硫系玻璃模压模具及模压方法技术

本发明专利技术涉及一种硫系玻璃模压模具及模压方法，属于光学零件模压技术领域。本发明专利技术是针对硫系玻璃材料热膨胀系数大，模压易崩边、碎裂等问题，通过合理的结构及参数设计提出的模压模具结构，设计简单合理，为零件模压过程产生的应力提供释放空间并降低了对模压预制件的加工精度要求，克服了上述缺陷，可高效、高质量加工硫系玻璃非球面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学零件模压
，具体涉及一种硫系玻璃模压模具及模压方 法。
技术介绍
红外成像系统是红外制导、探测等热像仪器的关键组件。昂贵的红外光学零件成 为限制红外成像系统成本的重要因素。目前多数的红外光学零件是由晶体材料加工所得， 这些材料价格昂贵、加工复杂。所以寻找一种性价比高且易于加工的替代材料成为必然的 选择。硫系玻璃在红外波段有着高的透过率和较好的光学性能，能够替代前述部分材料。 而且，由于其是非晶态的物质，可以采用模压的方法加工成任意的形状而备受红外业界的 关注。 硫系玻璃是指以元素周期表中的第VIA元素为基础，并引入其它非金属或金属元 素相互组合形成的一种非晶态（玻璃）材料。它在3~5ym和8~14ym两个红外系统 常用的大气窗口有着良好的透射性，同时具有可模压成型、折射率温度系数小等特点，较为 适合红外光学系统应用。可以在保证系统光学性能的同时实现低成本。在批量生产的低成 本民用红外光学系统中，硫系玻璃是提供系统指标实现优良光学性能和降低成本的最佳选 择。 精密模压技术是一种高精度、高效率的光学零件成型技术，光学预制件在一定的 温度、压力和真空条件下，一次性模压成型出所需的面形精度。利用此项技术可以容易地加 工出球面、非球面、衍射面等一些复杂外形的光学镜片。与传统工艺相比，精密模压技术能 大幅度降低生产所需成本，并实现批量生产。 然而，相比目前成熟的可见光玻璃模压，红外硫系玻璃模压成型尚属新兴技术。硫 系玻璃有一个不足之处：热力学性能不稳定，限制了其在模压成型的应用。由于模压加工过 程中模具与预制件需加热至玻璃软化温度点，再进行压制成型。硫系玻璃热膨胀系数远大 于模压模具材料，光学零件在封闭模具中难以完全释放应力，在压制过程中容易产生崩边、 碎裂现象。因此，成型质量难以满足技术要求，硫系玻璃光学零件模压。
技术实现思路
(一）要解决的技术问题 本专利技术要解决的技术问题是：如何设计一种硫系玻璃模压模具及相应的模压方 法，不出现碎边问题，且降低加工精度要求。 (二）技术方案 为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种硫系玻璃模压模具，所述模具为组合 式结构，包括上模仁1、下模仁2以及套筒3,所述上模仁1和下模仁2位于套筒3内，且上 模仁1的下端面与下模仁2的上端面为非球面面形，二者之间围成的模腔用于容纳被模压 对象硫系玻璃，所述上模仁1、下模仁2分别包括面形压制区101、环槽区102、端面定位区 103和径向定位区104,四个区域由中心向外依次设置，所述环槽区102位于在硫系玻璃外 圆区域之外，用于硫系玻璃在模压填充过程中释放多余材料。 优选地，所述环槽区102的上沿端面为模仁轴向定位面，用于控制硫系玻璃的中 心厚度，所述上模仁1和下模仁2的外圆柱面为径向定位区，与套筒3内圆柱面的轴线重 合。 优选地，所述套筒3沿轴向中心处圆周方向均布有若干排气孔4,用于排除模压过 程中上、下模仁与套筒3之间形成的封闭空间内的气体。 优选地，所述磨具设计过程中，通过以下方式设计而成：首先根据硫系玻璃的非球 面面形、中心厚度和口径设计相对应的面形压制区101，在面形压制区101外设计台阶状结 构，在模仁加工过程中台阶状结构即形成环槽区102,然后根据上、下模仁外径和高度设计 相应套筒3内、外径、高度以及排气孔4位置。 优选地，所述上、下模仁之间形成的模腔尺寸，上、下模仁的径向尺寸通过如下方 式设计： 若硫系玻璃为双面非球面，根据其中心厚度h和口径D计算硫系玻璃的体积； 其次，根据硫系玻璃热膨胀系数ai与模仁材料热膨胀系数a2计算模仁的径向尺 寸和轴向尺寸： 模仁与硫系玻璃在模压加工过程中的径向间隙量： C径向=T*D* (afa》； 式中，T为模压温度； 则模仁径向尺寸即模仁凹面口径为=D+C彳^; 模仁与零件在模压加工过程中的轴向间隙量： C轴向=T*h* (a「a2); 则模仁轴向尺寸即上下模仁之间形成的模腔的尺寸为=h+C_ ; 按照与硫系玻璃的非球面呈完全相反的面形来设计得到对应模仁的初始面形，使 用此初始面形的模仁对硫系玻璃试件加工，在模压退火过程中，测量变形后的硫系玻璃面 形，得到面形误差曲线即硫系玻璃径向各点的实际偏离量，再将此实际偏离量补偿至模仁 中，反馈修整模仁面形，并重新模压试件，直至硫系玻璃面形误差满足要求。 