专利名称：一种用于非球面玻璃镜片热模压成形的新型模具制造方法
技术领域：
本发明是一种用于玻璃镜片热模压成形的新型模具制造方法，主要用于非球面玻璃镜片的高效率、高精度批量制造。
背景技术：
非球面玻璃镜片是现代光电系统中最为关键的零部件之一，与普通镜片相比，采用非球面玻璃镜片的系统能够得到普通光学系统难以企及的光学性能，如提高光学系统的相对孔径、增大视场角、改进像质、改善高照度均勻性；缩短系统光路，使其轻量化、小型化； 实现普通光学元件难以实现的微小阵列、集成成像和波面转换等新功能。目前，我国玻璃镜头的生产厂家绝大部分采用传统的精密研磨-抛光技术进行玻璃非球面镜片的生产，耗时较长，通常一块镜片约需2 5小时，因此这种方法很难用于大批量生产，而与之相比，热模压成形技术在制造工序上减少了 9道工序，加工一块镜片只需十几分钟，这极大提高了非球面玻璃镜片的生产效率，使得大批量的生产成为可能。在先技术之一(参见“光学玻璃镜片热压成形之模具最佳化设计”，台湾国立交通大学硕士论文，吴宗骏)采用传统的模具加工技术，直接在硬质合金模具如碳化钨上磨削出非球面，并进行抛光，然后镀DLC膜，其寿命很短，而且容易产生亚表面损伤。在先技术之二(参见"Glass mold material for precision glass molding 精密玻璃模压的模具材料”，Michae 1 K. Budinski，Pittsford等，美国发明专利，No. 6363747， 2002)采用铝硅酸盐加工模具，直接磨削，主要针对高熔点玻璃镜片进行模样成形。在先技术之三(参见《模造玻璃透镜模仁》，吕昌岳，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司，中国发明专利，2004)采用Re-Ir和碳化硅交互层叠制造模具，碳化硅是硬脆材料，无法车削，只能采用磨削技术进行加工，而贵金属Re-Ir膜层较厚，容易影响镜片面形，模具亚表面损伤较为严重。 τ^ ^^-Η (#JAL Method of molding chalcogenide glass lenses ρτ ^^il 镜片的模压方法，Albert Ray Hilton，美国发明专利，US6668588B1，2003)介绍了硫系玻璃模压模具，主要采用不锈钢模具基体，再镀一层无电解镍，然后进行车削，但此种模具制造方法只能用于低熔点硫系玻璃的热模压成形，对于高熔点的玻璃难以适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，为克服上述现有技术的缺点，提出一种用于非球面玻璃镜片热模压成形的模具制造方法，采用四种不同材料构成模具的热压成形过渡层， 基体是碳化钨等硬质合金，热膨胀系数小，可防止急剧冷热变形引起模具 发生裂痕等损伤， Ni-Co缓冲层可减少M-P合金层因反复加热冷却而引起的热疲劳结晶化作用，延长模具的寿命；M-P层用来形成精密非球面形状，可方便车刀进行超精密加工，在M-P层上镀层贵金属保护模或DLC碳系膜，可防止模具与镜片粘连，同时防止镜片表面变形，此模具制造方法既方便加工，又能延长模具寿命，适用于各种转化点温度的玻璃镜片成形。
