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《湖南大学》 2013年
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光学玻璃透镜模压成形的数值仿真和实验研究

朱科军  
【摘要】:随着相机、摄像机等电子产品需求的增长,小口径非球面玻璃透镜由于其优良的光学性能而备受关注。传统的磨削和研磨等去除方式,只能逐个加工,效率低下。模压成形技术能在高温高压条件下直接将玻璃预形体压制成最终形状,容易实现批量生产。因此,它是一种更有应用前途的替代方法。在目前的玻璃透镜模压成形生产中,存在两个主要难题:1)预形体玻璃在模压成形过程中容易产生较大的应力,导致成形透镜在脱模时可能破裂,从而影响模压成形的良品率,也降低成形透镜的使用寿命和光学性能;2)成形透镜的最终轮廓形状与原始设计形状之间往往存在偏差,虽然通过多次反复试模可以提高成形透镜的质量,但费时费力。为了减小成形透镜的残余应力,本文建立了多工位模压成形工艺的数值仿真模型,研究模压成形过程中各阶段工艺参数对残余应力的影响。提出了模压速率分段控制的新方法,可有效减小模压阶段结束后的最大残余应力。为了提高成形透镜的形状精度,首先建立数值仿真模型并对成形透镜的轮廓偏移量进行预测,并研究了模压成形工艺参数对轮廓偏移量的影响。在此基础上,提出了基于节点几何修正原理和曲线拟合技术的模压成形补偿新方法。本文主要研究工作如下:1.针对多工位光学玻璃透镜精密模压工艺,基于广义麦克斯韦模型分别建立了三步加热、模压速率分段控制、三步退火的数值仿真模型,对模压成形过程中各阶段工艺参数与应力的关系进行有限元分析,并与传统的单工位模压成形工艺进行对比。在分析模压阶段应力变化规律的基础上,以模压速率为研究对象,研究不同时间段模压速率对最大应力的影响。2.基于结构松弛模型,建立数值仿真模型对成形透镜的轮廓偏移量进行预测,采用单因子法分析模压成形参数与轮廓偏移量之间的关系。由于采用“试错法”直接修复模具费时费力,本文提出了基于节点几何修正原理和曲线拟合技术的模压成形补偿新方法:采用“试错法”先对仿真模型中的模具轮廓曲线进行修正,直至成形透镜的形状精度达到设计要求后,再根据得到的模具修正曲线来加工模具。3.采用基于B轴控制固定点斜轴磨削技术,制造出模压成形用的高精度非球面模具。以球状DZK-3玻璃为预形体,在多工位模压成形机床上进行模压成形实验,确定了合适模压温度的选择范围,模压成形出非球面玻璃透镜。然后,对成形透镜的轮廓偏移进行测量,并与仿真结果进行对比,验证了仿真预测模型的有效性。4.在多工位模压成形机床上进行双凸球面透镜的模压成形实验,通过数值仿真与成形实验相结合的方式分析了曲率改变量对透镜轮廓偏移量的影响。实验结果显示:上表面的轮廓偏移量比下表面大,实验结果与仿真结果相近,进一步验证了仿真模型的有效性。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TQ171.734;TH74

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