光學(xué)玻璃非球面元件模壓過程仿真與實驗

光學(xué)玻璃非球面元件模壓過程仿真與實驗高金輝;薛常喜;龔峰【摘要】為了分析光學(xué)玻璃非球面元件模壓工藝過程并選擇出最優(yōu)的加工工藝參數(shù),采用有限元分析模型，對L-BAL42光學(xué)玻璃非球面元件的模壓過程進(jìn)行了預(yù)先工藝仿真?基于有限元分析軟件MSC.Marc仿真了非球面光學(xué)玻璃模壓工藝過程，討論了模壓速率、模壓溫度對光學(xué)玻璃非球面元件模壓成型后等效應(yīng)力的影響,并獲得了最優(yōu)的工藝參數(shù)?最后使用GMP-415V光學(xué)玻璃模壓設(shè)備,實驗給出一個非球面透鏡的模壓結(jié)果，其面形精度PV值優(yōu)于0.3,表面粗糙度Ra小于3nm.其結(jié)果表明，采用有限元仿真光學(xué)玻璃非球面元件的模壓工藝工程是可行的,可用于各種光學(xué)材料和各種非球面元件的預(yù)先仿真工藝分析,為各種元件的模壓快速成型提供技術(shù)保障.實驗研究達(dá)到了高精度光學(xué)玻璃非球面元件模壓快速成型的目的.期刊名稱】《機(jī)械設(shè)計與制造》年(卷),期】2019(000)002【總頁數(shù)】5頁(P195-19&203)【關(guān)鍵詞】光學(xué)玻璃;非球面元件;模壓技術(shù);有限元仿真【作者】高金輝;薛常喜;龔峰【作者單位】長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,吉林長春130022;長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,吉林長春130022;深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院,深圳518060【正文語種】中文中圖分類】TH16;TH164引言光學(xué)玻璃非球面元件因具有良好的光學(xué)性能和成像質(zhì)量，可用于消除球差、減少光學(xué)系統(tǒng)中零件的數(shù)量，已被廣泛用于各種光學(xué)系統(tǒng)［1］。針對非球面光學(xué)元件的加工方法，主要有傳統(tǒng)的加工方法和光學(xué)玻璃模壓。傳統(tǒng)的加工方法加工非球面需要一系列的材料去除過程，研磨和拋光，其生產(chǎn)周期較長、生產(chǎn)成本較高，并且加工精度不穩(wěn)定［2］。近年來國內(nèi)外大力發(fā)展光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)，實現(xiàn)大批量、高效率生產(chǎn)光學(xué)玻璃非球面元件，降低加工成本，減少環(huán)境污染［3］。針對光學(xué)玻璃非球面元件的模壓成型工藝，文獻(xiàn)［4］研究了粘彈性、結(jié)構(gòu)松弛等對輪廓偏移量的影響，并用有限元軟件ABAQUS仿真模壓過程以及預(yù)測透鏡的最終面形。文獻(xiàn)［5］用實驗和有限元分析方法研究了不同退火條件下透鏡折射率的變化，發(fā)現(xiàn)冷卻速率越快，透鏡的折射率變化越顯著。文獻(xiàn)［6］采用圓柱玻璃的單軸壓縮試驗，獲得了玻璃樣本的變形特征；將彈性-粘塑性模型引入到玻璃在模壓溫度下的有限元仿真中，并驗證了模型的可行性。文獻(xiàn)［7］利用實驗和有限元仿真，對比研究了非球面玻璃透鏡的非等溫模壓成型工藝和等溫模壓成型工藝，得出了非等溫模壓可明顯提高非球面透鏡的成型效率，可延長模具壽命，但透鏡的成型精度與等溫模壓相比較差。文獻(xiàn)［8］利用有限元仿真方法建立了小口徑非球面透鏡的模壓模型，分析了D-ZK3玻璃在580工模壓溫度下的加熱過程，確定了該條件下的最短加熱時間。針對上述工作在光學(xué)玻璃的粘彈性以及模壓成型條件方面來研究光學(xué)玻璃的模壓過程，擬采用MSC.Marc有限元分析軟件，對L-BAL42光學(xué)玻璃非球面透鏡的模壓工藝過程進(jìn)行了預(yù)先仿真分析研究，通過研究透鏡內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，獲得了最優(yōu)的加工工藝參數(shù)，并進(jìn)行工藝實驗。