本发明的技术解决方案是，所述模具的第一层，也即，模具基体，是热膨胀系数小、 材质硬度很高的碳化钨或碳化硅等材料，通过金刚石砂轮进行磨削，形成非球面模具粗坯， 然后在其上镀层Ni-Co缓冲层，再在Ni-Co缓冲层上镀Ni-P，厚度约是Ni-Co层50倍左右， 对M-P层采用金刚石刀具进行超精密切削，达到所要求的模具表面精度，最后镀上一层贵金属或DLC保护层。以下对本发明做出进一步说明。参见图1，本发明所述的用于非球面玻璃镜片的模具制造方法，现在碳化钨或碳化硅(或其他热膨胀系数小、硬度高的硬质合金)基体1上采用325#号(或其他用于粗加工的新号砂轮)金刚石砂轮进行粗磨，获得基本的非球面形状，形状精度PV值约为0. 8-2um, 粗糙度为0. 1-0. 2um,然后在基体1上镀一层约Ium厚的Ni-Co缓冲层2，Ni-Co缓冲层主要为了缓解其上M-P合金车削层3因反复加热冷却而引起的热疲劳结晶化作用，延长模具的寿命；Ni-P合金车削层3的厚度约为Ni-Co缓冲层2的50倍左右，约50um，金刚石刀具主要用于车削Ni-P合金层3，此阶段要求非球面面形精度较高，一般要达到直接模压的非球面模具精度，PV值为200nm以内，粗糙度为20nm以内，最后与玻璃镜片直接接触的是镀在Ni-P合金层3上面的保护层4，一般由贵金属或DLC类金刚石膜组成，起到防止模具面形变形过大、避免镜片与模具粘连等作用，保护层4的厚度，贵金属一般在Ium左右，DLC膜一般在几百nm左右。新方法制造的模具耐高温高压，模压温度从200°C 700°C，模压压力在 20kN左右，模压时间在3 8分钟左右，模压过程抽真空或冲入氮气，防止模具表面氧化。 由于加入了 Ni-Co缓冲层2，因此承受模压作用的Ni-P合金层3在高温下亚表面损伤较小， 面形变化也很小，由此大大提高了模具的寿命。所述的模具基体1由热膨胀系数小、硬度高的硬质合金材料做成，在高温下不易氧化和变形，由于车削硬质合金难度较大，而且费刀具，因此对模具的基体1 一般采用粗型号金刚石砂轮进行加工，加工精度低于车削精加工一个数量级；所述的Ni-Co缓冲层2位于模具基体1表面，厚度约lum，起到缓解冷热急剧变化产生的亚表面损伤的作用；所述的Ni-P合金车削层3位于Ni-Co缓冲层2之上，采用金刚石刀具对其进行车削，达到模压镜片所需的面形精度和表面粗糙度，Ni-P层3的厚度较厚，约50um左右，一般视模压产品的情况而定，Ni-P合金易于车削，并且刀具损耗较小，容易达到模压要求的精度，这大大节省了模具加工成本。所述的保护层4位于Ni-P合金车削层3上，可采用Ir-Pt等贵金属或DLC类金刚石碳系膜，贵金属膜厚度约lum，使模具寿命更长，DLC膜较薄，约几百nm，寿命较短，成本低。由以上可知，本发明为一种用于非球面玻璃镜片热模压成形的模具制造方法，模具由四层不同的材料组成，较之纯硬质合金模具来说加工难度大大降低，而且使用寿命大大提高，适用的玻璃类型也扩大了许多，从硫系玻璃、低熔点玻璃到K9、BK7等高熔点玻璃均可适用。
图1为本发明所述模具的结构示意图。在图中
1-模具基体2-Ni-Co 缓冲层 -Ni-P 车削层4-保护层
具体实施例方式如图1所示，本发明所述的用于非球面玻璃镜片热模压成形的模具制造方法中， 模具基体1 一般采用碳化钨或碳化硅(或其他热膨胀系数小、硬度高的硬质合金)材料， 并用325#号(或其他用于粗加工的新号砂轮)金刚石砂轮进行粗磨，获得基本的非球面形状，形状精度PV值约为0. 8-2um,粗糙度为0. 1-0. 2um,然后在基体1上镀一层约Ium厚的 Ni-Co缓冲层2，接着在Ni-Co缓冲层2上镀50um厚的Ni-P合金车削层3，面形精度PV值为200nm以内，粗糙度为20nm以内，最后在Ni-P合金层3上镀层保护膜4，一般由贵金属或DLC类金刚石膜组成，起到防止模具面形变形过大、避免镜片与模具粘连等作用，保护层 4的厚度，贵金属一般在Ium左右，DLC膜一般在几百nm左右。