退火工艺过程光学玻璃热力学特性的计算机仿真

　　1　引　　言

　　退火是光学玻璃加工的重要工艺过程,通常是为了消除玻璃中的永久内应力,消除一批玻璃的光学不均匀性和消除一块玻璃各部分的光学不均匀性等。一 块玻璃从成形到最终加工出正式光学元件需要进行多次退火。由于结构形式、尺寸等的变化及加工工艺的不同,退火工艺也作适当调整[1]。镀完增透膜及其他特 殊用途的膜后,可能会在光学玻璃表面形成不均匀应力分布,所以需进一步退火处理。此时该光学玻璃已基本上成为正品,必须对其后续工艺过程严格控制以确保产 品研制万无一失,从而保证其生产周期。

　　本文将探讨用于空间光学遥感器的、已经完成全部切削加工并已镀膜结束的平板窗口玻璃的退火工艺过程中的热问题,主要应用有限元技术[2]考查窗口玻璃在退火过程中的温度场分布及热弹性变形,揭示窗口玻璃的热特性及热力学性能[3-4],为退火工艺提供有关参数。

　　2　退火过程中光学玻璃热力学特性分析流程

　　退火工艺过程中光学玻璃热力学特性的计算机仿真主要分为两大部分:

　　(1)温度场分布计算;

　　(2)热变形与热应力计算。

　　基本计算过程如图1所示。首先按光学窗口玻璃的结构尺寸及实际退火设备的结构建立退火炉及其内部与传热有关的部件的结构有限元模型,拟定加热功 率-时间曲线,与其他热特性参数(传导率、表面红外半球辐射系数、比热容等)输入到模型中,选取瞬态传热模块进行计算,求取各时间点上光学玻璃的温度分 布。将所得温度值作为温度载荷加入到光学玻璃上,再加入光学玻璃在退火过程中的约束等,构成其热力学有限元模型,经线性求解得到其应变、应力。将其结果与 玻璃材料的有关参数及经验数据相比对得出退火工艺的合理性。

　　3　分析计算

　　3.1　原始数据

　　所用平板光学窗口玻璃尺寸为Φ620mm×45mm,其热特性与无色玻璃K9类似,直接采用K9参数进行计算,有关退火炉的结构参数由现场测量 而得,总体尺寸为Φ1300mm×1500mm。所涉及的材料有K108无色玻璃、铝、45#钢、聚四氟乙烯等。其材料属性参数分别来自俄罗斯光学厂家、 中国国标及航空材料手册等。热参数如表1所示。

　　3.2　边界条件与初始条件

　　在构造窗口玻璃及退火炉的热模型及热弹性模型时作了如下假设:

　　(1)退火炉仅考虑其内壁对窗口玻璃的影响,其外层空间由于采用室温循环水冷却,所以假设退火炉内壁温度固定为室温20℃,不再考虑其与外界的热交换。

　　(2)各种材料材质均匀,各向同性且已经过长时间温度均衡处理,并且达到各点温度均为20℃,所以设定模型的初始温度为20℃。