光学塑料成型技术

光学塑料成型技术是当前制造塑料非球面光学零件的先进技术，包括注射成型、铸造成型和压制成型等技术。光学塑料注射成型技术主要用来大量生产直径100mm以下的非球面光学零件，也可制造微型透镜阵列。而铸造和压制成型主要用于制造直径为100mm以上的非球面透镜光学零件。

塑料非球面光学零件具有重量轻、成本低；光学零件和安装部件可以注塑成为一个整体，节省装配工作量；耐冲击性能好等优点。因此，在军事、摄影、医学、工业等领域有着非常好的应用前景。美国在AN/AVS-6型飞行员微光夜视眼镜中就采用了9块非球面塑料透镜。此外，在AN/PVS-7步兵微光夜视眼镜、HOT夜视眼镜、"铜斑蛇"激光制导炮弹导引头和其他光电制导导引头、激光测距机、军用望远镜以及各种照相机的取景器中也都采用了非球面塑料透镜。美国TBE公司在制造某种末制导自动导引头用非球面光学零件时，曾对几种光学塑料透镜成型法作过经济分析对比，认为采用注射成型法制造非球面光学塑料透镜最为合算。

　　4.1 注射成型法

注射成型是将加热成流体的定量的光学塑料注入到不锈钢模具中，在加热加压条件下成型，冷却固化后打开模具，便可获得所需要的光学塑料零件。光学塑料注射成型的关键环节是模具，由于光学塑料模压成型的工作温度较低，所以对模具的要求要比对玻璃模压成型模具的要求低一些。非球面模具的超精密加工相当困难，通常的加工都是首先在数控机床上将模具的坯件磨削成近似非球面，然后用范成精磨法逐步提高非球面的面形精度和表面粗糙度，最后用抛光法加工成所要求的面形精度和表面粗糙度。可是，由于数控机床的加工精度比较低，在模具加工过程中需要对模具进行反复检测和修改，逐步地提高模具精度，从而使模具的成本变得很高。因而现在的模具，是用刚性好、分辨率高的计算机数控超精密非球面加工机床和非球面均匀抛光机超精密加工而成的。首先用计算机数控超精密非球面机床将模坯加工出面形精度达±0.1μμm的非球面，然后用抛光机在保持非球面面形精度不变的条件下均匀地轻抛光，大约抛去0.01μm，使模具表面的粗糙度得到提高。

注射成型的光学塑料零件的焦距精度可以控制到0.5～1%，面形精度高于λ/4，长度公差达0.0076mm，厚度公差达0.012mm。

　　下面介绍一种日本人发明的高精度塑料光学零件注射成型法--浇口密封成型法。

　　浇口密封成型法，是一种向加热至树脂转化温度（Tg）以上的金属模中注射熔融的树脂（注射量应是：冷却结束打开模具时树脂的压力刚好是大气的压力的量），迅速密封浇口，等温度、压力均匀后，在相对容积一定、温度－压力均匀条件下，徐徐冷却至树脂的热变形温度以下后，打开模具取出压形品的成型方法。

　　首先，以大约130MP2的高压，将高温的熔融树脂注射到模具中，在高温（T1）下将浇口密封。密封在模具中的树脂，其压力在均匀化的过程中降至30MPa左右（此时的温度为：比树脂转化温度Tg高一些的某一温度T2）。从注射开始经过一定时间后，就可由压型机的合模装置上将模具单体取下。单体模具经过缓缓冷却后才可开模，取出压型成品。

　　浇口密封成型法的关键问题在于，注射到模具中的300℃左右高温的熔融树脂，如何以130MPa的压力将浇口密封死。其做法是：在成型注射之前，先将一个小球放入金属模具的浇口部，当向模具中注射熔融树脂时，小球受到树脂的挤压就会从浇口处向靠近模穴一侧移动。这时，在浇口部通往模穴的地方就会出现间隙，熔融树脂从此间隙能够流入到模穴中。而当注射成型机停止向模具内高压注射树脂时，由于压差的原因，瞬间发生树脂逆流现象，小球则被这种逆流的树脂又从靠近模穴的一侧推向模具的浇口处。此时，小球依靠高压的树脂所发生的挤压力将模具浇口堵死，完成浇口密封工作。
　　该浇口密封成型法由于是树脂注射后用小球进行浇口密封的，因而不需要保压和压缩机构及其工作。所以注射了树脂后的金属模具很容易从成型机上取下来，以金属模具单体脱离成型机身的形式进行长时间的冷却。这不但大大提高了成型机的工作效率，同时也提高了单位时间的生产效率。这种成型法可将一部分功能分配到机外的装置中去完成，改变了过去那种功能只能在成型机装置内进行的做法。

