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硫系光学玻璃的模压仿真与制造技术研究

刘学儒  
【摘要】:随着红外光学系统应用的越发广泛,硫系光学玻璃元件因其可通过模压工艺一次成型而越来越受到重视。而利用有限元仿真法模拟光学玻璃模压过程,讨论光学玻璃模压工艺参数选取方法,这也是现今研究硫系光学玻璃模压制造技术的有效途径。本文以上述内容为课题背景,开展对硫系光学玻璃元件的有限元仿真分析以及制造技术的研究。本文首先对光学玻璃精密模压技术以及模压用光学玻璃材料特性进行了详细的分析和阐述。其次,对光学玻璃模压有限元仿真的数值分析方法以及仿真模型的建立进行了研究。引出了利用有限元仿真软件模拟光学玻璃模压环境,进而对光学玻璃元件模压工艺进行分析以及优化的研究思路。对于有限元仿真分析的部分,本文基于硫系玻璃材料Ge_(23)Se_(67)Sb_(10)的热力特性,使用有限元仿真软件MSC.Marc模拟硫系光学玻璃元件模压工艺过程,建立仿真模型。研究光学玻璃元件模压工艺中,模压温度、摩擦系数和模压速率这三个模压工艺参数在硫系光学玻璃元件模压成型过程中的作用,以及对等效应力的影响。进而分析了模压工艺参数的选择方法,并通过与L-BAL42材料的模压仿真数据的对比,讨论了硫系光学玻璃与传统可见光玻璃在模压工艺上的区别,并研究了模压成型元件上下表面等效应力的分布情况。研究结果表明:随着模压温度的升高、摩擦系数的减小和模压速率的降低,等效应力随之相应的减小,与参考对照材料相比,硫系光学玻璃Ge_(23)Se_(67)Sb_(10)最适合通过改变模压速率以达到改变等效应力的目的。并且,由于光学玻璃模压加工工艺的影响,成型的光学元件上下表面的残余应力呈现出一定规律的分布情况。在进行硫系光学玻璃元件模压实验以及对成型元件进行面型精度的测量研究时,本文选取了三组的不同模压速率对硫系光学玻璃元件预型体进行模压加工。通过测量实验得到模压速率为0.03 mm/s时模压效果最好,此时成型透镜的面形精度PV值小于1μm,其表面粗糙度Ra小于10nm,达到了对成型元件面形精度的设计要求。实验结果证明了硫系光学玻璃元件的精密模压工艺理论,以及有限元分析方法对光学玻璃模压工艺的优化作用,实现了利用光学玻璃精密模压工艺高效、低成本加工成型硫系玻璃红外光学元件的目的。


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