本文關(guān)鍵詞：精密玻璃透鏡熱壓成型技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：精密玻璃熱壓成型技術(shù)是一門(mén)新興的快速有效加工光學(xué)器件的凈成形工藝。在該工藝過(guò)程中,首先將經(jīng)過(guò)拋光處理的玻璃毛坯加熱到轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度之上合適的溫度區(qū)間內(nèi),通過(guò)閉合上下模具,將精密模具的形貌復(fù)制到軟化的玻璃上,然后冷卻至室溫,直接得到成型的透鏡,無(wú)需再經(jīng)過(guò)后續(xù)處理。該技術(shù)適合加工各種光學(xué)器件,尤其是非球面透鏡、微透鏡陣列和衍射光學(xué)器件等,具有高效率、低成本、適合批量生產(chǎn)和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注和研究興趣。但是由于冷卻過(guò)程中透鏡的收縮和內(nèi)部溫度場(chǎng)分布不均等原因,成型透鏡會(huì)存在形貌偏差、殘余應(yīng)力和折射率變化等問(wèn)題,影響透鏡的光學(xué)質(zhì)量。因此需要深入分析工藝參數(shù)對(duì)成型透鏡質(zhì)量的影響,改善透鏡質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率。鑒于近些年來(lái)玻璃材料、模具材料、鍍層材料等發(fā)展的多樣性,本文分別以常規(guī)的光學(xué)玻璃(如G-11、BK7)和紅外低熔點(diǎn)玻璃(如As2S3),碳化鎢模具和硅模具,不同模具鍍層(如石墨烯)等為研究對(duì)象,展開(kāi)了熱壓成型工藝過(guò)程仿真,成型透鏡形貌偏差分析,模具和玻璃摩擦系數(shù)測(cè)量以及應(yīng)力松弛模型參數(shù)測(cè)量等關(guān)鍵問(wèn)題的研究,旨在為精密玻璃透鏡熱壓成型研究提供科學(xué)可靠的參考。為了預(yù)測(cè)成型透鏡的質(zhì)量,以G-11玻璃為材料,全面考慮了玻璃黏彈性材料的應(yīng)力松弛和結(jié)構(gòu)松弛特性,對(duì)平面凸透鏡的完整熱壓過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真,得到了熱壓階段玻璃透鏡的流動(dòng)變形過(guò)程、冷卻階段透鏡內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布和應(yīng)力分布,以及最終的形貌偏差。并且通過(guò)將透鏡的形貌偏差曲線作為模具設(shè)計(jì)階段的修正量,對(duì)模具進(jìn)行兩次迭代補(bǔ)償,重復(fù)上述有限元分析過(guò)程,將透鏡的形貌偏差最大值從10μm降到了0.035μm,達(dá)到了高精度光學(xué)設(shè)計(jì)的要求。在研究透鏡形貌偏差的工藝參數(shù)敏感性過(guò)程中,首先分析了透鏡形貌偏差、模具形貌偏差以及它們之間的間隙,這三個(gè)變量之間的數(shù)量關(guān)系,得到了這些變量在冷卻過(guò)程中隨時(shí)間變化的規(guī)律曲線。最后研究了冷卻過(guò)程中的工藝參數(shù),如模具的熱膨脹系數(shù)、脫模溫度、冷卻速率和保持力大小,對(duì)透鏡形貌偏差的影響,優(yōu)化工藝參數(shù)的選擇,達(dá)到了改善成型透鏡質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的目的。為了測(cè)量鍍石墨烯的硅模具與BK7玻璃在熱壓溫度范圍內(nèi)的摩擦系數(shù),開(kāi)展了不同溫度下的圓柱壓縮實(shí)驗(yàn)。首先利用經(jīng)驗(yàn)公式得到了初步計(jì)算結(jié)果,然后通過(guò)有限元分析得到在不同摩擦系數(shù)下圓柱玻璃的高度變化曲線和最終的形狀尺寸,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到了最匹配的摩擦系數(shù)結(jié)果。不同的計(jì)算結(jié)果都表明,在660℃-700℃溫度區(qū)間內(nèi),它們之間的摩擦系數(shù)在0.20-0.25范圍內(nèi)。本文最后通過(guò)開(kāi)展硫化砷圓柱玻璃樣品在三種不同溫度下的壓縮蠕變實(shí)驗(yàn),得到蠕變?nèi)岫群瘮?shù),并修正補(bǔ)償摩擦行為對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,分析推導(dǎo)了硫化砷玻璃在轉(zhuǎn)化區(qū)間內(nèi)的應(yīng)力松弛特性參數(shù)。將計(jì)算得到的應(yīng)力松弛特性參數(shù),代入蠕變實(shí)驗(yàn)的有限元模型,預(yù)測(cè)圓柱樣品的高度變化,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合。并利用Tool-Narayanaswamy-Moynihan結(jié)構(gòu)松弛模型計(jì)算了其在不同冷卻速率下的折射率變化,這些計(jì)算結(jié)果為其在熱壓成型中的應(yīng)用提供基本的黏彈性數(shù)據(jù)參考。
