特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝的製作方法

2023-05-13 21:09:51

專利名稱：特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及高精度熱壓光學玻璃元件成型工藝，具體涉及通過按一定時 間間隔設計採用多臺特殊光學元件光學玻璃精密高溫軟化爐加熱軟化光學玻 璃棒料和隧道式退火爐構成的熱壓玻璃成型設備和高精度的精密模具來完成 特殊光學元件熱壓光學玻璃成型，不需要研磨、拋光毛坯加工、定中、磨邊、 膠合的加工方法。
背景技術：
近年來研究開發出許多新的特殊光學元件，在光電行業中得到廣泛的應 用，如各種高次非球面光學透鏡、不規則的各種光學稜鏡、高次非球面光學 透鏡和光學稜鏡組成的複合件，上述的各種光學元件統稱為特殊光學元件， 該類特殊光學元件用冷工工藝來完成，需要採用一系列複雜工序，毛坯加工， 粗加工，粗磨，精磨、拋光；定中、磨邊、膠合。執使加工誤差較高，製造 困難、調試麻煩，費用高，為了簡化加工工藝、採用熱壓光學玻璃成型的制 作工藝，將特殊的光學元件一次模壓成型。
特殊光學元件光學玻璃模壓成型技術是一種高精度光學元件加工技術， 是目前大量生產複雜光學透鏡、光學稜鏡的現代高科技工藝。需要設計專用 的模壓成型設備，採用高質量的模具和選用合理的工藝參數。它把軟化的玻 璃放入高精度的模具中，在加溫加壓和無氧的條件下， 一次性直接模壓成型 出達到使用要求的光學元件。
在特殊光學元件模壓成型法中，如將熔融狀態的光學玻璃毛坯倒入高於 玻璃轉化點5"C以上的低溫模具中加壓成形，容易發生玻璃粘連在模具的模面 上，產品容易產生氣孔和冷模痕跡(皺紋)，不易獲得理想的形狀和面形精度。如採用等溫加壓法，將光學玻璃和用特殊材料精密加工成的壓型模具一起加 熱升溫至玻璃的軟化點附近，在無氧化氣氛的環境中獲得高精度的形狀表面， 但這種製造方法缺點是加熱升溫、冷卻降溫都需要很長的時間，因此生產 速度很慢。而用冷加工工藝來完成各種高次非球面光學透鏡和光學稜鏡組合 的複合光學元件、是很困難的事情。

發明內容
為了提高生產速度，降低成本；解決縮短加熱升溫的時間；為了解決玻 璃粘連在模具的模面上的問題，以便獲得高精度的特殊光學元件光學玻璃熱 壓成型件，完成各種高次非球面光學透鏡和光學稜鏡組合的複合光學元件一 次加工成型，本發明的目的是採用自行研製成的特殊光學元件光學玻璃精密 熱壓成型新設備、提供特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝。
為了實現上述目的，本發明解決其技術問題所用的技術方案是 特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝進行分3步工序進行。
1) 加熱工序採用特殊光學元件光學玻璃精密高溫軟化爐加熱在1200 °C高溫，用200-500秒時間對特殊光學元件光學玻璃原料加熱至軟化溫度Tg 以上，達到成型要求，每臺軟化爐加溫時對特殊光學元件光學玻璃坯料的進 料一加熱一出料，自動完成。
本發明採用的光學玻璃精密高溫軟化爐控制光學玻璃軟化溫度偏差小 於土2T，採用電、氣、水為一體、實時監控和自動控制溫度的控制與邏輯控 制器、自動控制非球面光學玻璃原料進行軟化溫度高達1200°C。特殊光學元 件光學玻璃透鏡精密高溫軟化爐是由4大主要部分組成(1)不鏽鋼膛壁的 閉合式精密高溫軟化爐；(2)可穩動用耐熱不鏽鋼製成的可自動開啟和關閉 的蓋板；(3)用壓縮空氣驅動具有雙向的道軌的汽缸送料系統；對送料器採 用水或空氣進行冷卻，使玻璃與送料器不會粘連；特殊光學元件光學玻璃精 密高溫軟化爐的結構如圖l所示。(4)進行特殊設計的溫度控制、邏輯控制、自動送料控制和特殊光學元件光學玻璃精密高溫軟化時間控制系統組成。 軟化加熱工序
1、 打開電源，開啟氣壓達6Kg，開啟水路，査看水值；
