微小非球面玻璃透镜超精密模压成型数值模拟

　　0　引言

　　随着市场对低成本、高准确度的微小非球面光学玻璃透镜需求量的急剧增长,传统的加工方法已经不能适应市场的需要.采用模压成型的方法大批量生产微小非球面玻璃透镜是一种发展前景广阔的制造方法[1].与传统的加工方法相比,能大幅度的降低生产成本,特别适合大批量生产.采用玻璃模压成型工艺与传统的去除材料的透镜加工工艺相比,大大提高了加工质量的稳定性,降低了生产成本.但是,将这项技术应用于大规模玻璃透镜模压成型的生产仍有很多技术方面的困难.目前还没有完全掌握玻璃-模具之间的热传导规律和高温时玻璃的热力学性能.这些技术方面的问题可以归纳为三点:1)模压成型加工参量的选择和优化;2)模具非球面形状的预测和设计; 3)透镜在退火过程中的热收缩变形规律.在这三点中,必须首先解决模压成型过程中加工参量的选择和优化这个问题.

　　近年来,随着数值仿真能力和计算机技术的进步,可以利用有限元软件,采用有限元法(FiniteElement Method, FEM)来模拟和检查玻璃透镜模压过程中那些在实际试验中很难或者不可能测量的加工参量.更深入地了解整个模压过程进行成型性能预测,有限元法可以解决模压过程中的一些技术难题.本文采用MSC.Marc有限元分析软件[2],对微小非球面玻璃透镜的模压过程进行了模拟分析,得出了最优的加工参量.通过模拟分析得出的热应力和模压之后的应力、应变的分布情况,也对提高模具的使用寿命有一定的帮助.

　　1　模压成型加工方法

　　1.1　模压成型的基本过程

　　典型的非球面光学玻璃透镜的模型成型过程可以分为:加热、加压、退火、冷却并脱模四个过程(如图1).首先,通过模压成型机(如图2)上的红外线加热装置,将玻璃毛坯和模具一起加热到玻璃的模压温度,紧接着模压成型机的上下模具合模,加热后的玻璃毛坯被压缩并复制了模具模腔的形状,然后保存压力一定的时间,以一定的冷却速率进行退火,最后,成型的玻璃透镜被迅速的冷却到环境温度并脱模,完成模压.在整个模压成型加工过程中,氮气被充入到模压机中,用来保护透镜和模具.

　　1.2　粘弹性理论

　　材料的粘弹性特性是材料对于应力和应变随着时间变化的响应.玻璃属于粘弹性材料.在模压温度范围内,玻璃的变形属于粘弹性变形.在恒定的应力下,玻璃的应变由瞬时应变(弹性应变)和时变应变(粘性应变)组成.玻璃这种在恒定应力作用下的时变变形称为蠕变现象;相反,保持恒定的应变不变,应力会随时间而发生松弛现象,这种现象被称为应力松弛.蠕变和应力松弛分别是玻璃在模压成型过程中压缩阶段和退火阶段两种主要的变形特征.