14光学玻璃的成形设备解析.pptx

第十四章第十四章 光学玻璃生产光学玻璃生产 及加工设备及加工设备主讲：郭宏伟主讲：郭宏伟陕西科技大学陕西科技大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院最初用于制造最初用于制造镜头的玻璃，就是普通窗的玻璃，就是普通窗户玻璃或玻璃或酒瓶上的疙瘩，形状酒瓶上的疙瘩，形状类似似“冠冠”，皇冠玻璃或冕，皇冠玻璃或冕牌玻璃的名称由此而来。那牌玻璃的名称由此而来。那时候的玻璃极不均匀，候的玻璃极不均匀，多泡沫。除了冕牌玻璃外多泡沫。除了冕牌玻璃外还有另一种含有另一种含铅量量较多多的燧石玻璃。的燧石玻璃。1790年左右法国人皮而年左右法国人皮而路易路易均均纳德德发现搅拌玻璃可以制造拌玻璃可以制造质地均匀的玻璃地均匀的玻璃。1884年年卡卡尔蔡斯蔡斯厂的厂的恩斯特恩斯特阿阿贝和奥托和奥托肖特肖特（OttoSchott）在）在耶拿耶拿创建建肖特玻璃厂肖特玻璃厂（SchottGlaswerkeAG），在几年内研制了几十种光学），在几年内研制了几十种光学玻璃，其中以高折射率的玻璃，其中以高折射率的钡质冕牌玻璃的冕牌玻璃的发明明为肖特玻璃厂的重要成就。肖特玻璃厂的重要成就。光学玻璃是用高光学玻璃是用高纯度硅、硼、度硅、硼、钠、钾、锌、铅、镁、钙、钡等的氧化物按特定配方混合等的氧化物按特定配方混合,在白金坩在白金坩埚中高温融化中高温融化,用用超声波超声波搅拌均匀拌均匀,去气泡；然后去气泡；然后经长时间缓慢地降温，以免慢地降温，以免玻璃玻璃块产生内生内应力。冷却后的玻璃力。冷却后的玻璃块，必，必须经过光学光学仪器器测量，量，检验纯度、透明度、均度、透明度、均匀度、匀度、折射率折射率和和色散率色散率是否合是否合规格。合格的格。合格的玻璃玻璃块经过加加热锻压，成光学透，成光学透镜毛胚。毛胚。1 光学玻璃概述光学玻璃概述光学玻璃光学玻璃opticalglass通通过折射、反射、透折射、反射、透过方式方式传递光光线或通或通过吸收吸收改改变光的光的强度或光度或光谱分布的一种无机玻璃分布的一种无机玻璃态材料。材料。具有具有稳定的光学性定的光学性质和高度光学均匀性。和高度光学均匀性。按光学特性分按光学特性分为：无色光学玻璃。无色光学玻璃。对光学常数有特定要求，光学常数有特定要求，具有可具有可见区高透区高透过、无、无选择吸收着色等特点。按吸收着色等特点。按阿阿贝数大小分数大小分为冕冕类和火石和火石类玻璃，各玻璃，各类又按折又按折射率高低分射率高低分为若干种，并按折射率大小依次排列。若干种，并按折射率大小依次排列。多用作望多用作望远镜、显微微镜、照相机等的透、照相机等的透镜、棱、棱镜、反射反射镜等。等。光学玻璃照片光学玻璃照片防防辐照光学玻璃。照光学玻璃。对高能高能辐照有照有较大的吸收能力，大的吸收能力，有高有高铅玻璃和玻璃和CaO-BCaO-B2 2O O3 3系系统玻璃，前者可防止玻璃，前者可防止射射线和和X X射射线辐照，后者可吸收慢中子和照，后者可吸收慢中子和热中子，主中子，主要用于核工要用于核工业、医学、医学领域等作域等作为屏蔽和屏蔽和窥视窗口材窗口材料。料。耐耐辐照光学玻璃。照光学玻璃。