2、 軟化爐第二次上升溫到455°C停20分鐘；
3、 軟化爐第三次上升溫到800°C停30分鐘；
4、 生產前應該打開水和空氣開關，檢査水的流量；
5、 按生產技術參數，調節軟化時間和升降時間；
6、 將己預熱好的軟化爐升到要生產的溫度，拿下支架；
7、 溫度升到設置值後，設置運行狀態為自動；
8、 用手使用夾具將坯料放到升降支架上，準備生產，按下啟動開始生產；
9、 用200-500秒時間對特殊光學元件光學玻璃原坯料加熱至軟化溫度Tg 以上，以達到成型要求的溫度；每臺軟化爐加溫時對特殊光學元件光學玻璃 坯料的進料一加熱一出料，自動完成；
10、 將加熱至軟化溫度Tg以上的特殊光學元件光學玻璃原坯料放至保 溫的金屬模具內，溫度範圍在300-650 T左右，準備壓製成型；
11、 生產完畢，軟化溫度降為O後，自然降到室溫後，關閉電源，放入 支架，關閉水、氣等。
改變了傳統光學玻璃軟化工藝，原先需要脫模劑、瓷盒等脫模材料，新 工藝不需上述多種脫模材料，為企業節省了大批的資金和材料。這種成型法 將光學玻璃軟化這部分功能分配到成型機外的裝置中去完成，改變了過去那 種光學玻璃軟化功能只能在成型機裝置內進行的做法。大大提高了模壓成型 機的工作效率，同時也提高了單位時間的生產效率。
2)成型工序把己軟化的特殊光學元件光學玻璃原料，放至保溫的金屬 模具內，單件用手工從取放入溫度範圍在300-650 °C左右，進行壓製成型， 壓力在5-1噸左右，採用熱壓玻璃成型設備和精密模壓成型新技術，獲得高精度的特殊光學元件光學玻璃熱壓成型f^。設計研製高質量的模具和選用合 理的工藝參數；精確地控制模壓成型過程中的溫度和壓力等工藝參數，保證
模壓成型光學零件的尺寸精度和重複精度；採用精度達微米級的加工設備和 測試儀器保證非球面面形的測試與評價；保證模壓成型光學零件的尺寸精度 和重複精度；使零件達到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度。
熱壓成型工藝
1、根據不同的產品要求高次非球面透鏡系列、陣列式特殊光學元件、 各種特殊稜鏡系列、各種高次非球面光學透鏡和光學稜鏡組成複合光學元件 按裝不同模具，將模具安裝到熱壓型機上的上加熱底座盤和模具的下加熱底 座盤，在生產前3-4分鐘打開空氣淨化器；
2 、打開電源設置好各項生產技術參數，將模具的上加熱底座盤、模具
的下加熱底座盤同時加溫達800-1000 。C，
3、 用手使用夾具將軟化好的特殊光學元件光學玻璃坯料，準確地放到已 升溫的模具上開始壓型；
4、 每次壓型前均需用壓縮空氣吹模具內的玻璃；
5、 首壓的產品需要對產品的首檢、關於尺寸、規格的限制；
6、 生產中需要巡檢。
本發明採用的高精度熱壓光學玻璃元件成型工藝是一種高精度光學元件 加工技術，它是把軟化的玻璃放入高精度的模具中，模具材料具備如下特徵
(1)表面無疵病，能夠研磨成無氣孔、光滑的光學鏡面；(2)在高溫環境條 件下具有很高的耐氧化性能，而且結構等不發生變化，表面質量穩定，面形 精度和光潔度保持不變；(3)不與玻璃起反應、發生粘連現象，脫模性能好；
(4)在高溫條件下具有很高的硬度和強度等。模壓工藝採用低熔點玻璃的材 料，使壓制過程在較低的溫度下進行，因此利於延長模具的使用壽命，縮短 壓制的時間。根據熱壓成型高精度的高次非球面透鏡系列、陣列式的非球面透鏡系列、各種特殊稜鏡系列、各種高次非球面光學透鏡和光學稜鏡組成復 合光學元件的光學要求，設計和製造高精度的精密成型模具，採用熱壓光學 玻璃成型的製作工藝，將特殊的光學元件一次模壓成型。
3)緩冷工序利用隧道式退火爐，在700-400。C溫度，4小時左右進行 降溫，退火。退火爐包含6個區段，每段工作區長1. 4m,可控工作區1為載 荷區和運輸傳送帶，可控工作區2為均勻退火，可控工作區3-7為不同溫度 的退火，可控工作區8為強風冷卻，可控工作區9完成退火。 根據特殊光學元件光學玻璃坯料的種類和要求選擇不同的退火溫度和時間。
