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，必須經(jīng)過光學(xué)儀器測量，檢驗純度、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、無選擇吸收著色等特點。按阿貝數(shù)大小分為冕類和火石類玻璃，各類又按折射率高低分為若干種，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。對紫外、可見、紅外區(qū)特定波長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；光按一定方向通過傳輸超聲波的玻璃時，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1天總天數(shù)25天玻璃利用率90%

制品檢驗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（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→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1/100mm。

“盡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

玻璃與模具溫度一致；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、壓制工藝條件)；非球面形狀的檢測技術(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)節(jié)，從而對冷卻速度加以控制。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