在一定的在一定的射射线、X X射射线辐照照下，可下，可见区透区透过率率变化化较少，品种和牌号与无色光少，品种和牌号与无色光学玻璃相同，用于制造高能学玻璃相同，用于制造高能辐照下的光学照下的光学仪器和器和窥视窗口。窗口。有色光学玻璃。有色光学玻璃。又称又称滤光玻璃。光玻璃。对紫外、可紫外、可见、红外区特定波外区特定波长有有选择吸收和透吸收和透过性能，按光性能，按光谱特特性分性分为选择性吸收型、截止型和中性灰性吸收型、截止型和中性灰3类；按着色机理分按着色机理分为离子着色、金属胶体着色和硫硒化离子着色、金属胶体着色和硫硒化物着色物着色3类，主要用于制造，主要用于制造滤光器。光器。紫外和紫外和红外光学玻璃。外光学玻璃。在紫外或在紫外或红外波段具有特外波段具有特定的光学常数和高透定的光学常数和高透过率，用作紫外、率，用作紫外、红外光学外光学仪器或用作窗口材料。器或用作窗口材料。光学石英玻璃。光学石英玻璃。以二氧化硅以二氧化硅为主要成分，具有耐高温、膨主要成分，具有耐高温、膨胀系数低、机械系数低、机械强度度高、化学性能好等特点，用于制造高、化学性能好等特点，用于制造对各种波段透各种波段透过有特殊要求的棱有特殊要求的棱镜、透、透镜、窗口和反射、窗口和反射镜等。此外，等。此外，还有用于大有用于大规模集成模集成电路制造的光掩膜板、液晶路制造的光掩膜板、液晶显示器面板、影像光示器面板、影像光盘盘基薄板玻璃；光沿着磁力基薄板玻璃；光沿着磁力线方向通方向通过玻璃玻璃时偏振面偏振面发生旋生旋转的磁光玻璃；光按的磁光玻璃；光按一定方向通一定方向通过传输超声波的玻璃超声波的玻璃时，发生光的衍射、生光的衍射、反射、反射、汇聚或光聚或光频移的声光玻璃等。移的声光玻璃等。照片来自成都208所光学玻璃照片光学玻璃照片高精度压制成形工艺及设备高精度压制成形工艺及设备镜片生产一直是压制后研磨抛光，再成镜片生产一直是压制后研磨抛光，再成形。以下为其三种方法：形。以下为其三种方法：粘土坩埚粘土坩埚（不连续生产）（不连续生产）（玻璃块工艺）（玻璃块工艺）白金坩埚白金坩埚（不连续生产）（不连续生产）（铸造工艺）（铸造工艺）白金熔窑连熔线白金熔窑连熔线成形为窄条状成形为窄条状直接压制直接压制制坩埚制坩埚120天天坩埚预热坩埚预热5天天烧成烧成1天天熔融熔融1天天冷却冷却7天天破碎破碎1天天熔融熔融0.5天天冷却冷却7天天切断切断0.5天天研磨研磨3天天熔融熔融成型成型1天天退火退火（无研磨）（无研磨）熔融熔融(无研磨）无研磨）2天天压制压制退火退火粘土坩埚粘土坩埚（不连续生产）（不连续生产）（玻璃块工艺）（玻璃块工艺）白金坩埚白金坩埚（不连续生产）（不连续生产）（铸造工艺）（铸造工艺）白金熔窑连熔线白金熔窑连熔线 成形为窄条状成形为窄条状 直接压制直接压制 选选块块 3天天成成型型 5天天研研磨磨 3天天材材料料检检查查 1天天切切断断 1天天压制退火压制退火 21天天制品检验制品检验 1天天总总天天数数 170天天玻玻璃璃利利用用率率 40%40%材料检查材料检查 1天天切断切断 1天天压制退火压制退火21天天制品检验制品检验 1天天总天数总天数 34天天玻璃利用率玻璃利用率 70%70%材料检查材料检查 1天天切切断断 1天天压制退火压制退火21天天制品检验制品检验 1天天总天数总天数 25天天玻璃利用率玻璃利用率 90%90%制品检验制品检验 1天天生产天数生产天数 3天天玻璃利用率玻璃利用率90%90%光学玻璃的成形设备光学玻璃的成形设备直直接接压压制制：玻玻璃璃利利用用率率，40%90%，成成本本。