舒 勇，吳海峰，林 聰

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yōu)異的成像質(zhì)量，能有效修正影像色差、畸變，提高系統(tǒng)的識別度，被廣泛應(yīng)用于光電通訊、航空航天以及生物工程等領(lǐng)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(xué)透鏡的需求和成型質(zhì)量不斷提高，而傳統(tǒng)的加工方法（單點金剛石車削、數(shù)控研磨成型等）無法滿足市場需求，精密模壓成型技術(shù)因其低成本、高效率的特點，已成為生產(chǎn)小口徑光學(xué)透鏡發(fā)展前景廣闊的制造方法[2]。模壓成型指先將玻璃預(yù)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(dá)到使用要求的玻璃元件[3]，光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)開創(chuàng)了大批量、高效率制造非球面玻璃透鏡的新時代[4]，已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注。

Yi and Jain[5]考慮玻璃的應(yīng)力松弛和結(jié)構(gòu)松弛特性，通過補(bǔ)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(guī)等[6]研究模壓成型對As2Se3玻璃物理性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)模壓后As2Se3玻璃的密度、硬度和玻璃轉(zhuǎn)變溫度均變小，透過率變大。湖南大學(xué)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(jìn)行了數(shù)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(xué)零件的傳統(tǒng)加工技術(shù)與模壓成型技術(shù)做了對比，并闡述了模壓成型技術(shù)的優(yōu)勢。這些研究均未進(jìn)行優(yōu)化工藝參數(shù)?；诖?，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(jìn)行檢測實驗，分析不同參數(shù)對透鏡成型質(zhì)量的影響，以得到更好的工藝參數(shù)。

1 鏡片設(shè)計和材料特性

成型透鏡設(shè)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(shè)計圖及相應(yīng)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(shè)計

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

玻璃材料采用成都光明光電股份有限公司生產(chǎn)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(fù)消色差能力，能有效改善成像質(zhì)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(xué)性能參數(shù)。

表1 H-ZPK3 及WC 的熱力學(xué)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(jī)床，使用的模具為WC，其性能參數(shù)見表1。實驗采用與仿真時一致的磷酸鹽玻璃H-ZPK3 球形預(yù)形體，預(yù)形體進(jìn)行拋光處理，其直徑為7 mm，具體實驗參數(shù)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(shù)

（1）加熱：將裝有玻璃預(yù)形體的模具放入模造室內(nèi)進(jìn)行加熱，此階段需要通入氮?dú)庖苑乐共ＡШ湍＞弑谎趸?/p>

（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(yù)形體進(jìn)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(xù)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(fā)生二次變形，然后退去保持壓力，進(jìn)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(shè)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(zhì)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(jié)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(yù)形體在模具上完全充模，得到設(shè)計的成型透鏡輪廓。由于玻璃的“熱脹冷縮”以及結(jié)構(gòu)松弛影響，導(dǎo)致成型透鏡體積發(fā)生變化。雖有繼續(xù)施加保持壓力，但其相對位置仍會發(fā)生一定的偏移，與設(shè)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(dá)到模壓溫度的時間越短，玻璃預(yù)形體內(nèi)部可能沒有完全達(dá)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(yù)形體內(nèi)部溫度差也逐漸減小，玻璃預(yù)形體內(nèi)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(qiáng)，玻璃預(yù)形體更容易復(fù)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(guān)。

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(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律。其原因是加壓載荷過小時，在設(shè)定模壓時間內(nèi)玻璃預(yù)形體無法完全復(fù)制模具的形狀，導(dǎo)致輪廓偏移較大。而隨著加壓載荷增大，在模壓時間內(nèi)玻璃預(yù)形體容易復(fù)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(nèi)部重組、釋放應(yīng)力，所以輪廓偏移量會減小。但當(dāng)加壓載荷繼續(xù)增加時，在相同條件下鏡片內(nèi)部釋放的應(yīng)力增加，使得透鏡發(fā)生變形，導(dǎo)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(jié)論

通過對磷酸鹽玻璃H-ZPK3 進(jìn)行模壓成型研究，得到了不同參數(shù)對小口徑非球面磷酸鹽玻璃透鏡成型質(zhì)量的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）加熱速率越小，成型透鏡的輪廓偏移量越??；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(yōu)化工藝參數(shù)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(yīng)力較小，成型精度更高。