精密玻璃模压工艺中模芯和模具极限偏差设计方法技术

一种精密玻璃模压工艺中模芯和模具极限偏差设计方法，属于光学制造技术领域。该工艺因成本及成形效果致使模芯与模具材料选用不一致，并且温度参数在几百摄氏度内变化，目前还没有适用于该工艺的模芯与模具极限偏差设计标准。本发明专利技术包括以下步骤：1、根据材料的物理性质，求出其瞬时热膨胀系数；2、根据温度及重力对模具及模芯尺寸的影响，得到其稳态尺寸数学模型；3、根据常温下模芯及模具的极限与配合标准，稳态尺寸数学模型，并结合热辐射的性质得到适用于该工艺的极限偏差设计方法。本发明专利技术有助于提高模芯与模具的装配精度，控制模造透镜的尺寸精度，指导模芯与模具材料的选择，降低模芯补偿的难度。降低模芯补偿的难度。降低模芯补偿的难度。

【技术实现步骤摘要】
精密玻璃模压工艺中模芯和模具极限偏差设计方法


[0001]本专利技术涉及一种精密玻璃模压工艺中模芯和模具极限偏差设计方法，属于光学制造


技术介绍

[0002]光学系统通过减少光学元件的使用以使其小型化，其方法是使用一片复杂形状的光学透镜实现多片球面透镜组的性能。使用属复制技术的精密玻璃模压技术进行大体积高精度复杂形状光学元件的制造将有助于降低制造成本。该技术是在高温下将光学特征从模芯复制到玻璃预形体上的高效制造方法。而工艺中最昂贵、最耗时的是光学模具的制造。
[0003]目前，精密玻璃模压工艺中的模芯和模具极限偏差的设计与碳化钨的极限制造能力紧密相关。为了控制成本，选用的模具材料通常要次于模芯材料，也就是说模芯与模具的热膨胀系数通常是不同的。又因为精密玻璃模压工艺通常在几百摄氏度的温度范围内进行，因此模具的高加工精度制造并不意味着模具具有高的装配精度，目前工业制造中极限偏差设计方法将不再完全适用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提高模芯与模具在整个成型过程中的装配精度，为此提出一种精密玻璃模压工艺中模芯和模具极限偏差设计方法。
[0005]本专利技术之方法具体包括以下几个步骤：
[0006]1、根据材料的物理性质，求出其瞬时热膨胀系数；
[0007]2、根据温度及重力对模具及模芯尺寸的影响，得到其稳态尺寸数学模型；
[0008]3、根据常温下模芯及模具的极限与配合标准，稳态尺寸数学模型，并结合热辐射的性质得到适用于该工艺的极限偏差设计方法。
[0009]利用精密玻璃模压工艺中模芯和模具极限偏差设计方法，讨论模芯热膨胀系数等于、小于及大于模具热膨胀系数三种情况下的模芯及模具的极限偏差设计。
[0010]当模芯热膨胀系数等于模具热膨胀系数时，假设模芯和模具材料均为J05等级碳化钨且成形温度为700℃。当模具内径为其尺寸下限60.002mm，模芯直径为其尺寸上限59.998mm时，C
FT
为0.004mm，即此时满足间隙要求。当模具内径为其尺寸上限60.004mm，模芯直径为其尺寸下限59.996毫米时，C
FT
为0.008mm，即此时也满足间隙要求。因此这种情况下的模芯尺寸为模具尺寸为
[0011]当模芯热膨胀系数小于模具热膨胀系数时，假设模芯及模具材料分别为J05和M45等级碳化钨且成形温度为700℃。当模具内径为其尺寸下限60.002mm，模芯直径为其尺寸上限59.998mm时，C
FT
为0.053mm，即此时满足间隙要求。由于此时C
FT
大于0.049mm，模具热膨胀系数大于模芯热膨胀系数，故将模芯直径的尺寸下限设定为59.996mm。然后计算模芯直径为其尺寸下限时，使得C
FT
等于0.076mm时的模具内径并将其作为模具内径尺寸上限。计算结果为60.023mm，此时C
20
等于0.027mm，即此时满足间隙要求。然后适当降低ES值。若模具内径
尺寸上限为60.004mm，则C
FT
为0.057mm，即此时满足间隙要求。因此在这种情况下，模芯尺寸为模具尺寸为
[0012]当模芯热膨胀系数大于模具热膨胀系数时，假设模芯及模具材料分别为微晶铝RSA905和M45等级碳化钨且成形温度为220℃。该种组合被应用于模压具有衍射面的硫系玻璃透镜。当模具内径为其尺寸下限60.002mm时，计算使得C
FT
等于0时的模芯直径并将其作为模芯直径尺寸上限。计算结果为59.844mm，此时C
20
等于0.158mm，即此时不满足间隙要求。当模具内径为其尺寸上限60.004mm时，计算出使C