本發明採用的隧道式連續退火爐用於光學元件的精密退火，出料量每小 時144件，日產量3450件，系統主退火溫度700。C (30分種)最大退火溫度 650 。C連續控制8段溫度控制區段，整體長度8500mm，控制系統有高精度和 高解析度的PID控制器，可獨立操作，具有單獨的控制機櫃，測量範圍0-1000 度。具有自啟動功能，過程參數顯示、設置點、偏移、控制器輸出、安全監 控過程變量、操作合理、溫度過高和偏移報警監測等功能。每個控制區段具 有S形的控制傳感器(選擇鉑一銠一鉑10%的熱電偶)各設一個溫控點並顯 示該溫度，單獨的安全傳感器型號K (鎳鉻鎳鋁)。連續退火爐包含6個區段， 每段工作區長1.4m，可控工作區1為載荷區和運輸傳送帶，可控工作區2為 均勻退火，可控工作區3-7為不同溫度的退火，可控工作區8為強風冷卻， 可控工作區9完成退火。
通過本發明可獲得熱壓成型高精度特殊光學元件如高次非球面透鏡系 列、各種特殊稜鏡系列、各種高次非球面光學透鏡和光學稜鏡組成複合光學 元件、陣列式特殊光學元件；特殊光學元件在科技中得到廣泛的應用，如1 可應用各種照明系統，包括汽車前照燈高次非球面透鏡、陣列式熱壓成型光 學元件；2可用於機場跑道燈的新型特殊稜鏡是表面有多個柱面透鏡排列的特 殊透鏡、或在稜鏡入射表面可有各種高次非球面光學透鏡組成；3可用於新一代的太陽能聚光系統中的高次非球面太陽能聚能光學玻璃透鏡和稜鏡整體
成型產品；4可用於手機面板和手機鍵熱壓成型光學玻璃成型產品；5可用於
光電行業中各種光學系統中的光學玻璃元件一次熱壓成型。
本發明採用新工藝提高了生產速度，降低了成本，大大提高了成型機的 工作效率，同時也提高了單位時間的生產效率，使零件達到較高的尺寸精度、
面形精度和表面粗糙度；開創了光電儀器可以廣泛採用非球面光學玻璃零件 的時代。可很容易經濟地實現精密特殊光學元件的批量生產，不僅使光電儀 器縮小了體積、減少了重量、節省了材料、減少了光學零件鍍膜和工件裝配 的工作量、降低了成本，而且還改善了光電儀器的性能，這種成型法可將一 部分功能分配到熱壓成型機外的裝置中去完成，改變了過去那種功能只能在 成型機裝置內進行的做法。


圖1是本發明的特殊光學元件光學玻璃精密高溫軟化爐結構圖； 圖2是可獲得熱壓成型高精度的高次非球面透鏡系列的工藝模具； 圖3是獲得熱壓成型各種稜鏡系列的工藝模具；
圖4是獲得各種高次非球面光學透鏡和光學稜鏡組成複合光學元件的工 藝模具；
圖5是用於手機面板和手機鍵熱壓成型光學玻璃成型的工藝模具。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本專利進一步說明-
如圖1所示，特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝分3步工序進行-1)加熱工序由金屬模具的外部進行傳導加熱；採用光學玻璃精密高溫 軟化爐加熱特殊光學元件光學玻璃原料到光學玻璃軟化溫度1200 °C，用很短 的時間進行升溫，使熱度做到均勻化，按一定時間間隔設計採用多個光學玻 璃精密高溫軟化爐加熱特殊光學光學玻璃原料。熱壓特殊光學元光學玻璃精密高溫軟化爐的主要是用於加熱工序，使熱 壓特殊光學元件光學玻璃軟化，非球面光學玻璃精密高溫軟化爐採用電、氣、 水為一體實時監控和自動控制溫度的控制與邏輯控制器、自動控制熱壓特殊 光學元件光學玻璃進行軟化的主要部件結構由四大部分組成
(l)不鏽鋼膛壁的閉合式精密高溫軟化爐11; (2)可穩動用耐熱不鏽鋼製 成的可自動開啟和關閉的蓋板12; (3)用壓縮空氣驅動具有雙向的道軌13的 汽缸送料系統14;對送料器採用水或空氣對夾持器進行冷卻，使玻璃送料器 不會粘結；(4)進行特殊設計的溫度控制、邏輯控制、自動送料控制系統和熱
壓特殊光學元件光學玻璃精密高溫軟化時間控制系統15組成。
軟化加熱工序
1、 打開電源，開啟氣壓達6Kg，開啟水路，查看水值；
2、 軟化爐第二次上升溫到455°C停20分鐘；
