光学塑料的非球面加工

申报博士况光学塑料的非球面加工2概述光学塑料非球面技术的发展趋势非球面的优点及应用光学塑料的优缺点光学塑料的非球面设计特点和加工方法影响光学塑料透镜质量的主要因素和检验方法光学塑料零件的表面镀膜非球面面形的检测目录3随着非球面设计、检测和制造技术的不断进步，人们也在逐步研制性能更优良的光学塑料，越来越多的新型光电产品开始采用光学塑料非球面零件。光学塑料零件的一大特点是制造简单，容易实现大批量生产，尤其是一些难加工的光学零件的制造。它在可见光的透过率和玻璃元件差不多，紫外和近红外透过可以优于玻璃。概述4光学塑料非球面技术的发展趋势近几年来，我国光学制造企业在光学塑料非球面，特别是小尺寸非球面零件的制造技术方面，有很大的进步。但随着新产品和新技术的发展，仍然在制造设备和技术的提高等方面有巨大的发展空间。5所谓球面和非球面,主要是针对各种光学仪器的镜头或者眼镜的镜片几何形状而言。球面是一种旋转曲面,球面上每一点的曲率半径是相同的。非球面与球面的区别：6非球面的种类：非球面光学曲面包括有回转轴的回转非球面（如抛物面、椭球面、渐开面、双曲面等二次曲面以及高次曲面）。没有任何对称轴的非回转非球面（如离轴非球面以及自由光学曲面）。7非球面的优点：在光学零件中非球面可以消除球面镜片在光传递过程中产生的球差、彗差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素,减少光能损失,从而获得高质量的图象效果和高品质的光学特征。光学仪器设备采用非球面镜片优点有重量轻、成本低、使光学系统设计更灵活。8非球面的主要应用：军用方面：军用激光装置、热成像装置、微光夜视头盔、红外扫描装置、导弹引导头和各种变焦镜头等。民用方面：摄像机的取景器、变焦镜头，医疗诊断用的内窥镜,渐进镜片以及数码产品摄像镜头等。9光学塑料的优缺点PMMAPSPC目前最常用的光学塑料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）又叫做亚克力或有机玻璃，有高透明度、低价格、易于机械加工等优点；聚苯乙烯（PS），电绝缘性（尤其高频绝缘性）优良，透光率仅次于有机玻璃；聚碳酸酯（PC）。10光学塑料的优点：（1）能进行大批量生产和降低制造成本由于光学塑料有很好的成型性能，因此用模压法可以很容易地成型，并且可以一模多腔，达到非常大的批量生产能力。因此大大降低了单个零件的制造成本。（2）可以设计非常复杂的形状光学玻璃零件很难研磨和抛光成球面和平面以外的形状。然而用注射成型的方法，光学塑料可以很容易且经济地制造成非球面、微透镜阵列、菲涅耳透镜等面形复杂的零件。11（3）重量轻、耐冲击光学塑料的密度仅为玻璃的1/2~1/3，因此可以减轻系统的重量。光学塑料的耐冲击强度要比玻璃高得多。（4）零件的质量一致由于所有的透镜都是用相同的模芯压制，只要采用合理而稳定的工艺参数，光学塑料零件的面形就能具有非常好的一致性。（5）可以同时压出光学面和定位面12光学塑料的缺点：（1）对温度和湿度等环境的变化更为灵敏。光学塑料的吸湿性和热膨胀系数比玻璃大得多。光学塑料的折射率温度系数比玻璃要大6~50倍。所以一般塑料光学零件的最高连续工作温度不得高于80~120℃。（2）模压成型光学塑料零件存在不同程度的双折射。13（3）注射成型过程影响表面面形精度。由于材料在成型过程中的流动模式，冷却和固化收缩，光学零件的面形精度会受到影响。大多数光学塑料零件在成型时的收缩率一般是模具尺寸的0.1%~0.6%，随材料和生产过程的不同而不同。14光学塑料的加工方法目前光学塑料零件的加工方法有两大类:一类是模塑法，如注射成型、压塑成型、铸塑成型及放射线成型等;另一类是直接加工法，也称机械加工法或冷加工法.即研磨一抛光法和用金刚石车直接切削法。15光学塑料的加工方法注射成型法注射成型法是热塑性塑料的主要成型，适用于大批中小型零件的生产。注射成型的工艺是将塑料加热到流动状态，以很高的压力和较快的速度注入精密的模具中，经过一定时间的冷却零件就可以从模具中提取出来，成型零件经过表面处理，就可以用作光零件，而不用抛光。