帶你了解一下光學(xué)玻璃非球面透鏡玻璃鏡片加工

帶你了解一下光學(xué)玻璃非球面透鏡玻璃鏡片加工

成都中宇光電科技發(fā)展有限公司(http://zhongyuguangdian.com/)非球面透鏡生產(chǎn)工廠

一、成型方法

玻璃之所以能夠精密模壓成型，主要是因?yàn)殚_(kāi)發(fā)了與軟化的玻璃不發(fā)生粘連的模具材料。

原來(lái)的玻璃透鏡模壓成型法，是將熔融狀態(tài)的光學(xué)玻璃毛坯倒入高于玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn)50℃以上的低溫模具中加壓成形。這種方法不僅容易發(fā)生玻璃粘連在模具的模面上，而且產(chǎn)品還容易產(chǎn)生氣孔和冷模痕跡（皺{TodayHot}紋），不易獲得理想的形狀和面形精度。后來(lái)，采用特殊材料精密加工成的壓型模具，在無(wú)氧化氣氛的環(huán)境中，將玻璃和模具一起加熱升溫至玻璃的軟化點(diǎn)附近，在玻璃和模具大致處于相同溫度條件下，利用模具對(duì)玻璃施壓。接下來(lái)，在保持所施壓力的狀態(tài)下，一邊冷卻模具，使其溫度降至玻璃的轉(zhuǎn)化點(diǎn)以下（玻璃的軟化點(diǎn)時(shí)的玻璃粘度約為107。6泊，玻璃的轉(zhuǎn)化點(diǎn)時(shí)的玻璃粘度約為1013。4泊）。這種將玻璃與模具一起實(shí)施等溫加壓的辦法叫等溫加壓法，是一種比較容易獲得高精度，即容易精密地將模具形狀表面復(fù)制下來(lái)的方法。這種玻璃光學(xué)零件的制造方法缺點(diǎn)是：加熱升溫、冷卻降溫都需要很長(zhǎng)的時(shí)間，因此生產(chǎn)速度很慢。

 

 

 

為了解決這個(gè)問(wèn)題，于是對(duì)此方法進(jìn)行了卓有成效的改進(jìn)，即在一個(gè)模壓裝置中使用數(shù)個(gè)模具，以提高生產(chǎn)效率。然而非球面模具的造價(jià)很高，采用多個(gè)模具勢(shì)必造成成本過(guò)高。針對(duì)這種情況，進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)出與原來(lái)的透鏡毛坯成型條件比較相近一點(diǎn)的非等溫加壓法，借以提高每一個(gè)模具的生產(chǎn)速度和模具的使用壽命。另外，還有人正在研究開(kāi)發(fā)把由熔融爐中流出來(lái)的玻璃直接精密成型的方法。

 

 

二、玻璃的種類和毛坯

 

 

玻璃毛坯與模壓成型品的質(zhì)量有直接的關(guān)系。按道理，大部分的光學(xué)玻璃都可用來(lái)模壓成成型品。但是，軟化點(diǎn)高的玻璃，由于成型溫度高，與模具稍微有些反應(yīng)，致使模具的使用壽命很短。所以，從模具材料容易選擇、模具的使用壽命能夠延長(zhǎng)的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)開(kāi)發(fā)適合低溫（600℃左右）條件下模壓成型的玻璃。然而，開(kāi)發(fā)的適合低溫模壓成型的玻璃必需符合能夠廉價(jià)地制造毛坯和不含有污染環(huán)境的物質(zhì)（如PbO、As2O3）的要求。對(duì)模壓成型使用的玻璃毛坯是有要求的：

 

 

① 壓型前毛坯的表面一定要保持十分光滑和清潔；

 

 

②呈適當(dāng)?shù)膸缀涡螤睿?

