基于ANSYS的玻璃模壓成型有限元分析

張 靜張釘凡

（1.長春理工大學(xué)，長春 130022；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610100）

基于ANSYS的玻璃模壓成型有限元分析

張 靜1張釘凡2

（1.長春理工大學(xué)，長春 130022；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610100）

通過對模壓成型的工藝過程進(jìn)行分析，利用有限元軟件ANSYS建立透鏡的有限元模型，選擇五單元廣義Maxwell模型作為粘彈性模型，劃分網(wǎng)格，設(shè)定熱邊界條件，進(jìn)行模壓成型的加熱和加壓過程的有限元仿真分析。通過仿真，重點研究了最小加熱時間和壓力的影響，以期對今后模壓成型工藝的參數(shù)優(yōu)化具有指導(dǎo)作用。

模壓成型 透鏡 ANSYS

引言

近年來，由于電子集成技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，透鏡逐漸向著小型化、微型化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的加工技術(shù)由于成本高、精度低、周期長，已經(jīng)不適合小尺寸透鏡的大批量生產(chǎn)。透鏡模壓成形技術(shù)是一種高精度復(fù)制成型技術(shù)，適合小尺寸光學(xué)元件高精度大批量加工，最早由美籍華裔教授stephen Y Chou提出。這種技術(shù)將模具與玻璃放在工作腔內(nèi)一起加熱到模壓溫度，一次性精確復(fù)制出模具的面型。與傳統(tǒng)的加工方法相比，這種模壓成型技術(shù)成本低，精度高，適合大批量生產(chǎn)[1]。模壓成型技術(shù)一經(jīng)提出，便受到廣泛關(guān)注。早起的研究主要是對實驗的研究，但隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，為了節(jié)約成本，人們使用有限元分析的方法來研究模壓成型技術(shù)。通過有限元仿真軟件，模擬模壓成型技術(shù)的各個工藝階段，研究成型機理，預(yù)測成型質(zhì)量，優(yōu)化加工參數(shù)。本文采用ANSYS軟件對透鏡模壓成型的過程進(jìn)行仿真分析，觀察透鏡在加熱階段的溫度變化情況和加壓階段的透鏡變形情況。

1 玻璃透鏡模壓成型技術(shù)

1.1 模壓成型實驗

實驗室采用的模壓機是韓國進(jìn)口的DTK公司設(shè)計制造的模壓成型機。在工作站1進(jìn)行加熱，在工作站2進(jìn)行模壓，在工作站3進(jìn)行退火，最后進(jìn)行水冷卻，使成型玻璃鏡片快速冷卻到室溫，開模取出成品。本設(shè)備自動化程度高，生產(chǎn)周期短，適合大批量生產(chǎn)[2]。

模壓成型工作過程如圖1所示。當(dāng)設(shè)備開機后，先在控制面板上設(shè)置模壓時間、模壓溫度、模壓壓力等參數(shù)。玻璃毛坯放入上下模具之間，模具用套筒固定，將整個套筒放入導(dǎo)軌中，在點擊控制運行按鈕；制程開始自動模壓，設(shè)備自動將模具送入成型腔室并自動進(jìn)行模具移送；在工作腔內(nèi)完成模壓制造后，自動送出工作腔。

圖1 模壓成型的過程

整個工藝過程共經(jīng)歷加熱、加壓、退火、冷卻四個階段。在加熱階段，模具與玻璃毛坯在電加熱板作用下進(jìn)行加熱；在加壓階段，坯料在模具作用下被模壓變形，復(fù)制出模具上的面型；在退火階段，已成型的玻璃鏡片慢慢冷卻到指定溫度，即退火，目的是減少內(nèi)部殘余應(yīng)力；在冷卻階段，使成型玻璃鏡片快速冷卻到室溫，開模取出成品。

1.2 理論分析

在模壓成型過程中，所使用的玻璃材料是非晶體。常溫下玻璃是固態(tài)；在軟化溫度以上，玻璃是液態(tài)。但在模壓溫度下（轉(zhuǎn)變溫度以上軟化溫度以下），溫度材料呈現(xiàn)粘彈性，在模壓過程中會表現(xiàn)為蠕變與松弛，兼具彈性固體和粘性流體的雙重性質(zhì)[3]。蠕變指在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變由彈性應(yīng)變和粘性應(yīng)變組成；松弛是指在保持恒定應(yīng)變作用下，應(yīng)力會隨時間發(fā)生松弛的現(xiàn)象。玻璃材料的粘彈性本構(gòu)方程可以表現(xiàn)為式（1）和（2），G(t-τ)為為應(yīng)力松弛模量，G(t-τ)為蠕變模量。

粘彈性模型通常用彈簧-阻尼器力學(xué)模型描述。這里，用彈簧來表達(dá)在模壓下玻璃的彈性特性，用阻尼器來表示模壓下玻璃的粘性特性[4]。本文采用五單元Maxwell模型（如圖2所示）來模擬玻璃的粘彈性，模型可以使用多個彈簧-阻尼器并聯(lián)的方式，更能精確表現(xiàn)玻璃材料的性能。

