硫系玻璃棒料成型装置及方法与流程

本发明属于硫系玻璃二次热成型技术领域，具体涉及一种硫系玻璃棒料成型装置及方法。

背景技术：

硫系玻璃被视为新一代温度自适应红外光系统的核心透镜材料，可广泛应用于军用和民用的红外系统中。随着在军民领域应用的越来越广泛，红外镜头快速、低成本获取技术成为制约硫系玻璃产品普及与发展的重要因素。其技术障碍在于：传统的红外镜头毛坯制造需要经过大坯料切割、分解、研磨、软化压型等工序，工序多；在各道工序中容易造成坯料表面或内在发生裂纹，使坯料报废，从而导致材料的利用率不高，成品率较低。

为了解决上述问题，有研究提出将硫系玻璃预成型为小口径棒料以直接满足相应口径镜头的快速获取，从而减少硫系玻璃二次压型备料环节的诸多工序，提高良品率，同时节约备料环节的料损，最终实现了硫系玻璃红外镜头的制造成本降低。但是，现有技术中制造“硫系玻璃棒料”仍然存在以下缺点：硫系玻璃棒料的装置为倾斜式结构，设备占地面积大，浪费厂房空间；硫系玻璃棒料的两端，一端为v型尖头，一端为v型凹坑，其在加工为镜头时棒料两端的材料无法使用，使得材料利用率较低；由于棒料成型为倾斜式结构，受重力因素影响使得硫系玻璃棒料的椭圆度不对称，质量不高；由于其升温速度慢导致硫系玻璃的成型时间长达17小时以上，制造效率很低。

为此，亟需开发一种新型的硫系玻璃棒料的成型装置及工艺。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种硫系玻璃棒料挤压成型装置及工艺，所要解决的技术问题是通过成型装置的改进，克服了棒料两端材料无法使用的问题，提高了材料利用率；通过工艺优化缩短棒料挤压成型时间，提高了成型效率；同时，本发明的技术方案提供的成型装置为立式成型，一方面避免了成型的棒料受重力因素影响导致的椭圆度不对称的质量问题，另一方面也解决了设备占地面积大，浪费厂房空间的问题，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种硫系玻璃棒料成型装置，其包括：

化料系统，其包括内部嵌设石英型腔的加热炉；所述的石英型腔的底部设置有开口；

柱形模具，其嵌设于加热炉内部且设置于所述的石英型腔的下游，一端连接所述的开口；

气氛控制系统，其包括贯通设置于柱形模具和加热炉侧壁的通气孔和设置于加热炉上部的出气孔；所述的通气孔、出气孔和石英型腔形成密闭空间以控制加热炉内的气氛；

挤压系统，其包括下端面为球冠凸面结构的石英压头；在所述的凸面的顶部设置有突出的下端面为平面的凸台；所述的凸台的下端面尺寸小于柱形模具的内腔尺寸，其尺寸差≤1.0mm；所述的凸台的高度≤0.5mm；

