14光學(xué)玻璃的成形設(shè)備解析

第十四章光學(xué)玻璃生產(chǎn)

及加工設(shè)備主講：郭宏偉

陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院最初用于制造鏡頭的玻璃，就是普通窗戶玻璃或酒瓶上的疙瘩，形狀類似“冠”，皇冠玻璃或冕牌玻璃的名稱由此而來。那時(shí)候的玻璃極不均勻，多泡沫。除了冕牌玻璃外還有另一種含鉛量較多的燧石玻璃。1790年左右法國(guó)人皮而·路易·均納德發(fā)現(xiàn)攪拌玻璃可以制造質(zhì)地均勻的玻璃。1884年卡爾·蔡斯廠的恩斯特·阿貝和奧托?肖特（OttoSchott）在耶拿創(chuàng)建肖特玻璃廠（SchottGlaswerkeAG），在幾年內(nèi)研制了幾十種光學(xué)玻璃，其中以高折射率的鋇質(zhì)冕牌玻璃的發(fā)明為肖特玻璃廠的重要成就。光學(xué)玻璃是用高純度硅、硼、鈉、鉀、鋅、鉛、鎂、鈣、鋇等的氧化物按特定配方混合,在白金坩堝中高溫融化,用超聲波攪拌均勻,去氣泡；然后經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間緩慢地降溫，以免玻璃塊產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。冷卻后的玻璃塊，必須經(jīng)過光學(xué)儀器測(cè)量，檢驗(yàn)純度、透明度、均勻度、折射率和色散率是否合規(guī)格。合格的玻璃塊經(jīng)過加熱鍛壓，成光學(xué)透鏡毛胚。1光學(xué)玻璃概述

光學(xué)玻璃opticalglass通過折射、反射、透過方式傳遞光線或通過吸收改變光的強(qiáng)度或光譜分布的一種無機(jī)玻璃態(tài)材料。具有穩(wěn)定的光學(xué)性質(zhì)和高度光學(xué)均勻性。按光學(xué)特性分為：

①無色光學(xué)玻璃。對(duì)光學(xué)常數(shù)有特定要求，具有可見區(qū)高透過、無選擇吸收著色等特點(diǎn)。按阿貝數(shù)大小分為冕類和火石類玻璃，各類又按折射率高低分為若干種，并按折射率大小依次排列。多用作望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照相機(jī)等的透鏡、棱鏡、反射鏡等。光學(xué)玻璃照片②防輻照光學(xué)玻璃。對(duì)高能輻照有較大的吸收能力，有高鉛玻璃和CaO-B2O3系統(tǒng)玻璃，前者可防止γ射線和X射線輻照，后者可吸收慢中子和熱中子，主要用于核工業(yè)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等作為屏蔽和窺視窗口材料。③耐輻照光學(xué)玻璃。在一定的γ射線、X射線輻照下，可見區(qū)透過率變化較少，品種和牌號(hào)與無色光學(xué)玻璃相同，用于制造高能輻照下的光學(xué)儀器和窺視窗口。④有色光學(xué)玻璃。又稱濾光玻璃。對(duì)紫外、可見、紅外區(qū)特定波長(zhǎng)有選擇吸收和透過性能，按光譜特性分為選擇性吸收型、截止型和中性灰3類；按著色機(jī)理分為離子著色、金屬膠體著色和硫硒化物著色3類，主要用于制造濾光器。⑤紫外和紅外光學(xué)玻璃。在紫外或紅外波段具有特定的光學(xué)常數(shù)和高透過率，用作紫外、紅外光學(xué)儀器或用作窗口材料。⑥光學(xué)石英玻璃。以二氧化硅為主要成分，具有耐高溫、膨脹系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能好等特點(diǎn)，用于制造對(duì)各種波段透過有特殊要求的棱鏡、透鏡、窗口和反射鏡等。此外，還有用于大規(guī)模集成電路制造的光掩膜板、液晶顯示器面板、影像光盤盤基薄板玻璃；光沿著磁力線方向通過玻璃時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的磁光玻璃；光按一定方向通過傳輸超聲波的玻璃時(shí)，發(fā)生光的衍射、反射、匯聚或光頻移的聲光玻璃等。照片來自成都208所光學(xué)玻璃照片

高精度壓制成形工藝及設(shè)備鏡片生產(chǎn)一直是壓制后研磨拋光，再成形。以下為其三種方法：粘土坩堝（不連續(xù)生產(chǎn)）（玻璃塊工藝）白金坩堝（不連續(xù)生產(chǎn)）（鑄造工藝）白金熔窯連熔線成形為窄條狀直接壓制制坩堝120天坩堝預(yù)熱5天燒成1天熔融1天冷卻7天破碎1天熔融0.5天冷卻7天切斷0.5天研磨3天熔融成型1天退火