 

 

③有所需要的容量。毛坯一般都選用球形、圓餅形或球面形狀，采用冷研磨成型或熱壓成型。

 

 

隨著光電通訊、光學(xué)、汽車、生物工程、航空航天技術(shù)、電子及軍用武器裝備的迅速發(fā)展，光學(xué)玻璃應(yīng)用日趨廣泛。非球面玻璃透鏡因?yàn)槟軌蛴行p小影像畸變、彗星像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力，并簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)等^[1]而成為備受重視。與塑膠鏡片相比，玻璃鏡片具有較高折射率、低吸收率、寬的光穿透頻譜范圍、高抗變形性、高抗高溫性、高抗?jié)裥浴⒂捕雀叩忍匦浴Ｒ虼耍乔蛎娌Ａ哥R成為光學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

 

 

傳統(tǒng)非球面玻璃透鏡的冷加工以磨拋為主，經(jīng)過(guò)粗磨、精磨、拋光、磨邊等十幾道工序加工而成，制造周期長(zhǎng)，加工精度不穩(wěn)定。其生產(chǎn)效率和工藝穩(wěn)定性無(wú)法滿足迅速發(fā)展的行業(yè)需求。近年發(fā)展起來(lái)一種新型的光學(xué)玻璃模壓成形技術(shù)，就是在一定溫度、壓力下，用具有預(yù)定產(chǎn)品形狀的高精度模具模壓玻璃預(yù)制件，從而獲得具有最終產(chǎn)品形狀和光學(xué)功能的玻璃透鏡^[2]，該技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了大批量、高效率制造非球面透鏡玻璃的新時(shí)代，并能減少原材料消耗，降低人力和物力成本，減少環(huán)境污染。目前模壓成形常用于100 mm 口徑以下的非球面光學(xué)玻璃的制造。

 

 

使用玻璃模壓成形法制造光學(xué)玻璃有如下優(yōu)點(diǎn)^[3]：①不需要傳統(tǒng)加工的十幾道工序，就能達(dá)到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；②能夠節(jié)省大量的人力與物力，一個(gè)小型車間就可具備較高的生產(chǎn)力；③容易經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)精密非球面光學(xué)零件的大批量生產(chǎn)；④精確地控制模壓成形過(guò)程中工藝參數(shù)，可保證模壓成形光學(xué)零件的精度；⑤可以模壓小型非球面透鏡陣列；⑥光學(xué)零件和安裝基準(zhǔn)件可以制成一個(gè)整體。

 

 

三、模具材料與模具加工

 

 

模具材料需要具備如下特征：

 

 

① 表面無(wú)疵病，能夠研磨成無(wú)氣孔、光滑的光學(xué)鏡面；

 

 

② 在高溫環(huán)境條件下具有很高的耐氧化性能，而且結(jié)構(gòu)等不發(fā)生變化，表面質(zhì)量穩(wěn)定，面形精度和光潔度保持不變；

 

 

③ 不與玻璃起反應(yīng)、發(fā)生粘連現(xiàn)象，脫模性能好；

 

 

④在高溫條件下具有很高的硬度和強(qiáng)度等。

 

 

現(xiàn)在已有不少有關(guān)開(kāi)發(fā)模具材料的專利，最有代表性的模具材料是：以超硬合金做基體，表面鍍有貴金屬合金和氮化鈦等薄膜；以碳化硅和超硬合金做基體，表面鍍有硬質(zhì)碳、金剛石狀碳等碳系薄膜；以及Cr2O-ZrO2-TiO2系新型陶瓷。

 

 

1.4 低熔點(diǎn)及環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)

 

 

軟化點(diǎn)高的玻璃，成形溫度高，在高溫條件下可能與模芯發(fā)生反應(yīng)，容易導(dǎo)致模芯的使用壽命變短。從能夠延長(zhǎng)模芯使用壽命的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)開(kāi)發(fā)適合低溫(600 ℃左右)條件下模壓成形的玻璃^[8]。近年來(lái)，低熔點(diǎn)磷酸鹽玻璃逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)。日本和美國(guó)在低熔點(diǎn)玻璃的研究起步較早，技術(shù)水平較先進(jìn)。美國(guó)的康寧、日本的豪雅、小原和住田、德國(guó)的肖特等對(duì)低熔點(diǎn)玻璃材料進(jìn)行了大量研究，并已開(kāi)發(fā)出多種類型的成熟產(chǎn)品。

 

 