退火炉，其设置于柱形模具的下游，对柱形模具成型后的硫系玻璃棒料退火处理。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的石英型腔的底部为与石英压头下端面相适应的球冠凸面结构。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的棒料截面为圆形；所述的开口为圆形开口；所述的凸台为圆柱形凸台或者圆台形凸台；所述的柱形模具的内腔截面为圆形。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的石英型腔、柱形模具和石英压头的材质为脱羟石英。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的气氛控制系统还包括惰性气体发生装置、增压装置和流量控制装置；所述的惰性气体发生装置、增压装置、流量控制装置和通气孔依次连接；所述的出气孔的下游连接流量控制装置。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中其还包括送料系统；所述的送料系统包括若干根彼此平行的直线导轨、直线导轨挂架和第一涡轮涡杆结构；所述的直线导轨挂架固定连接在直线导轨上；所述的第一涡轮涡杆结构的涡轮安装在直线导轨挂架上以固定第一涡轮涡杆在垂直方向的高度；所述的第一涡轮涡杆结构的涡杆与石英压头连接以控制石英压头上下往复运动。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中其还包括水平平台；所述的水平平台垂直连接于所述的直线导轨之间；所述的水平平台与直线导轨的垂直度≤0.05mm；所述的水平平台上设置有通孔；所述的加热炉嵌设石英型腔的部分设置于所述的水平平台的上方，嵌设柱形模具的部分设置于所述的水平平台的下方；所述的退火炉固定于所述的直线导轨上。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的送料机构还包括固定连接在直线导轨上的若干直线导轨副挂架，其设置于柱形模具和退火炉之间以及退火炉的下游，用于输送硫系玻璃棒料。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的退火炉的退火区域有效高度为100mm～500mm。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中其还包括控制中心，分别连接化料系统、气氛控制系统、送料系统和退火炉，使化料系统按照设定的温度制度加热硫系玻璃，使气氛控制系统按照设定的气氛制度控制系统的气氛条件，使送料系统按照设定的速度制度挤压硫系玻璃以及硫系玻璃棒料出料，使退火炉按照设定的温度制度退火。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的加热炉设置有若干加热元件和热电偶，所述的热电偶实时监测石英型腔内被加热的硫系玻璃的温度和石英型腔内的温度，并将检测结果实时传输至控制中心；所述的控制中心分别控制各加热元件开启或者停止，使石英型腔内不同位置的温度差≤20℃。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种硫系玻璃棒料成型方法，其包括以下步骤：

1)将硫系玻璃加热至第一温度，充入高纯惰性气体；

2)将硫系玻璃加热至玻璃成型温度，保温；

3)挤压硫系玻璃至柱形模具中，棒料成型；

4)棒料送料，退火。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的加热的升温速度为80℃/h～200℃/h。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中步骤1)所述的第一温度为硫系玻璃的玻璃化转变温度以下50±5℃。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的高纯惰性气体的充气压力大于大气压力，其压力差≥0.05mpa，充气时间≥5min；硫系玻璃处于0～0.2mpa的微正压环境下。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中步骤2)所述的玻璃成型温度为硫系玻璃的玻璃软化温度以上70～100℃。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的保温时间为30～90min。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的挤压为匀速运动，其速度为0.01～1m/h。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的棒料送料的速度为0.01～2m/h。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的硫系玻璃为预制圆柱体块料。

借由上述技术方案，本发明提出的一种硫系玻璃棒料挤压成型装置及工艺至少具有下列优点：

1、本发明提出的硫系玻璃棒料挤压成型装置及工艺，通过石英压头和挤压型腔的结构改变，石英压头的下端面设计为球冠凸面结构，在所述的凸面的顶部设置有突出的下端面为平面的凸台，石英型腔的底部为与石英压头下端面相适应的球冠凸面结构；通过此种结构的设计，一方面使得所成型的硫系玻璃棒料的端头是平头形状，不存在现有技术中棒料的一端是v型凹坑另一端是v型尖头而使棒料两端的物料不能使用的问题，提高了硫系玻璃棒料的材料使用率；另一方面，所述的石英型腔和石英压头下端面的尺寸、形状匹配，二者可以完全贴合使得软化后的硫系玻璃被充分挤压至柱形模具内，进一步提高了原料的利用率；另外，此种球冠凸面结构为弧度设计，有利于软化的石英玻璃料的连续性流动，设备内部容易清洗；

2、本发明提出的硫系玻璃棒料挤压成型装置及工艺，其结构设计为立式结构立式成型，一方面避免了成型的棒料受重力因素影响导致的椭圆度不对称的质量问题，另一方面也解决了设备占地面积大，浪费厂房空间的问题；

3、本发明提出的硫系玻璃棒料挤压成型装置及工艺，其中与软化状态下的硫系玻璃接触的部件，如石英型腔、柱形模具和石英压头，均选用表面光滑并经过脱羟处理的脱羟石英制造。石英经过脱羟处理后，石英玻璃没有氢氧根了，其在高温或紫外等情况下就不会释放出氧气或臭氧了，从而减少或避免了硫系玻璃与外界杂质的接触，提高了产品的纯净度；

4、本发明提出的硫系玻璃棒料挤压成型装置及工艺，通过气氛控制系统控制系统内部为高纯惰性气体微正压环境，而且是在玻璃加热至第一温度时就开始进行气氛控制，也即在化料以及挤压成型过程的全程气氛控制，防止软化后的玻璃受到氧化而造成质量问题；

