基于錫液介質(zhì)超聲振動(dòng)輔助模壓成形的方法及其專用成形裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微結(jié)構(gòu)薄玻璃元件模壓成形技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用超聲振動(dòng)輔助模壓、高溫錫液輔助加熱、高壓液體輔助模壓成形的方法及生產(chǎn)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]使用模壓成形方法來(lái)制造玻璃元件是一種先進(jìn)制造技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)可提高生產(chǎn)率，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的市場(chǎng)要求。玻璃模壓成形屬于熱成型技術(shù)，即采用高精度模具在高溫?zé)o氧條件下將玻璃預(yù)形體壓制變形，直接復(fù)制模芯形狀的一種高效加工方法。玻璃在模壓成形過(guò)程中玻璃預(yù)形體的充填率、玻璃內(nèi)部的溫度和應(yīng)力分布直接影響到透鏡的成形質(zhì)量。現(xiàn)有的微結(jié)構(gòu)玻璃元件模壓成形技術(shù)，一般是采用模具直接壓制熔融狀態(tài)的玻璃完成充填，冷卻固化后脫模得到透鏡。如日本東京都Η0ΥΑ株式會(huì)社的春日善子、立和名一雄、柳田裕昭發(fā)明的并于2002年10月15日申請(qǐng)中國(guó)專利的“光學(xué)玻璃、模壓成形用玻璃材料、光學(xué)元件及其制造方法”(專利申請(qǐng)?zhí)?200610111058.9，公開(公告)號(hào):CN1931755A，公開(公告)日:2007.03.21)，它是通過(guò)采用成形用玻璃材料加熱、軟化并且模壓成形的玻璃模壓成形品的制造方法，包含使玻璃原材料軟化的工序、使所得到的熔融玻璃成形的工序、以及對(duì)已成形的玻璃進(jìn)行退火的工序；或采用超聲輔助方法來(lái)提高充填率。如湖南大學(xué)的尹韶輝、朱科軍等發(fā)明并于2011年1月19日申請(qǐng)中國(guó)專利“超聲波振動(dòng)輔助精密模壓成形的方法”(專利申請(qǐng)?zhí)?201110021412X，公開(公告)號(hào)-CN102173563A，公開(公告)日:2011.09.07)，它是在玻璃預(yù)形體充填過(guò)程中，通過(guò)直接給上模具(或下模具)施加一定方向、頻率和振幅的可控振動(dòng)，形成超聲波振動(dòng)輔助的超精密模壓成形工藝。
[0003]然而采用包括上述工藝等方法制作微結(jié)構(gòu)薄玻璃元件時(shí)，目前廣泛使用的模壓成形方式一般為下模具(或上模具)的單一直線運(yùn)動(dòng)，由模具直接壓制玻璃預(yù)形體變形而完成充填過(guò)程，玻璃預(yù)形體在模壓成形過(guò)程中難以充滿帶有微結(jié)構(gòu)成形腔的模具，存在充填率低、充填率不一致的問(wèn)題。雖然通過(guò)超聲輔助方法可以提高其充填率，但由于模具直接作用于玻璃預(yù)形體，導(dǎo)致玻璃元件的應(yīng)力集中而分布不均，尤其在模壓薄玻璃元件時(shí)，在退火過(guò)程中成品表面容易出現(xiàn)微裂紋，甚至產(chǎn)生破裂的現(xiàn)象。此外，較大的殘余應(yīng)力導(dǎo)致成形產(chǎn)品久置后易變形，也會(huì)影響其光學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種充填率高、各微結(jié)構(gòu)充填率更均勻且易于控制的基于錫液介質(zhì)超聲振動(dòng)輔助模壓成形的方法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:首先準(zhǔn)備一個(gè)帶加熱裝置的錫液容器，由加熱裝置將錫液容器內(nèi)的錫熔化，然后通過(guò)將玻璃預(yù)形體放置于高溫錫液表面，當(dāng)玻璃預(yù)形體與高溫錫液接觸并被加熱至模壓溫度后，通過(guò)動(dòng)力裝置給錫液容器內(nèi)的錫液以壓力，通過(guò)超聲振動(dòng)裝置給錫液以超聲振動(dòng)，錫液將此壓力或超聲振動(dòng)傳遞給已處于熔融狀態(tài)的玻璃預(yù)形體表面，從而推動(dòng)熔融玻璃均勻充填錫液容器一個(gè)端口上安裝的成形表面設(shè)置為微結(jié)構(gòu)的模具，通過(guò)錫液傳力使每一個(gè)微結(jié)構(gòu)都具有相同壓力而形成更均勻的微結(jié)構(gòu)薄玻璃元件；錫液容器另一個(gè)端口活塞上方安裝有超聲振動(dòng)裝置，啟動(dòng)超聲振動(dòng)裝置可帶動(dòng)活塞振動(dòng)，從而通過(guò)錫液給熔融狀態(tài)的玻璃預(yù)形體施加一定頻率和振幅可控的振動(dòng)，從而推動(dòng)熔融玻璃更好的充填滿微結(jié)構(gòu)成形腔內(nèi)的微結(jié)構(gòu)，充填完后再通過(guò)進(jìn)行保壓處理，從而復(fù)制出模具成形表面設(shè)置的微結(jié)構(gòu)形狀，常規(guī)退火及冷卻處理，待成形薄玻璃元件冷卻凝固后，再開模取出制品即告完成所有工序。
