CN115259635A - 一种玻璃透镜模压成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玻璃透镜模压成形方法。即在模压成形冷却阶段，通过调控镜片边缘的降温速率，缩小镜片边缘和中心的实时温度差，从而使整个镜片温度趋于相对均匀，以较低的热应力状态实施冷却。具体地，通过放置特定的均热元件在模具外部，在模具开始冷却时，均热元件的温度高于模具，均热元件不断地将热量传递到镜片边缘，直至冷却结束开模。相比于现有技术，本发明改善了冷却时镜片中心和边缘区域受热不均的工况，进而降低了镜片内部的热应力，大大降低了由内应力导致的镜片碎裂风险，从而有效地提高了玻璃透镜模压成形的合格率。

Description

一种玻璃透镜模压成形方法
技术领域
本发明涉及光学玻璃透镜精密模压成形技术领域，特别是涉及一种玻璃透镜模压成形方法。
背景技术
光学***的集成化和微型化已经成为商用光学产品发展的趋势。在折射式光学***中，球面透镜元件已经广泛应用，但由于球面单透镜存在像差，往往需要透镜组来校正，使得光学***复杂，产品体积较大。相比之下，非球面单透镜就能够很好地校正像差，使得产品具有光学元件少、体积小和低成本等优势，因此备受青睐。
传统的玻璃球面透镜可以采用铣磨、研磨和抛光等工艺完成批量化生产，但对于玻璃非球面透镜，由于其表面轮廓更为复杂，传统的加工方法无法实现高效率生产，因此玻璃非球面透镜往往采用精密模压的加工工艺。玻璃透镜模压成形是一种净成形的加工技术，即通过把玻璃坯料(玻璃球或预形体)先加热到玻璃转变温度Tg点以上，在高温下对软化的玻璃进行模压，使玻璃复刻模具表面形状，进而冷却后脱模形成特定的非球面透镜。因此，精密模压成形能够满足玻璃非球面透镜的批量化生产需求。
玻璃透镜模压成形，按照玻璃状态一般划分为四个阶段：预热、均热、模压、冷却。因此，透镜的成形质量与多种因素相关，例如温度、成形压力、模具表面状态及玻璃材料力学性能等，合适的工艺及模具结构尤为重要。模压成形的透镜一般存在的缺陷有：碎裂、划痕、麻点、偏心和面形偏差等，其中镜片碎裂是不可逆的，也是影响模压产品合格率的主要缺陷。
一般的玻璃模压模具由上模仁、下模仁、导向套或导向柱组合而成，主要功能是完成模压成形动作及保证镜片精度。然而，在使用热膨胀系数大的玻璃材料模压时或在镜片边缘较薄的模压场合中，镜片发生边缘碎裂的频率很高，造成玻璃坯料的大量损失，甚至会划伤模具表面。目前，公开的报道中未见针对模压镜片碎裂的问题而专门开发的新工艺和新方法，所以当前生产上急需寻找一种能够减少或防止镜片碎裂的模压成形方法，以提高模压镜片的产品合格率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种玻璃透镜模压成形方法，能够防止模压镜片发生碎裂。
在玻璃模压成形过程中，玻璃受到了复杂的力热载荷作用。在冷却阶段，镜片通过模具不断地向外传热降温，同时为了保证镜片收缩后的面形精度，镜片也会被施加一定的保压载荷。
除双面凹形透镜外，大部分镜片呈现中心厚边缘薄的形状特征，申请人发现，在冷却过程中，由于镜片中间部分较厚冷却速度慢，而边缘部分较薄冷却速度快，往往导致镜片中间部分温度高于边缘，温度分布的差异使得镜片内部产生较大的热应力，在外界保压载荷的作用下，会极易诱发镜片产生边缘碎裂。
本发明方法改善冷却过程中镜片内部不均匀的温度场，通过均热冷却的方式降低热应力对镜片的影响，进而防止模压镜片发生碎裂。
所谓均热冷却，是在模压成形冷却阶段，通过调控镜片边缘的降温速率，缩小镜片边缘和中心的实时温度差，从而使整个镜片温度趋于相对均匀，以较低的热应力状态实施冷却。具体地，镜片边缘温度调控通过在模具外放置特定的均热元件实现。
镜片模压工艺过程如下：模压前，投放玻璃坯料到模具内，模具定位后合模，在模具外部布置均热元件，再一起送进模压机开始模压。装填好的模具在经历预热、均热、模压和冷却四步工序后，便可开模取出成形镜片。