5、本发明提出的硫系玻璃棒料挤压成型装置及工艺，通过在加热炉中密集设置热电偶和加热元件，所述的热电偶和加热元件与控制中心连接且能够分别控制其开启和停止，使得石英型腔内的温度稳定好，石英型腔内不同位置的温度差≤20℃。由于采用了温度场均匀稳定的成型装置，这样使得本发明的技术方案在加热过程中可以采用较快的升温速度而不会引起硫系玻璃的问题，从而极大地缩短了玻璃软化的工艺时间，极大地提高了硫系玻璃棒料的成型效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的硫系玻璃棒料成型装置(未包含立体支架)的示意图；

图2是本发明的硫系玻璃棒料成型装置(包含立体支架)的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种硫系玻璃棒料挤压成型装置及工艺，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明提出一种硫系玻璃棒料成型装置，如附件图1和图2所示，其包括：

化料系统，其包括内部嵌设石英型腔12的加热炉11；所述的石英型腔12的底部设置有开口；

柱形模具5，其嵌设于加热炉11内部且设置于所述的石英型腔12的下游，一端连接所述的开口；

气氛控制系统，其包括贯通设置于柱形模具5和加热炉11侧壁的通气孔41和设置于加热炉11上部的出气孔42；所述的通气孔41、出气孔42和石英型腔12形成密闭空间以控制加热炉11内的气氛；

挤压系统，其包括下端面为球冠凸面结构的石英压头21；在所述的凸面的顶部设置有突出的下端面为平面的凸台22；所述的凸台22的下端面尺寸小于柱形模具5的内腔尺寸，其尺寸差≤1.0mm；所述的凸台22的高度≤0.5mm；

退火炉6，其设置于柱形模具5的下游，对柱形模具5成型后的硫系玻璃棒料退火处理。

所述的石英型腔12用于盛放硫系玻璃；所述的加热炉11用于加热硫系玻璃；所述的硫系玻璃于化料系统内加热软化，在加热至一定温度时，启动气氛控制系统向石英型腔12内充入高纯惰性气体，以避免硫系玻璃在加热软化过程中被氧化；继续加热并保温，软化后的硫系玻璃被挤压运动系统向下施加负载，通过所述的开口被挤压至柱形模具5内成型，然后进入退火炉6进行退火处理，得硫系玻璃棒料。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的石英型腔12的底部为与石英压头21下端面相适应的球冠凸面结构。

所述的球冠凸面结构为弧度设计，其有利于软化的石英玻璃料的连续性流动，且其与所述的石英压头21下端面的尺寸、形状匹配，二者可以完全贴合使得软化后的硫系玻璃被充分挤压至柱形模具5内；一方面提高原料的利用率；一方面也使得设备内部容易清洗。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的棒料截面为圆形；所述的开口为圆形开口；所述的凸台22为圆柱形凸台22或者圆台形凸台22；所述的柱形模具5的内腔截面为圆形。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的石英型腔12、柱形模具5和石英压头21的材质为脱羟石英。

由于硫系玻璃的特点，本发明中只要与软化状态下的硫系玻璃接触的部件，如石英型腔12、柱形模具5和石英压头21，均选用表面光滑并经过脱羟处理的脱羟石英制造。经过脱羟处理后，石英玻璃没有氢氧根了，其在高温或紫外等情况下就不会释放出氧气或臭氧了，从而减少或避免了硫系玻璃与外界杂质的接触，提高了产品的纯净度。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的气氛控制系统还包括惰性气体发生装置、增压装置和流量控制装置；所述的惰性气体发生装置、增压装置、流量控制装置和通气孔41依次连接；所述的出气孔42的下游连接流量控制装置。

所述的惰性气体发生装置能够生成高纯惰性气体，经过增压装置增压后，流量控制装置计量后，高纯惰性气体通过通气孔41进入石英型腔12内部，出气孔42下游也连接流量控制装置；所述的出气和进气均进行流量精确控制，并在化料、及挤压成型过程中控制石英型腔12内的压力为微正压环境，系统内部的压力大于大气压力0～0.2mpa。

