硫系紅外玻璃精密模壓模具有限元仿真設(shè)計

汪志斌，李軍琪，張 峰，蘇 瑛，麥玉瑩，許小雷，戈迎春

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硫系紅外玻璃精密模壓模具有限元仿真設(shè)計

汪志斌，李軍琪，張 峰，蘇 瑛，麥玉瑩，許小雷，戈迎春

( 西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065 )

較常規(guī)鍺晶體、硫化鋅、硒化鋅等紅外材料，硫系紅外玻璃因為其較低軟化點溫度，非常適合精密玻璃模壓技術(shù)實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，而模具設(shè)計是實現(xiàn)精密模壓的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此本文研究了采用有限元設(shè)計模具的方法。本文描述了從零件圖紙、玻璃材料選取到有限元仿真設(shè)計模具的具體過程，并對設(shè)計的模具進行模壓試驗，結(jié)果表明，采用有限元仿真技術(shù)能有效的指導(dǎo)模具設(shè)計，設(shè)計的模具經(jīng)一次試壓，零件面型精度滿足設(shè)計要求。

硫系紅外玻璃；有限元仿真；精密模壓；模具設(shè)計

0 引 言

硫系玻璃是指以周期表VIA族元素S，Se，Te為主并引入一定量的其它類金屬或金屬元素所形成的玻璃。其可以采用傳統(tǒng)的熔體淬冷法制備，可以在一個較寬的化學(xué)計量范圍內(nèi)都能形成玻璃，因此具有性能連續(xù)可調(diào)特點[1]。硫系玻璃雖然在紅外透過率等方面與傳統(tǒng)的晶體紅外材料有一定的差異，但對比鍺單晶、硫化鋅、硒化鋅等傳統(tǒng)的紅外晶體材料，硫系紅外玻璃具有各項同性、玻璃轉(zhuǎn)化點溫度低、價格便宜等優(yōu)點。其較低的溫度及玻璃非晶態(tài)特性等可以采用精密模壓技術(shù)實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，這是普通晶體材料傳統(tǒng)的單點金剛石車削所不能比擬的巨大成本優(yōu)勢，因此硫系玻璃在民用市場潛力巨大[2]。

精密玻璃模壓技術(shù)其利用玻璃的熱流變性能，在適合模壓的溫度對玻璃進行模壓，使玻璃復(fù)制模具的面型，最終實現(xiàn)玻璃的成型。該技術(shù)要求所模壓的材料是非晶體，常見的紅外晶體材料由于不存在軟化點，因此不適合精密模壓技術(shù)。精密模壓技術(shù)以模具和設(shè)備的精度可以保證模壓出來的產(chǎn)品一致性好，適合大批量生產(chǎn)，能大幅度降低生產(chǎn)成本。而完成硫系玻璃精密模壓，精密加工的模具必不可少。但是玻璃模壓過程是一個集成了模壓機器熱-力結(jié)構(gòu)、模壓玻璃參數(shù)等一個復(fù)雜的過程。采用傳統(tǒng)“試錯”方式設(shè)計精密模壓模具，這種設(shè)計方式既費時，又費力，因此不適合現(xiàn)代化生產(chǎn)。采用有限元仿真技術(shù)能有效避免上述問題，其能在仿真環(huán)境中對模具進行設(shè)計，能夠給出合適的玻璃預(yù)制體和模壓工藝參數(shù)等并預(yù)測玻璃的最終零件殘余應(yīng)力大小[3-4]。本文以單片硫系玻璃模壓為研究對象，利用有限元仿真技術(shù)設(shè)計出硫系玻璃模壓的模具，并進行模壓試驗，以檢驗?zāi)＞叻抡娴挠行浴?/p>

1 零件圖紙及分析

本文玻璃模壓材料為湖北新華光信息材料有限公司(NHG)提供的IRG206，模壓的零件圖如圖1所示。該零件是雙非球面設(shè)計。非球面Zernike方程參數(shù)如表1所示。