均热元件调控过程如下：在模压冷却阶段，镜片通过与模具模仁接触传热降温，同步地，模具外部的均热元件温度高于模具，因此热量不断地从均热元件传入模具，延缓镜片边缘区域的降温速率，通过控制均热元件与模具的温差，即可实现调控镜片边缘温度的目的。
进一步地，所述均热元件为主动式加热与控温单元或定制的均热结构，所述主动式加热与控温单元通过加热装置升温均热，通过测温装置进行温度反馈，实现模具外部精确的恒温或变温调控；所述定制的均热结构在冷却时相对于模具的降温速率慢，实时温度高于模具，实现对模具的温度调控。
进一步地，所述定制的均热结构为均热套筒、均热环或其他能够实现均热效果的结构形式。
进一步地，所述均热结构使用大比热容的保温材料制成。
进一步地，所述均热套筒为直筒结构或阶梯筒结构，其中直筒结构为等壁厚，对整个模具均匀保温，所述阶梯筒结构在正对模腔的位置壁厚最大，通过调整该处壁厚适应不同控温需求。
进一步地，所述均热套筒与模具的径向间隙根据实际模压镜片需求调整。
本发明取得了以下有益技术效果：
本发明提供了一种均热冷却的玻璃透镜模压成形方法，能够有效地防止冷却过程中镜片不同区域因较大的温度差异而造成的收缩碎裂。现有的模压方法及其模具结构，均不具备均衡镜片温度分布的功能，所以模压镜片发生边缘碎裂几率较高。本发明提出了均热冷却的模压成形技术方法，并巧妙地运用了均热元件，其有益效果在于，一是对模具和镜片边缘区域保温，降低镜片边缘的冷却速度，从而减小边缘和中心的温度差；二是降低模压机炉膛内的氮气流动对镜片边缘温度的干扰，为了防止模具氧化，模压机炉膛内需不断补充新鲜氮气来维持无氧氛围，外部的均热元件有效地削弱了低温的氮气与模具体外表面的对流换热，进一步延缓了镜片边缘的降温速率。因此，本发明提供的方法从改善镜片的温度场角度，使镜片降温时内部温度分布相对均匀，极大地降低了镜片内部热应力的影响，从而达到防止镜片碎裂的目的。
本发明所述的方法清晰明确，易于实施，所涉及的均热元件结构简单、易于使用。因此，本发明能够提高镜片的合格率，提高生产效率，特别适合对热膨胀系数大的玻璃材料模压成形、对边缘厚度较薄的镜片模压成形等场合中应用。
附图说明
图1为根据本发明实施例的镜片模压流程图。
图2为根据本发明实施例的模具及均热元件结构示意图。
图3为根据本发明实施例的模压成形目标透镜示意图。
图4为根据本发明实施例的镜片冷却阶段示意图。
图5为根据本发明实施例的装有主动式加热与控温均热元件的模具结构示意图。
图6为根据本发明实施例的装有定制的均热套筒的模具结构示意图。
图中：1-上模仁，2-玻璃坯料，3-下模仁，4-定位套筒，5-均热元件，6-目标透镜，7-加热装置，8-均热套筒
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行详细介绍，以下所描述的具体实施例仅供解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例中以使用定制的均热结构形式的均热元件实施均热冷却为例，具体说明一种均热冷却的玻璃透镜模压成形方法的实施方式。
一种均热冷却的玻璃透镜模压成形方法，其涉及的模压流程如图1所示。所谓均热冷却是在模压成形冷却阶段，通过调控镜片边缘的降温速率，缩小镜片边缘和中心的实时温度差，从而使整个镜片温度趋于相对均匀，以较低的热应力状态实施冷却。具体地，镜片边缘温度调控通过在模具外放置特制的均热元件实现。
如图2、图3所示，本实施例中使用本发明所述的方法开展非球面双凸透镜模压，其中目标透镜6的口径为24mm，中心厚度为5.95mm。模具包括上模仁1、下模仁3、定位套筒4和均热元件5。其中，上模仁1和下模仁3凸起侧表面形状分别与目标透镜6双侧表面一致，表面均镀有防粘连涂层；上模仁1和下模仁3装配到定位套筒4中，形成模腔；定位套筒4与上模仁1和下模仁3间隙配合，用来控制镜片的面间偏心；定位套筒4中部设有均匀分布的4个排气孔，以便模压时模腔放气；均热元件5放置在定位套筒4的外部。