注射成型法的特点是成型零件的形状范围广，除了产生双凸、双凹、平凸、弯月形等各种透镜外，还可以生产透镜系列、校正镜和非球面透镜，并且生产效率高，成本低。16光学塑料的加工方法压塑成型法压塑成型法也称模压成型法或热压成型法。其工艺是将预热的塑料毛坯放入加热过的模具中，施加压力，是塑料充满型腔，保持加热和加压，使塑料成型，然后脱模取出成型零件。这种方法是我国目前制造塑料光学零件的主要方法，例如，菲涅尔透镜，内反射锥形棱镜等。与注射成型法相比，模压成型工艺容易控制，制品尺寸较大；但如生产批量小，会使模具费用偏高，成本增加。17光学塑料的加工方法铸塑成型法铸塑成型法也称为浇铸法。其工艺是在流动态的塑料单体或部分聚合的塑料中加上适当的引发剂，然后浇入模具中，使其在一定的温度和常压或低压下，经一定时间的化学变化而固化，脱模后即得到光学塑料零件。这种成型工艺可以使制件的均匀性更好，表面精度更高。目前世界各国用于视力矫正的眼镜片，绝大多数均为浇铸法生产。18光学塑料的加工方法放射线成型法在高精度光学零件中，光学塑料零件未能更好更普通应用的一个重要原因是，成型加工后制得的零件，光学均匀性和表面精度等难以满足。以上各方法，均是加热方法，在高温下，由于分子的流动和温度分布的影响，局部会产生应力，并且零件体积也随着冷却而大大收缩，从而给零件带来形变，损坏了它的光学性能。现在日本提出了一种新的成型方法——放射线法。其原理是利用放射线的能力和穿透力，使光学塑料的单体在较低的温度范围内，并在高粘度状态下，发生聚合。这样就能有效地控制反应热和体积收缩，从而改善了成型零件的光学性能。19光学塑料的加工方法刀具切削直接加工金刚石刀具直接用来加工光学塑料零件。机械加工将已是板材或片材的光学塑料划裁出所需形状，再进行研磨抛光制成光学零件。20注射成型的光学塑料透镜，均为一次注射成型。它要求透明度极高，这就给注射成型造成了一定困难。因此，对于注射成型光学塑料制品模具的结构设计、材质选择以及制造精度等都提出了较高的要求。光学塑料零件的注射成型技术：21光学塑料注射成型法是将经过加热成为流体的定量的光学塑料注射到不锈钢模具中，在加热加压条件下成型，经冷却固化后打开模具便可获得所需要的光学塑料零件的一种非球面光学塑料透镜加工技术。注射成型又叫注塑，它是光学塑料成型技术的其中一种，其它还有铸造成型、压制成型等技术，而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。22光学塑料零件的注塑：1.光学塑料零件注塑机注塑机是实现注塑过程的设备，使塑料融化而塑化；并能将塑化的物料注入模具腔中成型。23注射装置：注射装置一般包括料斗、计量装置、螺杆传动装置、注射和移动油缸、机筒和喷嘴加热装置、塑化注射部分。合模装置：合模装置主要有固定模板、移动模板、连接模板用的拉杆、合模油缸、成品顶出装置等。24液压传动和电气系统：液压传动和电气控制系统是为了保证注射机完成塑化、注射和成型各工艺过程预定的要求和动作程序，准确有效地设置动力和控制系统。主要有电动机、油泵、管道、各种阀门和其他液压件、控制箱等。机座：支撑和固定铁芯、绕组等部件，将定子、转子连接组装起来的结构件，同时起到方便设备安装，适应不同的设备及安装环境而调整安装尺寸的作用。252.模具模具的质量是注射成型技术的关键。模具是在注射时使塑料成型的一个腔体装置，组成模具型腔的零件称为成型部件，主要由凸模、凹模、型芯、嵌件和镶块等组成；构成模具上型腔的模具零件叫模芯，模芯是模具中最精密、最关键的部分，由它完成注塑技术中对零件的复制。262728光学塑料非球面设计的特点29光学塑料非球面设计特点30影响光学塑料零件的主要因素影响透镜质量的主要因素有注射温度、注射压力、注射时间、保压压力、保压时间和模具温度等。这些工艺条件的选择是注射成型技术的关键。传统上，注射模具设计及注射工艺制定要依赖工程师的经验和技巧，实际的缺陷也只靠反复试模给予修正，缺乏理论依据和科学计算方法。