生产天数，生产天数，170天天3天，生产效率天，生产效率。光光学学玻玻璃璃折折射射率率的的均均质质度度为为10-6级级（偏偏差差值值）。一一般般白白金金坩坩埚埚连连续续熔熔融融线线可可达达10-4级级，直直接接压压制达制达10-6级。级。前二者工艺均有研磨，而后两者无研磨，前二者工艺均有研磨，而后两者无研磨，高精度压制。高精度压制。研磨冷加工：研磨冷加工：玻玻璃璃熔熔融融坯坯体体成成形形退退火火第第一一面面粗粗加加工工第第二二面面粗粗加加工工洗洗净净固固定定于于胎胎具具上上第第一一面面精精磨磨第第一一面面细细磨磨抛抛光光洗洗净净固固定定于于胎胎具具上上第第二二面面精精磨磨第第二二面面细细磨磨抛抛光光洗净洗净取出取出洗净洗净镀膜镀膜模压成形：模压成形：玻玻璃璃熔熔融融料料滴滴（块块）加加热热成成形形退退火火洗净洗净镀膜镀膜成型模制备成型模制备三直：三直：直接电熔化直接电熔化 直接压型直接压型 直接精密退火直接精密退火方法方法 粘度粘度/泊泊 模具温度模具温度/时间时间/s/s 压力压力/MPa/MPa abc 直接压制直接压制二次压制二次压制高精度压制高精度压制 10210310510810123004003004005006502345200.150.38a法玻璃温度法玻璃温度10001200，模具，模具300400，压制中玻璃外表面，压制中玻璃外表面300400，而内部，而内部1000，压制后因冷却收缩变形。，压制后因冷却收缩变形。高精度压制原理：高精度压制原理：一般玻璃镜头形状精度为一般玻璃镜头形状精度为1/10mm，金属，金属材料达材料达1/100mm。“尽可能降低料块温度同时尽可能提高尽可能降低料块温度同时尽可能提高模具的温度模具的温度”，可提高玻璃镜头压制精度。，可提高玻璃镜头压制精度。玻璃与模具温度一致；玻璃与模具温度一致；1081012泊粘度范围内高压压制；泊粘度范围内高压压制；20s以上时间的压制。以上时间的压制。上述可保证玻璃温度一致上述可保证玻璃温度一致,且无收缩变形。且无收缩变形。精密精密压制技制技术是多学科的复合技是多学科的复合技术，一，一般有如下几个方面：新型模具材料；超般有如下几个方面：新型模具材料；超精密模具加工技精密模具加工技术；适宜精密；适宜精密压制工制工艺的玻璃；的玻璃；预成形技成形技术；精密成形；精密成形(模具模具结构、构、压机、机、压制工制工艺条件条件)；非球面形状；非球面形状的的检测技技术；非球面；非球面镜头的光学的光学设计。照片来自成都208所玻璃的玻璃的雏形制形制备应满足如下条件：在等温足如下条件：在等温压制之前制之前应具具备平滑清平滑清洁表面；具表面；具备适当的几适当的几何形状何形状(与与压制模具内腔形状接近的形状制模具内腔形状接近的形状)；具有适宜的体具有适宜的体积。这此此雏形可以是球状、半形可以是球状、半球状、球状、圆片状等形状，冷硬片状等形状，冷硬时经过研磨或者研磨或者在在热态下成形均可。下成形均可。