所述的气氛控制系统用于化料以及挤压成型过程的气氛控制，防止软化后的玻璃受到氧化。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中其还包括送料系统；所述的送料系统包括若干根彼此平行的直线导轨33、直线导轨挂架34和第一涡轮涡杆31结构；所述的直线导轨挂架34固定连接在直线导轨33上；所述的第一涡轮涡杆31结构的涡轮安装在直线导轨挂架34上以固定第一涡轮涡杆31在垂直方向的高度；所述的第一涡轮涡杆31结构的涡杆与石英压头21连接以控制石英压头21上下往复运动。

所述的直线导轨挂架34通过压锤35固定连接在直线导轨33上。

所述的石英压头21上端的挤压杆通过套管与涡杆连接在一起，涡轮在垂直方向上的高度通过直线导轨挂架34确定。当涡轮转动时带动涡杆上下运动，从而带动石英压头21进行循环往复上下运动。

所述的送料系统连接所述的控制中心，所述的控制中心通过第一涡轮涡杆31的运动控制石英压头21的运动。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中其还包括水平平台36；所述的水平平台36垂直连接于所述的直线导轨33之间；所述的水平平台36与直线导轨33的垂直度≤0.05mm；所述的水平平台36上设置有通孔；所述的加热炉11嵌设石英型腔12的部分设置于所述的水平平台36的上方，嵌设柱形模具5的部分设置于所述的水平平台36的下方；所述的退火炉6固定于所述的直线导轨33上。

所述的直线导轨33与水平平台36组合为立式支架，其中，水平平台36上方为彼此平行的四根直线导轨33，水平平台36下方为彼此平行的五根直线导轨33，所述的直线导轨33的下端设置有水平脚。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的送料机构还包括固定连接在直线导轨33上的若干直线导轨副挂架37，其设置于柱形模具5和退火炉6之间以及退火炉6的下游，用于输送硫系玻璃棒料。

所述的直线导轨副挂架37通过压锤35固定连接在直线导轨33上。

所述的直线导轨副挂架37接触硫系玻璃的一端设置为圆端头，以避免划伤硫系玻璃的表面。

所述的退火炉6下游的直线导轨副挂架37上固定连接有第二涡轮涡杆32结构，用于控制硫系玻璃棒料的出料速度。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的退火炉6的退火区域有效高度为100mm～500mm。

所述的装置为间歇式生产装置。所述的加热炉11设置有炉门，先打开加热炉11的炉门，将经过重量计量的硫系玻璃加入石英型腔12内加热软化，气氛控制系统调节石英型腔12内的气氛至高纯惰性气体微正压环境，继续加热保温；至设定的工艺时间和工艺温度后，所述的第一涡轮涡杆31结构控制石英压头21向下运动，挤压软化后的硫系玻璃，将其通过圆形开口挤压至柱形模具5内成型；待硫系玻璃料全部被挤压出石英型腔12后，所述的第一涡轮涡杆31结构控制石英压头21向上运动；开始下一个循环的作业。

进一步的，所述的挤压系统还包括进口压力传感器和压力显示控制器，当石英压头21向下挤压运动时，所述的进口压力传感器实时监测压力，并通过压力显示控制器实时显示挤压的压力。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中其还包括控制中心，分别连接化料系统、气氛控制系统、送料系统和退火炉6，使化料系统按照设定的温度制度加热硫系玻璃，使气氛控制系统按照设定的气氛制度控制系统的气氛条件，使送料系统按照设定的速度制度挤压硫系玻璃以及硫系玻璃棒料出料，使退火炉6按照设定的温度制度退火。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型装置，其中所述的加热炉11设置有若干加热元件13和热电偶，所述的热电偶实时监测石英型腔12内被加热的硫系玻璃的温度和石英型腔12内的温度，并将检测结果实时传输至控制中心；所述的控制中心分别控制各加热元件13开启或者停止，使石英型腔12内不同位置的温度差≤20℃。

