翻译文献：
非球玻璃透镜模压成型
Anurag Jain, Allen Y. Yi
美国俄亥俄州43210，哥伦布市1971尼尔大道俄亥俄州立大学，工业系焊接与系统工程
从摘要.模压成型已成为非球面玻璃透镜中等至大批量生产的可行性制造工艺。热收缩到模具涂层磨损和长成型周期这一过程缺乏基本的理解和其他技术问题使得这一过程不适合应用到工业上。在这项研究中，模拟了透镜成型过程的各个阶段来了解不同成型参数对透镜最后质量的影响。二维轴对称的玻璃成型模拟过程使用了商业有限元方法代码。玻璃被模拟成牛顿流体和温度依赖性粘度而且还要考虑到热量在玻璃模具界面的传导。这项研究的主要目标之一就是创建包括粘弹性的 （对机械负荷的玻璃的时域响应）仿真模型。为数有限的实验被完成，并与实验数据的预测结果比较。虽然预测的结果似乎是定性与实验数据吻合，进一步研究需要对粘弹性、 结构弛豫 （玻璃温度改变依赖响应时间） 和在高应力水平，玻璃的非牛顿特性进行更有效的工具，用于流程分析和优化使有限元。
绪论
玻璃镜片制造作为一个科学和工程课题已经被研究了几十年。由于制作方
法的限制，早些时候的研究与开发的重点是球面透镜。然而，相较于那些非球面透镜，球面透镜可以产生高阶畸变。最近大量的努力一直致力于非球面光学制造研究 [1-3]。在这一领域的发展使得采用非球面光学元件的光学设计已成为经济现实。非球面透镜具有一个表面或两面不符合一个球形。像差是由于使用球面透镜产生的能够尽量少的使用非球面透镜的元素。如果设计合理，使用非球面光学设备元素可以减少光学畸变，内部反射透镜计数，和最小化装配要求。使用非球面玻璃元素可以满足对更便宜、 更好、 更轻，和小光设备的稳步增长的需求。对于大批量的 OEM 产品，如相机镜头、 投影物镜和电信产品非球面光学镜片注塑成型已唯一可用的制造方法。虽然玻璃是一种材料的选择对于光学的应用程序，传统的玻璃透镜制造工艺向运营商和最终提出几个问题由于使用了大量的冷却剂的用户和泥浆，复杂抛光过程控制和极高的制造成本。
作为传统的光学玻璃制作过程中的替代方法，压缩成型的精度非球面光学可能是一个有吸引力的方法。在这个过程中玻璃采空区在单人操作中处于按下状态，形成一个完成的镜头。释放应力，防止散热片缩痕，形成的镜头被允许待在模具型腔进行退火。图 1 是一个示意图显示泛型的玻璃成型工艺 的顺序[4]。实心点表明所述加热元件处于关闭状态。
图 1.玻璃成型过程的示意图
玻璃成型过程大致可以分为在三个不同阶段 A、 B 和 C （见图 2）。黑线表示温度变化,灰线在玻璃成型周期中位置较低的模具。在阶段一，N2 流经模具装配区清洁模腔。模具的装配和玻璃采空区加热的温度略高于玻璃的工作温度。玻璃工件的粘度被软化到107-109，在这一阶段能够成型。在阶段B，玻璃镜片在恒温下成型。在 C 阶段，成型工艺间的衔接通过一个快速的冷却阶段而且镜片大约在200℃下成型。各种不同的N2流速用来加速冷却供装配的模具零件。
1.实验
测试镜头有38.453 毫米半径的凹球面和48.985 毫米半径的凸球面。镜头的外直径是 25毫米，中心厚度是大约 5 毫米。透镜毛坯的玻璃材质是BK7 [6] （玻璃化转变温度 Tg = 557℃）。钨硬质合金 （WC） 用于生成 （上部和较低） 模具 [7]。模具表面的精度
地面和抛光到光学质量前薄白金涂层的 500 毫微米厚沉积。惰性薄膜涂层在工艺过程中为在严酷工作条件下工作的模具提供保护。模具制作的详细进程在表一中进行了总结。
所有 25 项透镜模压的测试在同一条件下进行，概述如下：a）加热模具和玻璃采空区到成型温度 684 ℃。b）在负Y方向684℃时以0.145毫米/每秒的速度成型。c）冷却封闭的模具装配件和镜片到200℃。模压的镜头随后被调离模具和冷却至 20℃ 。第三阶段采用 N2 气体清除 O2 和控制过程中的冷却速率。成型压力控制在在冷却期间 500 N 的恒定的水平力尽量减少从镜片的残余应力变形和温度的变化。模具表面在每个周期之前要先进性检查以确保铂涂料层没有明显损坏。
图2.玻璃成型过程中的温度变化
表 1.碳化钨模具制作工艺
磨削工艺 车轮配置 工件速度 砂轮速度 表面速度 进给速度 进料 冷却剂
SD 1,200 浓度100
树脂粘接，刀尖圆弧半径 0.5毫米 400 rpm 9,600 rpm 500 mm/min 1.5mm/min 水性冷却液
抛光工艺
金刚石晶粒尺寸
粗加工： 3m 完成： 1m
2.
数值仿真
玻璃成形模拟使用了商业有限元方法 （FEM） ，代码DEFORM-2D，基于对更新塑性大变形的拉格朗日公式分析。该方案利用网格重新划分算法，由严重的
网格畸变触发，造成的结果是优胜劣汰的新的一代人不变形网格流程变量的值从旧网格插值到新网格。
2.1 模型和边界条件
表 2 总结了玻璃和输入到仿真模型的模具的材料性能。玻璃的流动行为被假定为服从牛顿粘塑性成形法[8]，温度模拟了使用关系：
在这里，
等效von Mises 应力，[MPa]，
是应变率，[sec-1]和η
（T)是粘度的温度依赖性[MPa-s]，可以从Fulcher定律中发现：
A、B和T0是实验研究的待定系数，典型粘度值的形成温度范围约等于 100 MPa/秒（700 ℃） 和 1 MPa /秒 （900 ℃）。
表 2.玻璃和模具材料的性能 材料类型 弹性模量 （GPa） 泊松比 密度 （kg/m3) 热导率(W/m ℃） 比热 （J/kg ℃） 热扩展 （× 10 － 6 / ℃） 玻璃（BK7) 刚塑性 82 0.206 2510 1.1 750 7.1 模具(WC) 弹性 570 0.22 14650 63 314 4.9 图 3 显示的是玻璃成型工艺与位移的二维轴对称有限元模型和其应用的热边界条件。越低的模具和模具被约束在 Y 方向和速度边界条件按照模具运动在形成阶段应用于上模和模具。 采空区和工具的热边界条件有（上模和下模）：
k 是考虑对象的热导率，Tc 是模具镜片接口的接触温度，n 是曲面边界的单位向量，界面传热系数 在玻璃和模具的接触界面是2800 W/㎡ ℃。在相似的温度和压力条件下玻璃模压实验中得到了类似的实验数据。对流换热系数 (h) 值为 20W/㎡ ° C时被用来模拟在加热阶段的自由对流，值为 200 W/㎡ ℃时用来模拟在冷却阶段的强对流。
指示约束边界
Y方向的指示速度边界条件
图 3.示意图显示了模具、 冲模和镜片表面的边界应用条件。 剪切摩擦模型被用于模拟玻璃与模具之间的摩擦条件。