模具材料与模具加工模具材料与模具加工要求模具材料无气孔可以研磨出平滑的光学要求模具材料无气孔可以研磨出平滑的光学镜面；面；高温下耐氧化而且其材料高温下耐氧化而且其材料结构不构不变化可以保持表面化可以保持表面的原状的原状态；与玻璃不粘；与玻璃不粘连、不反、不反应、脱模性好；在、脱模性好；在高温保持高高温保持高强度、高硬度。度、高硬度。模具材料一般采用超模具材料一般采用超硬合金作硬合金作为模具材料，在与玻璃接触的表面模具材料，在与玻璃接触的表面镀覆一覆一层或几或几层陶瓷材料膜。其材陶瓷材料膜。其材质各公司不尽相同。各公司不尽相同。模具的加工采用高模具的加工采用高刚性、高于性、高于0.01分辨率分辨率的精密加工机床的精密加工机床(专用的非球面加工用的非球面加工)。其加工的其加工的过程如程如图815所示。合金模具所示。合金模具采用金采用金刚石磨石磨轮研磨，研磨，待研磨加工完成后待研磨加工完成后镀上陶瓷膜。上陶瓷膜。图816为镀膜后的精磨加工膜后的精磨加工过程。程。照片来自成都208所精密模具精密模具压制玻璃制玻璃设备对模具的均匀加模具的均匀加热为设备的重要性能。利用的重要性能。利用红外灯加外灯加热可以可以实现这一一点，而且可以点，而且可以对大直径大直径的合全模具均匀加的合全模具均匀加热；对应玻璃的种玻璃的种类不同不同设备的最高加的最高加热温度温度应不不低于低于800；通入；通入N2气气流量流量应可以可以调节，从而，从而对冷却速度加以控制。冷却速度加以控制。退火工退火工艺及及设备精密退火精密退火 消除消除应力，达到光学均匀性。力，达到光学均匀性。尺寸确定。尺寸确定。照片来自成都208所光学玻璃精密退火炉光学玻璃精密退火炉应具具备的特点的特点1.炉内温度分布的高度均匀性。炉内温度分布的高度均匀性。对于尺寸于尺寸为150mm以下的一般玻璃毛坯的退火，退火炉内温以下的一般玻璃毛坯的退火，退火炉内温度差不度差不应超多超多15。2.炉温控制的高度炉温控制的高度稳定性及降温的直定性及降温的直线性。性。3.炉内温度分布的炉内温度分布的对称性和中心与称性和中心与边缘部分的温部分的温度差的减小。降温度差的减小。降温过程中沿直径方向存在的温差，程中沿直径方向存在的温差，使降温后的玻璃使降温后的玻璃产生残余径向生残余径向应力及残余切向力及残余切向应力，使力，使边缘部分的部分的应力增大而出力增大而出现边缘效效应。大大块玻璃毛坯玻璃毛坯边缘应力的大小及其分布的力的大小及其分布的对称性是衡量玻璃退火称性是衡量玻璃退火质量的主要量的主要标志之一。志之一。光学玻璃精密退火炉所用炉窑一般光学玻璃精密退火炉所用炉窑一般为绝热良良好、好、热容量容量较大、自大、自动控制的控制的电热炉，以保炉，以保证温度均匀及适温度均匀及适应光学玻璃多品种生光学玻璃多品种生产的持的持点。炉于的有效容点。炉于的有效容积一般不超一般不超过2-4立方米。立方米。为了保了保证炉内温度分布的高度均匀性，精密炉内温度分布的高度均匀性，精密退火炉在构造上采用以下形式。惰性精密退退火炉在构造上采用以下形式。惰性精密退火炉；分区加火炉；分区加热；炉内保温；炉内保温夹层的使用。的使用。参考教材参考教材思考思考题1.1.简述光学玻璃与日用玻璃的制备简述光学玻璃与日用玻璃的制备工艺及设备有哪些不同之处？工艺及设备有哪些不同之处？2 2.简述连熔工艺制备光学玻璃有哪简述连熔工艺制备光学玻璃有哪些优点？些优点？3.3.简述精密压制成形的工艺过程？简述精密压制成形的工艺过程？