　　浇口密封成型工序分4步工序进行。

　　（1）加热工序。由金属模具的外部进行传导加热。从成型品的取出温度加热到Tg（树脂的转化温度－即模具加温需要达到的温度）以上的一定温度为止，用很短的时间进行升温，使热度做到均匀化。
　　（2）成型工序。向模具内注射熔融的树脂，使小球将模具浇口密封后，为使温度、压力做到均匀化，对金属模进行保温。
　　（3）缓冷工序。利用自行保持合模力的机构，一边维持合模状态，一边从压型机上取下压型模。取下的单体压型模具，采用自然空气冷却或是强制空气冷却的方式，以每分钟1～2℃的速度逐渐降温。
　　（4）取出工序。从压型模中取出成形品。由于压型模具已从压型机上取下，这时只要取下自行保持合模力的机构，就能打开型模取出成形品。在成形品取出过程中，由于树脂的压力相当于大气的压力，所以不需要推出装置，只要打开突出分型面的部分，成形品就能离模。

　　浇口密封成型法的关键要素，是金属模具的温度条件和注射充填条件（缓慢冷却结束时树脂压力为大气压力的条件）。因此，既使是模压成型形状和体积不同的成型品，也不用改变注射时和冷却结束时的金属模具的温度，只要有充裕的时间使温度－压力达到均匀化，并保持缓慢冷却的速度，根据模穴的容积注射充填树脂，就能进行高精度地复制。

　　4.2 压制成型法

　　所谓压制成型法就是将光学塑料毛坯放入金属模具中模压成光学塑料零件的一种方法。下面介绍其中一种压制成型方法--再熔融成型法。

　　再熔成型法，是将近似于成形品形状的毛坯，插入具有复制面形、又使树脂不能流出的金属模具中，在模穴容积一定条件下，将模穴中的树脂加热至树脂转化温度Tg以上，利用因树脂的膨胀和软化-熔融所发生的均匀的树脂压力，使树脂紧密附着到模子的复制面上，等温度-压力均匀后，在相对容积一定、温度-压力均匀条件下，徐徐冷却至树脂的热变形温度以下，然后打开型模取出压型成形品的一种光学塑料零件成形方法。

再熔成型法，通过利用不同的工序确保压形品的形状创成和面形精度，缓和了成形品内的残留应力和密度分布，实现了成形品的精度优良制作。再熔成型法工艺由下述2道工序组成。

　　（1）毛坯成形工序。使用普通的注射成形法，制作近似于最后成形品形状的毛坯成形品。

　　毛坯成形工序，由于采用的是通常的注射成形法，在将熔融的树脂向低于树脂热变形温度的模具中注射充填过程中，表层部就会骤冷固化，毛坯会有收缩。若出现面形不能复制的话，则是残留应力比较大的缘故。

　　（2）面形复制工序。将毛坯插入具有复制面形、而又使树脂不能流出外部的不同模具中，加热－冷却，进行面形复制。

　　面形复制工序是将低精度的毛坯高精度化的一个工序。具有面形的模具，通过加热至树脂的Tg（树脂转化温度）以上，残留应力可以得到缓和。进而，由于加热时树脂的软化－热膨胀能使模穴内发生均匀的树脂压力，所以，能够实现高精度的面形复制。

　　为了防止发生温度分布和压力分布，冷却需要缓慢进行，而且必需冷却至树脂热变形温度以下。这样，开模取压形品时，成形品才不会变形。另外，由于开模时的树脂压力必需大致相当于大气压力，因此，模穴容积一定条件下的毛坯的重量误差也是应该引起重视的一个要点。

　　通过实施各自具有特征的毛坯工序和面形复制工序，可以构成能生产性能优良的塑料光学零件的制造系统。

　　再熔成形法的面形复制工序的设备，除了能够开、合型模的冲压机外，还有不需要有浇口和喷嘴之类的部分金属模具，制作起来很便宜。因此，设备增设起来很容易。可以根据生产量的情况，适宜地进行设备投资，建立起一个相对应的柔性生产系统。