【關(guān)鍵詞】：玻璃熱壓成型 有限元分析 殘余應(yīng)力 形貌偏差 折射率下降 應(yīng)力松弛 結(jié)構(gòu)松弛 硫化砷 摩擦系數(shù)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TQ171.63
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-17
• 第1章 緒論17-33
• 1.1 研究背景和意義17-21
• 1.1.1 光學(xué)加工方法17-19
• 1.1.2 光學(xué)透鏡材料19-20
• 1.1.3 精密玻璃透鏡熱壓成型技術(shù)20-21
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀文獻(xiàn)調(diào)研21-30
• 1.2.1 熱壓成型技術(shù)在光學(xué)加工中的應(yīng)用22-24
• 1.2.2 熱壓成型過(guò)程仿真研究24-27
• 1.2.3 熱壓成型透鏡質(zhì)量研究27-29
• 1.2.4 熱壓成型模具鍍膜研究29-30
• 1.3 本文研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排30-33
• 第2章 玻璃材料的黏彈性模型33-43
• 2.1 玻璃材料的黏度33-35
• 2.2 應(yīng)力松弛模型35-39
• 2.3 結(jié)構(gòu)松弛特性39-43
• 第3章 玻璃透鏡熱壓成型過(guò)程仿真43-65
• 3.1 引言43-46
• 3.2 圓柱玻璃透鏡的熱壓過(guò)程仿真46-51
• 3.2.1 圓柱透鏡熱壓過(guò)程的有限元模型47-48
• 3.2.2 熱壓階段的工藝參數(shù)研究48-51
• 3.3 平面凸透鏡熱壓過(guò)程的有限元仿真51-64
• 3.3.1 模具和玻璃的材料模型52-53
• 3.3.2 熱壓過(guò)程的載荷和邊界條件53-55
• 3.3.3 仿真結(jié)果和討論55-64
• 3.4 總結(jié)64-65
• 第4章 冷卻過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)透鏡形貌偏差的影響65-79
• 4.1 引言65-67
• 4.2 透鏡形貌偏差的討論67-72
• 4.2.1 透鏡形貌偏差曲線的變化規(guī)律69-71
• 4.2.2 接觸導(dǎo)熱問(wèn)題討論71-72
• 4.3 透鏡形貌偏差的工藝參數(shù)敏感性研免72-78
• 4.3.1 模具的熱膨脹系數(shù)73
• 4.3.2 保持力大小73-75
• 4.3.3 脫模溫度75-76
• 4.3.4 冷卻速率76-78
• 4.4 結(jié)論78-79
• 第5章 模具和玻璃之間摩擦系數(shù)的測(cè)量與仿真計(jì)算79-99
• 5.1 引言79-84
• 5.1.1 摩擦系數(shù)測(cè)量方法80-82
• 5.1.2 摩擦模型82-84
• 5.2 圓柱壓縮實(shí)驗(yàn)部分84-88
• 5.3 熱壓過(guò)程的有限元分析88-90
• 5.4 實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果90-94
• 5.4.1 圓柱壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果90-92
• 5.4.2 圓柱壓縮實(shí)驗(yàn)的有限元分析92-94
• 5.5 確定摩擦系數(shù)大小94-98
• 5.5.1 軸向位移法94-96
• 5.5.2 摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線法96-98
• 5.6 總結(jié)98-99
• 第6章 紅外硫化砷玻璃的應(yīng)力松弛和折射率下降99-123
• 6.1 引言99-102
• 6.2 確定As_2S_3的應(yīng)力松弛函數(shù)102-106
• 6.2.1 方法理論分析102-103
• 6.2.2 蠕變實(shí)驗(yàn)103-106
• 6.3 計(jì)算結(jié)果和討論106-115
• 6.3.1 計(jì)算蠕變?nèi)岫群瘮?shù)106-109
• 6.3.2 應(yīng)力松弛函數(shù)計(jì)算109-111
• 6.3.3 驗(yàn)證計(jì)算得到的應(yīng)力松弛參數(shù)準(zhǔn)確性111-115
• 6.4 硫化砷玻璃的折射率下降問(wèn)題研究115-121
• 6.4.1 硫化砷玻璃的結(jié)構(gòu)松弛參數(shù)115-117
• 6.4.2 折射率下降計(jì)算117-121
• 6.5 總結(jié)121-123
• 第7章 總結(jié)和展望123-127
• 7.1 論文工作總結(jié)123-124
• 7.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)124-125
• 7.3 后續(xù)工作展望125-127
• 參考文獻(xiàn)127-133
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文133-135
• 致謝135-136

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  本文關(guān)鍵詞：精密玻璃透鏡熱壓成型技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：292668