非球面光學玻璃精密壓模工藝及光學玻璃精密高溫軟化爐的製作方法
2023-06-06 18:25:06 1
專利名稱：非球面光學玻璃精密壓模工藝及光學玻璃精密高溫軟化爐的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱壓非球面光學玻璃成型的製作新工藝，具體涉及通過多臺 非球面光學玻璃精密高溫軟化爐構成的熱壓玻璃成型設備和精密模壓成型新 技術完成光學玻璃非球面透鏡加工，不需要研磨、拋光的加工方法，可獲得 熱壓成型高精度的非球面透鏡系列。
背景技術：
近年來研究開發出許多新的非球面光學零件，非球面光學玻璃透鏡模壓 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透鏡的現代 高科技工藝。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零件。這項技術現在已成 為國際上最先進的光學零件製造技術方法之一，是光學行業在光學玻璃零件 加工方面的重大革命。由於此項技術能夠直接壓製成型精密的非球面光學玻 璃零件，開創了光電子儀器廣泛採用非球面光學玻璃件的時代。
非球面光學玻璃件模壓成型技術是一項綜合技術，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。非球面光學玻璃透鏡
模壓成型法，是將熔融狀態的光學玻璃毛坯倒入高於玻璃轉化點5(TC以上的 低溫模具中加壓成形。這種方法不僅容易發生玻璃粘連在模具的模面上，而 且產品還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。
後來，釆用特殊材料精密加工成的壓型模具，在無氧化氣氛的環境中， 將玻璃和模具一起加熱升溫至玻璃的軟化點附近，採用等溫加壓法，獲得高
精度的形狀表面，但這種玻璃光學零件的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。
發明內容
為了解決縮短加熱升溫、的時間，為了解決玻璃粘連在模具的模面上的 問題，為了獲得高精度的非球面光學玻璃熱壓成型件，為了提高生產速度， 降低成本，本發明的目的是提供新型非球面光學玻璃精密熱壓成型新設備和 新的熱壓成型加工技術。單獨設計和研製成非球面光學玻璃精密高溫軟化爐， 控制溫度偏差小於土 2 。C，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 和材料而研製成的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、自動控制非球面光學玻璃原 料進行軟化溫度高達1200 °C。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是-非球面光學玻璃精密模壓成型工藝進行分3步工序進行。 (1)加熱工序採用非球面光學玻璃精密高溫軟化爐加熱在1200 °C高溫， 用200-500秒時間對非球面光學玻璃原料加熱至軟化溫度Tg以上，達到成型 要求，進料一加熱一出料，自動完成。
(2)成型工序把已軟化的非球面光學玻璃原料，放至保溫的金屬模具內， 溫度範圍在300-650T左右，進行壓製成型，壓力在1-5噸左右，採用熱壓 玻璃成型設備和精密模壓成型新技術，獲得高精度的非球面光學玻璃熱壓成 型件。
(3)緩冷工序利用隧道式退火爐，在700-400。C溫度，3-6小時進行降溫， 退火。
非球面光學玻璃透鏡模壓成型技術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。
