光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)

王麗榮

中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528436

0 引言

光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)，是利用了玻璃從熔融態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程是連續(xù)可逆的熱加工性質(zhì)，在玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg附近，在無(wú)氧條件下，對(duì)玻璃和模具進(jìn)行加溫加壓，一次性將光學(xué)玻璃模壓成達(dá)到使用要求的光學(xué)零件[1]。由于光學(xué)玻璃模壓成型法摒棄了傳統(tǒng)的粗磨、精磨、拋光以及定心磨邊等工序，直接一次成型，大大節(jié)省了材輔料、時(shí)間、設(shè)備及人力，且能模壓出不同形狀，尤其是在非球面光學(xué)玻璃零件和小型、微型光學(xué)元件制造方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，需綜合考慮玻璃材料、模具材料、模壓設(shè)備及模壓的工藝參數(shù)等，它所涉及的技術(shù)均為各個(gè)領(lǐng)域的尖端技術(shù)[2]。

1 適于精密模壓的光學(xué)玻璃材料及預(yù)成型件

理論上講，光學(xué)玻璃都可以模壓。但實(shí)際上，一方面，轉(zhuǎn)變溫度Tg高的玻璃，以及含Ti高于5%的玻璃，在高溫下會(huì)與模具產(chǎn)生反應(yīng)，致使模具的使用壽命很短且零件表面質(zhì)量差；另一方面，含有Pb、As等氧化物的玻璃不符合環(huán)境保護(hù)要求也不能用于模壓。為適應(yīng)玻璃模壓成型技術(shù)的發(fā)展，要求材料廠家開(kāi)發(fā)出轉(zhuǎn)變溫度Tg低（600℃以下）的環(huán)保型光學(xué)玻璃材料。世界各光學(xué)材料生產(chǎn)企業(yè)都投入了很大精力，開(kāi)發(fā)出多種低熔點(diǎn)的適宜于模壓成型的玻璃材料。尤其是最近五年左右時(shí)間，低熔點(diǎn)玻璃從品種數(shù)量的增長(zhǎng)、折射率范圍的擴(kuò)大、Tg值的降低等方面，都有了很大的進(jìn)步。目前，日本和德國(guó)在這方面走在了世界的前列，HOYA（保谷光學(xué)）、OHARA（小原光學(xué)）、SUMITA（住田光學(xué)）和SCHOTT（肖特光學(xué)）是其中的佼佼者。由于各個(gè)廠家的材料配方不同，導(dǎo)致光學(xué)常數(shù)相同或相近時(shí)，玻璃的Tg值會(huì)有所不同，且材料具體各項(xiàng)參數(shù)也有差異，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須首先考慮好所使用的光學(xué)玻璃材料的生產(chǎn)廠家。

由于模壓成型技術(shù)是光學(xué)玻璃材料直接一次性成型，出模后不再進(jìn)行拋光，因此，對(duì)用于模壓的毛坯相應(yīng)提出了更高的要求。通常，毛坯會(huì)預(yù)加工成球形、橢球形或平面、平凸、雙凸形[3-4]，也稱(chēng)之為預(yù)成型件。預(yù)成型件有熱加工和冷加工兩種方式，其中，小直徑球形和橢球形可通過(guò)滴料直接成型，而其它幾種形式的預(yù)成型件及直徑超出滴料范圍的預(yù)成型件必須先用傳統(tǒng)的研磨拋光方法制造出來(lái)。各廠家滴料成型的預(yù)成型件一般每批次最小訂單量為30000件。

表1 材料廠家能力對(duì)比

對(duì)預(yù)成型件的要求：因?yàn)槟翰豢赡芟鞅砻婕皟?nèi)部的缺陷，因此毛坯在壓型前的表面清潔度、表面粗糙度及材料內(nèi)部質(zhì)量均不得低于完工后的要求；由于要精密控制壓型后的尺寸，毛坯的尺寸和重量也應(yīng)進(jìn)行精密控制。

為進(jìn)一步防止高溫時(shí)玻璃與模具發(fā)生粘連，HOYA、OHARA、SCHOTT等廠家現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出在預(yù)成型件表面鍍防粘薄膜的方法，一方面可防止粘附，另一方面還可提高模壓過(guò)程中玻璃和成型面之間的潤(rùn)滑性。薄膜的種類(lèi)可為含碳薄膜或氮化物薄膜、貴金屬膜等，優(yōu)選使用含碳薄膜，尤其是模具材料為SiC、ZrO2時(shí)。

2 模壓模具的材料選擇及加工技術(shù)

