光学零件的毛坯成型与铣磨工艺
第一节 型料毛坯的成型工艺
一、型料毛坯的成型工艺
光学零件毛坯的型料化对于提高光学冷加工效率、提高光学玻璃的利用率，节约劳 动力，降低成本具有显著的作用。国外自二十世纪七十年代以来，光学零件毛坯工艺完全突破古典法的束缚，实现了连续熔炼、滴料成型，使光学玻璃的利用率提高到90%以上，而型料毛坯的供应量达到整个光学零件毛坯的80%以上。
光学零件的毛坯成型可以分为两种方法。即二次成型法和一次成型法。二次成型又
钢筋保护层塑料垫块叫热压成型法、一次成型又叫滴料成型。
（一）热压成型法（二次成型）：热压成型的工艺流程是先将光学玻璃加工成块料，
然后经过切割、调整重量，再将玻璃加热软化，压型，退火、检验。在这整个过程中，有几个重要的概念需要加以介绍。
毛坯精度：热压成型法加工的毛坯主要控制其几何形状精度、尺寸精度和表面质量。
影响毛坯精度的主要因数是工艺条件。压型的玻璃零件料的重量波动、模具的热膨胀，玻璃压型后的收缩，压型后冷却速度等。
直径公差：主要取决于模具材料的热膨胀系数α、光学玻璃的热膨胀系数β、压
型时模具的温度t 和光学玻璃的温度t '，则压型件室温下的直径D 与模室温下的内径D 0之间的关系式为 )1)(1(0t t D D '-+=βα
曲率半径的公差：压型件的曲率半径一方面受模具曲率半径的影响，也受玻璃收缩
的影响。当压型件开始冷却时，表面的冷却速度高于中心的冷却速度，从而在内外均冷到室温后，压型件表面收压应力，中心受张应力，于是造成压型面中心部位的凹陷型收缩，玻璃料内部产生小气孔。因此，适当降低压型的温度是有利的，而磨具设计应将压型件的收缩量加以响应的补偿。
厚度公差：厚度公差是压型件的关键精度。主要可以控制玻璃料的重量达到要求。
引向器
但采用常规的天平称量，滚筒加工方法，无法达到精度要求。现在多用棒料加工，可以达到较高的精度。
压型件的表面质量：一方面决定于型腔面的表面质量，另一方面也决定于压型温度
和防粘剂。国外曾采用将型心施以微振，使压型件便于脱膜，而且能中心到位，保证压型件的几何形状。
下表是常用材料的压型工作温度。
（二）一次压型法（滴料成型）
滴料成型的工艺流程是：熔化玻璃原料——辊成长条——加热熔炼——滴料控制——滴料剪切——压型——零件脱模——退火——检验。此方法的优点是生产率高、省料、加工余量小和表面质量好。但也具有如下缺点：1、压型适用的零件范围有限，一般为直径10-20mm的零件。2、只能有部分光学零件热压成型。3、切口处留有刀刃。
一次压型法不仅可以生产毛坯，还可以生产棒料、板料、方料、三角料、管料等。如图所示为滴料、成型、退火的示意图。
从示意图可以看出，已熔炼好的玻璃熔体从炉体1的底部，经漏料管2流出，漏斗管外有电加热器，使漏料管内的玻璃熔体保持恒温，从而使玻璃保持一定的粘度。玻璃熔体自漏料管流出后，由气动剪刀机3根据玻璃的密度、粘度、压型件重量进行控制，剪切玻璃滴，滴入多工位转盘压力机5的第一工位压模内。在压型大尺寸的毛坯时，接料的工位，其底座可以升降，随着玻璃液进入模具中数量的增加，底座逐渐降低，保持玻璃液流在空气中的流程不变，从而避免出现折叠。在转到第二工位后，为了减少剪刀印，并使玻璃液在模子中能均匀摊平以及改善外观质量，在第二工位进行火焰抛光，然后上模下落，使之压型。对于大尺寸毛坯，在压型以后，为了防止边部炸裂和压型件变形，在工位3和4，进行模边火焰加热，以减小压型件中心和边缘的温度差。工位3、4、5是使型料及下模逐步冷却。工位6是型料由下模取出，通过移料机6、皮带传输机7、拨料机8送入链带退火炉9，消除内应力，用偏光仪检查，装入成品箱。转盘压力机的工位7、8是使下模继续冷却，工位9和10下模关闭并锁紧。