光學(xué)玻璃非球面元件模壓仿真模型的建立光學(xué)玻璃材料和模具軟化點(diǎn)高的光學(xué)玻璃，在高溫下光學(xué)玻璃容易與碳化鎢模芯發(fā)生反應(yīng)，降低模具的使用壽命或容易使鍍在模具上的保護(hù)膜脫落。因此，最好選取軟化點(diǎn)低的玻璃材料。使用的玻璃材料為日本小原光學(xué)公司生產(chǎn)的L-BAL42型號的玻璃，其在模壓溫度下的熱膨脹系數(shù)a為1.087x10-5/°C,泊松比為0.247，轉(zhuǎn)變溫度Tg為506°C。玻璃的楊氏模量隨溫度改變而改變，在轉(zhuǎn)變溫度以下時楊氏模量為一定值，隨著溫度的繼續(xù)升高，楊氏模量劇烈下降然后保持不變，約為190MPa［9］。同時，所采用的模具材料為碳化鎢（WC）,具有很高的強(qiáng)度和硬度以及很好的抗氧化性且表面質(zhì)量穩(wěn)定［10］。碳化鎢在模壓溫度下的熱膨脹系數(shù)a為（4.9x10-6）C,彈性模量E為（570x109）N/m2，泊松比為0.22［11］。模壓工藝過程的仿真分析進(jìn)行有限元仿真以及工藝實驗的非球面透鏡的幾何形狀，如圖1所示。透鏡下表面是球面度為17mm的球面，上表面為非球面，非球面公式為：式中：Z—光軸，即非球面的對稱軸，坐標(biāo)原點(diǎn)為非球面頂點(diǎn)；C—近軸曲率，且C=1/R,R是非球面頂點(diǎn)處的曲率半徑；X—非球面上任何一點(diǎn)到達(dá)光軸Z的距離;k=-e2，表示二次曲面偏心率的函數(shù)，C4、C6、C8為非球面的高次項系數(shù)，其數(shù)值，如表1所示。表1非球面透鏡參數(shù)Tab.1AsphericLensParameterskCC4C6C80.10.037-1.61923e-056.91142e-08-6.6201e-11圖1非球面透鏡尺寸圖Fig.1DimensionsofAsphericLens采用非線性有限元軟件MSC.Marc進(jìn)行工藝過程數(shù)值仿真。對于光學(xué)玻璃非球面模壓工藝過程，建立了二維軸對稱有限元仿真模型，對稱軸為X軸，如圖2所示。光學(xué)玻璃預(yù)型體是半徑為4.45mm的球體，在模擬中視為變形體；模具在模擬中視為彈性體。有限元分析模型網(wǎng)格采用四邊形單元，模型總共被劃分為5618個單元，其中玻璃預(yù)型體被劃分為887個單元。固定位移邊界條件施加在模具的上模，以保證上模固定不動，通過移動模具下模，實現(xiàn)光學(xué)玻璃非球面元件的模壓成型過程。圖2二維軸對稱有限元模型Fig.22DAxisymmetricFiniteElementModel邊界條件的設(shè)立在模壓成型過程中玻璃的熱源有三種：模具的熱傳導(dǎo)、氮?dú)獾臒釋α骱图t外線燈的熱輻射。因為光學(xué)玻璃是透明體，所以紅外熱源輻射的熱量小到可以忽略不計。在加熱過程中，玻璃預(yù)型體放置在模具的下模上，熱量主要來源于下模，其次來源于氮?dú)獾臒釋α鳌徇吔鐥l件為［12］：式中：k—玻璃的熱導(dǎo)率；hM—玻璃與模具間的接觸面的熱傳遞系數(shù)；T—玻璃溫度；TM—模具溫度；hN—氮?dú)馀c玻璃的熱傳遞系數(shù)；TN—氮?dú)鉁囟?。hM與接觸面溫度、壓力等因素有關(guān)；hN和模壓腔的幾何形狀、N2的流動速率和流動方向等因素有關(guān)。一般取hM為2800W/(m2K)，hN為20W/(m2K)。將玻璃與模具間的摩擦力視為恒剪切摩擦，滿足：式中：fs—剪切摩擦力；t—剪切屈月服應(yīng)力；m—剪切摩擦系數(shù)，將摩擦系數(shù)m設(shè)為0.1。仿真分析結(jié)果光學(xué)玻璃透鏡在加壓階段由于發(fā)生較大的變形會在透鏡中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致成型透鏡的變形甚至破碎，使其失去原有的面形精度，還會導(dǎo)致透鏡內(nèi)部折射率發(fā)生變化，降低像質(zhì)。因此，殘余應(yīng)力會對成型后的玻璃透鏡產(chǎn)生不容忽視的影響，故有必要研究玻璃內(nèi)部的殘余應(yīng)力。