由于光学塑料透镜的壁厚不均性，如能预先知道熔料在流经浇注系统和型腔时的剪切速率、温度、压力及时间等，就能合理确定模具结构和注射工艺，提高产品的一次成功率。31影响光学塑料零件的主要因素下面介绍一些因素对光学塑料透镜质量的影响规律:（1）在注射产品结构和尺寸一定的情况下，适当地提高注射温度和模具温度对快速充模是有利的。随着注射温度的提高，熔体的表观粘度呈指数关系下降，粘度降低，熔体易于充模;而温度越高，就越容易造成产品收缩不均，透镜产生残余内应力及双折射现象，使面形精度无法满足使用要求。32影响光学塑料零件的主要因素（2）为了提高塑料光学透镜的表面光洁度，也可适当提高注射压力，把高聚物熔料挤到模具表面，减少充模流动痕迹，就能复制出与模具的光洁度一样的塑料透镜。如果注射压力过低，性射时间长，熔化的高聚物在挤压到型腔表面上时可能冷却、凝固，复制不出像模具型腔抛光表面的光洁度。33影响光学塑料零件的主要因素（3）模具温度提高，冷却周期加长，注入模腔中的高聚物大分子的深度取向得到松弛，从而获得折射率均匀一致高质量产品。模具温度高，高聚物颗粒保持融化时间较长，产品的致密性好，表面光洁度也就提高了。（4）注射到模具型腔高温熔体，冷却液体变为固体，体积发生变化。所以需要较高压力下注料。保压就是利用熔体的可压缩性来解决过量收缩问题。保压压力越高，体积收缩越小。34光学塑料零件的检验1.外观检验外观检验主要是检验材料的均匀性、透明度、色泽和颗粒的大小。2.工艺性能检验工艺性能检验主要是检验水分、收缩率、流动性和熔融指数。一、塑料原料质量的检验原材料的质量直接影响塑料零件的外观、尺寸精度和物理性能。351.加料量与塑化温度加料量每次应相等，以保证均匀塑化。温度合适的检验方法是，在模具和喷嘴脱开状态下进行对空注射，流出的塑料条应光滑明亮、无变色、无气泡、银丝。2.压力压力包括塑化压力、注射压力、保压压力等。3.时间与成型周期一次注射全过程包括闭模、注射、保压、冷却、开模顶出塑件等。4.模具温度控制模具温度主要有冷却介质控制和熔料注入的自然升温和散热控制。二、注射工艺过程检验36光学塑料零件的检验三、塑料透镜的曲率半径检验制造塑料光学零件必须检检其面型精度。由于塑料光学元件表面硬度低，接触式检测易划伤其表面是表面变形。因此塑料透镜面形检测必须是非接触度的。图为一种检验塑料透镜的曲率半径的仪器结构示意图，可以依据成像质量定性判别表面的完善程度。37光学塑料零件的表面镀膜塑料零件成型后，为了改进和提高其物理和化学性能，延长其使用寿命，从而扩大它的适用范围提高经济效益。通常都要进行镀膜处理，根据需要在光学零件塑料表面镀减反膜、反射膜、分光膜、滤光膜、抗静电膜和耐磨膜以及防水膜。38光学塑料零件的表面镀膜在光学领域最常用的光学塑料有:聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚碳酸脂(PC)三种热塑性塑料。若要正确地进行塑料透镜的镀膜,首先必须充分地了解塑料和膜料的理化性能及其相互间的关系。(一)内应力:从力学观点来看,塑料透镜在成型过程中容易产生内应力,而且不易消除。内应力大就容易使塑料透镜产生裂纹,同时膜料沉积到这种透镜表面后,内应力还会转移到膜层上来,从而降低薄膜的稳定性,甚至使膜层开裂起皱。因此膜层应能经得起这种内应力而不开裂或脱皮。39光学塑料零件的表面镀膜(二)静电:塑料表面具有高阻抗性质,它经摩擦后容易产生静电,而且几乎无限制地保留。若塑料透镜带上了静电,就会在镜片表面吸附灰尘,这些灰尘不容易用吹气球吹去,用纱布也不容易擦掉,由静电引起的灰尘附着可使薄膜增加麻点,甚至开裂。(三)耐磨和耐划伤性差,容易受各种机械损伤。为了清洁镜片表面所施加的力也会划伤镜片表面。40光学塑料零件的表面镀膜(四)抗化学性和耐溶剂性较差,许多化学药品和有机溶剂对光学塑料具有腐蚀作用。主要光学塑料的耐溶剂性能表41(五)耐热性差。光学塑料的耐热温度均在90°C左右,加温会使零件变形,还会因热疲劳而产生裂纹,造成塑料老化,透过率严重下降,从而给真