若制成条形料，则玻璃熔体自漏料管流出后，流入铝青铜材料制成的玻璃流液槽内，再经动力牵引轮，送入带有传送链带的保温炉内退火。
对于棒料或管料，可以用牵引成型机。
滴料成型也称直线成型，其特点是：熔炼玻璃出料、压型、移料和退火是连续的，便于自动化生产。
二、光学玻璃的精密退火
光杆排线器
玻璃从典型的液态转变成具有和脆性的固态，要经过一段过渡的温度区域，这一温度区域称为转变温度区域，其上限为软化温度，其下限为转变温度。在转变温度以下，外形可以认为不随温度变化。但在转变温度以下相当大的温度范围内，玻璃内部的结构组团仍具有一定的位移能力，可以消除以往所产生的内应力和结构上的不均匀性。为了保证
玻璃毛坯外形不变的情况下，消除玻璃的内应力及提高结构上的均匀性，只能在这一温度范围内进行退火。这一温度范围称为光学玻璃的退火温度范围。所对应的粘度范围为1012PaS-1016PaS 之间。低于这一温度区域时，可认为玻璃的结构已被固定，称为玻璃的结构固定温度。
当加热或冷却在低于结构固定温度以下时，玻璃只有弹性变形而没有塑性变形，温
差所产生的内应力是弹性内应力。所以，在其产生的条件消失后，就不再存在了，称暂时应力。
当把没有退火的玻璃，加热到退火区域中某一温度保持足够长的时间，玻璃中的内
应力就会完全消失。这是由于退火温度区域内，分子的热运动动能大，玻璃的结构组团可以产生位移、极化变形，使玻璃的内应力松弛。玻璃在高温下内应力松弛称为塑性退让。在退火温度范围内降温的过程中，由于玻璃温差所产生的应力可以被塑性退让掉，所以，在退火温度范围内虽有温差，但没有内应力。当退火温度范围的降温遗留下来的那部分温差在室温下继续均衡时，外层将受张应力，这种应力在室温下是不会消失的，称永久应力或残余内应力。
从熔融状态或二次成型冷却下来的玻璃毛坯，内应力是很大的。如果把这样的玻璃
扑克记牌器升温到退火区域某一温度，保持足够的时间，使残余内应力完全塑性退让掉，再以很慢的冷却速度经过退火区域，使塑性退让的程度尽量小，那么冷却到室温以后，可以得到较小的残余内应力，这就是光学玻璃退火过程的实质。退火时，可以选择较低的退火温度，经过保温将退火前的残余内应力完全塑性退让掉，以指数增加降温速率，这样虽然内外温差很大，但由于降温时间短，粘度又很大，温差所产生的内应力并没有被完全塑性退让掉，大部分表现为暂时应力，只有被塑性退让掉的那部分温差所产生的内应力在退火后才表现为不可消失的残余应力。经过退火区域降温后的残余应力，根据弹性力学理论导出了各种形状、尺寸、导温系数及降温速率对退火后残余内应力的影响，若有厚
度为2a （m ）大无限大平板，其线胀系数为α（1/0C ），导温系数k(m 2/h)、弹性模量E
（Pa ）、泊松比μ、退火区域的降温速率系数为h(0C/h)，则在厚度截面上某点x(m)的
应力P （Pa ）为：
)3()1(622x a k hE
P --=μα
薄板表面与厚度中心之温差为θ∆，则 k
桌卡制作ha 22
=∆θ 由此得 x=a 和x=0时的应力P a 和P 0分别为 θμ
