基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法及其专用成形装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微结构薄玻璃元件模压成形技术领域，尤其涉及一种采用超声振动辅助模压、高温锡液辅助加热、高压液体辅助模压成形的方法及生产设备。
【背景技术】
[0002]使用模压成形方法来制造玻璃元件是一种先进制造技术，应用该技术可提高生产率，并实现批量生产的市场要求。玻璃模压成形属于热成型技术，即采用高精度模具在高温无氧条件下将玻璃预形体压制变形，直接复制模芯形状的一种高效加工方法。玻璃在模压成形过程中玻璃预形体的充填率、玻璃内部的温度和应力分布直接影响到透镜的成形质量。现有的微结构玻璃元件模压成形技术，一般是采用模具直接压制熔融状态的玻璃完成充填，冷却固化后脱模得到透镜。如日本东京都Η0ΥΑ株式会社的春日善子、立和名一雄、柳田裕昭发明的并于2002年10月15日申请中国专利的“光学玻璃、模压成形用玻璃材料、光学元件及其制造方法”(专利申请号:200610111058.9，公开(公告)号:CN1931755A，公开(公告)日:2007.03.21)，它是通过采用成形用玻璃材料加热、软化并且模压成形的玻璃模压成形品的制造方法，包含使玻璃原材料软化的工序、使所得到的熔融玻璃成形的工序、以及对已成形的玻璃进行退火的工序；或采用超声辅助方法来提高充填率。如湖南大学的尹韶辉、朱科军等发明并于2011年1月19日申请中国专利“超声波振动辅助精密模压成形的方法”(专利申请号:201110021412X，公开(公告)号-CN102173563A，公开(公告)日:2011.09.07)，它是在玻璃预形体充填过程中，通过直接给上模具(或下模具)施加一定方向、频率和振幅的可控振动，形成超声波振动辅助的超精密模压成形工艺。
[0003]然而采用包括上述工艺等方法制作微结构薄玻璃元件时，目前广泛使用的模压成形方式一般为下模具(或上模具)的单一直线运动，由模具直接压制玻璃预形体变形而完成充填过程，玻璃预形体在模压成形过程中难以充满带有微结构成形腔的模具，存在充填率低、充填率不一致的问题。虽然通过超声辅助方法可以提高其充填率，但由于模具直接作用于玻璃预形体，导致玻璃元件的应力集中而分布不均，尤其在模压薄玻璃元件时，在退火过程中成品表面容易出现微裂纹，甚至产生破裂的现象。此外，较大的残余应力导致成形产品久置后易变形，也会影响其光学性能。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种充填率高、各微结构充填率更均匀且易于控制的基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法。
[0005]为了解决上述技术问题并实现本发明目的，本发明采用如下技术方案:首先准备一个带加热装置的锡液容器，由加热装置将锡液容器内的锡熔化，然后通过将玻璃预形体放置于高温锡液表面，当玻璃预形体与高温锡液接触并被加热至模压温度后，通过动力装置给锡液容器内的锡液以压力，通过超声振动装置给锡液以超声振动，锡液将此压力或超声振动传递给已处于熔融状态的玻璃预形体表面，从而推动熔融玻璃均匀充填锡液容器一个端口上安装的成形表面设置为微结构的模具，通过锡液传力使每一个微结构都具有相同压力而形成更均匀的微结构薄玻璃元件；锡液容器另一个端口活塞上方安装有超声振动装置，启动超声振动装置可带动活塞振动，从而通过锡液给熔融状态的玻璃预形体施加一定频率和振幅可控的振动，从而推动熔融玻璃更好的充填满微结构成形腔内的微结构，充填完后再通过进行保压处理，从而复制出模具成形表面设置的微结构形状，常规退火及冷却处理，待成形薄玻璃元件冷却凝固后，再开模取出制品即告完成所有工序。
[0006]本发明的工艺过程包括加热、合模、基于锡液介质超声振动辅助模压、保压及退火、冷却和取出成形制品五个工序。
[0007]本发明在加热工序中，在锡液容器中充入氮气，以防止空气中的氧气氧化锡液；待锡液容器内达到无氧环境后，打开锡液容器的加热装置并对锡液容器进行加热，使金属锡达到熔点后在锡液容器内熔化成液态。
[0008]本发明的在合模工序中，将玻璃预形体放置处于熔化状态的锡液表面，由于玻璃的密度小于锡液，在浮力作用下将玻璃预形体放置处于锡液表面，当玻璃预形体与高温锡液接触并被加热后，通过动力装置给锡液容器的锡液以压力，挤压锡液容器内的锡液至锡液容器安装模具的端口，排除玻璃预形体与锡液之间的空气，并保证熔融状态下的玻璃预形体能铺满整个锡液面形成封闭面；随后将模具微结构成形腔开口向下并压紧于锡液容器端口的锡液上方的玻璃预形体；加热装置持续加热，当微结构成形腔内玻璃预形体的粘度达到106?108dPa*s时，停止加热，并以常规方法保温。
[0009]本发明的在基于锡液介质超声振动辅助模压工序中，当玻璃预形体被均匀加热至模压温度后，所述模压温度为使玻璃的粘度值在106?108dPa*s范围内，启动动力装置给锡液容器的锡液以压力，挤压锡液容器内的锡液以增加锡液的内部压力，同时启动超声振动装置，锡液将此压力和超声振动传递给已处于熔融状态的玻璃预形体，从而推动熔融状态玻璃充填锡液容器一个端口上安装的模具上设置的微结构成形腔，通过锡液辅助使每一个微结构成形腔都具有相同压力和超声振动而形成微结构薄玻璃元件，从而复制模具表面的微结构形状；整个过程中微结构成形腔表面各个微结构都受到相等大小的向上压力。或者先启动动力装置给锡液容器的锡液以压力，当预形体对微结构成形腔充填到一定程度后，再启动与活塞连接的超声振动装置，通过锡液给熔融状态的玻璃预形体施加一定频率和振幅可控的振动，直至熔融玻璃完全充填满微结构成形腔。通过启动超声振动装置，从而提高其充填率。
[0010]本发明的在保压及退火工序中，待玻璃充分充模后，关闭超声振动装置，以保持较小保持压力处于恒定状态，以免退火时玻璃因结构松弛和降温收缩而产生变形，关闭加热装置，通过自然散热，缓慢降低锡液容器内锡液、玻璃以及模具的温度；当微结构成形腔内玻璃的粘度由106?108dPa*s变为1013dPa*s时，完成退火。
[0011]本发明的在冷却和取出成品工序中，待模具内玻璃的粘度达到1013dPa *s时，该玻璃形成成品，撤掉作用于锡液容器内的压力，待微结构成品冷却至室温后，将模具从锡液容器端口取下，从其中取出微结构成品；此时，锡液容器内的锡保留在U型槽内，在下一模压成形加热阶段又变成液体，可循环反复利用。
[0012]本发明的另一个的目是提供一种能通过基于锡液介质超声振动辅助模压成形的方法来使微结构成形腔表面各个微结构在充填过程中充填率更高且充填更均匀，可用于微结构薄玻璃元件的基于锡液介质超声振动辅助模压成形的装置。它包括模具1、锡液容器、液压装置和超声振动装置以及动力装置；锡液容器一端为敞口，另一端成密封配合安装有液压装置，且在锡液容器上设置有加热装置7 ;模具1为盖形结构，锡液容器内盛装锡液6，并在模具1与锡液容器敞口之间放置玻璃预形体4 ;模具1成密封配合套装在锡液容器一端的敞