在光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)中，高精度的鏡片和特殊的工藝過(guò)程要求模壓成型的模具應(yīng)達(dá)到以下要求：1）加工后的模具表面應(yīng)達(dá)到光學(xué)鏡面的表面粗糙度，在高溫環(huán)境下能保持表面質(zhì)量包括面形精度和表面疵病、表面粗糙度不變；2）模壓過(guò)程中不與玻璃起反應(yīng)或發(fā)生粘連現(xiàn)象，脫模性能良好；3）在高溫環(huán)境具有很高的剛性、硬度、強(qiáng)度，能耐冷熱反復(fù)沖擊。模具材料的選擇、模具的加工與研磨拋光、模具的表面處理等應(yīng)綜合考慮以上要求。

以HOYA為例，已開(kāi)發(fā)出多種有關(guān)模具材料的專(zhuān)利。主要的模具材料包括SiC、Si3N4、WC超硬合金和金屬陶瓷，并在模具基體的成型表面上加鍍脫模膜。以WC等超硬合金為基體時(shí)，表面加鍍貴金屬膜或氮化物膜；以SiC為基體時(shí)，表面加鍍硬質(zhì)碳膜；膜層厚度控制在10nm～50nm左右。

由于所使用的模具材料硬度大，一般具有硬脆性，在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，影響工件的使用性能，因此對(duì)模具加工中所使用的刀具和加工方法提出了很高的要求。模具基體加工的機(jī)床都是超精密數(shù)控加工機(jī)床，與金剛石微分砂輪和高精度的在線檢測(cè)補(bǔ)償系統(tǒng)相配合。加工方法包括納米磨削技術(shù)和PCD刀具微細(xì)銑削技術(shù)，后又發(fā)展出將ELID（Electrolytic In.Process Dressing）鏡面磨削技術(shù)[4]與納米磨削技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用到非球面透鏡模具的加工上。

為達(dá)到更好的表面精度，模具表面還需進(jìn)行研磨拋光?？捎糜谀＞邟伖獾募夹g(shù)有磁流變拋光（MRF）技術(shù)[5]、磁射流拋光（MJP）技術(shù)及超聲波研磨技術(shù)。

3 模壓工藝及設(shè)備

光學(xué)玻璃模壓成型專(zhuān)用機(jī)床的制造技術(shù)主要掌握在日本、美國(guó)、德國(guó)和荷蘭等國(guó)，如日本東芝、SYS，美國(guó)曼徹斯特精密光學(xué)公司、康寧公司，德國(guó)蔡司，荷蘭飛利浦等[6]。

模壓成型的具體工藝過(guò)程和工藝參數(shù)，隨設(shè)備不同而有所區(qū)別，但加熱與模壓工序都要求是在無(wú)氧化氣氛下進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，光學(xué)玻璃模壓成型可以分為等溫成型和異溫成型兩種方式。等溫成型是將預(yù)成型件導(dǎo)入到模壓成形模具中，并將該成型模具與玻璃一起進(jìn)行加熱來(lái)進(jìn)行零件加工的方法。

異溫成型是先加熱預(yù)成型件，使其軟化，再將其導(dǎo)入到已預(yù)熱的模壓成型模具中進(jìn)行精密模壓成型的方法。簡(jiǎn)單地講，等溫成型就是將模具和預(yù)成型件同時(shí)加熱和冷卻，同時(shí)取出；異溫成型就是將預(yù)成型件單獨(dú)加熱后成型單獨(dú)冷卻和取出，模具溫度保持不變。等溫成型方式加熱升溫和冷卻降溫都需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此生產(chǎn)速度較慢，在面形精度、中心偏差要求較高的情況下，推薦使用等溫成型方式；在重視生產(chǎn)率提高的情況下推薦使用異溫成型方式。

4 結(jié)論

光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)現(xiàn)已廣泛用于各類(lèi)球面和非球面光學(xué)零件的制造中，尤其是在小型和微型光學(xué)元件及非球面制造方面具有傳統(tǒng)光學(xué)零件不可比擬的優(yōu)越性。目前，包括低熔點(diǎn)玻璃的熔煉、模具加工與鍍膜、模壓設(shè)備及工藝等關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在國(guó)外廠家手中，我國(guó)尚處于起步階段，很多方面還受制于國(guó)外技術(shù)壁壘，因此，繼續(xù)深入開(kāi)展光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)方面的研究十分迫切，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1][日]谷田部善雄著.非球面透鏡加工.張立士，譯.

[2]陳璠，王偉.低熔點(diǎn)玻璃精密模壓技術(shù)概況[J].市場(chǎng)周刊，2010，9：109-110.

[3]舒朝濂，田愛(ài)玲，等.現(xiàn)代光學(xué)制造技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008：317-322.

[4]關(guān)佳亮，等. ELID精密鏡面磨削技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].航空精密制造技術(shù)，2002，38(2)：5-7.

[5]康桂文.磁流變拋光技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].機(jī)床與液壓，2008，36(3)：173-176.

[6]張坤領(lǐng)，等.非球面加工現(xiàn)狀[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007(5)：1-6.