發(fā)布時間：2017-04-08 10:19

  本文關鍵詞：精密玻璃透鏡熱壓成型技術中的關鍵問題研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：精密玻璃熱壓成型技術是一門新興的快速有效加工光學器件的凈成形工藝。在該工藝過程中,首先將經(jīng)過拋光處理的玻璃毛坯加熱到轉(zhuǎn)化點溫度之上合適的溫度區(qū)間內(nèi),通過閉合上下模具,將精密模具的形貌復制到軟化的玻璃上,然后冷卻至室溫,直接得到成型的透鏡,無需再經(jīng)過后續(xù)處理。該技術適合加工各種光學器件,尤其是非球面透鏡、微透鏡陣列和衍射光學器件等,具有高效率、低成本、適合批量生產(chǎn)和對環(huán)境友好等優(yōu)點,引起了工業(yè)界和學術界廣泛的關注和研究興趣。但是由于冷卻過程中透鏡的收縮和內(nèi)部溫度場分布不均等原因,成型透鏡會存在形貌偏差、殘余應力和折射率變化等問題,影響透鏡的光學質(zhì)量。因此需要深入分析工藝參數(shù)對成型透鏡質(zhì)量的影響,改善透鏡質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率。鑒于近些年來玻璃材料、模具材料、鍍層材料等發(fā)展的多樣性,本文分別以常規(guī)的光學玻璃(如G-11、BK7)和紅外低熔點玻璃(如As2S3),碳化鎢模具和硅模具,不同模具鍍層(如石墨烯)等為研究對象,展開了熱壓成型工藝過程仿真,成型透鏡形貌偏差分析,模具和玻璃摩擦系數(shù)測量以及應力松弛模型參數(shù)測量等關鍵問題的研究,旨在為精密玻璃透鏡熱壓成型研究提供科學可靠的參考。為了預測成型透鏡的質(zhì)量,以G-11玻璃為材料,全面考慮了玻璃黏彈性材料的應力松弛和結(jié)構(gòu)松弛特性,對平面凸透鏡的完整熱壓過程進行了有限元仿真,得到了熱壓階段玻璃透鏡的流動變形過程、冷卻階段透鏡內(nèi)部的溫度場分布和應力分布,以及最終的形貌偏差。并且通過將透鏡的形貌偏差曲線作為模具設計階段的修正量,對模具進行兩次迭代補償,重復上述有限元分析過程,將透鏡的形貌偏差最大值從10μm降到了0.035μm,達到了高精度光學設計的要求。在研究透鏡形貌偏差的工藝參數(shù)敏感性過程中,首先分析了透鏡形貌偏差、模具形貌偏差以及它們之間的間隙,這三個變量之間的數(shù)量關系,得到了這些變量在冷卻過程中隨時間變化的規(guī)律曲線。最后研究了冷卻過程中的工藝參數(shù),如模具的熱膨脹系數(shù)、脫模溫度、冷卻速率和保持力大小,對透鏡形貌偏差的影響,優(yōu)化工藝參數(shù)的選擇,達到了改善成型透鏡質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的目的。為了測量鍍石墨烯的硅模具與BK7玻璃在熱壓溫度范圍內(nèi)的摩擦系數(shù),開展了不同溫度下的圓柱壓縮實驗。首先利用經(jīng)驗公式得到了初步計算結(jié)果,然后通過有限元分析得到在不同摩擦系數(shù)下圓柱玻璃的高度變化曲線和最終的形狀尺寸,與實驗結(jié)果進行對比,得到了最匹配的摩擦系數(shù)結(jié)果。不同的計算結(jié)果都表明,在660℃-700℃溫度區(qū)間內(nèi),它們之間的摩擦系數(shù)在0.20-0.25范圍內(nèi)。本文最后通過開展硫化砷圓柱玻璃樣品在三種不同溫度下的壓縮蠕變實驗,得到蠕變?nèi)岫群瘮?shù),并修正補償摩擦行為對計算結(jié)果的影響,分析推導了硫化砷玻璃在轉(zhuǎn)化區(qū)間內(nèi)的應力松弛特性參數(shù)。將計算得到的應力松弛特性參數(shù),代入蠕變實驗的有限元模型,預測圓柱樣品的高度變化,與實驗結(jié)果十分吻合。并利用Tool-Narayanaswamy-Moynihan結(jié)構(gòu)松弛模型計算了其在不同冷卻速率下的折射率變化,這些計算結(jié)果為其在熱壓成型中的應用提供基本的黏彈性數(shù)據(jù)參考。
【關鍵詞】：玻璃熱壓成型 有限元分析 殘余應力 形貌偏差 折射率下降 應力松弛 結(jié)構(gòu)松弛 硫化砷 摩擦系數(shù)
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ171.63