（無研磨）熔融(無研磨）

2天

壓制退火粘土坩堝（不連續(xù)生產(chǎn)）（玻璃塊工藝）白金坩堝（不連續(xù)生產(chǎn)）（鑄造工藝）白金熔窯連熔線

成形為窄條狀

直接壓制

選塊3天成型5天研磨3天材料檢查1天切斷1天壓制退火21天制品檢驗(yàn)1天總天數(shù)170天玻璃利用率40%

材料檢查1天切斷1天壓制退火21天制品檢驗(yàn)1天總天數(shù)34天玻璃利用率70%

材料檢查1天切斷1天壓制退火21天制品檢驗(yàn)1天總天數(shù)25天玻璃利用率90%

制品檢驗(yàn)1天生產(chǎn)天數(shù)3天玻璃利用率90%

光學(xué)玻璃的成形設(shè)備

直接壓制：玻璃利用率，40%～90%，成本↓↓。生產(chǎn)天數(shù)，170天→3天，生產(chǎn)效率↑↑。光學(xué)玻璃折射率的均質(zhì)度為10-6級(jí)（偏差值）。一般白金坩堝連續(xù)熔融線可達(dá)10-4級(jí)，直接壓制達(dá)10-6級(jí)。前二者工藝均有研磨，而后兩者無研磨，高精度壓制。

研磨冷加工：玻璃熔融→坯體成形→退火→第一面粗加工→第二面粗加工→洗凈→固定于胎具上→第一面精磨→第一面細(xì)磨→拋光→洗凈→固定于胎具上→第二面精磨→第二面細(xì)磨→拋光→洗凈→取出→洗凈→鍍膜模壓成形：玻璃熔融→料滴（塊）→加熱成形→退火→洗凈→鍍膜↑成型模制備三直：直接電熔化直接壓型直接精密退火方法

粘度/泊

模具溫度/℃

時(shí)間/s

壓力/MPa

abc

直接壓制二次壓制高精度壓制

102～103105108～1012

300～400300～400500～6502～34～5＞200.150.38a法玻璃溫度1000～1200℃，模具300～400℃，壓制中玻璃外表面300～400℃，而內(nèi)部1000℃，壓制后因冷卻收縮變形。高精度壓制原理：一般玻璃鏡頭形狀精度為1/10mm，金屬材料達(dá)1/100mm。

“盡可能降低料塊溫度同時(shí)盡可能提高模具的溫度”，可提高玻璃鏡頭壓制精度。①

玻璃與模具溫度一致；②

108～1012泊粘度范圍內(nèi)高壓壓制；③

20s以上時(shí)間的壓制。上述可保證玻璃溫度一致,且無收縮變形。精密壓制技術(shù)是多學(xué)科的復(fù)合技術(shù)，一般有如下幾個(gè)方面：新型模具材料；超精密模具加工技術(shù)；適宜精密壓制工藝的玻璃；預(yù)成形技術(shù)；精密成形(模具結(jié)構(gòu)、壓機(jī)、壓制工藝條件)；非球面形狀的檢測(cè)技術(shù)；非球面鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)。照片來自成都208所玻璃的雛形制備應(yīng)滿足如下條件：在等溫壓制之前應(yīng)具備平滑清潔表面；具備適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?與壓制模具內(nèi)腔形狀接近的形狀)；具有適宜的體積。這此雛形可以是球狀、半球狀、圓片狀等形狀，冷硬時(shí)經(jīng)過研磨或者在熱態(tài)下成形均可。模具材料與模具加工要求模具材料無氣孔可以研磨出平滑的光學(xué)鏡面；高溫下耐氧化而且其材料結(jié)構(gòu)不變化可以保持表面的原狀態(tài)；與玻璃不粘連、不反應(yīng)、脫模性好；在高溫保持高強(qiáng)度、高硬度。模具材料一般采用超硬合金作為模具材料，在與玻璃接觸的表面鍍覆一層或幾層陶瓷材料膜。其材質(zhì)各公司不盡相同。模具的加工采用高剛性、高于0.01分辨率的精密加工機(jī)床(專用的非球面加工)。其加工的過程如圖8－15所示。合金模具采用金剛石磨輪研磨，待研磨加工完成后鍍上陶瓷膜。圖8－16為鍍膜后的精磨加工過程。照片來自成都208所精密模具壓制玻璃設(shè)備對(duì)模具的均勻加熱為設(shè)備的重要性能。利用紅外燈加熱可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，而且可以對(duì)大直徑的合全模具均勻加熱；對(duì)應(yīng)玻璃的種類不同設(shè)備的最高加熱溫度應(yīng)不低于800℃；通入N2氣流量應(yīng)可以調(diào)節(jié)，從而對(duì)冷卻速度加以控制。退火工藝及設(shè)備精密退火消除應(yīng)力，達(dá)到光學(xué)均勻性。尺寸確定。照片來自成都208所光學(xué)玻璃精密退火爐應(yīng)具備的特點(diǎn)1.爐內(nèi)溫度分布的高度均勻性。對(duì)于尺寸為150mm以下的一般玻璃毛坯的退火，退火爐內(nèi)溫度差不應(yīng)超多1～5℃。2.爐溫控制的高度穩(wěn)定性及降溫的直線性。3.爐內(nèi)溫度分布的對(duì)稱性和中心與邊緣部分的溫度差的減小。降溫過程中沿直徑方向存在的溫差，使降溫后的玻璃產(chǎn)生殘余徑向應(yīng)力及殘余切向應(yīng)力，使邊緣部分的應(yīng)力增大而出現(xiàn)邊緣效應(yīng)。

大塊玻璃毛坯邊緣應(yīng)力的大小及其分布的對(duì)稱性是衡量玻璃退火質(zhì)量的主要標(biāo)志之一。光學(xué)玻璃精密退火爐所用爐窯一般為絕熱良