注射壓縮成型技術在塑料光學透鏡生產中的應用

陳燕春 何文翰 區仲榮

(①廣東機電職業技術學院，廣東廣州510515;②廣州鐳迪機電有限公司，廣東廣州511430)

隨著信息及多媒體技術的迅速發展，用于相機、CD、VCD、DVD、MD及 MO等的光學讀取頭(Pickup lens)——塑料光學透鏡的需求量非常大。但調研資料表明:要對高精度塑料光學透鏡進行產品化時，難度差異很大。目前國內技術水平停留在生產如玩具照相機、玩具望遠鏡、低檔傻瓜相機鏡頭等一些低附加值的塑料光學透鏡的基礎上。一些高附加值的塑料光學透鏡，像數碼相機、VCD、DVD中激光頭的Pickup lens由于涉及高精成型技術難題，國內很少廠家能夠掌握，都是以進口零部件，在國內組裝為多。因此，我國的高精度塑料光學透鏡注塑模具制造業的設計、制造還處于起步階段。

高精度的塑料光學透鏡對制品的透光率、光軸同軸度、面形精度和折射率要求非常高。但在透鏡的注塑過程中，由于塑料收縮率的存在，通常會引起制品面形收縮，產生內應力，達不到尺寸精度和使用要求。為了獲得符合使用要求的高精度光學制品，人們發明了注射壓縮成型技術，可以生產面型精度差小于λ/20甚至λ/40的塑料透鏡，滿足光學透鏡要求。但由于國外技術封鎖和國內企業視之為技術秘密，國內很多文獻和書籍都只是原理性介紹該技術，關于其具體的模具結構設計目前少有報道和發表。為此，本文研究和開發了用于生產高精度塑料光學透鏡的注射壓縮的結構，并做相關實驗考察該結構是否能夠達到設計和制造的要求以及滿足實際生產需要。

1 傳統的注射成型技術

傳統注塑模具中，模芯、鑲套都固定在模板上，并選擇動、定模的接合面作為分型面，如圖1所示。一般情況下，在光學塑料流體完全填滿型腔后，需要對成型中的塑料進行保壓，以求減小塑料冷卻收縮的影響。但由于澆口尺寸較小，澆口位置的塑料要比流道與型腔內的塑料較快凝固，壓力不能傳遞到型腔，因此傳統注塑技術所注塑出來的透鏡面形精度通常達不到要求，而且會由于塑料收縮而產生內應力。另一方面，分型面的間隙如果控制得不好，會引起許多如飛邊、填充不滿、焦燒、氣痕和銀紋等問題。

2 注射壓縮成型技術原理

注射壓縮成型技術又稱為兩步成型法，是一個較為特殊的保壓控制成型法。在合模過程中，動靜模留有一定的空隙，間隙的大小視注射件而變化，從1 mm到20 mm不等。此時將一定體積的光學塑料完全注入型腔后，型腔內充滿的塑料由于冷卻而產生體積收縮，然后閉緊模具，從外部加一個強制的力使模具的尺寸變小，而使收縮的部分得到補償，從而得到所要求的尺寸和精度。注射壓縮成型法的關鍵技術是模具結構設計和溫度、壓力的控制。該技術按壓縮形式分為兩種方法:全面收縮法和模芯收縮法，如圖2所示［1］。

注射壓縮成型技術包括全面壓縮成型技術和模芯壓縮成型技術。相對來說，模芯壓縮法比全面壓縮法更有利于保壓的壓力控制與型腔內殘余氣體的排出，因此本文選擇了模芯壓縮成型技術。在模芯壓縮機構的設計上，要解決的主要問題是如何實現型腔的壓縮和型腔內殘余氣體的排出。

3 模芯壓縮機構的設計與實驗

3.1 模芯壓縮機構設計

本文所采用的模芯壓縮機構如圖3所示。

在生產過程中，光學塑料填滿型腔后的一段時間內，注塑機對動模模芯的壓力從零增加到預定值。這一過程中，型腔內的塑料受壓而產生逆流，但此時澆口處的塑料由于尺寸較小已經成凝固態，這對型腔內的光學塑料的保壓和成型十分有利，光學塑料能更貼緊型腔，有利于提高制品的面形精度，同時也減小因塑料收縮引起的內應力，降低制品的雙折射。

為了考察采用模芯壓縮成形技術后，制品的面形精度、內應力和表面品質是否得到改善，我們分別用傳統注塑技術的模具和采用了模芯壓縮成型技術的模具分別進行注塑以做對比。

3.2 實驗

實驗1:考察采用模芯壓縮成型技術前后的面形精度。在接觸式粗糙度儀上測量分別采用這兩種技術的模具所注塑制品的面形輪廓可以看出，傳統注塑技術所注塑制品的實際面形與理想面形相差0.013 mm，而采用模芯壓縮成型技術所注塑出來的制品實際面形與理想面形則相差0.002 mm，透鏡制品的面形精度明顯提高，是前者的15.4%。

