小口径非球面透镜模压成形加热和加压参数仿真研究

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1、小口径非球面透镜模压成形加热和加压参数的仿真研究尹韶辉1霍建杰1周天丰2朱科军1王玉方1靳松1余剑武11.湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心微纳制造研究所，长沙4100822.日本东北大学，仙台，日本摘要：建立了非球面透镜模压模型，设置了相应的边界条件，利用有限元仿真软件对小口径非球面透镜模压成形加热﹑加压过程进行了数值计算，得到了模压后玻璃残余应力分布和应变分布，确定了该材质玻璃的最优模压温度和最短加热时间，并得到了模压温度与最大残余应力、加压速率与平均残余应力的关系。关键词：非球面透镜；模压成形；粘弹性；有限元仿真中文分类号：TQ171.5Investigationont

2、heHeatingandPressingParametersofMicroAsphericLensMoldingProcessbySimulationYinShaohui1Huojianjie1Zhoutianfeng2Zhukejun1Wangyufang1Jinsong1Yujianwu11.InstituteofMicro-nanoFabricationofNationalEngineeringResearchCenterforHighEfficiencyGrinding,HunanUniversity,Changsha,4100822.TohokuUniversity,

3、Sendai,JapanAbstract:Inthispaper,amodelofasphericlensmoldingprocesswasestablishedandalltheboundaryconditionswereset.Throughthefiniteelementsoftware,theheatingandpressingprocessesweresimulatedandtheglassresidualstressdistributionandstraindistributionafterpressingprocesswerestudied.Finally,the

4、optimummoldingtemperatureandtheminimumheatingtimefortheD-ZK3glasswerepredicted.Therelationshipbetweenmoldingtemperatureandmaximumresidualstress,moldingvelocityandaverageresidualstresswereallclarified.Keyword:asphericlens;glassmoldingprocess;viscoelasticity;finiteelementmethodsimulation0引言小口径

5、非球面光学玻璃透镜在数码相机﹑照相手机﹑车载摄像装置﹑DVD读取头﹑显微及望远镜头﹑CCD摄像镜头﹑内窥镜等产品中的需求日趋增长。传统的非球面透镜加工技术，主要采用了研磨抛光等加工方法，存在加工周期长﹑加工质量不稳定﹑对工人技术要求高等方面的不足。光学玻璃非球面透镜模压成形技术的普及推广应用是光学行业在光学玻璃零件加工方面的重大革命。玻璃模压成形技术被引入到小口径非球面透镜的加工成形，克服了传统加工方法的不足。目前日美德等已将该技术应用于工业生产，而国内该技术还处于研发阶段。非球面透镜模压成形可以分为四个步骤：加热﹑加压﹑退火﹑冷却脱模[1]，如图（1）所示。（a）加热（b）加

6、压（c）退火（d）冷却脱模图（1）非球面透镜模压成形过程示意图Fig.1Schematicofanasphericlensmoldingprocess收稿日期：修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（50975804）；国家自科基金中澳合作基金项目（50811120105）模具和毛坯外面被封闭的石英玻璃管包围，红外线透过玻璃壁加热模具和玻璃毛坯。在加热阶段，上下模具保持静止，玻璃和模具温度达到预定模压温度且分布均匀后进入加压阶段。在加压阶段上模保持静止，下模以恒定模压速率向上运动，这一阶段继续加热以保持温度恒定，当上下模接触时加压阶段结束。在退火阶段，停止加热，下模保持一恒定

7、模压力使玻璃充满型腔。退火后透镜不能有残余应力，因为玻璃残余应力将造成玻璃折射率不均匀,使成像质量降低[2]。然后冷却到室温，取出成形透镜玻璃。在整个过程中，模压室内充满氮气，防止空气中的氧气氧化模具,同时氮气兼有调控加热﹑冷却速率的作用。目前该技术面临的问题主要有：（1）模压成形加工参数的选择；（2）非球面模具的设计加工；（3）透镜在退火阶段的形状预测；（4）低软化温度玻璃的研发制造。加热﹑加压过程成形参数主要有最优模压温度﹑最短加热时间﹑加压速率等，为了预测最优的成形参数，本文用MSC.