玻璃接触的表面镀覆一层或几层陶瓷材料膜。 其材质各公司不尽相同，见表14-3。HOYA公司对模具材料所做的评价试验(N2气氛、温度为膨胀软化点十10C，压制时间20s，试验次数为500 次、1000 次，2000 次、5000 次、10000次后，观察膜的寿命)表明，从膜的硬度、与模具附着强度变化看出如下顺序:TiCN/WC， DLC/WC， SiC，Cr2 03/Al2 O3， TiAIN/WC，BN/WC，TiN/WC，Pt-Ir65/WC，Pt-Aus/WC.2.模具加工模具的加工采用高刚性、高于0.01um分辨率的精密加工机床(专用的非球面加工)。其加工的过程如图14-20所示。合金模具采用金刚石磨轮研磨，待研磨加工完成后镀上陶瓷膜。图14-21为镀膜后的精磨加工过程。精密压制成形可以使玻璃很容易地将模具的形状精密复制出来，这与软化玻璃不黏附模具的研发是不可分的。 

  以往的成形是将熔融态玻璃在低温金属模具中压制成形。这种方法防止了玻璃在模具上的黏附，但是因产生疵点、表面皱纹而失去形状精度。采用特殊的模具材料，在非氧化气氛中将玻璃和模具同时升温至玻璃的软化点附近，在二者温度一致时以较高压力用模具压制一段时间后，在维持压力状况下使其模具与玻璃的温度同时降低至玻璃的转变点以下。由此可以看出，采用精密压制时，模具需要加热而且与玻璃同时冷却至转变点以下，因而压制时间长，这使得生产速度低，这要求设备应当采用多副模具。思考题1.简述光学玻璃与日用玻璃的制备工艺及设备有哪些不同之处?2.简述连熔工艺制备光学玻璃有哪些优点?3.简述精密压制成形的工艺过程.

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