圖2 五單元廣義Maxwell模型

2 有限元仿真

2.1 有限元仿真模型建立

本文仿真采用的玻璃型號為L-BAL42，玻璃材料與WC模具，光學(xué)玻璃毛坯的厚度為2mm，半徑為10mm，模具的長20mm，厚度為5mm。利用有限元軟件ANSYS建立二維幾何模型。在單元類型方面，熱分析采用PLNE55軸對稱單元，結(jié)構(gòu)分析采用PLANE182軸對稱單元。假定下模具固定，利用通用有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型，如圖3所示。在計算得到穩(wěn)定溫度場后，將分析類型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)計算，并導(dǎo)入前期計算得到的穩(wěn)定溫度場結(jié)果，以求解溫度變化情況及變形云圖，并考慮上模具的加壓作用。

圖3 有限元仿真模型

2.2 加熱、加壓過程仿真

加熱過程中，將玻璃毛坯與模具一起放入加熱工作站進(jìn)行加熱。電加熱板直接對上下模具進(jìn)行加熱，設(shè)定上下模具的兩個加熱面的溫度即為電加熱板的設(shè)定溫度。仿真時，定義玻璃毛坯和模具的初始溫度都為常溫20℃，模壓溫度為580℃，加熱時間設(shè)定為300s。通過仿真分析模具與玻璃毛坯內(nèi)部溫度變化情況，得出模具與毛坯（內(nèi)部溫度均勻分布狀態(tài)）達(dá)到預(yù)設(shè)溫度的最佳時間，目的是考察加熱時玻璃內(nèi)部的溫度場變化情況。

在加壓過程中，設(shè)定下模具固定，對上模具施加壓力；設(shè)定模具與玻璃毛坯之間的摩擦系數(shù)為0.1。因為接觸行為在有限元分析中會引起非線性，因此設(shè)定模具與玻璃毛坯之間的接觸行為，通過命令流設(shè)定控制壓力的施加。

3 有限元數(shù)值分析結(jié)果

3.1 加熱過程仿真

本實驗采用的是電加熱板進(jìn)行加熱。模具和坯料一起在電加熱板作用下進(jìn)行加熱，考察的是加熱時玻璃內(nèi)部的溫度場變化情況。圖4給出了不同加熱時間下，ANSYS仿真透鏡在模壓成型過程的溫度變化情況。

圖4 溫度變化云圖

通過仿真分析，透鏡在加熱過程中溫度逐漸變化，最后達(dá)到模壓溫度，整個透鏡在全部達(dá)到模壓溫度580℃的時間為250s。因此，在實際加工過程中，可以把加熱階段的時間設(shè)置為250s，此時透鏡均勻達(dá)到模壓溫度，避免了透鏡在未全部達(dá)到均勻溫度下進(jìn)行模壓造成邊緣破裂的問題，同時也不需要耗費大量實驗操作去確定加熱階段的時間參數(shù)。

3.2 加壓過程

本實驗中，透鏡的矢高為0.01cm，加壓過程的仿真變形，如圖5所示。透鏡成型后，與凹槽半徑基本一致，實現(xiàn)了很好的模壓復(fù)制效果。

在模壓過程中，模壓壓強與矢高的變化規(guī)律如圖6所示。通過仿真分析，得出透鏡在模壓過程中隨著加壓壓力的變化規(guī)律：隨著壓力的增大，充型率越來越好，但是不宜過大；加壓壓力過大，會降低模具壽命；當(dāng)加壓壓力達(dá)到0.008MPa時，玻璃已經(jīng)充滿型腔，非球面形狀得到了精確復(fù)制。

圖5 加壓過程變形云圖

圖6 矢高變化

4 結(jié)論

本文針對模壓成型技術(shù)的工藝過程，采用ANSYS軟件對透鏡的模壓成型過程進(jìn)行建模；通過對玻璃的性能分析，知道玻璃在模壓溫度下表現(xiàn)為粘彈性；并選取五單元Maxwell模型來模擬玻璃性能。最后，通過ANSYS仿真，得到如下結(jié)論：在加熱階段，溫度隨著時間變化，最后達(dá)到均勻，從而得到最小加熱時間250s；在加壓階段，壓力的大小直接影響鏡片的成型質(zhì)量；隨著模壓壓力的增大，充型率越來越好，但是不宜過大；加壓壓力過大，會降低模具壽命；當(dāng)加壓壓力達(dá)到0.008MPa時，玻璃已經(jīng)充滿型腔，非球面形狀得到了精確復(fù)制。

[1]Koro Shishido，Masao Sugiura，Tetsuo Shoji.Aspect of Glass Softening by Master Mold[J].Proceedings of SPIE，1995，25（36）：421-433.

[2]ZHANG Yi-tong.Theory of Thermo-Viscoelasticity[M]. Tianjin：Tianjin University Press，2002.

[3]張小兵.非球面透鏡模壓成型仿真技術(shù)[J].光學(xué)技術(shù)，2013，39（3）：204-211.

[4]朱科軍.非球面玻璃透鏡模壓成形有限元分析[J].中國機械工程，2013，24（18）：2509-2514.

ANSYS-based FEA of Glass Molding Press

ZHANG Jing1, ZHANG Dingfan2
(1.Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022;2.Chengdu Aeronautic Vocational and Technical College, Chengdu 610100)

By analyzing the process of molding, using finite element software ANSYS to establish finite element model of lens, choose five unit Maxwell model as a viscoelastic model, delimit the grid, set the thermal boundary conditions, the simulation process of heating and compression process. Through the simulation, study the influence of the minimum heating time and pressure, has guiding effect to optimize the molding process parameters.

glass molding press, glass lens, ANSYS