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3D超薄玻璃模压成形加工机理及其工艺优化研究

【摘要】:随着航天、军工、医疗、3C等行业的发展,非球面光学元件的设计越来越受到人们的关注。作为传统玻璃材料制造工艺的替代技术,玻璃模压成形工艺(GMP)具有成形精度高、生产周期短、成本低、无污染等优点。目前,模压成形技术,依然存在许多难题有待解决,例如产品成形应力大、良品率低及生产能耗高的问题。正是这些技术方面的难题,阻碍了模压成形技术的进一步发展。因此,有必要对玻璃模压成形加工机理及其成形工艺进行深入研究分析。为了提高玻璃元件的成形质量,降低生产能耗,本文基于玻璃材料应力松弛及结构松弛模型建立了智能手机盖板超薄玻璃元件多工位模压成形工艺的数值仿真模型,对玻璃温度分布、残余应力、形状偏差及生产能耗进行了预测。实验结果得出高应力(大于10MPa)主要分布在玻璃元件的小孔及变形区,最大形状偏差出现在玻璃元件的中部。并结合正交实验设计及NSGA-III优化算法分析了模压成形过程中各阶段工艺参数(加热速率、保温时间、模压温度、模压压强及冷却速度)对产品残余应力、形状偏差及能耗的影响。结果显示,模压温度、冷却速度和模压压力是影响产品残余应力和形状偏差的主要因素,而模压温度及加热速率是能耗的主要影响因素。并有效地减小了成形产品的最大残余应力及形状偏差,平衡了成形质量与生产能耗之间的关系,获得具有残余应力、形状偏差小以及能耗低的优化工艺方案。优化后方案通过实验验证,其平均预测误差不超过20%,进一步验证了模型的有效性。为了进一步解决模压系统高能耗问题,建立了加热板-导热板-模具的热传导数值模型,对模具的温度分布及能量流动进行了预测,并研究了不同模具结构、加热速率及热流密度配置对加热均热阶段系统能耗的影响规律。结果显示,采用优化的模具(I)的加热装置产生的热量为614.0kJ,比原模型(656.2kJ)减少了6.43%。同时,在优化模具(I)的基础上,通过优化加热速率和热流密度配置,GMP加热装置产生的能量分别为594.4kJ和608.0kJ,分别降低了3.19%和0.98%;最后通过对模具结构、加热速率、热流密度配置的能耗优化模型的最小CO_2排放量分析,最小CO_2年排放量为31,957.6kg,较原始模型降低9.4%,这对实现绿色制造及可持续性发展具有非常重要的意义。

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