采用非接触式预热对模压红外透镜雾斑的影响.pdf
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1、文章编号:1002-2082(2024)02-0300-07采用非接触式预热对模压红外透镜雾斑的影响豆猛猛,阿达依谢尔亚孜旦(新疆大学智能制造现代产业学院,新疆乌鲁木齐830017)摘摘 要:要:非球面红外透镜模压成型时,通过提高成型阶段温度可缩短透镜压切时间,从而提高模压效率,但易在透镜表面产生雾斑,像造透镜不良。本文通过对透镜雾斑的形成机理进行分析,采用一种非接触式预热模压工艺降低透镜雾斑的形成,并在多站式模压机上进行模压实验,使用能谱仪对雾斑的元素进行检测和分析。在本次模压实验中采用非接触式预热方式,当预热间隙为1mm 时将成型温度由 206 提升至 211,透镜表面无雾斑生成,并使压切
2、时间缩短了 21s。实验结果表明,在多站式模压中采用非接触式预热方式,可以有效消除透镜雾斑的形成。检测结果表明,成型阶段透镜材料的挥发对雾斑的形成起主导作用。关键词:关键词:非球面;红外透镜;模压成型;预热压力;透镜雾斑中图分类号:TN205;TH162文献标志码:ADOI:10.5768/JAO202445.0201004Effect of non-contact preheating on fog spots of molded infrared lensesDOUMengmeng,ADAYIXieeryazidan(SchoolofIntelligentManufacturingandM
3、odernIndustry,XinjiangUniversity,Urumqi830017,China)Abstract:When the aspheric infrared lens is molded,the lens press-cutting time can be shortened byincreasingthetemperatureofthemoldingstage,thusimprovingthemoldingefficiency.However,itiseasytoproducethefogspotsonthelenssurface,likeabadlens.Throught
4、heanalysisoftheformationmechanismoflensfogspots,anon-contactpreheatingmoldingprocesswasadoptedtoreducetheformationofit,andthemoldingexperimentswerecarriedoutonamulti-stationmoldingpress,inwhichtheelementsoffogspotsweredetectedandanalyzedbyusinganenergyspectrometer.Inthismoldingexperiment,thenon-cont
5、actpreheatingmethodwasusedtoincreasethemoldingtemperaturefrom206to211whenthepreheatinggapwas1mm,withnofogspotsformedonthelenssurface,andthepress-cuttingtimewasshortenedby21s.Theresultsshowthatthenon-contactpreheatingmethodinthemulti-stationmoldingpresscaneffectivelyeliminatetheformationoflensfogspot
6、s.Thetestresultsshowthatthevolatilizationofthelensmaterialinthemoldingstageplaysadominantroleintheformationoffogspots.Key words:aspheric;infraredlens;compressionmolding;preheatingpressure;lensfogspots引言红外透镜被广泛应用于热成像领域,采用非球面的红外透镜不仅能够提高光学系统的成像质量,而且能够减少透镜的使用数量1。与单点金刚石车的非球面红外透镜加工方式相比,采用多站式模压对非球面红外透镜加工,具