　　再熔成形法的特征是：由于再熔成形法的毛坯成形工程采用了普通的注射成形工艺，所以具有成形周期短、适合批量生产之优点。但是，面形复制工程必需实施加热、冷却工程，因此又存在着与浇口密封成型法一样周期长的缺陷。然而，因为不需要像通常注射成形工艺那样的注射、充填工序，所以也就不用考虑树脂流路的问题。又因成形时产生的压力小于30MPa（通常的注射成形为100MPa左右），故并不要求模具有很高的刚性。模具因为体积小而可使用多个，因此，可以采用多个模具弥补生产效率低的不足。由于加热、冷却容易控制，成形周期缩短，所以生产效率可以提高。

　　另外，由于毛坯成型工序和面形复制工序能够独立操作，面形复制工序的冲压机可以对每一个压形品的成形条件进行设计，所以可以进行不同树脂、不同形状的成形品的混合生产。

　　利用该成型法制作的非球面反射镜经过形状测量，结果是：在±100mm范围内，反射面的弯曲（起伏）度在4μm以下，成形品的精度很高。

本文为网络收集，作者未知。

leizsai

2007-11-23 16:38

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5 计算机数控研磨和抛光技术

　　技算机数控研磨和抛光技术是一种由计算机控制的精密机床将工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性抛光模抛光，使工件在不改变精磨面形精度的条件下达到镜面光洁度的光学零件制造技术。该技术主要用来加工中、大尺寸的非球面光学零件。加工零件时，磨削工具受计算机控制，在工件表面进行磨削去除加工。磨削工具根据工件的不同加工余量，在工件表面停留不同的时间来实现非球面加工。工件加工精度主要取决于测量精度和所采用的误差校正方法。

　　非球面光学零件的精密研磨抛光比较普遍采用的一种技术是：小型磨床修正研磨抛光法。

　　小型磨床研磨抛光法分为纵向扫描和光栅扫描两种方式。纵向扫描方式是：被加工的工件以一定的速度旋转，抛光器则沿着贯穿工件轴心的断面进行摇动。纵向扫描方式对工件轴心附近的形状控制和非旋转对称部分的形状误差的修正研磨抛光比较困难，但是研磨时间可望缩短，设备比较简单。光栅扫描方式则是：被加工的工件不旋转，抛光器在工件的表面移动研磨抛光。这种方式不仅容易进行非旋转对称部分的修正研磨抛光，而且还可以进行离轴光学零件的研磨抛光加工。但是，此种方式的设备组成较为复杂，成本比较高。

　　为了提高加工精度，小型磨床加工系统必需具备很高的精度和反复再现性、研磨去除量不随时间变化而变化、高精度的模拟计算、和与实际研磨的一致性等条件。小型磨床研磨抛光加工的工艺流程大致如下：首先由三维测试机、激光干涉仪测出加工面的形状精度，求出面形误差。工作站根据面形误差计算出需要研磨抛光的轨迹，并将该研磨抛光轨迹转换成数控编码传送给磨床进行加工。加工完了后进行面形精度测试。面形精度若是没有达到要求，再反复地进行计算、加工。通过这样反复地进行面形测试、计算、修正研磨抛光，即可达到提高面形精度的目的。

　　小型磨床最早是由美国研究开发的，其磨头直径不超过工件的1/3，由计算机计算去除量，加工精度比较高。可以高精度地加工直径1500～1800mm的大口径非球面。目前，美国亚里桑那大学的光学中心，已基本上用计算机数控研磨抛光加工技术取代了传统的手工研磨抛光加工非球面光学零件。另外美国罗彻斯特大学光学制造中心也已获得了300多万美元的国防基金和几家大公司的资助，实现了非球面透镜生产的自动化。

　　80年代末，日本研制出了的超精密数控范成法研磨机，使用该研磨机加工出的光学零件，其面形精度达到了0.08μm，表面粗糙度的均方根值为0.2nm。若用沥青抛光模进行加工，表面粗糙度的均方根值能达到0.035nm。最近，日本采用门型机械加工中心，使用4000#～8000# 铸铁丝结合金刚石砂轮，利用ELID（在线电解修正法）磨削法，磨削BK-7光学玻璃，所获得的非球面的面形精度为1μm，表面粗糙度为 43nmRmax。