20
等于0.092mm时的模芯直径并将其作为尺寸下限，结果为59.912mm。在这种情况下，C
FT
等于
‑
0.066毫米，这意味着当模芯和模具未装配在一起时且温度为220℃时，模芯直径比模具内径大0.066mm。这样的配合将导致成形过程中模芯和模具之间发生挤压，将增加模芯加工的迭代次数。这种情况的解决方法是用更小热膨胀系数的材料作为模芯材料，或者用更大热膨胀系数的材料作为模具材料。例如，用S136替换作为模具材料。当模具内径为其尺寸下限60.002mm时，计算使得C
FT
等于0时的模芯直径并将其作为模芯直径尺寸上限。计算结果为59.918mm，此时C
20
等于0.084mm，即此时满足间隙要求。当模具内径为其尺寸上限60.004mm时，计算使得C
20
等于0.092mm时的模芯直径并将其作为尺寸下限，计算结果为59.912mm，与此同时C
FT
等于0.008mm，此时满足间隙要求。因此在这种情况下，模芯尺寸为模具尺寸为
附图说明
[0013]图1为上下模芯、上下模具装配剖面图。
[0014]图2为简化的模芯和模具初始尺寸示意图。
[0015]图3为模芯直径和模具内外直径极限偏差设计流程图。
具体实施方式
[0016]下面进一步说明本专利技术之方法。
[0017]第一步，根据材料的物理性质，求出其瞬时热膨胀系数。当工件温度从T1变化到T2时，其体积也相应从V1变化到V2。为描述这一变化，定义了材料的平均体积热膨胀系数
[0018][0019]相应的平均线热膨胀系数为
[0020][0021]对于各向同性材料，体积热膨胀系数等于线性热膨胀系数的3倍，即：
[0022]β＝3α
ꢀꢀꢀ
(3)
[0023]式中：α为真实线热膨胀系数，β为真实体积热膨胀系数。当温度由T1变温至T2时，工件长度由L1变为L2。平均体积热膨胀系数β
m
与平均线热膨胀系数α
m
之间的关系为：
[0024][0025]如果采用公式(3)推导模具及模芯在高温下的尺寸模型，将使模型变得非常复杂。
因此，将公式(4)作为后续推导尺寸模型的纽带。在一定条件下，线性热膨胀的瞬时系数能较好地反映真实系数。温度为T
m
时材料的瞬时线性热膨胀系数α
I
为
[0026][0027][0028]其中L
293
为工件在温度为293开尔文时的长度(约20℃)。在这种情况下，α
I
被认为是在温度T
m
时的真实线性热膨胀系数。在有限温度范围内的膨胀可以用多项式近似表示
[0029][0030]其中L为温度T时工件的长度，a0、a1、a2、a3为多项式的系数。
[0031]第二步，根据温度及重力对模具及模芯尺寸的影响，得到其稳态尺寸数学模型。单站式模压机中的模芯和模具如图1所示，为了方便讨论将其简化为圆柱形模芯和空心圆柱形模具的装配形式。
[0032]假设圆柱形模芯的初始高度和半径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种精密玻璃模压工艺中模芯和模具极限偏差设计方法，其特征在于，(1)根据材料的物理性质，求出其瞬时热膨胀系数；(2)根据温度及重力对模具及模芯尺寸的影响，得到其稳态尺寸数学模型；(3)根据常温下模芯及模具的极限与配合标准，稳态尺寸数学模型，并结合热辐射的性质得到适用于该工艺的极限偏差设计方法。2.根据权利要求1所述的精密玻璃模压工艺中模芯和模具极限偏差设计方法，其特征在于，当温度由T1变温至T2时，工件长度由L1变为L2，所述材料的瞬时线性热膨胀系数可由公式(1
‑
3)得到。。。式中：α
I
是材料在温度T
m
时的瞬时线性热膨胀系数。L为温度T时工件的长度，a0、a1、a2、a3为多项式的系数。3.根据权利要求1所述的多层衍射光学元件的优化设计方法，其特征在于，所述变温后圆柱形模芯和空心圆柱形模具的稳态尺寸模型由表1及公式(4
‑
13)求得。13)求得。H＝H0+H0α
m
Δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)(6)D＝D0+D0α
m
Δt
ꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛常喜，刘悦，邢胤天，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：