另外，隨著世界性環(huán)保呼聲的日益高漲，各國(guó)紛紛建立了自己的環(huán)境保護(hù)法，傳統(tǒng)火石類光學(xué)玻璃及其制品因含鉛、鎘等有害環(huán)境的重金屬元素，其應(yīng)用受到了限制。因此，開(kāi)發(fā)的適合低溫模壓成形的玻璃必需符合能夠廉價(jià)地制造毛坯和不含有污染環(huán)境的物質(zhì)(如PbO、As₂O₃)的要求。

 

 

1.5 超精密模壓用預(yù)形體的選擇

 

 

合適形狀的玻璃預(yù)形體與模壓成形品的質(zhì)量有直接的關(guān)系^[9]。一般依據(jù)目標(biāo)非球面透鏡的形狀、大小、玻璃種類、模芯材質(zhì)及形狀精度的要求來(lái)綜合考慮選擇。圖3為住田的一些玻璃預(yù)形體。玻璃預(yù)形體的制造工藝大致可分為2類：①由玻璃熔爐直接供給玻璃毛坯(gob)的方法；②去除加工制作預(yù)形體的方法。在進(jìn)行超精密玻璃模壓成形時(shí)，一般先將玻璃坯料加工成特定形狀的預(yù)形體，且形狀精度小于0.1 μm。同時(shí)預(yù)形體的重量誤差需控制在0.5%以內(nèi)，以確保成品的厚度及光學(xué)特性。對(duì)模壓成形使用的玻璃毛坯的要求是：① 壓型前毛坯的表面一定要保持十分光滑和清潔；② 適當(dāng)?shù)膸缀涡螤睿虎?nbsp;有所需要的體積容量或重

 

 

玻璃透鏡壓型用的模具材料，一般都是硬脆材料，要想把這些模具材料精密加工成模具，必需使用高剛性的、分辨率能達(dá)到0.01μm以下的高分辨率超精密計(jì)算機(jī)數(shù)字控制加工機(jī)床，用金剛石磨輪進(jìn)行磨削加

 

 

隨著溫度的改變，玻璃的性質(zhì)也相應(yīng)改變。例如比容、焓和熵等是按Ⅰ型變化的，先遞增然后遞減；另一些性質(zhì)，例如熱容、熱膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)等是按Ⅱ型變化的，在轉(zhuǎn)變溫度附近，變化大大提速。III型則是如導(dǎo)熱系數(shù)和彈性系數(shù)等機(jī)械性質(zhì)隨溫度遞增而遞增變化的曲線^[4]。

 

 

1.2 光學(xué)玻璃的主要構(gòu)成成分

 

 

用于模壓成形的光學(xué)玻璃材料組成可分玻璃形成劑，中間劑與網(wǎng)狀修飾劑等^[5]。

 

 

玻璃形成劑約占40~50%，為玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的主要架構(gòu)，大多是IIIA與IVA族的氧化物。中間劑用來(lái)增加玻璃的耐蝕性，主要有Al₂O₃、TiO₂和ZrO₂等。網(wǎng)狀修飾劑的應(yīng)用目的是為了降低玻璃之黏滯性，使玻璃的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭受局部破壞，降低粘度，有助于更容易實(shí)現(xiàn)模壓成形。網(wǎng)狀修飾劑的主要材料有兩大類：一類為IA族的氧化物，例如Li₂O、Na₂O和K₂O₃等組成，約占20~30%，可大幅度降低玻璃的軟化溫度；另一類為IIA族的氧化物，如CaO、BaO、ZnO及SrO等組成，約占0~30%，除了可降低軟化溫度，還可增加耐蝕性。

 

 

因此，根據(jù)光學(xué)玻璃的設(shè)計(jì)要求，在分析現(xiàn)有設(shè)備、工藝流程和模芯材料的基礎(chǔ)上，選擇合適的玻璃成分組成，尤其選擇合適的網(wǎng)狀修飾劑來(lái)降低粘度和軟化溫度，是整個(gè)玻璃模壓成形技術(shù)首先要考慮的問(wèn)題。

 

 

工。磨削加工可獲得所期盼的形狀精度，但然后還需再稍加拋光精加工成光學(xué)鏡面才行。在進(jìn)行高精度的非球面加工中，非球面面形的測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)是非常重要的。對(duì)微型透鏡壓型用模的加工，要求更加嚴(yán)格，必需進(jìn)一步提高精度和減輕磨削的痕跡。