圖1 模壓零件圖

表1 非球面方程及參數(shù)表

Table 1 The formula of asphere and the parameters

由于模壓零件需要克服玻璃表面張力，零件在最后填充區(qū)域存在一定的圓角，此外模具在加工過程中，由于加工刀具存在一定的圓弧半徑，不可能加工出尖角，同時模具的尖角部位容易導(dǎo)致玻璃難于充盈，因此在保證光學(xué)指標(biāo)的前提下，需要增加局部圓角，以保證尖角平滑過渡，玻璃順利充盈。

2 模壓仿真過程

玻璃在模壓過程中處于高溫軟化狀態(tài)，材料屬性是典型的粘塑性狀態(tài)，而相應(yīng)的粘塑性狀態(tài)參數(shù)在玻璃材料手冊上不能查閱，需要采用實驗方法對材料屬性進行測量；其次需要對模壓機器熱-力學(xué)模型進行有限元建模；再結(jié)合模具材料選擇及預(yù)制體選擇規(guī)則，選定模壓材料及預(yù)制體形態(tài)，最后進行有限元仿真。

2.1 材料參數(shù)模型

在玻璃模壓有限元仿真中需要輸入的材料參數(shù)包含：密度、熱傳導(dǎo)、比熱容、線膨脹系數(shù)、楊氏模量、泊松比、應(yīng)力松弛參數(shù)等。應(yīng)力松弛參數(shù)可采用文獻[5]中所介紹的方式進行測量，其余參數(shù)均可采用標(biāo)準測量方式測量。由于玻璃是典型的非晶態(tài)材料，在常溫狀態(tài)下是以固態(tài)形式存在，在轉(zhuǎn)變點(g點)以上則表現(xiàn)出熱流變特性，即在一定溫度、一定壓力下玻璃發(fā)生蠕變，這一過程稱之為應(yīng)力松弛過程，通常采用廣義的麥克斯韋方程組來描述玻璃的這一特性[6-7]，如圖2所示。根據(jù)廣義麥克斯韋擬合獲取的材料應(yīng)力松弛曲線可采用式(2)表示。

圖2 廣義麥克斯韋模型

式中：∞為應(yīng)力松弛最終的應(yīng)力，0為初始狀態(tài)下應(yīng)力值，a為相對模量，r為松弛時間，其值由η/E得出。為了表示各溫度段的應(yīng)力松弛參數(shù)，采用WLF(William-Landel-Ferry)轉(zhuǎn)換函數(shù)如式(3)所示，描述不同溫度狀態(tài)下的應(yīng)力松弛。

式中：1，2為常數(shù)，r為參考溫度。

2.2 模壓設(shè)備熱—力模型

本實驗采用臺灣的sys-line的連續(xù)式模壓機床，該機床的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，該模壓機床分為7站式模壓機，前兩站是預(yù)熱階段，第三及第四站是加壓、保壓站，第五、六、七站均是冷卻站。

圖3 連續(xù)式模壓機床的結(jié)構(gòu)簡圖

該模壓機床熱模型為：加熱單元采用電阻加熱，采用高導(dǎo)熱系數(shù)的高強度鋼板為均熱板，模具與均熱板之間存在接觸傳導(dǎo)，玻璃與模具之間存在接觸傳導(dǎo)，不考慮空氣強對流輻射。機器的力模型為：下模具固定，上均熱板與加熱板通過連接的活塞桿一起加載到上模芯上，上模芯對玻璃加載，玻璃產(chǎn)生變形，形成最終零件。模壓過程的模具、玻璃熱力學(xué)模型如圖4所示。玻璃與模具之間的接觸摩擦系數(shù)可采用“環(huán)壓試驗”獲得[9]。

圖4 模具的熱力學(xué)模型

2.3 模具材料選擇

用于精密玻璃模壓的模具材料需要滿足以下幾個方面：要求硬度高、熱化學(xué)性能穩(wěn)定、力學(xué)性能穩(wěn)定、經(jīng)過加工能達到光學(xué)級別的表面粗糙度等[10]。可供選擇的模具材料包含：碳化鎢硬質(zhì)合金、陶瓷材料以及高強鋼等等。碳化鎢硬質(zhì)合金以優(yōu)越的綜合性能被大量用于精密玻璃模壓模具，但是碳化鎢硬質(zhì)合金屬于脆硬材料，加工難度大，尤其是需要加工到光學(xué)級別表面粗糙度，對材料本身要求很高[11]，需要高剛度、高精度的機床完成零件加工。