α∆--=132E P a θμ
α∆-=1310E P 以上两式是假设退火过程中沿无限薄板表面没有温差，仅由于厚度方向的温差而产生的应力。而一般的平板，退火过程中沿直径方向也存在温差r 0θ∆，使玻璃在降温后产生残余径向应力和残余切向应力。利用弹性力学对边缘应力进行计算，若玻璃圆盘的半径为R ，厚
度为2a ，在退火过程中假设：1、保温阶段，中心和边缘无温差，仅在降温时产生温度差00θθθ-=∆r r ；2、温度梯度沿圆盘表面分布是轴对称的；3、温度沿半径的分布是简单的抛物线。则可以求得离中心距离为r 处的径向应力r σ和切向应力t σ为：
)11(2110022⎰⎰-
⋅--=r R
r rdr r rdr R E θθαμμσ )11(2110022⎰⎰++-⋅--=r R r t rdr r
rdr R E θθθαμμσ 以一般玻璃的平均常数计算，这时20.0=μ，211/1066.0m N E ⨯=，
C 06/108-⨯=α。代入上式，可以简化为
)1(108.122
05
R r R r -∆⨯=θσ （单位：N/m 2） )31(108.122
05
R r R T -∆⨯=θσ
第二节 块料毛坯的切割工艺
切割是固体材料的连续界面发生规则断开并有序分离。可分为锯片切割和静压切割两大类。用锯片切割由于切屑较多，又称为有屑切割。静压切割又叫无屑切割。块料毛坯的切割有多种方法，根据切割机的系列，可分为外圆切割机、内圆切割机、套割机以及静压切割机等。
一、手工切割
手工切割的特点是设备简单，不需要装夹。缺点是劳动强度大，切口平整性差。在切割棱镜毛坯时，
常利用专用夹具。下图是手工切割示意图。
手工切割金刚石锯片基体选用A3钢。金刚石粒度60-80，浓度为75-100%，青铜结合剂。手工切割中常出现的问题见下表。
二、外圆切割
利用外圆切割机切割玻璃的特点是切口平整性好，劳动强度低。但是零件装夹比
较麻烦，对于小块零件更不方便。机床一般采用金刚石锯片，对玻璃进行高速切割。锯片可做下降切削，工作台做纵向进给。大多数工序由电器控制，实现半自动加工。
Q8404切割机用金刚石锯片
三、内圆切割
内圆切割是采用如图所示的内圆锯片进行的。锯片基体选用45钢，粒度范围280-W40，每片含金刚石0.1g 。该方法的优点是切口平整，粗糙度好，锯口窄（约0.3mm ），尺寸精度高，平行度好。缺点是不适于切大块料，锯片使用寿命短，工件装夹费事。一般用于工件厚度薄、平面度要求高，材料比较昂贵的情况，例如晶体加工。
四、静压切割
（一）切割原理
当玻璃表面不存在任何缺陷的情况下，玻璃的强度由各组分之间的键强度决定，玻璃的理论强度是Pa 10
103.1⨯，而实际的强度比理论强度低几个数量级，一般在Pa 98102105⨯-⨯的范围。由于玻璃强度是以玻璃断裂而达到极限的。因此，按照力学的观点，在材料表面上预先制出预应力划痕，并施加与划痕走向相垂直的拉应力，可使材料在失稳状态下发生低应力脆断。
芯棒单颗粒金刚石划割玻璃就是一个应用断裂力学的简单例证。如图所示，裂纹尖端所
受到的应力r σ要比拉应力σ大得多。根据计算，一个μ2=a 的细微裂纹，其σσ200=r ，而当r σ达到玻璃的强度极限时，玻璃就发生断裂。
由材料力学的拉压理论可知，当在棒料径向施以压应力P 1，则其轴向必然产生拉应
力P 2，如图所示。只要P 1值满足下式，棒料将被拉断。