　　德国的计算机数控研磨抛光技术很快。Loh公司生产的CNCSPM50和120研磨抛光机，不仅可以粗、精磨球面光学零件，而且还可以粗、精磨非球面光学零件。施耐德（SCHEIDER）光学机械公司90年代末制造的ALG100型计算机数控非球面磨床和 ALP100型计算机数控非球面抛光机，可以高效率地进行非球面光学零件的生产。

　　ALG100型计算机数控非球面磨床，可在对话框中直接输入非球面加工参数，自动计算非球面磨削加工量；采用先进的导向装置与旋转加工技术，各轴与旋转轴的传动使用了高性能数字AC伺服传动装置；采用干涉测量系统加强加工过程中的工件的测量，能对工件的非球面加工进行优化调整；非球面加工中心能够直接进行非球面或棱形的组合加工，具有综合预加工的2、 3维混合加工技术功能；旋转轴采用高频空气轴承，可利用环形工具进行高速的球面预加工，能够获得最佳透镜半径等特性。

ALG100非球面磨床的主要技术规格如下：加工工件尺寸：最大直径为150mm，半径为10mm的平面；轴数3轴（X，Z，B）X、Z；轴的推进（进刀）速度为0.01～5000mm/min；X、Z轴的位置往返精度为±0.001mm；B轴的推进（进刀）速度为0.01～4300°/min；B轴位置往返精度为±4"；连接机构旋转轴（H×D）25×42mm；主轴转速度为5000～15000转/min；工件轴转速为25～1500转/min；磨床外形尺寸1150×1900×1220mm；质量为1000kg。

　　ALP100型计算机数控非球面抛光机，可以在对话框中直接输入非球面加工参数；自动计算非球面抛光加工量；使用特殊加工的非球面磨具抛光；抛光参数可进行计算机数控、调节与观察；可以优化计算机数控的抛光轨迹，制作出高表面质量的复杂的非球面几何形状；采用了先进的导向与转轴技术，可高速地进行连续的轨迹抛光；各轴和旋转轴都采用了高性能的数字式AC伺服传动装置；可基于图形模式进行优化抛光的调整等特性。

该抛光机的主要技术规格如下：可加工工件的尺寸：最大直径为150mm，半径为10mm的平面；轴数3轴（X，Z，B）；X、Z轴的推进（进刀）速度为0.01～5000mm/min；X、Z轴位置往返精度为±0.001mm；B轴的推进（进刀）速度）0.01～430°/min；B轴的位置往返精度为±4"；连接机构旋转轴25×42mm；主轴转速度为 50～2500转/min；工件轴转速为25～1500转/min；抛光机外形尺寸1150×1900×1220mm；车床质量1000kg。

leizsai

2007-11-23 16:39

还有

6 光学零件加工的柔性自动化技术

　　近10多年来，计算机数控技术发展很快，已迅速被大多数工业加工行业所采用。目前，计算机数控的加工方法，特别是计算机数控加工中心已经被认为是增大加工的灵活性、提高工件加工的速度和质量的最基本的方法。在过去的年代里计算机数控技术在光学加工行业中的应用比较少，这几年已经引起了行业专家们的重视。

　　自1990年起，为满足军用光学系统目前和未来的需求，美国"陆军制造技术计划"支持发展新的技术。美陆军材料司令部投资700万美元在罗彻斯特大学建立起一个面积达1670m2的光学制造中心。该中心得到了美国精密光学制造协会和美国国防部的支持，其成员目前已有100来个。

　　建立光学制造中心的目的，是想通过引进以定型加工为基础的计算机数控加工机床，使劳动力密集型的光学加工技术迅速实现柔性自动化，从而改善美国在光学零件制造方面的能力，使美国工业的光学基础恢复元气。光学制造中心，通过和其成员之间的紧密联系，加快了新技术的开发步伐，不久便开发出了称之为光学自动化和管理（Opticam）的新光学加工技术。这种Opticam技术，以定型加工为基础，通过计算机数控机床和柔性工具，实现光学零件加工的柔性自动化。