非球面光學玻璃透鏡精密高溫軟化爐是由4大主要部分組成非球 面光學玻璃透鏡精密高溫軟化爐，其是由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作粘結；(4)溫度控制、邏 輯控制、自動送料控制系統和非球面光學玻璃精密高溫軟化時間控制系統組 成的控制系統以及機架；控制系統分別控制閉合式精密高溫軟化爐的溫度、 蓋板的開啟和關閉、汽缸送料系統；閉合式精密高溫軟化爐、汽缸送料系統 及控制系統分別固定在機架上。
單獨設計成的非球面光學玻璃精密高溫軟化爐和可穩動用耐熱不鏽鋼製 成的可自動開啟和關閉的蓋板，進行升溫，使熱度達到均勻化，加熱精密的 非球面光學玻璃棒料到光學玻璃軟化溫度Tg以上的一定溫度為止，解決了用 很短的時間對精密的非球面光學玻璃棒料進行軟化；縮短了加熱升溫的時間。
壓縮空氣驅動具有雙向的道軌的汽缸送料系統，送料系統安裝有承載臺， 根據加工各種精密的非球面光學玻璃件的材料、尺寸、重量和熔點的不同要 求，確定送料系統的速度、時間、物料支承臺最高位的準確位置。
溫度控制與邏輯控制確定實時監控和自動控制非球面光學玻璃棒料進行 軟化的加溫速度和時間。精密軟化爐用S型雙熱電耦測量精密軟化爐的實際 溫度，用一個獨立的過熱安全傳感器，採用一個有專用算法的可實現最高的 控制分辯率和最短的響應時間的可控矽固態功率控制器，溫度控制器反覆連 續檢測其狀態，保證溫度探測數據的精確和可靠性。採用水或空氣冷卻可避
免由於快速加熱而導致被加工光學元件和承載臺的夾持器件發生粘貼，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軟化非球面光學玻璃
棒料o
採用多臺非球面光學玻璃精密高溫軟化爐構成的熱壓非球面光學玻璃成 型設備和隧道式退火爐組成的非球面光學玻璃精密模壓成型新技術，使用單 獨設計和研製成非球面光學玻璃精密高溫軟化爐加工軟化各種精密的非球面 光學玻璃件原料，縮短了加熱升溫的時間，解決了玻璃粘連在模具的模面上 的問題，獲得了高精度的非球面光學玻璃熱壓成型件，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，而且還改善了光電儀器的性能。非球面光學玻璃模壓成型法 製造非球面光學零件不需要傳統的粗磨、精磨、拋光、磨邊定中心等工序，
就能使零件達到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；可很容易經濟地 實現精密非球面光學零件的批量生產。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。
本發明單獨設計和研製成非球面光學玻璃精密高溫軟化爐，控制溫度偏 差小於土2T,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研製 成的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、自動控制非球面光學玻璃原料進行軟化溫 度高達1200 。C。
圖1是本發明的光學玻璃精密高溫軟化爐結構主視圖2是本發明的本發明的光學玻璃精密高溫軟化爐結構側視圖3是不鏽鋼膛壁的閉合式非球面光學玻璃精密高溫軟化爐的結構圖4是非球面光學玻璃精密壓模工藝及高溫軟化爐控制流程圖；
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 非球面光學玻璃精密模壓成型工序分3步工序進行。 (1)加熱工序採用非球面光學玻璃精密高溫軟化爐加熱在1200 °C高溫， 用500秒時間對非球面光學玻璃原料加熱至軟化溫度Tg以上，達到成型要求， 進料一加熱一出料，自動完成。
(2)成型工序把己軟化的非球面光學玻璃原料，放至保溫的金屬模具內， 溫度範圍在650°C左右，進行壓製成型，壓力在5噸，採用熱壓玻璃成型設 備和精密模壓成型新技術，獲得高精度的非球面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°C溫度，4小時進行降溫， 退火。