7、有众多优点,如成本低、污染少、效率高等特点,更适合大批量非球面透镜生产2。在模压过程中,通过提高成型阶段温度可以缩短透镜压切时间,提高模压效率,但易在透镜表面产生雾斑,像造透镜不良。一些学者对于透镜雾斑的形成做出了相关研究,例如,KLOCKEF 等人的研究表明,模压成型室收稿日期:2023-08-07;修回日期:2023-08-22基金项目:国家自然科学基金(51665056);自治区科研创新项目(XJ2023G049)作者简介:豆猛猛(1993),男,硕士,主要从事先进制造,精密成型研究。E-mail:通信作者:阿达依谢尔亚孜旦(1963),男,博士,教授,主要从事先进制造,特种加工等研究。
8、E-mail:第45卷第2期应用光学Vol.45No.22024年3月JournalofAppliedOpticsMar.2024内残留的氧气在高温下会与透镜和模具涂层反应,在透镜表面形成氧化物沉积3;ZHOUTF 等人研究表明,高温条件下会导致透镜材料挥发异常,形成严重的透镜表面附着物,降低了透镜表面质量4;林常规等人的实验表明,模压成型温度较高时,模压后透镜中心区域呈现雾状缺陷,通过降低成型温度可以改善这种缺陷5。以上研究都是针对模压成型阶段温度对透镜雾斑形成的影响,表明了透镜雾斑的形成与高温下透镜材料氧化和挥发有关,通过降低模压成型温度能够将透镜雾斑去除。成型温度降低会增加透镜每站的模压
9、时间,并易造成红外透镜在形成压力下产生碎裂6-9。因此,需要对降低透镜雾斑的模压工艺做进一步研究。本文对透镜雾斑形成的机理进行分析,并根据透镜雾斑影响因素对模压工艺进行优化和试验验证,以达到缩短模压时间的同时,能够降低或去除模压红外透镜雾斑的产生。1 雾斑形成机理与分析在多站式模压中,模具中的销材在氮气环境下经过 3 个站位的预热、2 个站位的成型和 2 个站位的冷却,最终成为透镜,多站式模压透镜流程图如图 1 所示。预热 1预热 2成型 2成型 1冷却 1冷却 2预热 3图 1 多站式模压透镜流程图Fig.1 Flow chart of multi-station molded lenses
10、多站式模压机可放入多组模具,模压时模具在每个站位停留的时间是同步相等的,模压整个流程的总时间是模具在每个站位停留时间的总和。每站的停留时间由销材在成型 2 时模具将其压塑成透镜形状的压切时间所决定,模具在每站停留时间的设定不能低于成型 2 的压切时间。当模具处于成型 2 时,销材温度达到最高,提高成型 2 的温度可以缩短透镜所需要的压切时间。当压切时间缩短时,相应地对于模具在每站停留时间的设定便可以做出适当的降低调整,此时模压整个流程的总时间便会大幅降低。红外材料含有的砷、硒等物质在加热过程中易发生氧化和挥发,当提高成型 2 温度时,会加快红外材料的氧化与挥发。氧化物和挥发物分别在透镜表面生成
11、和冷却沉积,最终在透镜表面形成雾状斑点。由于成型 2 阶段透镜中心区域温度较高,因此透镜中心的材料氧化与挥发严重。此外,透镜与模具的接触面也会阻碍挥发物质的扩散。在成型 2 压切过程中,透镜中心与模具长时间接触,会加剧挥发物质在透镜中心积累。受不均温度和中心接触面的影响,雾斑会形成在透镜的中心区域。红外透镜雾斑是由红外材料的氧化和挥发形成,红外材料在加热过程中会产生少量氧化和挥发,可以结合透镜雾斑的形成机理对模压透镜的预热阶段温度进行分析。透镜雾斑通常是在较高温度下产生,模压透镜预热阶段温度相对于成型温度低,通过调节预热阶段的温度难以实现雾斑去除。由于加工原因,销材表面会有微裂纹存在,在微观上
12、模具和销材的接触面并不是绝对的平整接触,在加热过程中氧气和挥发物质会在接触面的封闭区域内发生氧化和聚集,销材与模具接触面的微观原理图如图 2 所示。销材在预热阶段时间长,预热过程中销材温度逐渐升高至转变点温度附近,此时红外材料硬度逐渐降低。当预热轴上的加热板与模具接触预热时,加热板与模具之间会存在一定的接触压力,在预热过程中模具和模具内的销材受热膨胀,也会对加热板产生一个反向压力。随着预热温度升高,模具与销材面积不断增加,并且透镜材料的氧化与挥发加快,加剧销材与模具接触区域的材料氧化和挥发物质的聚集。通过以上分析可知,采用一种非接触式预热的模压工艺,即在模压过程中通过限制预热轴的下降高度,使预