[0006]本發(fā)明的工藝過(guò)程包括加熱、合模、基于錫液介質(zhì)超聲振動(dòng)輔助模壓、保壓及退火、冷卻和取出成形制品五個(gè)工序。
[0007]本發(fā)明在加熱工序中，在錫液容器中充入氮?dú)猓苑乐箍諝庵械难鯕庋趸a液；待錫液容器內(nèi)達(dá)到無(wú)氧環(huán)境后，打開錫液容器的加熱裝置并對(duì)錫液容器進(jìn)行加熱，使金屬錫達(dá)到熔點(diǎn)后在錫液容器內(nèi)熔化成液態(tài)。
[0008]本發(fā)明的在合模工序中，將玻璃預(yù)形體放置處于熔化狀態(tài)的錫液表面，由于玻璃的密度小于錫液，在浮力作用下將玻璃預(yù)形體放置處于錫液表面，當(dāng)玻璃預(yù)形體與高溫錫液接觸并被加熱后，通過(guò)動(dòng)力裝置給錫液容器的錫液以壓力，擠壓錫液容器內(nèi)的錫液至錫液容器安裝模具的端口，排除玻璃預(yù)形體與錫液之間的空氣，并保證熔融狀態(tài)下的玻璃預(yù)形體能鋪滿整個(gè)錫液面形成封閉面；隨后將模具微結(jié)構(gòu)成形腔開口向下并壓緊于錫液容器端口的錫液上方的玻璃預(yù)形體；加熱裝置持續(xù)加熱，當(dāng)微結(jié)構(gòu)成形腔內(nèi)玻璃預(yù)形體的粘度達(dá)到106?108dPa*s時(shí)，停止加熱，并以常規(guī)方法保溫。
[0009]本發(fā)明的在基于錫液介質(zhì)超聲振動(dòng)輔助模壓工序中，當(dāng)玻璃預(yù)形體被均勻加熱至模壓溫度后，所述模壓溫度為使玻璃的粘度值在106?108dPa*s范圍內(nèi)，啟動(dòng)動(dòng)力裝置給錫液容器的錫液以壓力，擠壓錫液容器內(nèi)的錫液以增加錫液的內(nèi)部壓力，同時(shí)啟動(dòng)超聲振動(dòng)裝置，錫液將此壓力和超聲振動(dòng)傳遞給已處于熔融狀態(tài)的玻璃預(yù)形體，從而推動(dòng)熔融狀態(tài)玻璃充填錫液容器一個(gè)端口上安裝的模具上設(shè)置的微結(jié)構(gòu)成形腔，通過(guò)錫液輔助使每一個(gè)微結(jié)構(gòu)成形腔都具有相同壓力和超聲振動(dòng)而形成微結(jié)構(gòu)薄玻璃元件，從而復(fù)制模具表面的微結(jié)構(gòu)形狀；整個(gè)過(guò)程中微結(jié)構(gòu)成形腔表面各個(gè)微結(jié)構(gòu)都受到相等大小的向上壓力。或者先啟動(dòng)動(dòng)力裝置給錫液容器的錫液以壓力，當(dāng)預(yù)形體對(duì)微結(jié)構(gòu)成形腔充填到一定程度后，再啟動(dòng)與活塞連接的超聲振動(dòng)裝置，通過(guò)錫液給熔融狀態(tài)的玻璃預(yù)形體施加一定頻率和振幅可控的振動(dòng)，直至熔融玻璃完全充填滿微結(jié)構(gòu)成形腔。通過(guò)啟動(dòng)超聲振動(dòng)裝置，從而提高其充填率。
[0010]本發(fā)明的在保壓及退火工序中，待玻璃充分充模后，關(guān)閉超聲振動(dòng)裝置，以保持較小保持壓力處于恒定狀態(tài)，以免退火時(shí)玻璃因結(jié)構(gòu)松弛和降溫收縮而產(chǎn)生變形，關(guān)閉加熱裝置，通過(guò)自然散熱，緩慢降低錫液容器內(nèi)錫液、玻璃以及模具的溫度；當(dāng)微結(jié)構(gòu)成形腔內(nèi)玻璃的粘度由106?108dPa*s變?yōu)?013dPa*s時(shí)，完成退火。
[0011]本發(fā)明的在冷卻和取出成品工序中，待模具內(nèi)玻璃的粘度達(dá)到1013dPa *s時(shí)，該玻璃形成成品，撤掉作用于錫液容器內(nèi)的壓力，待微結(jié)構(gòu)成品冷卻至室溫后，將模具從錫液容器端口取下，從其中取出微結(jié)構(gòu)成品；此時(shí)，錫液容器內(nèi)的錫保留在U型槽內(nèi)，在下一模壓成形加熱階段又變成液體，可循環(huán)反復(fù)利用。
[0012]本發(fā)明的另一個(gè)的目是提供一種能通過(guò)基于錫液介質(zhì)超聲振動(dòng)輔助模壓成形的方法來(lái)使微結(jié)構(gòu)成形腔表面各個(gè)微結(jié)構(gòu)在充填過(guò)程中充填率更高且充填更均勻，可用于微結(jié)構(gòu)薄玻璃元件的基于錫液介質(zhì)超聲振動(dòng)輔助模壓成形的裝置。它包括模具1、錫液容器、液壓裝置和超聲振動(dòng)裝置以及動(dòng)力裝置；錫液容器一端為敞口，另一端成密封配合安裝有液壓裝置，且在錫液容器上設(shè)置有加熱裝置7 ;模具1為蓋形結(jié)構(gòu)，錫液容器內(nèi)盛裝錫液6，并在模具1與錫液容器敞口之間放置玻璃預(yù)形體4 ;模具1成密封配合套裝在錫液容器一端的敞