本發明涉及的組合式的熱壓非球面光學玻璃成型設備通過利用不同的工 序確保熱壓非球面光學玻璃玻璃件的形狀和面形精度，實現了高精度的面形 複製。
熱壓非球面光學玻璃精密高溫軟化爐的主要是用於加熱工序，使非球面 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、自動控制非球面光學玻璃原料進
行軟化的主要部件結構由四大部分組成
非球面光學玻璃透鏡精密高溫軟化爐，其是由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作粘結；(4)溫度控 制、邏輯控制、自動送料控制系統和非球面光學玻璃精密高溫軟化時間控制 系統組成的控制系統以及機架；控制系統分別控制閉合式精密高溫軟化爐的
溫度、蓋板的開啟和關閉、汽缸送料系統；閉合式精密高溫軟化爐、汽缸送 料系統及控制系統分別固定在機架上。
具體外形結構如圖l、 2所示，爐堂l、爐門2、送料器具3、工作面4、 水管5、牆板6、電磁開關7、汽缸8、溫度控制表9、感應開關10、控制接 線器13、電源14、氣表15，爐堂1下部開設有爐門2，送料器具3固定在送 料系統的汽缸8上且接有水管5,工作面4固定兩牆板6之間，電磁開關7固 定在牆板6的一側且連接爐堂1的電加熱，溫度控制表9、感應開關10、控 制接線器13、電源14分別連接爐堂1，氣表15連接送料系統的汽缸8。
如圖3所示，不鏽鋼膛壁的閉合式精密高溫軟化爐1，其包括礦棉爐芯 24、左右爐門蓋板19、前後蓋板20、蓋板17、爐芯固定蓋板23、爐芯頂蓋 固定板21、礦棉板22、定位套18、蓋板篩孔通風蓋16、鎢絲連接件25、瓷 質鎢絲定位卡26、軟化爐加熱圈27、 28、蓋板驅動系統、線性升降驅動系統 及集成邏輯控制系統成的單機或網絡化的中央邏輯控制系統，礦棉爐芯24的 前後左右固定爐芯固定蓋板23，礦棉板22固定在礦棉爐芯24的頂蓋上，蓋 板篩孔通風16和定位套18將蓋爐芯頂固定板23與礦棉爐芯24固定，鎢絲 連接件25與軟化爐加熱圈27、 28連接，通過瓷質鎢絲定位卡26將軟化爐加 熱圈27、 28固定在礦棉爐芯24的前後左右內壁，蓋板2的驅動由面板上的 邏輯控制系統來控制送料驅動系統3的兩個汽缸運動完成，當送料驅動系統3 將已經加熱的物料從精密高溫軟化爐膛返回時，可用內置的可編程邏輯控制 系統控制蓋板延遲關閉，使送料臺至最低點，讓加熱的非球面光學玻璃原料 仍然處於其承載臺上，由於設置延遲時間其蓋板仍然處於開啟狀態，目的是 降低非球面光學玻璃原料的冷卻率。
工作原理，當送料系統設置為移動時兩蓋板隨即打開，允許非球面光學 玻璃原料與承臺進入爐膛， 一當非球面光學玻璃原料支承臺到了高位的準確 位置，蓋板再次關閉，這樣有利於減少能量損耗並能消除因過熱而導致的爆
裂現象。
送料系統用壓縮空氣驅動具有雙向的道軌的汽缸送料系統，可作緩慢 的精密線性運動。根據加工非球面光學玻璃原料的材料、尺寸、重量和熔點 的不同要求，可採用安裝有承載臺的送料系統，確定非球面光學玻璃原料支 承臺最高位的準確位置，送料系統的速度和時間，工件的加溫速度和時間溫 度控制與邏輯控制非球面光學玻璃精密高溫軟化爐採用S型雙熱電耦和過 熱安全傳感器可保證溫度探測數據的精確和可靠性。雙熱電耦、熱控制器接 按收爐內的溫度用型號為S的專用熱電耦(控制傳感器)，該傳感器被插入到 相同的陶瓷保護管中作為第二個S型過溫元件，另外需要有冷結傳感器(CJ )， 它位於接口板的熱電耦連接器上，致冷劑連結可用水或空氣對夾持器進行冷 卻，後部的兩個公的插頭連結到外部致冷劑源，前部的兩個母的快速連結口 是將致冷劑連結到夾持器的返回管道。用精密數字控制器來實現溫度的實時 監控和自動控制及線性加熱。用S型雙熱電耦測量精密軟化爐的實際溫度， 用一個獨立的過熱安全傳感器，採用一個有專用算法的可控矽固態功率控制 器實現高分辯率和短的響應時間，當精密軟化爐的溫度超過設定的極值時， 用斷開主交流接觸器的方式而斷開加熱循環的電流， 一旦溫度下降到警示以 下的水平，過熱控制器自動閉合加熱環路，智能自動起動邏輯電路，使精密 高溫軟化爐的溫度平穩恢復到準確的溫度。採用水冷卻另一作用是可避免由 於快速加熱而導致被加工光學元件和承載臺的夾持器件發生粘貼。不工作時