由于IRG206硫系紅外玻璃的轉(zhuǎn)變點溫度在200℃左右，因此在考慮經(jīng)濟性等因素，可以考慮其他替代材料。例如高強鋼、高強鋁等等。本文結(jié)合模具的加工經(jīng)濟性及相應(yīng)的研究[12]，選擇高強度鋁合金作為模具材料。所選用的高強度鋁合金滿足模具材料的各項要求，尤其是模壓溫度下的力學(xué)性能，本實驗采用的高強度能滿足模壓IRG206的熱力學(xué)要求。鋁合金可以采用單點金剛石車削的方式加工出所需的面型及光學(xué)表面粗糙度[12-13]。高強鋁合金及IRG206的材料參數(shù)如表2所示。

表2 RSA905,IRG 206 材料部分參數(shù)表

Table 2 The material parameters of RSA905 and IRG206

3 仿真及結(jié)果分析

由于需要加工的零件為“凸-凹彎月形”透鏡，可供選擇的預(yù)制體形狀分為圓球、雙凸透鏡、近形(Near Shape)預(yù)制體。不同的預(yù)制體適合不同的零件模壓如表3所示。

表3 常見透鏡可供選擇的預(yù)制體形狀

Table 3 The selectable preform for general lens

為了得到理想的預(yù)制體形態(tài)，分別采用球形、近形、雙凸球面三種玻璃預(yù)制體進行仿真實驗，相應(yīng)的填充仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同預(yù)制體形狀填充效果

根據(jù)上述的仿真結(jié)果可以得出，采用球狀的預(yù)制體模壓該透鏡時，由于玻璃的熱傳導(dǎo)較慢，接觸傳熱的范圍小，容易導(dǎo)致玻璃內(nèi)部溫度均勻性差，在模壓過程中球狀預(yù)制體變形嚴重，使得零件內(nèi)部存在較大的應(yīng)力，需要選擇合適的模壓參數(shù)，以保證模壓過程零件不至于被壓裂，減小殘余應(yīng)力。采用近形預(yù)制體模壓時，模壓過程中預(yù)制體變形小，零件內(nèi)部殘余應(yīng)力較小。但是近形預(yù)制體在填充時局部圓角填充慢，在該區(qū)域存在應(yīng)力集中。采用雙凸透鏡預(yù)制體模壓該零件時，玻璃的殘余應(yīng)力適中，填充符合模壓由內(nèi)而外的填充次序。綜上分析，選擇采用雙凸球面透鏡為最終的預(yù)制體。

玻璃模壓過程為升溫—均溫—模壓成型—降溫四個過程。模壓零件是復(fù)制模壓溫度下的模具的面型，在零件冷卻到室溫時，由于熱脹冷縮，最終零件面型與設(shè)計要求的面型不符，因此需要對模具的面型進行補償設(shè)計以滿足設(shè)計要求。由于有限元仿真面型數(shù)據(jù)是離散的數(shù)據(jù)點，因此對離散的面型數(shù)據(jù)進行Zernike多項式擬合，獲得非球面參數(shù)，為了保證擬合精度，Zernike多項式系數(shù)會有變化。擬合后的模具面型參數(shù)如表4所示。

表4 補償后的非球面參數(shù)

Table 4 The parameters of compensated aspheric

4 模壓實施及結(jié)果

利用單點金剛石車削加工高強鋁合金模芯，再利用模壓機進行試壓，模壓出來的零件面型結(jié)果如圖6。

從模壓結(jié)果顯示，采用有限元仿真的方式設(shè)計的模具能夠壓出合格的零件，模壓出的零件PV為0.7 μm，符合設(shè)計要求。

圖6 模壓后面型的檢測結(jié)果

5 總 結(jié)

本文介紹了精密非球面玻璃模具設(shè)計有限元仿真及相應(yīng)的預(yù)制體的設(shè)計過程，分析了有限元仿真中系統(tǒng)建模及模具補償原理，并依此設(shè)計出模具。采用模壓機進行模壓實驗，結(jié)果表明采用有限元方式能很好的對模壓模具進行設(shè)計，模壓零件符合設(shè)計要求。

本文描述了模壓模具設(shè)計等過程，對精密非球面玻璃模壓模具設(shè)計提供了借鑒示例。

致謝：該論文得到國家國際科技合作專項項目資金支持(2013DFA71220)，感謝德國弗勞恩霍夫制造技術(shù)研究所在該項目的技術(shù)支持。

[1] CHEN Guorong，CHENG Jijian. Relationship between the Average Coordination Number and Properties of chalconitride glasses [J]. Journal of the American Ceramic Society(S1551-2916)，1998，71(6)：1695-1697.