3、 軟化爐第三次上升溫到800°C停30分鐘；
4、 生產前應該打開水和空氣開關，檢查水的流量；
5、 按生產技術參數，調節軟化時間和升降時間；
6、 將已預熱好的軟化爐升到要生產的溫度，拿下支架；
7、 溫度升到設置值後，設置運行狀態為自動；
8、 用手使用夾具將坯料放到升降支架上，準備生產，按下啟動開始生產；
9、 用200-500秒時間對特殊光學元件光學玻璃原坯料加熱至軟化溫度Tg 以上，以達到成型要求的溫度；每臺軟化爐加溫時對特殊光學元件光學玻璃 坯料的進料一加熱一出料，自動完成。
10、 將加熱至軟化溫度Tg以上的特殊光學元件光學玻璃原坯料放至保 溫的金屬模具內，溫度範圍在300-65(TC左右，準備壓製成型；
11、 生產完畢，軟化溫度降為O後，自然降到室溫後，關閉電源，放入 支架，關閉水、氣等。2)成型工序向模具內放入軟化的特殊光學光學玻璃原料，使溫度、壓 力做到均勻化，對金屬模進行保溫。採用熱壓玻璃成型設備和精密模壓成型 新技術，獲得高精度的特殊光學光學玻璃熱壓成型件。
一種工藝是只使用一個上模具如圖2所示，將上模具安裝到熱壓成正比 型機上的上加熱底座盤和上蓋板上。
模具的上加熱底座盤、模具的下加熱底座盤同時可加溫達800-1000 。C， 熱壓特殊光學光學玻璃成型設備按光學元件的要求和不同的玻璃材料設定加 溫值，可自動控制模壓成型溫度，完成高次非球面透鏡系列、陣列式特殊光 學元件、各種特殊稜鏡系列、各種高次非球面光學透鏡和光學稜鏡組成複合 光學元件的一次熱壓成型工藝。 (3)緩冷工序利用隧道式退火爐，以一定的速度進行降溫，退火。
隧道式連續退火爐用於光學元件的精密退火，出料量每小時144件，日 產量3450件，系統主退火溫度70(TC (30分種)最大退火溫度650 。C連續控 制8段溫度控制區段，測量範圍0-1000度。具有自動控制、顯示、輸出、報 警監測等功能。
可採用用兩種加工工藝進行製作， 一種工藝是只使用一個上模具如圖3 所示、將將上模具安裝到熱壓成正比型機上的上加熱底座盤和上蓋板上；另 一種工藝是如圖3、圖4所示，將上下模具分別安裝到熱壓型機上的上加熱底 座盤、上蓋板和模具的下加熱底座盤、下蓋板，在圖2、圖3、圖4、圖5， 1 為上加熱高底座盤、2上蓋板，3上模具，4加工模具，5下模具，6下蓋 板，7為下加熱底座盤，整套高次非球面透鏡系列的熱壓成型模具見圖2， 整套陣列式特殊光學元件熱壓成型模具可用上述的工藝進行加工、整套各種 特殊稜鏡系列的熱壓成型模具見圖3，整套各種高次非球面光學透鏡和光學稜 鏡組成複合光學元件熱壓成型模具見圖4。圖5為可用於手機面板和手機鍵熱 壓成型光學玻璃成型的工藝模具。
權利要求
1、特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝進行分3步工序進行，其包括加熱工序、成型工序和緩冷工序，其特徵在於1)加熱工序採用高精度光學元件光學玻璃精密高溫軟化爐加熱在1200℃高溫，用200-500秒時間對特殊光學元件光學玻璃原料加熱至軟化溫度Tg以上，達到成型要求，每臺軟化爐加溫時對特殊光學元件光學玻璃坯料的進料—加熱—出料，自動完成；2)成型工序把已軟化的高精度光學元件光學玻璃原料，放至保溫的金屬模具內，單件用手工從取放入溫度範圍在300-650℃左右，進行壓製成型，壓力在5-1噸左右，採用熱壓玻璃成型設備和精密模壓成型新技術，獲得高精度的特殊光學元件光學玻璃熱壓成型件；3)緩冷工序利用隧道式退火爐，在700-400℃溫度，4小時左右進行降溫，退火。退火爐包含6個區段，每段工作區長1.4m，可控工作區1為載荷區和運輸傳送帶，可控工作區2為均勻退火，可控工作區3-7為不同溫度的退火，可控工作區8為強風冷卻，可控工作區9完成退火。