　　1992年光学制造中心研制出了第1台型号为Opticam SM的加工系统，实现了光学零件在计算机数控机床上加工的梦想。该机床的工具轴为具有空气轴承的高速旋转轴，其线速达50m/s。工具为金属结合剂的金刚石环形磨轮，其粒度分别为20～10μm、12～6μm、4～2μm。在零件加工过程中，计算机控制进给，机械手更换夹具。该加工机床加工的光学零件其表面粗糙度（RMS）可达20nm以下，次表面的破坏层深度小于2μm。 5分钟内面形精度可达1λ（PV值）。1993年该中心又推出了第2代设计产品Opticam SX加工系统。这是一种非常灵活的运动精度为亚微米级的5 轴计算机数控精密加工中心。使用的工具为由烧结金刚石磨料制成的环形磨轮。磨轮的转速为10000转/min，工件轴的转速为200转/min。机床的定位精度为1μm，转角精度为1"。该系统能完成所有球面零件的粗磨、精磨、超精磨、定中心、磨边、倒角等加工工序。能加工直径为10～150mm的凹凸半球零件。加工出的光学零件的面形精度好于λ/3（P-V值），表面粗糙度的均方根值为3～10nm。目前这种Opticam机床已被12家光学零件制造厂使用，已生产出了可供标枪导弹、F-16飞机、目标捕获指示瞄准具/驾驶员夜视传感器和导弹寻的改进计划等用的光学元件。

　　 Opticam技术的开发应用，极大的提高了光学加工的适应性和生产率，收益巨大。首先是，使光学零件加工摆脱了对熟练技术工人的依赖，工人不再需要进行长时间的培训。只要利用给与的工件加工参数，任何计算机数控机床操作员均能生产出符合要求的光学零件，而且可以100%的提高产量。因此，它完全能够应付因战争动员所造成的生产量骤增。其次是，不再为每种透镜配备专用的工具与夹具，从而使光学零件的加工费用得以降低。罗彻斯特大学光学制造中心，曾利用初步得到的数据将这种新技术与传统的光学加工方法作了比较，按保守估计得出的结论是，用新技术比用传统的技术要平均节省20%的费用。其三是，由于 Opticam技术提供的柔性加工能力使在同一台机床上可以生产不同的光学零件，且很快就能拿出样品，所以可使光学元件加工的总周期缩短30～60%。

　　为了进一步完善Opticam技术在光学加工领域的应用，在"陆军制作技术计划"的支持下，罗彻斯特大学的光学制造中心正潜心作如下方面的工作：①针对Opticam SX加工系统加工出的玻璃透镜仍需通过一次抛光工序的加工，才能去除次表面的损伤和使表面粗糙度的均方根值小于2μm，正在研究原苏联人Belarus发明的磁流体精加工技术。现已研制出利用磁流体抛光技术的Opticam磁流体抛光样机和定型方法，下一步工作是研究确定磁流体抛光过程的特性和将其工作最佳化；②研制价格便宜的、加工直径为2～50mm的透镜用的Opticam micro SX机床，将Opticam技术扩展到微型透镜加工领域。③进行金刚石磨料刀具最佳化和改进冷却剂的研究。打算利用日本人发明的加工中电解整修技术，通过计算机控制电解去除研磨工具的粘结材料，在研磨中不断地进行金刚石研磨工具的整修。④1996 年，美国国防高级研究计划局启动新的600万美元的技术再投资计划，预将Opticam技术扩展到玻璃和易碎材料的非球面透镜的制造领域。光学制造中心正在进行这项工作的研究，打算通过将定型微研磨技术与磁流体抛光技术相结合的做法来实现这一计划。按计划1999年实现制作设备商品化。

另外，罗彻斯特大学光学制作中心还开始了有关制造非轴对称和共形光学元件方法的研究，预将Opticam技术延伸到非径向对称元件的成形加工领域。

lgqys	2007-11-25 14:38
好资料，不过离我有点远。

江湖浪子乐	2010-01-07 14:26
写的太好了 QqK{~I\|l

bozai310	2013-03-11 16:23
好资料！我想求模压制作菲涅尔透镜的公司，机器和精度。不知道怎么找。

ysc212	2013-03-12 09:30
学习中。。。。感谢分享！

max11	2014-09-02 23:07
不错学习了

彭亦超	2015-12-25 09:49
学习一下

qqppzf	2020-11-13 10:50
谢谢，学习一下

如意	2022-03-28 10:22
学习了

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