本实施例中，模压前的装模流程如下：先将下模仁3平置到桌面上，装入定位套筒4，然后投放玻璃坯料2到下模仁3，再将上模仁1压入定位套筒4合模，最后放置外部的均热元件5，至此装模完毕。装模后，模具转入专用玻璃透镜模压机中，按照预热、均热、模压、冷却的步骤成形透镜，待冷却完成后打开上模仁1，取出镜片。
如图4所示，均热元件5调控过程如下：在模压冷却阶段，目标透镜6通过模具上模仁1和下模仁3接触传热降温，同步地，模具外部的均热元件5温度高于模具，因此热量不断地从均热元件5传入模具，延缓目标透镜6边缘区域的降温速率，通过控制均热元件5与模具的温差，即可实现调控镜片边缘温度的目的。
所述均热元件5按控制形式分为主动式加热与控温单元和定制的均热结构，分别如图5、图6所示。所述主动式加热与控温单元通过加热装置7升温均热，通过测温装置进行温度反馈，实现模具外部精确的恒温或变温调控；所述定制的均热结构在冷却时相对于模具的降温速率慢，实时温度高于模具，实现对模具的温度调控。
如图6所示，本实施例中，所述均热元件5为定制的均热结构形式，对应的实际结构为均热套筒8。
本实施例中，上模仁1和下模仁3和定位套筒4材料均为碳化钨，均热套筒8材料为不锈钢。
本实施例中，均热套筒8为阶梯筒结构，最小壁厚为3.5mm，最大壁厚为6.5mm，中部特别加厚，以增强目标透镜6的均热效果，均热套筒8与定位套筒4的最小间隙为0.5mm。
以上实施例的说明用于帮助理解本发明的设计和思路，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案和思路加以简单修改、等同变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种玻璃透镜模压成形方法，其特征在于，在模压成形冷却阶段，通过调控镜片边缘的降温速率，缩小镜片边缘和中心的实时温度差，从而使整个镜片温度趋于相对均匀，以较低的热应力状态实施冷却。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在模具外设置特定的均热元件，在模压成形冷却阶段，使所述均热元件温度高于模具，热量不断地从均热元件传入模具，延缓镜片边缘区域的降温速率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述均热元件与模具共同送入模压机模压。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述均热元件为主动式加热与控温单元或定制的均热结构，所述主动式加热与控温单元通过加热装置升温均热，通过测温装置进行温度反馈，实现模具外部精确的恒温或变温调控；所述定制的均热结构在冷却时相对于模具降温速率慢，实时温度高于模具，实现对模具的温度调控。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述均热结构为均热套筒或均热环。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述均热结构使用大比热容的保温材料制成。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述均热套筒为直筒结构或阶梯筒结构，其中直筒结构为等壁厚，对整个模具均匀保温，所述阶梯筒结构在正对模腔的位置壁厚最大，通过调整该处壁厚适应不同控温需求。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述均热套筒与模具的径向间隙根据实际模压镜片需求调整。
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