新方法制造的模具耐高温高压，模压温度从200°C 700°C，模压压力在20kN左右，模压时间在3 8分钟左右，模压过程抽真空或冲入氮气，防止模具表面氧化。所述的模具基体1由热膨胀系数小、硬度高的硬质合金材料做成，在高温下不易氧化和变形，由于车削硬质合金难度较大，而且费刀具，因此对模具的基体1 一般采用粗型号金刚石砂轮进行加工，加工精度低于车削精加工一个数量级；所述的Ni-Co缓冲层2位于模具基体1表面，厚度约lum，起到缓解冷热急剧变化产生的亚表面损伤的作用；所述的Ni-P合金车削层3位于Ni-Co缓冲层2之上，采用金刚石刀具对其进行车削，达到模压镜片所需的面形精度和表面粗糙度，Ni-P层3的厚度较厚，约50um左右，一般视模压产品的情况而定，Ni-P合金易于车削，并且刀具损耗较小，容易达到模压要求的精度，这大大节省了模具加工成本。所述的保护层4位于Ni-P合金车削层3上，可采用Ir-Pt等贵金属或DLC类金刚石碳系膜，贵金属膜厚度约lum，使模具寿命更长，DLC膜较薄，约几百nm，寿命较短，成本低。
权利要求
1.一种用于非球面玻璃镜片热模压成形的新型模具制造方法，其特征在于先在硬质合金材质1上进行粗加工，加工出非球面毛坯；接着在硬质合金材质1镀上一层约1微米左右的Ni-Co合金2作为Ni-P (或Ni-B)合金3与硬质合金1之间的缓冲层，减少Ni-P合金层 3因反复加热冷却而引起的热疲劳结晶化作用，延长模具的寿命；然后在M-Co合金2上镀上一层约50微米厚度的Ni-P合金3作为超精密切削层；利用单点金刚石刀具和超精密车床在M-P合金3上直接加工出各种非球面结构；最后在加工出的非球面表面镀上贵金属4 当作保护层。
2.根据权利要求1所述的模具制造方法，其特征在于，所述的硬质合金材质1是可车削的合金材料，如碳化钨或碳化硅等。
3.根据权利要求1所述的模具制造方法，其特征在于，所述的M-Co合金层2约为1微米，具体数值依镜片产品的要求而定。
4.根据权利要求1所述的模具制造方法，其特征在于，所述的M-P合金层3约为50微米厚，其具体数值依据具体产品而定。
5.根据权利要求1所述的模具制造方法，其特征在于，所述的贵金属层4可为Pt-Ir系列合金或DLC类金刚石碳系膜层。
全文摘要
提出一种新的用于非球面玻璃镜片热模压成形的模具制造方法，其制造过程包括(a)先在硬质合金材质上进行粗加工，加工出非球面毛坯；(b)再在非球面毛坯上镀一层约1微米左右的Ni-Co合金作为缓冲层，减少因反复加热冷却而引起的热疲劳结晶化作用，延长模具的寿命；(c)接着在Ni-Co合金层上镀一层约50微米厚度的Ni-P合金作为超精密切削层；(d)利用单点金刚石刀具和超精密车床在Ni-P合金层上直接加工出各种非球面结构；(e)最后在加工出的非球面表面镀上Pt-Ir系列的合金(或类金刚石膜DLC)当作保护层。这种制造技术大大缩短了模具制造时间并提高了模具表面质量，达到量产和低价的目的，并能大幅度提升模具的使用寿命。
文档编号C03B11/08GK102167495SQ20101062187
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者丁刚, 丁家伟, 唐华平, 张卫华, 张浩良, 潘为清, 耿德英 申请人:江苏凯轮光学仪器有限公司