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，就是一般窗戶玻璃或酒瓶上的疙瘩，外形類似“冠”，皇冠玻璃或冕牌玻璃的名稱由此而來。那時候的玻璃極不均勻，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年左右法國人皮而·路易·均納德覺察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)立肖特玻璃廠〔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)冕牌玻璃的制造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,在白金坩堝中高溫溶化,用超聲波攪拌均勻,去氣泡；然后經(jīng)長時間緩慢地降溫，以免玻璃塊產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。冷卻后的玻璃塊，必需經(jīng)過光學(xué)儀器測量，檢驗純度、透亮度、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取轉(zhuǎn)變光的強度或光譜分布的一種無機玻璃態(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。對光學(xué)常數(shù)有特定要求，具有可見區(qū)高透過、無選擇吸取著色等特點。按阿貝數(shù)大小分為冕類和火石類玻璃，各類又按折射率凹凸分為假設(shè)干種，并按折射率大小依次排列。多用作望遠鏡、顯微鏡、照相機等的透鏡、棱鏡、反射鏡等。光學(xué)玻璃照片②防輻照光學(xué)玻璃。對高能輻照有較大的吸取力氣，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，后者可吸取慢中子和熱中子，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。在確定的γ射線、X射線輻照下，可見區(qū)透過率變化較少，品種和牌號與無色光學(xué)玻璃一樣，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。對紫外、可見、紅外區(qū)特定波長有選擇吸取和透過性能，按光譜特性分為選擇性吸取型、截止型和中性灰3類；按著色機理分為離子著色、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、機械強度高、化學(xué)性能好等特點，用于制造對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偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的磁光玻璃；光按確定方向通過傳輸超聲波的玻璃時，發(fā)生光的衍射、反射、會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)始終是壓制后研磨拋光，再成形。以下為其三種方法：光學(xué)玻璃的成形設(shè)備直接壓制：玻璃利用率，40%～90%，本錢↓↓。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〔偏差值〕。一般白金坩堝連續(xù)熔融線可達10-4級，直接壓制達10-6級。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→其次面粗加工→洗凈→固定于胎具上→第一面精磨→第一面細磨→拋光→洗凈→固定于胎具上→其次面精磨→其次面細磨→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周密退火a法玻璃溫度1000～1200℃，模具300～400℃，壓制中玻璃外外表300～400℃，而內(nèi)部1000℃，壓制后因冷卻收縮變形。高精度壓制原理：一般玻璃鏡頭外形精度為1/10mm，金屬材料達1/100mm?！氨M可能降低料塊溫度同時盡可能提高模具的溫度”，可提高玻璃鏡頭壓制精度。①

玻璃與模具溫度全都；②

108～1012泊粘度范圍內(nèi)高壓壓制；③

20s以上時間的壓制。上述可保證玻璃溫度全都,且無收縮變形。周密壓制技術(shù)是多學(xué)科的復(fù)合技術(shù)，一般有如下幾個方面：新型模具材料；超周密模具加工技術(shù)；適宜周密壓制工藝的玻璃；預(yù)成形技術(shù)；周密成形(模具構(gòu)造、壓機、壓制工藝條件)；非球面外形的檢測技術(shù)；非球面鏡頭的光學(xué)設(shè)計。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)具備平滑清潔外表；具備適當?shù)膸缀瓮庑?與壓制模具內(nèi)腔外形接近的外形)；具有適宜的體積。這此雛形可以是球狀、半球狀、圓片狀等外形，冷硬時經(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構(gòu)造不變化可以保持外表的原狀態(tài)；與玻璃不粘連、不反響、脫模性好；在高溫保持高強度、高硬度。模具材料一般承受超硬合金作為模具材料，在與玻璃接觸的外表鍍覆一層或幾層陶瓷材料膜。其材質(zhì)各公司不盡一樣。模具的加工承受高剛性、高于0.01區(qū)分率的周密加工機床(專用的非球面加工)。其加工的過程如圖8－15所示。合金模具承受金剛石磨輪研磨，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所周密模具壓制玻璃設(shè)備對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現(xiàn)這一點，而且可以對大直徑的合全模具均勻加熱；對應(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)整，從而對冷卻速度加以把握。退火工藝及設(shè)備周密退火消退應(yīng)力，到達光學(xué)均勻性。尺寸確定。照片來自成都208所光學(xué)玻璃周密退火爐應(yīng)具備的特點1.爐內(nèi)溫度分布的高度均勻性。對于尺寸為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.爐溫把握的高度穩(wěn)定性及降溫的直線性。3.爐內(nèi)溫度分布的對稱性和中心與邊緣局部的溫度差的減小。降溫過程中沿直徑方向存在的溫差，使降溫后的玻璃產(chǎn)生剩余徑向應(yīng)力及剩余切向應(yīng)力，使邊緣局部的應(yīng)力增大而消逝邊緣效應(yīng)。大塊玻璃毛坯邊緣應(yīng)力的大小及其分布的對稱性是衡量玻璃退火質(zhì)量的主要標志之一。光學(xué)玻璃周密退火爐所用爐窯一般為絕熱良好、熱容量較大、自動把握的電熱爐，以保證溫度均勻及適應(yīng)光學(xué)玻璃多品種生產(chǎn)的持點。爐于的