13、热轴上的加热板与模具之间存在1mm 的间隙,可使预热阶段的加热板不与模具接触,从而减少预热阶段销材与模具的预热接触面积,降低预热阶段销材与模具接触区域材料的氧化和挥发物质的积累,间接使透镜在成型 2 时氧化物与挥发物的积累量降低,达到降低透镜表面雾斑形成的目的。应用光学2024,45(2)豆猛猛,等:采用非接触式预热对模压红外透镜雾斑的影响3012 实验内容2.1 实验准备实验选用球形销材,根据透镜的体积确定销材直 径 为 8.4000.005mm,选 用 Se63-As30-Sb4-Sn3红外玻璃材料(IRG204),材料的转变点温度为174,软化点温度为 199。当材料温度低于转变点温度时
14、,材料表现为固态特性;当材料温度处于转变点温度与软化点温度之间时,表现为黏弹特性;当材料温度高于软化点温度时,材料转化为液态特性10。模压模具由上型、下型、型套和型环组成,其结构图如图 3 所示。模具材料选用日本 M78 无粘合剂的钨钢。针对选用的红外玻璃材料,考虑到元素扩散的影响,模具镀层选择类金刚石镀层,并且类金刚石镀层在红外透镜模压温度下几乎不发生氧化。销材型环上型下型型套图 3 成型模具结构图Fig.3 Structure diagram of forming mold由于透镜在冷却时会产生收缩,造成透镜轮廓有误差,因此需要对模具进行预补偿11。补偿后的模具非球面参数如表 1 所示。实
15、验选用 7 站式模压机,模压机由预热 1、预热 2、预热 3、成型 1、成型 2、冷却 1 和冷却2 共 7 个站位组成。模压机每个站位上方有压力轴,模压时压力轴下降,使压力轴上的加热板对模具进行加热、加压,7 站式模压机设备图如图 4 所示。表 1 模具非球面参数Table 1 Aspheric parameters of mold参数模具上型模具下型C36.49614814.488376K8.3302273.901426a200a43.05201312E-41.35331453E-4a62.83642125E-51.38642769E-5a86.26791454E-77.92043612E
16、-7a106.47256342E-81.06472546E-9a123.3476165E-93.6101124E-10图 4 7 站式模压机设备图Fig.4 Physical drawing of 7-station molding machine打开模压机的后盖可以看到模压机成型室的内部,模压机成型室内部结构如图 5(a)所示。此时将装有销材的模具放入成型室内预热站台上,然后调节设备上方的紧固螺母,并旋转限位螺栓对预热轴的高度进行调节。在加热板与模具之间使用规格为 1mm的塞尺,通过对限位螺栓反复调节,最终使预热轴上的加热板与模具之间存在1mm 的间隙,并对预热轴的高度进行测量记录,依次对预
17、热 1、2、3 轴进行同样的操作,间隙调节示意图如图 5(b)所示。操作结束后,将各预热轴调节为加热板与模具接触的初始状态。模压机初始参数设定为:氮气流量 70L/min,冷却水流量为 10L/min,每站模压时间为 200s,预模具上型销材模具下型氧原子砷原子硒原子透镜雾斑图 2 销材与模具接触面的微观原理图Fig.2 Microscopic schematic diagram of contact surface between pin material and mold302应用光学第45卷第2期热轴上的加热板与模具为初始接触状态,各站温度与压力设定如表 2 所示。(b)间隙调节示意图(
18、a)成型室内部结构紧固螺母限位螺栓预热轴塞尺模具加热板图 5 成型室内部结构及间隙调节示意图Fig.5 Internal structure diagram of molding chamber andgap adjustment表 2 各站温度与压力设定Table 2 Temperature and pressure setting for each station参数预热1 预热2 预热3 成型1 成型2 冷却1 冷却2上加热温度/120150175183200169130下加热温度/120150175183200172133压力/MPa/0.130.260.15/2.2 实验结果与分析在
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