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玻璃模压成型的有限元仿真研究

倪佳佳  
【摘要】:玻璃模压技术作为一种高精度光学元件的成型方法,以其精度高、成本低、生产效率高、可实现大批量生产等优点越来越受到光学零件制造商的青睐。本文对玻璃模压成型技术进行研究,采用仿真和实验相结合的方式。通过仿真将模压工艺过程可视化,并查看玻璃在模压过程中的内部应力、温度和形状的变化,研究成型参数对模压透镜结果的影响。通过模压成型设备压制出透镜,并检测成型透镜的质量。并在此基础上进行硫系玻璃透镜成型实验研究。 选择粘弹性模型,设立边界条件,构建有限元仿真模型。用该模型仿真玻璃在加热、模压、退火和冷却时候的温度、应力应变变化。仿真结果表明应力较大部分主要出现在外边缘内侧;曲率半径大的球面的应力比曲率半径小的球面高;透镜底部中心部位的应力几乎为0。透镜上表面的应力比下表面的应力大;应力在经过退火冷却之后,有所下降。 研究成型参数对玻璃模压的影响。仿真表明在模压阶段,随着温度的增加,最大等效应力减小,应变变大;随着速率的增加,最大等效应力增加。考虑到速率太慢导致成型时间太长,速率太快导致应力较大。所以要综合考虑两个方面的问题来选择合适的模压速率。在退火冷却之后,残余应力随着温度的升高而减小,随着速率的增大而增大。速率越小,填充情况越好。在不同的冷却速率下,残余应力和应变的分布都差不多,相比之下3℃/s的冷却速率下的残余应力比其他三个速率下的要小点。 为了验证有限元模拟结果,设计玻璃模压实验,分别采用三组不同的温度和压力,通过检测其成形透镜的厚度、形状精度和粗糙度,验证模压工艺的可靠性。通过测量,测得厚度误差在3um之内,形状误差和粗糙度误差都是微米级。 在此基础上,进行硫系玻璃透镜成型模压实验。根据模压透镜的要求设计了模具,并对模具进行了测量,达到了设计效果。根据有限元分析获得的优化工艺参数进行了模压实验,实验结果表明硫系玻璃透镜的模压效果较好,验证了有限元分析结果的正确性。


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