實際生產中，首先在理論上根據制品的收縮率來計算型腔尺寸［2，3］，此外還普遍采用成型后測量變形的補償方法來提高透鏡的面形精度。本文也通過修改型腔的尺寸、試模、再修改型腔尺寸和再試模等多次重復修改，以進一步提高透鏡的面形精度。通過采用模芯壓縮技術和反復修改型腔，能使透鏡制品的面形精度達到光學設計的要求。

采用模芯壓縮技術后，不僅可以提高制品的面形精度，也可以減小制品的內應力，從而降低雙折射，提高光學透鏡的成像質量。下面將通過實驗來說明。

實驗2:考察采用模芯壓縮成型技術前后的內應力。本文分別使用了傳統注塑技術與模芯壓縮成型法，且在其最佳的工藝參數下注塑透鏡，并在偏光片下檢測其內應力，如圖4所示。圖4a中，采用了傳統注塑技術的透鏡，其中部(較黑處)的內應力小，而發亮部分則內應力大，且有的部位略呈彩色(內應力集中更為嚴重，把白光分解)，嚴重影響了成像質量和信息密度，因此不能用于對非球面透鏡有高精度要求的光學系統中。而圖4b中采用模芯壓縮成型技術注塑的透鏡的內應力很小，幾乎沒有，而且分布均勻，說明模芯壓縮成型技術能大大減小透鏡的內應力。

另一方面，光學塑料制品的分型面一般選擇在動模板和定模板的接合面，如圖2所示。在光學塑料流體填充型腔時，型腔內的氣體將通過分型面的間隙排出。如果間隙太大，則容易產生飛邊等不良影響;間隙太小則往往造成制品燒傷、填充不滿等現象。而本文所采用的“無間隙滾動導向機構”能夠解決這個問題。在模具設計與制造中，動模模芯5與動模鑲套之間采用了間隙配合，如圖3。在注塑時，型腔內殘余氣體可同時通過該間隙和分型面的間隙排出型腔。由于設計的間隙小于光學塑料的溢邊值，而且增加了排氣通道，不會造成飛邊或填充不滿等現象。而且，排氣方式不同也會對制品的質量產生影響。以下本文通過實驗來考察采用該機構前后的排氣效果。

實驗3:考察采用模芯壓縮成型技術前后的排氣效果。為了方便考察傳統注塑技術與模芯壓縮成型技術的排氣性能，實驗中控制進入型腔的塑料量約為型腔體積的一半，觀察其注射成型的過程。圖5a是采用傳統注塑技術的制品，從圖中看到，塑料從透鏡兩邊的邊緣填充型腔，如果實際生產中光學塑料全部填滿型腔，其制品會產生熔接線，熔接線的位置不僅影響外觀質量，而且是應力集中之處，在使用過程中，很容易發生應力開裂，對于成型質量影響很大［4］;而圖5b采用了模芯壓縮成型技術注塑，光學塑料則會均勻地填充型腔，從其注塑效果看，模芯壓縮成型技術注塑使以往成型技術無法制造的超薄型透鏡的成型成為可能。另外，采用模芯壓縮成型技術后，制品很少產生飛邊、燒傷和填充不足等不良現象，提高了產品質量和成品率。

4 結語

高精度塑料光學透鏡的模具技術已經成為我國在光學產品領域研發、生產和發展的核心問題之一。本文從滿足光學塑料透鏡使用要求的角度出發，實驗研究與探討了高精度塑料光學透鏡分別采用傳統注塑技術和模芯壓縮技術制造的光學透鏡的面形精度、內應力和排氣性能。實驗證明:采用本文所設計的模芯壓縮機構后，不僅提高了光學透鏡的面形精度，減小了透鏡的內應力，而且排氣的效率得到較大的改善，從而降低了雙折射，消除制品飛邊、燒傷和填充不足等不良現象，提高了透鏡的成品率和成像質量。本文希望通過該模芯壓縮機構的研發對國內高精度的塑料光學透鏡的生產技術有所推動。

1 費春紅，張長春，李達等.塑料光學制件精密成型技術的現狀［J］.橡塑技術與裝備，2004，30(11):11 ～16

2 鄭清娟.基于注塑制品收縮率預測的模具型腔尺寸生成方法研究［D］:［學位論文］.大連:大連理工大學，2003.

3 張雪玲.成型工藝對注塑件品質的影響［D］:［學位論文］.鄭州:鄭州大學，2006.

4 王利霞，王蓓，申長雨.工藝參數對注塑制品質量的影響研究［J］.鄭州工業大學學報(工學版)，2003，24(3):62～66