光學(xué)玻璃非球面元件模壓成型后的面形精度很大程度上取決于模壓工芝參數(shù)的設(shè)定，主要包括：模壓速率和模壓溫度。采用對比方法，對每種工藝參數(shù)進(jìn)行4組仿真模擬，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，選擇出針對L-BAL42非球面元件的最佳工藝參數(shù)，為模壓工藝實驗提供依據(jù)。3.1模壓速率的影響模壓速率是加壓階段最重要的工藝參數(shù)之一，直接影響著非球面玻璃透鏡的成形質(zhì)量。如果模壓速率選擇不當(dāng)，可能會導(dǎo)致透鏡的破裂、氣孔、折射率不均等缺陷，而這些缺陷都與加壓后殘余應(yīng)力分布關(guān)系密切。模壓速率的快慢也是影響加工周期的重要工藝參數(shù)。選擇四組不同的模壓速率進(jìn)行仿真來研究模壓速率對玻璃內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響。首先，模壓溫度取為575°C,摩擦系數(shù)為0.1,模壓速率分別取為0.15mm/s、0.2mm/s、0.25mm/s和0.3mm/s。玻璃樣本在不同模壓速率下的等效米塞斯應(yīng)力(VonMisesstresses)分布云圖，如圖3所示。并給出了不同模壓速率下最大和最小等效內(nèi)應(yīng)力的變化，如圖4所示。圖3玻璃樣本在不同模壓速率時的等效應(yīng)力分布Fig.3EquivalentStressDistributionofGlassSamplesatDifferentMoldingVelocity圖4等效應(yīng)力隨模壓速率的變化Fig.4VariationofEquivalentStresswithMoldingRate從圖3可以看出，模芯內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力較大并且內(nèi)應(yīng)力集中發(fā)生在模芯與透鏡接觸區(qū)域。玻璃材料在變形中邊緣區(qū)域的應(yīng)力比中心區(qū)域的應(yīng)力大，當(dāng)模具上下模芯施加合模壓力后，應(yīng)力達(dá)到最大值。殘余應(yīng)力是由模壓加壓過程中的拉伸力、擠壓力以及玻璃與模具間的剪切摩擦力所產(chǎn)生的。成型透鏡中心區(qū)域殘余應(yīng)力小是因為中間位置的玻璃與模具之間剪切摩擦力小。而成型透鏡靠近邊緣處殘余應(yīng)力較大是由于靠近邊緣位置的玻璃與模具之間剪切摩擦力較大。模壓成型后模具和玻璃透鏡的等效應(yīng)力大小和分布都與模壓速率有著密切關(guān)系。隨著模壓速率的減小，模壓后成型透鏡的等效應(yīng)力云圖中高亮區(qū)域面積減小，應(yīng)力下降。由圖4也可看出，透鏡內(nèi)部最大等效應(yīng)力隨模壓速率的增大而增大，最小等效應(yīng)力隨模壓速率的變化不明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是：較大的模壓速率，會造成玻璃成型時間減少，沒有充足時間釋放殘余應(yīng)力；而較小的模壓速率，透鏡有較長的時間松弛殘余應(yīng)力，因此透鏡的殘余應(yīng)力會越小。但模壓速率越小，加工效率越低。所以在選擇模壓速率時，需綜合考慮效率和成型效果。由圖3可知，當(dāng)模壓速率為0.2mm/s時，透鏡內(nèi)部的平均殘余應(yīng)力較小且分布較合理，故可選最優(yōu)的模壓速率為0.2mm/s。3.2模壓溫度的影響將模壓速率設(shè)定為0.2mm/s，摩擦系數(shù)為0.1,分別研究玻璃樣本在565工、575°C、585°C和595°C時的成型結(jié)果。玻璃樣本在不同模壓溫度下的內(nèi)部最大和最小等效應(yīng)力的變化趨勢，如圖5所示。圖5等效應(yīng)力隨模壓溫度的變化Fig.5VariationofEquivalentStresswithMoldingTemperature由圖5可知，不同模壓溫度下最小等效應(yīng)力變化并不明顯，但最大等效應(yīng)力差距很大。