基于模壓成型的磷酸鹽玻璃透鏡成型質量研究

舒 勇，吳海峰，林 聰

（張家界航空工業職業技術學院，湖南 張家界 427099）

0 引言

近年來，小口徑非球面玻璃透鏡因其具有優異的成像質量，能有效修正影像色差、畸變，提高系統的識別度，被廣泛應用于光電通訊、航空航天以及生物工程等領域[1]。在日益精密化、輕量化儀器需求的推動下，對小口徑光學透鏡的需求和成型質量不斷提高，而傳統的加工方法（單點金剛石車削、數控研磨成型等）無法滿足市場需求，精密模壓成型技術因其低成本、高效率的特點，已成為生產小口徑光學透鏡發展前景廣闊的制造方法[2]。模壓成型指先將玻璃預形體放置于高精度的模具中，然后在高溫、模壓力和無氧等的條件下，借助高精度模具直接壓制成型出達到使用要求的玻璃元件[3]，光學玻璃模壓成型技術開創了大批量、高效率制造非球面玻璃透鏡的新時代[4]，已經得到了廣泛關注。

Yi and Jain[5]考慮玻璃的應力松弛和結構松弛特性，通過補償修正后有效減小了形貌偏差，提高了鏡片的成型精度。林常規等[6]研究模壓成型對As2Se3玻璃物理性質的影響，發現模壓后As2Se3玻璃的密度、硬度和玻璃轉變溫度均變小，透過率變大。湖南大學王玉方等[7]利用非線性有限元軟件MSC.Marc 對微小非球面玻璃透鏡模壓成型過程進行了數值模擬，得到了模壓成型過程的模壓速率和模壓溫度的范圍。王麗容[8]將非球面光學零件的傳統加工技術與模壓成型技術做了對比，并闡述了模壓成型技術的優勢。這些研究均未進行優化工藝參數。基于此，本文通過模壓成型實驗得到小口徑非球面磷酸鹽玻璃成型透鏡，然后對透鏡的輪廓偏移量進行檢測實驗，分析不同參數對透鏡成型質量的影響，以得到更好的工藝參數。

1 鏡片設計和材料特性

成型透鏡設計為雙凸面，直徑為10.4 mm，ASP1和ASP2 的有效口徑均為4.5 mm，透鏡中心厚度為3.054 mm，透鏡設計圖及相應尺寸如圖1 所示。透鏡形狀曲線由式（1）確定[5]：

圖1 非球面透鏡設計

其中，R為透鏡的曲率半徑；K 為圓錐常數；A4、A6、A8、A10為非球面透鏡系數。

玻璃材料采用成都光明光電股份有限公司生產的磷酸鹽玻璃，其牌號為H-ZPK3，該玻璃具有良好的消色差和復消色差能力，能有效改善成像質量。成型模具采用碳化鎢（WC）材料制造，表1 給出了HZPK3 和WC 的熱力學性能參數。

表1 H-ZPK3 及WC 的熱力學性能

2 模壓成型實驗和檢測

磷酸鹽玻璃H-ZPK3 的模壓成型實驗采用日本SYS 公司的PFLF7-60A 型模壓機床，使用的模具為WC，其性能參數見表1。實驗采用與仿真時一致的磷酸鹽玻璃H-ZPK3 球形預形體，預形體進行拋光處理，其直徑為7 mm，具體實驗參數見表2。其工藝步驟包括加熱、加壓、退火以及冷卻四個階段。具體工藝如下：

表2 模壓成型仿真工藝參數

（1）加熱：將裝有玻璃預形體的模具放入模造室內進行加熱，此階段需要通入氮氣以防止玻璃和模具被氧化。

（2）加壓：此階段通過在上加熱板施加一個向下的恒定載荷，對玻璃預形體進行模壓。

（3）退火：此階段分為兩次，第一次退火需在上模座上繼續施加一個較小的保持壓力，使組合模具和成型透鏡溫度逐步退至540 ℃左右，以避免成型鏡片發生二次變形，然后退去保持壓力，進行第二次退火，使組合模具和成型透鏡溫度逐步退至510 ℃左右。

（4）冷卻：通過設置的冷卻速率將模具和成型透鏡快速冷卻至25 ℃，然后取出模具中的成型透鏡。

為了驗證磷酸鹽玻璃H-ZPK3 的成型質量，本文采用Taylor Hobson 公司的非球面輪廓測量儀Form Talysurf PGI1240 檢測成型透鏡的輪廓偏移量，成型透鏡ASP1 和ASP2 面的有效檢測半徑均為4.5 mm。

3 結果與分析

非球面磷酸鹽玻璃透鏡在加熱和模壓階段后會使玻璃預形體在模具上完全充模，得到設計的成型透鏡輪廓。由于玻璃的“熱脹冷縮”以及結構松弛影響，導致成型透鏡體積發生變化。雖有繼續施加保持壓力，但其相對位置仍會發生一定的偏移，與設計輪廓存在差值，形成輪廓偏移。

如圖2 所示為不同升溫速率下成型鏡片的輪廓偏移量，由圖可知，隨著升溫速率的減小，成型透鏡的最大輪廓偏移量也隨之降低。其原因是升溫速率越快，玻璃達到模壓溫度的時間越短，玻璃預形體內部可能沒有完全達到模壓溫度，從而形成溫度差；而隨著升溫速率的減小，玻璃預形體內部溫度差也逐漸減小，玻璃預形體內部流動性更好，充型更完整，成型鏡片輪廓偏移量減小。

圖2 不同升溫速率下，鏡片輪廓偏移對比

如圖3 所示，透鏡的輪廓偏移量隨著溫度的增加先減小后增大。其原因是隨著溫度的升高，玻璃的黏度降低，流動性增強，玻璃預形體更容易復制模具形狀。此外，在ASP1 與ASP2 面的輪廓偏移量隨著鏡片距離中心的距離的增大逐漸增加，其原因與玻璃加熱階段存在溫度差、鏡片重力分布以及熱收縮有關。

圖3 不同加熱溫度下，鏡片輪廓偏移對比

如圖4 所示，隨著壓力的增加，透鏡的輪廓偏移量均呈現出先減小后增大的規律。其原因是加壓載荷過小時，在設定模壓時間內玻璃預形體無法完全復制模具的形狀，導致輪廓偏移較大。而隨著加壓載荷增大，在模壓時間內玻璃預形體容易復制模具形狀，與此同時成型鏡片有足夠的時間去完成分子內部重組、釋放應力，所以輪廓偏移量會減小。但當加壓載荷繼續增加時，在相同條件下鏡片內部釋放的應力增加，使得透鏡發生變形，導致輪廓偏移量增大。

圖4 不同加壓載荷下，鏡片輪廓偏移對比

4 結論

通過對磷酸鹽玻璃H-ZPK3 進行模壓成型研究，得到了不同參數對小口徑非球面磷酸鹽玻璃透鏡成型質量的影響，得到了以下結論：

（1）加熱速率越小，成型透鏡的輪廓偏移量越小；隨著加熱溫度和加壓載荷的增加，成型透鏡的輪廓偏移量先減小后增大。

（2）磷酸鹽玻璃透鏡優化工藝參數為：加熱速率為0.75 ℃/s，加熱溫度為560 ℃，加壓載荷為1.1 MPa，由此工藝制備的磷酸鹽玻璃透鏡的殘余應力較小，成型精度更高。