所述的热电偶和加热元件13的布局密集，使得本发明的成型装置能够准确地控制硫系玻璃的温度，严格地执行设定的温度制度。

所述的成型装置能够通过上述的控制中心自动化控制。

进一步的，所述的化料系统温度控制部分采用高精度数字温控器，固态继电器，k型热电偶闭环控制，自整定pid，进行实时控制。

进一步的，所述的成型装置还设置有人机对话界面，操作人员可以通过人机对话界面与控制中心对话，人工参与成型装置的控制。

进一步的，操作人员可以通过人机对话界面与控制中心对话，，从而使第一涡轮涡杆31结构的微步进电机遵照指令完成硫系玻璃的挤压成型任务。

进一步的，操作人员可以通过人机对话界面与控制中心对话，从而控制送料机构的微步进电机遵照指令完成送料任务；所述的送料机构可自由调整棒料与炉膛的同心度，实现棒料的平稳送料。

本发明的硫系玻璃棒料挤压成型装置，通过立式支架将化料系统、挤压运动系统、柱形模具5和送料系统组合为立式设计的装置，一方面避免了成型的棒料受重力因素影响导致的椭圆度不对称的质量问题，另一方面也解决了设备占地面积大，浪费厂房空间的问题；同时，通过将石英压头21的挤压端面设计为凸面球冠结构，突出的圆形凸台顶部设计，与挤压端面尺寸、形状相适应的石英型腔12底部结构，结合气氛控制系统使化料、挤压成型过程中系统呈微正压力控制，解决了硫系玻璃氧化和及棒料两端不能充分利用的料损的问题。

本发明还提出一种硫系玻璃棒料成型方法，其包括以下步骤：

1)将硫系玻璃加热至第一温度，充入高纯惰性气体；

2)将硫系玻璃加热至玻璃成型温度，保温；

3)挤压硫系玻璃至柱形模具中，棒料成型；

4)棒料送料，退火。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的加热的升温速度为80℃/h～200℃/h。

硫系玻璃加热时，如果升温速度过快则会由于受热不均匀而发生玻璃炸裂的事故，因此传统技术中硫系玻璃的升温速度一般都控制得较慢，这样使得玻璃软化的工艺时间特别长。本发明的技术方案，通过在加热炉11中密集设置高精度热电偶和加热元件，并通过控制中心自动化控制系统温度，使得加热炉11内部能够形成非常均匀稳定的温度场。由于采用了温度场均匀稳定的成型装置，使得石英型腔内的温度稳定好，石英型腔内不同位置的温度差≤20℃，这样使得本发明的技术方案在加热过程中可以采用较快的升温速度而不会引起硫系玻璃的问题，从而极大地缩短了玻璃软化的工艺时间，极大地提高了硫系玻璃棒料的加工效率。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中步骤1)所述的第一温度为硫系玻璃的玻璃化转变温度以下50±5℃。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的高纯惰性气体的充气压力大于大气压力，其压力差≥0.05mpa，充气时间≥5min；硫系玻璃处于0～0.2mpa的微正压环境下。

硫系玻璃加热，当升温至玻璃化转变温以下50℃左右时，气氛控制系统启动，向炉腔内充入高纯惰性气体，此时的进气压力高于大气压力0.05mpa以上，充气时间不低于5min，后控制系统保持微正压，其系统压力高于大气压0～0.2mpa。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中步骤2)所述的玻璃成型温度为硫系玻璃的玻璃软化温度以上70～100℃。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的保温时间为30～90min。

所述的玻璃成型温度为玻璃软化温度以上70～100℃范围内；当系统内硫系玻璃的温度达到玻璃成型温度时，将系统保温30～90min。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的挤压为匀速运动，其速度为0.01～1m/h。

当保温一定时间后，挤压运动系统入位，开始对软化的硫系玻璃施加载荷，对其进行挤压操作，此时要求挤压进给的速度在0.01～1m/h，该速度匀速可调，并且挤压加载的压力数值能够实时显示。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的棒料送料的速度为0.01～2m/h。

所述的送料机构的速度可调节，并在送料结构中，即两处直线导轨挂架间设有一个粗退火区域，所述的退火区域的有效高度范围为100mm～500mm。

优选的，前述的硫系玻璃棒料成型方法，其中所述的硫系玻璃为预制圆柱体块料。

本发明的技术方案通过把硫系玻璃棒料在腔体内加热软化后，利用机械压力压制，经模具成型为小口径或大口径棒料的一种工艺。

本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。