优选地，环槽区102的尺寸设计方式如下：根据上下模仁非球面表达式Z1 'Z2z 计算得到上模仁矢高h2,下模仁矢高hi，环槽区102槽深h' = -hl-h2,槽宽d，环槽内 空间体积：V槽=n? (D模仁 /2+d)2 ?h'-Jr? (D模仁 /2)2 ?h'。 优选地，所述模具的材料为磨具钢、硬质合金碳化钨或高温陶瓷材料。 本专利技术还提供了一种利用所述的模具对硫系玻璃进行模压的方法，包括以下步 骤： S1、将作为上、下模仁外圆柱面的径向定位区104与套筒3的内圆柱面精密配合， 以限制上、下模仁径向移动； S2、将硫系玻璃置于上、下模仁之间，经过升温使硫系玻璃软化后保温后，在模压 机作用下，上、下模仁沿轴向移动，相互靠近直至上、下模仁端面定位区103接触，在此过程 中，硫系玻璃逐渐填充满整个面形压制区101，上、下模仁的非球面面形压制至硫系玻璃上， 而硫系玻璃的多余材料沿径向扩充至环槽区102 ;S3、硫系玻璃经退火、冷却，完成硫系玻璃模压加工过程。 (三）有益效果 本专利技术是针对硫系玻璃材料热膨胀系数大，模压易崩边、碎裂等问题，通过合理的 结构及参数设计提出的模压模具结构及相应的模压方法，设计简单合理，为零件模压过程 产生的应力提供释放空间并降低了对模压预制件的加工精度要求，克服了上述缺陷，可高 效、高质量加工硫系玻璃非球面。【附图说明】 图1是模压模具组合图； 图2是模仁结构示意图； 图3是套筒结构示意图； 图4是零件与模具压制前剖视图； 图5是零件与模具压制后爆炸视图； 图6是模压工艺过程及模具设计具体过程； 图7是硫系玻璃模压零件示意图。【具体实施方式】 为使本专利技术的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的【具体实施方式】作进一步详细描述。 如图1~图5所示，本专利技术提供了一种硫系玻璃模压模具，所述模具为组合式结 构，包括上模仁1、下模仁2以及套筒3，所述上模仁1和下模仁2位于套筒3内，且上模仁1 的下端面与下模仁2的上端面为非球面面形，二者之间围成的模腔用于容纳被模压对象硫 系玻璃，所述上模仁1、下模仁2分别包括面形压制区101、环槽区102、端面定位区103和径 向定位区104,四个区域由中心向外依次设置，所述环槽区102位于用于硫系玻璃在模压填 充过程中释放多余材料，在硫系玻璃外圆区域之外，不影响零件光学质量，零件模压加工后 采用定心磨边去除多余材料。 所述环槽区102的上沿端面为模仁轴向定位面，用于控制硫系玻璃的中心厚度， 所述上模仁1和下模仁2的外圆柱面为径向定位区，与套筒3内圆柱面的轴线重合，避免被 压制零件产生径向偏移，保证零件中心偏。 所述套筒3沿轴向中心处圆周方向均布有若干排气孔4,用于排除模压过程中上、 下模仁与套筒3之间形成的封闭空间内的气体，详见图3。 如图6所示，为一种红外硫系玻璃非球面光学零件模压工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫系玻璃模压模具，其特征在于，所述模具为组合式结构，包括上模仁(1)、下模仁(2)以及套筒(3)，所述上模仁(1)和下模仁(2)位于套筒(3)内，且上模仁(1)的下端面与下模仁(2)的上端面为非球面面形，二者之间围成的模腔用于容纳被模压对象硫系玻璃，所述上模仁(1)、下模仁(2)分别包括面形压制区(101)、环槽区(102)、端面定位区(103)和径向定位区(104)，四个区域由中心向外依次设置，所述环槽区(102)位于在硫系玻璃外圆区域之外，用于硫系玻璃在模压填充过程中释放多余材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：叶斯哲，回长顺，
申请(专利权)人：天津津航技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12