在L-BAL42玻璃的模壓溫度范圍內(nèi)，最大等效應(yīng)力隨溫度的上升而下降，這是由于隨著模壓溫度的上升，光學(xué)玻璃內(nèi)部的分子鏈斷裂，玻璃材料的流動性加強(qiáng)，粘度越來越低，造成了模壓時間的減少。雖然575C以上溫度模壓時等效應(yīng)力會更小，可是模壓溫度越高則加熱時間就越長，消耗的能量也就越多，導(dǎo)致模壓成型過程中模具和環(huán)境的溫差增大，并且光學(xué)玻璃和模具的接觸面還可能出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，降低模具的使用壽命。由于碳化鎢模具的加工和修模成本都很昂貴，因此綜合考慮模壓效果和加工成本，針對L-BAL42光學(xué)玻璃材料，本模型選擇最佳的模壓溫度是575C。模壓工藝實驗實驗所使用的儀器設(shè)備為日本東芝機(jī)械公司的高精密玻璃模壓機(jī)GMP-415V,如圖6所示。該設(shè)備可對玻璃施加的最大壓力為40kN，最高加熱溫度可達(dá)800°C?？砂惭b模具外徑MINQ40~MAXei50mm,可加工工件能夠成形直徑范圍為(5-80)mm。圖6GMP-415V高精密玻璃模壓機(jī)Fig.6GMP-415VHighPrecisionGlassMoldPressMachine實驗過程中溫度、壓力及下模位置的變化，如圖7所示。模壓過程的加工參數(shù)設(shè)置，如圖8所示。具體實驗過程如下：首先，把玻璃預(yù)型體放置在模具的下模上，對模壓腔進(jìn)行抽真空，然后再充入N2，N2的作用是避免高溫環(huán)境下光學(xué)玻璃與模具被氧化。將下模升高到加熱位置(玻璃球與上模的空隙大約在2~3mm)。然后將模具與玻璃一起加熱到模壓溫度575C,在這一溫度持續(xù)90s之后，上模固定不動，驅(qū)動下模以0.2mm/s的速度上升，當(dāng)下模到達(dá)設(shè)定位置后，對下模施加一個3kN的壓力并維持90s，以確保玻璃和模具充分接觸。加壓過程完成之后，關(guān)閉紅外線加熱燈，向模壓腔內(nèi)按一定的速率充入冷卻的氮?dú)?，將玻璃和模具緩慢冷卻到490C，在緩慢冷卻階段，仍施加一個大小為0.5kN的壓力，以減少由溫度變化引起的玻璃透鏡內(nèi)部的剩余應(yīng)力。然后將玻璃和模具快速冷卻到釋放溫度220C，在快速冷卻階段，將下模向下移動，使玻璃與上模之間留有一定空隙，同時撤銷模壓載荷。最后待玻璃透鏡自然冷卻到室溫時將其從模具中取出。圖7L-BAL42非球面玻璃模壓過程條件Fig.7L-BAL42AsphericalGlassMoldingProcessConditions圖8加工工藝參數(shù)設(shè)置Fig.8ProcessingParameterSetting成型后的非球面透鏡，如圖9所示。采用輪廓測量儀泰勒霍普森PGI1240對成型后的非球面透鏡進(jìn)行進(jìn)行面形精度的測量，測量結(jié)果，如圖10所示。采用布魯克ContourGT-X3白光輪廓儀測量非球面透鏡的表面粗糙度，測量結(jié)果，如圖11所示。非球面透鏡的面形精度PV值為0.295滋m，表面粗糙度Ra為2.607nm。說明成型后的透鏡具有很高的面形精度和較低的表面粗糙度，可知前面有限元分析中所選擇出的最優(yōu)加工工藝參數(shù)是合理的，并且光學(xué)玻璃模壓工藝可以實現(xiàn)高精度光學(xué)玻璃非球面元件模壓快速成型。圖9成型后的非球面透鏡Fig.9AsphericalLensafterMolding圖10非球面透鏡的面形精度測量結(jié)果Fig.10MeasurementResultsonSurfaceAccuracyofAsphericLens圖11非球面透鏡的表面粗糙度測量結(jié)果Fig.11SurfaceRoughnessofAsphericLens結(jié)論采用實驗與有限元仿真相結(jié)合的方法，對光學(xué)玻璃非球面元件的模壓工藝過程進(jìn)行了詳細(xì)分析和討論。針對L-BAL42光學(xué)玻璃非球面元件的模壓成型加熱加壓過程，采用有限元軟件MSC.Marc進(jìn)行了模壓過程的預(yù)先工藝仿真。