2、 根據權利要求1所述的特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝，其特徵在 於特殊光學元件光學玻璃透鏡精密高溫軟化爐是由4大主要部分組成(1) 不鏽鋼膛壁的閉合式精密高溫軟化爐；(2)可穩動用耐熱不鏽鋼製成的可自 動開啟和關閉的蓋板；(3)用壓縮空氣驅動具有雙向的道軌的汽缸送料系統； 對送料器採用水或空氣進行冷卻，使玻璃與送料器不會粘連；(4)進行特殊 設計的溫度控制、邏輯控制、自動送料控制和特殊光學元件光學玻璃精密高 溫軟化時間控制系統組成。
3、據權利要求1所述的特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝，其特徵在於軟化加熱工序(1) 、打開電源，開啟氣壓達6Kg,開啟水路，査看水值；(2) 、軟化爐第二次上升溫到455。C停加分鐘；(3) 、軟化爐第三次上升溫到800°C停30分鐘；(4) 、生產前應該打開水和空氣開關，檢査水的流量；(5) 、按生產技術參數，調節軟化時間和升降時間；(6) 、將已預熱好的軟化爐升到要生產的溫度，拿下支架；(7) 、溫度升到設置值後，設置運行狀態為自動；(8) 、用手使用夾具(見圖2)將坯料放到升降支架上，準備生產，按下 啟動開始生產； 、9、 用200-500秒時間對特殊光學元件光學玻璃原坯料加熱至軟化溫度Tg 以上，以達到成型要求的溫度；每臺軟化爐加溫時對特殊光學元件光學玻璃 坯料的進料一加熱一出料，自動完成； 、10、 將加熱至軟化溫度Tg以上的特殊光學元件光學玻璃原坯料放至保溫 的金屬模具內，溫度範圍在300-650 。C左右，準備壓製成型； 、11、 生產完畢，軟化溫度降為0後，自然降到室溫後，關閉電源，放入 支架，關閉水、氣等。
4、 根據權利要求1或2所述的特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝，其特徵 在於模具的上加熱底座盤、模具的下加熱底座盤同時加溫達800-1000 。C。
5、 根據權利要求1或2所述的特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝，其特徵 在於模具是上下模具分別安裝到熱壓型機上的上加熱底座盤、上蓋板和模 具的下加熱底座盤、下蓋板。
6、 根據權利要求1或2所述的特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝，其特徵在於通過本發明可獲得熱壓成型高精度特殊光學元件1、可應用各種照明 系統，包括汽車前照燈高次非球面透鏡、陣列式熱壓成型光學元件；2、可用 於機場跑道燈的新型特殊稜鏡是表面有多個柱面透鏡排列的特殊透鏡、或在 稜鏡入射表面可有各種高次非球面光學透鏡組成；3、可用於新一代的太陽能 聚光系統中的高次非球面太陽能聚能光學玻璃透鏡和稜鏡整體成型產品；4、 可用於手機面板和手機鍵熱壓成型光學玻璃成型產品；5、可用於光電行業 中各種光學系統中的光學玻璃元件一次熱壓成型。
全文摘要
本發明涉及特殊光學玻璃元件熱壓成型工藝進行分3步工序進行，其包括加熱工序、成型工序和緩冷工序，其特徵在於1)加熱工序採用高精度光學元件光學玻璃精密高溫軟化爐加熱在1200℃高溫，用200-500秒時間對特殊光學元件光學玻璃原料加熱至軟化溫度Tg以上，達到成型要求；2)成型工序把已軟化的高精度光學元件光學玻璃原料，放至保溫的金屬模具內，單件用手工從取放入溫度範圍在300-650℃左右，進行壓製成型；3)緩冷工序利用隧道式退火爐，在700-400℃溫度，4小時左右進行降溫，退火。本發明採用新工藝提高了生產速度，大大提高了成型機的工作效率，同時也提高了單位時間的生產效率，使零件達到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；開創了光電儀器可以廣泛採用非球面光學玻璃零件的時代。
文檔編號C03B11/08GK101293727SQ20081006055
公開日2008年10月29日 申請日期2008年3月28日 優先權日2008年3月28日
發明者姚祖義 申請人:杭州永瑩光電有限公司