[2] DU Hwan Cha，Yeon Hwang, Jeong-Ho Kim，. Fabrication and evaluation of chalcogenide glass molding lens for car night-vision system [J]. Proceedings of SPIE(S0277-786X)，2013，8781：117-121.

[3] Anurag Jain. Experimental Study and Numerical Analysis of Compression Molding Process for Manufacturing Precision Aspherical Glass Lenses [D]. Ohio：The Ohio State University，2006：82-102.

[4] AY Yi，B Tao，Klocke F，. Residual stresses in glass after molding and its influence on optical properties [J]. Procedia Engineering(S1877-7058)，2011，19：402–406.

[5] Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature [S]. ASTM International，West Conshohocken，PA. ASTM C1161-02c(2008)e1.

[6] YANG Chen，Allen Y Yi，SU Lijuan. Numerical Simulation and Experimental Study of Residual Stresses in Compression Molding of Precision Glass Optical Components [J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering(S1087-1357)，2008，130(5)：1012-1015.

[7] Anurag Jain，Allen Y Yi. Numerical Modeling of Viscoelastic Stress Relaxation During Glass Lens Forming Process [J]. Journal of the American Ceramic Society(S1551-2916)，2005，88(3)：530-535.

[8] 尹韶輝，霍建杰，周天豐，等. 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：自然科學(xué)版，2011，38(1)：35-39.

YIN Shaohui，HUO Jianjie，ZHOU Tianfeng，. Simulation of the Heating and Pressing Parameters of Micro Aspheric Lens Molding Process [J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2011，38(1)：35-39.

[9] Sofuoglu H，Rasty J. On the measurement of friction coefficient utilizing the ring compression test [J]. Tribology International(S0301-679X)，1999，32：327-335.

[10] Yasushi Taniguchi，Kawasaki. Mold for molding optical element：US，5855641 [P]. 1999.

[11] Saito H，Shimizu T，Iwabuchi A. Effects of Co content and WC grain size on wear of WC cemented carbide [J]. Wear(S2078-869X)，2006，261：126–132.

[12] Albert bosch，roger senden,wolf Krause,. Melt spun aluminum for optical moulds [C]// Prozessketten Zur Replikatipon Komplexer Optikkomponenten，bremenn，Germany，Nov 13-14，2008：1037-1045.

[13] Cheung C F，Lee W B. Characterisation of nanosurface generation in single-point diamond turning [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture(S0890-6955)，2001，41(6)：851–875.

The Design of Mold with Simulation for Chalcogenide Glass Precision Molding

WANG Zhibin，LI Junqi，ZHANG Feng，SU Ying，MAI Yuying，XU Xiaolei，GE Yingchun

( Xi’an Institute of Applied Optics, Xi’an 710065, China )

Compared with the manufacturing of the traditional infrared material, such as signal crystal germanium, zinc sulfide, zinc selenide etc, chalcogenide infrared glass is suit for precision molding for the low soften temperature to have large mass industry production. And the mold designing is one of the key technologies of precision glass molding. It takes the way of simulation method to design the mold. The mold processing of a sample chalcogenide glass from the technical drawing, mold design, molding to the lens are introduced. From the result of the precision molding, the technology of finite element simulation is a useful way to guiding the mold design. The molded lens by using mold process fit the design requirement.

chalcogenide infrared glass; finite element simulation; precision molding; mold design

TN219

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.009

2015-07-17；

2015-08-10

國家國際科技合作專項項目資金支持(2013DFA71220)

汪志斌(1986-)，男(漢族)，江西九江人。工程師，碩士，主要研究工作是精密加工。E-mail:wang10310@126.com。