硫系玻璃楔形棱镜试验件的精密模压制造研究

【摘要】：楔形棱镜包含具有一定夹角的两个光学平面，且两侧端面与光学平面垂直。基于其结构特点，在采用精密模压制造技术进行加工时，常被选作硫系玻璃试验件的目标形状，通过测量热压成型后楔形棱镜的外观结构、光学表面质量（面形、粗糙度）等参量，评价和研究精密模压制造工艺对热压成型的硫系玻璃元件光学性能的影响。 试验件和最终的压型元件产品在制造理念上存在不同：压型元件产品要求制造工艺具有大批量，低成本，高效率等特点，因此模具成本可以通过产品数量得到平均；而试验件的数量有限，需要采用更为经济、快速的技术手段确定制造工艺参数，通过检测获得压型后试验件光学性能相对于硫系玻璃预型体的变化量，作为最终批量生产的产品的设计与制造参考。在此技术需求下，本论文进行了硫系玻璃楔形棱镜精密模压制造工艺的研究，从模具设计、工艺参数设置、压型棱镜碎裂分析等角度展开初步探索，目标是加工出符合测试要求的包含热压成型工艺信息的结构完整的硫系玻璃楔形棱镜试验件。 论文绪论部分通过文献综述介绍了硫系玻璃红外光学元件的特点、适用范围和市场需求，以及采用精密模压制造工艺生产硫系玻璃光学元件的技术优势，提出了在批量压型制造之前对选用的硫系玻璃进行工艺试验的必要性等问题，引出论文所涉及的研究内容： 1）以一种硫系玻璃IG6为例，介绍硫系玻璃的材料特性（光、热等），分析硫系玻璃与可见波段的Low Tg玻璃的工艺差别； 2）介绍设计的楔形棱镜的目标形状，以及选用依据； 3）根据IG6的材料特性和楔形棱镜形状，对比了注塑模具不锈钢和含钴量较高的硬质合金碳化钨两种模具材料，以及闭模式和准闭模式模具结构设计的特点，给出了两种模具的适用范围； 4）针对工艺工程中出现的楔形棱镜破损问题，利用有限元方法进行了分析，结果表明破损原因与工程经验判断一致，即温度与压力设置不当，导致软化的硫系玻璃被压入模具缝隙，冷却过程中棱镜边角的残留应力无法有效释放，当超过硫系玻璃材料的破损阈值后发生破损。通过数据优化和试验验证，获得了IG6材料的最终压型参数，主要有压型参考温度为270℃，压力为0.3kN。 硫系玻璃楔形棱镜试验件的制造是评价热压成型工艺对最终产品性能影响的必要技术前提，本论文从工程试验角度出发，以制造出结构完整的硫系玻璃楔形棱镜试验件为目标，解决工艺过程中出现的技术问题，并分析其理论原因，在硫系玻璃精密模压制造技术领域进行技术积累。