仿真分析了模壓速率和模壓溫度對模壓成型后非球面透鏡內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響，得出玻璃內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小會隨著加工工藝參數(shù)的改變而改變，而殘余應(yīng)力的大小也會影響透鏡成型后的精度。對于L-BAL42玻璃而言，選擇最優(yōu)的模壓溫度為575°C,最佳模壓速率為0.2mm/s?；诜抡娴贸龅淖顑?yōu)加工工藝參數(shù)，采用GMP-415V光學(xué)玻璃模壓設(shè)備，實驗給出一個非球面透鏡的模壓結(jié)果，其中，面形精度PV值為0.295滋m，表面粗糙度Ra為2.607nm。實驗結(jié)果表明，光學(xué)玻璃非球面元件的模壓制造技術(shù)可以高效率的加工精密非球面光學(xué)玻璃元件，并且，采用有限元分析軟件對模壓工藝過程進(jìn)行預(yù)先仿真，可為各種非球面光學(xué)元件的模壓快速成型提供技術(shù)保障。參考文獻(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)】尹韶輝，靳松，朱科軍?非球面玻璃透鏡模壓成型的有限元應(yīng)力分析[J]?光電工程，2010,37（10）：111-115.（YinShao-hui，JinSong，ZhuKe-jun.Stressanalysisofcompressionmolldingofasphericalglasslensesusingfiniteelementmethod[J].Opto-ElectronicEngineering，2010，37（10）：111-115.）NicholasDJ，BoonJE.ThegenerationofhighprecisionasphericalsurfacesinglassbyCNCmachining[J].JournalofPhysicsD：AppliedPhysics，1981：593-600.ZhouTian-feng，YanJi-wang，JunMasu-da.Investigationonshapetransferabilityinultraprecisionglassmoldingpressformicrogrooves[J].PrecisionEngineering，2011（35）：214-220.BalajeeAnanthasayanam.Computionalmodelingofprecisionmoldingofasphericglassoptics[D].America：ClemsonUniversity，2008.SuLi-juan，ChenYang，AllenY.Yi.Refractiveindexvariationincompressionmoldingofprecisionglassopticalcomponents[J].AppliedOptics，2008，47（10）：1662-1667.Yu-ChungTsai，ChinghuaHung，Jung-ChungHung.Glassmaterialmodelfortheformingstageoftheglassmoldingprocess[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology，2008（201）：751-754.ZhouTian-feng，YanJi-wang，NobuhitoYoshihiara.Studyonnonisothermalglassmoldingpressforasphericlens[J].JournalofAdvancedMechanicalDesign，Systems，andManufacturing，2010，4（5）：806-815.[8]尹韶輝，霍建杰，周天豐.小口徑非球面透鏡模壓成形加熱加壓參數(shù)仿真[J]?湖南大學(xué)學(xué)報，2011，38（1）：35-39.（YinShao-hui，HuoJian-jie，ZhouTianf-eng.Simulationoftheheatingandpressingparametersofmicroasphericlensmoldingprocess[J].Jo