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光学玻璃精密模压设备总体设计及加热系统研制

【摘要】:随着光学电子设备的需求在航天军工领域、医疗健康领域和民生消费领域不断增长,特别是手机、数码相机、车载摄像头、望远镜和医疗显微镜等电子产品的迅猛发展,不但带动了光学透镜的广泛应用,也推动了非球面玻璃透镜的模压技术的研究以及相关模压设备的开发,使得非球面透镜向高像素、高精度和轻薄化的方向发展。美、日、德三国在非球面光学玻璃透镜的研究方面走在世界的前列,研究并开发了相关的玻璃模压设备。我国在玻璃材料的研究,模压工艺的改进,模压成型模具的结构设计以及模具表面镀层的研究均起步较晚,相关工程研究人员缺乏,总体水平与世界先进技术还有相当大的距离。因此,开发拥有自主知识产权的光学玻璃精密模压成型设备,将对我国光学电子产业有重要的现实意义。本论文目的是研制一台能够对BK-7光学玻璃进行一次模压成型的光学玻璃精密模压成型设备。设备的最高加热温度为800℃,模压温度高于BK-7的转化点温度,最大模压力为30kN,加工透镜的最大直径为110mm,模压成型的玻璃透镜同轴度误差小于5μm,具有比较高表面质量。本论文主要分析了在整个设备中加热系统与模具和机架的结构关系以及对加热系统的功能参数进行了详细的设计。在总体结构方面,根据国内外的先进经验,对玻璃模压设备机架的高度,模具系统的精度保证,模具、机架与加热系统的位置关系、设备驱动方式的选择以及模压工艺曲线进行了设计。在加热系统设计方面,分析各种加热方式的优点和缺点,选择短波红外辐射作为热源。通过对比发热管几种不同布局方式,选择安装和调试都比较方便的半圆型发热管。通过计算确定加热系统的功率范围:10~15kW。对辐射屏的材料和镀层进行详细分析并在其外壁采取安全性更高的水冷装置来隔热。分析石英罩的真空度要求,对其两端分别设计了O型密封圈的静密封和Y型密封圈的动密封。为了保证密封圈稳定的密封性能,对密封圈设计了水冷降温。通过仿真对比不同情况下镀层对加热效率的影响,并通过对玻璃坯料的模压工艺仿真,验证模压工艺设计曲线的可行性并对上模座的结构设计进行了优化。加热系统的加热速率为1~3℃/s,实验过程中可以根据情况选择合适的加热速率。前期,在设备的调试阶段,加热到600℃左右时,需要大概30分钟。目前,加热到最大工作温度800℃,需要12分钟左右。

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