精密軟化爐溫度保持450 °C，精密高溫軟化爐溫度控制的範圍400-1200 。C。 如圖4所示，非球面光學玻璃精密壓模工藝及高溫軟化爐控制流程是
啟動——加熱——加熱溫度——自動開始——延時時間——開啟爐門——承 載臺上升——上升是否到位——關閉蓋門——溫度過低或過熱——開啟爐門 ——下降是否到位——關閉爐門——間歇時間到——是否停止一一結束。其
中加熱溫度低返回加熱程序；爐門沒有開啟到位，延時、報警；承載臺不上
升，上升不到位，延時、報警，不關閉蓋門；溫度過低或過熱，延時、報警， 繼續加熱；下降不到位，延時、報警，不關爐門。
權利要求
1、非球面光學玻璃精密模壓成型工藝，其分3步工序進行，其特徵在於3步工序是(1)加熱工序採用非球面光學玻璃精密高溫軟化爐加熱在1200℃高溫，用200-500秒時間對非球面光學玻璃原料加熱至軟化溫度Tg以上，達到成型要求，進料-加熱-出料，自動完成。(2)成型工序把已軟化的非球面光學玻璃原料，放至保溫的金屬模具內，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，獲得高精度的非球面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。
2、 非球面光學玻璃透鏡精密高溫軟化爐，其是由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作粘結；(4)溫度控 制、邏輯控制、自動送料控制系統和非球面光學玻璃精密高溫軟化時間控制 系統組成的控制系統以及機架；控制系統分別控制閉合式精密高溫軟化爐的 溫度、蓋板的開啟和關閉、汽缸送料系統；閉合式精密高溫軟化爐、汽缸送 料系統及控制系統分別固定在機架上。
3、 根據權利要求2所述的非球面光學玻璃透鏡精密高溫軟化爐，其特徵在於不鏽鋼膛壁的閉合式精密高溫軟化爐，其包括礦棉爐芯、左右蓋板、 前後蓋板、蓋板、爐芯固定蓋板、爐芯頂固定板、礦棉板、定位套、蓋板篩孔通風蓋、鉤絲連接件、瓷質鎢絲定位卡、軟化爐加熱圈、蓋板驅動系統、 線性升降驅動系統及集成邏輯控制系統成的單機或網絡化的中央邏輯控制系 統，礦棉爐芯的前後左右固定爐芯固定蓋板，礦棉板固定在礦棉爐芯的頂蓋 上，蓋板篩孔通風和定位套將蓋爐芯頂固定板與礦棉爐芯固定，鎢絲連接件 與軟化爐加熱圈連接，通過瓷質鎢絲定位卡將軟化爐加熱圈固定在礦棉爐芯 的前後左右內壁。
全文摘要
本發明涉及非球面光學玻璃精密模壓成型工藝，其分3步工序進行，其特徵在於3步工序是(1)加熱工序採用非球面光學玻璃精密高溫軟化爐加熱在1200℃高溫，用200-500秒時間對非球面光學玻璃原料加熱至軟化溫度Tg以上，達到成型要求，進料—加熱—出料，自動完成；(2)成型工序把已軟化的非球面光學玻璃原料，放至保溫的金屬模具內，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，獲得高精度的非球面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。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，而且還改善了光電儀器的性能。
文檔編號C03B11/08GK101186427SQ20071007154
公開日2008年5月28日 申請日期2007年9月25日 優先權日2007年9月25日
發明者姚祖義 申請人:姚祖義