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-17
• 第1章 緒論17-33
• 1.1 研究背景和意義17-21
• 1.1.1 光學加工方法17-19
• 1.1.2 光學透鏡材料19-20
• 1.1.3 精密玻璃透鏡熱壓成型技術20-21
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀文獻調(diào)研21-30
• 1.2.1 熱壓成型技術在光學加工中的應用22-24
• 1.2.2 熱壓成型過程仿真研究24-27
• 1.2.3 熱壓成型透鏡質(zhì)量研究27-29
• 1.2.4 熱壓成型模具鍍膜研究29-30
• 1.3 本文研究內(nèi)容和章節(jié)安排30-33
• 第2章 玻璃材料的黏彈性模型33-43
• 2.1 玻璃材料的黏度33-35
• 2.2 應力松弛模型35-39
• 2.3 結(jié)構(gòu)松弛特性39-43
• 第3章 玻璃透鏡熱壓成型過程仿真43-65
• 3.1 引言43-46
• 3.2 圓柱玻璃透鏡的熱壓過程仿真46-51
• 3.2.1 圓柱透鏡熱壓過程的有限元模型47-48
• 3.2.2 熱壓階段的工藝參數(shù)研究48-51
• 3.3 平面凸透鏡熱壓過程的有限元仿真51-64
• 3.3.1 模具和玻璃的材料模型52-53
• 3.3.2 熱壓過程的載荷和邊界條件53-55
• 3.3.3 仿真結(jié)果和討論55-64
• 3.4 總結(jié)64-65
• 第4章 冷卻過程中工藝參數(shù)對透鏡形貌偏差的影響65-79
• 4.1 引言65-67
• 4.2 透鏡形貌偏差的討論67-72
• 4.2.1 透鏡形貌偏差曲線的變化規(guī)律69-71
• 4.2.2 接觸導熱問題討論71-72
• 4.3 透鏡形貌偏差的工藝參數(shù)敏感性研免72-78
• 4.3.1 模具的熱膨脹系數(shù)73
• 4.3.2 保持力大小73-75
• 4.3.3 脫模溫度75-76
• 4.3.4 冷卻速率76-78
• 4.4 結(jié)論78-79
• 第5章 模具和玻璃之間摩擦系數(shù)的測量與仿真計算79-99
• 5.1 引言79-84
• 5.1.1 摩擦系數(shù)測量方法80-82
• 5.1.2 摩擦模型82-84
• 5.2 圓柱壓縮實驗部分84-88
• 5.3 熱壓過程的有限元分析88-90
• 5.4 實驗和仿真結(jié)果90-94
• 5.4.1 圓柱壓縮實驗結(jié)果90-92
• 5.4.2 圓柱壓縮實驗的有限元分析92-94
• 5.5 確定摩擦系數(shù)大小94-98
• 5.5.1 軸向位移法94-96
• 5.5.2 摩擦系數(shù)標準曲線法96-98
• 5.6 總結(jié)98-99
• 第6章 紅外硫化砷玻璃的應力松弛和折射率下降99-123
• 6.1 引言99-102
• 6.2 確定As_2S_3的應力松弛函數(shù)102-106
• 6.2.1 方法理論分析102-103
• 6.2.2 蠕變實驗103-106
• 6.3 計算結(jié)果和討論106-115
• 6.3.1 計算蠕變?nèi)岫群瘮?shù)106-109
• 6.3.2 應力松弛函數(shù)計算109-111
• 6.3.3 驗證計算得到的應力松弛參數(shù)準確性111-115
• 6.4 硫化砷玻璃的折射率下降問題研究115-121
• 6.4.1 硫化砷玻璃的結(jié)構(gòu)松弛參數(shù)115-117
• 6.4.2 折射率下降計算117-121
• 6.5 總結(jié)121-123
• 第7章 總結(jié)和展望123-127
• 7.1 論文工作總結(jié)123-124
• 7.2 本文的創(chuàng)新點124-125
• 7.3 后續(xù)工作展望125-127
• 參考文獻127-133
• 在讀期間發(fā)表的學術論文133-135
• 致謝135-136

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本文編號：292668