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塑料镜片成型工艺&测试评价BY:黄翔2004/2/4一.塑料镜片用模具及其结构1.塑料在注射机内加热成熔融状态并射出到模具中﹐塑料在模具中冷却后形成固态的镜片。塑料镜片的模具对镜片的质量影响非常大﹐是生产中的关键因素。塑料镜片模具有如下几个特点:1.结构简单﹐但加工精度要求高。2.公母模座都设计有冷却水道来控制公母模具温度。3.模具要求不可有油﹐洁净度要求比较高。4.模仁精度高﹐表面镍层非常脆弱﹐容易受损。模具结构图如下﹕上固定板母模板公模板母模仁板公模仁板下固定板上頂板下頂板公模仁母模仁母模仁墊片公模仁墊片澆道流道頂針止動塊頂出行{墊塊冷卻水流道(图一)模仁座導向結构頂出板導向結构兼模架支撐頂出板導向結頂出肥`位結构(图二)2.模具用零件材料表﹕零件名称材料要求上下固定板P5平面度0.005以内公母模板NAK80平面度0.005以内公母模仁座V-4(热处理)HRC:60~62度公母模仁STAVAX-420HRC:52~54度浇口STAVAX-420HRC:52~54度公母模仁垫片SKD61热处理HRC:52~54度上顶板P5平面度0.005以内下顶板SKD61热处理HRC:52~54度模架支撑块P53.模仁的制造镜片的镜面为模仁成型﹐模仁镀镍(厚度约0.1mm)﹐在镍层上采用超精密加工车床车削出需要的镜面回转曲面。新模具一般先制做一套镜面模仁﹐并把该模仁组立入模具后﹐试模并在射出的最佳状态下射出试模镜片﹐并对试模的镜片进行镜片的面精度测量﹐如果误差太大则在成品测量数据的基础上计算出对模仁修正所需要的加工量﹐模仁进行二次超精密加工补正作业﹐以使最终产品精度进入图面范围。如果一次补正不行则进行二次补正﹐直至图面要求。当首套模仁确认OK后﹐再对其它穴的模仁进行复制作业﹐复制的模仁再进行实际射出并确认﹐如果不符合图面则进行补正修改直到符合要求为止。模仁的曲面外形与最终射出完成品的曲面外形不一定完全相同﹐其取决于镜片的结构状况等。因模仁制造使用了超精密加工车床加工﹐故可以制造出非球面的轴回转曲面塑料镜片﹐这是球面磨镜片所无法达到的。而非球面镜片对于光学组件改善球差等像差是非常重要的﹐故射出镜片的重要性得到了肯定。二．塑料镜片射出成型成型过程在很大程度上会影响塑料产品的质量。OCBU/PIM使用的是日本FANUC的射出机台﹐公母模都使用水温机进行模具温度控制﹐温度可以控制在-/+1度内。使用的塑料颗粒在射出前先进行干燥处理﹐确保成型品的质量稳定。成型条件及设定参数包括以下﹕1.公母模模具温度﹔2.射出料管温度(喷嘴﹐料管1﹐料管2﹐料管3﹐进料口)﹔3.射出及保压参数﹔4.模具动作设定﹔5.顶板动作设定﹔6.计量条件设定其中第1﹐3项对成型镜片影响最大。射出的整个循环如下﹕1.合模﹐2.射出﹐3.保压﹐4.计量﹐5.开模﹐6.推顶中射出及保压参数中﹕射出段数一般4~5段﹐各段表示射出的塑料充填到模具的料头﹐料杆﹐进料口﹐镜片主体各部位时的塑料料流速﹑压力及活塞活动距离等数值。当设定的切换条件(位置或压力)达到设定值的时候﹐进入保压状态。保压也可分多段保压﹐每段保压有相应的压力设定及保压时间。常用的2~~3段保压﹐后段的保压比前段的压力下降。射出稳定后﹐机器手把射出的镜片从模具中夹出﹐并用离子风扇吹至室温。射出的镜片温度降低为室温后放在相应治具上﹐用表面轮廓仪测量面形精度(抽检)﹐如果发现与图面要求有差异﹐修改射出条件待射出稳定后再进行成品测量。一般情况下射出可以改善的精度范围在1μm以内。现在PIM所使用到的塑料材料有﹕1.PMMA(00134-000日本三菱)﹔2.PC(00134-100日本帝人化成)﹔3.PS(00134-200)﹔4.ZEONEX(00134-300)﹔5.PMMA(00134-001日本旭化成)。在成型过程中既需要注意测量镜片的面形精度也需要注意测量镜片的机械尺寸﹐因每次模仁的修正皆要拆卸模仁﹐每次组装模仁后都需要从新调整镜片的中心肉厚和R1/R2面高度﹐以达到图面要求。因模具上无法确定产品的中心肉厚等﹐故试模的时候就需要通过射出的镜片数据来反馈调整模具上中心肉厚及R1/R2高的数值。在成型过程中有一些客观的因素会导致产品的不良﹐常见的有黑白点﹑白雾﹑刮伤线﹑流痕﹑红线等等﹐部分与模具有关﹐部分与射出条件有关﹐具体原因需要具体分析。三.塑料镜片的镀膜塑料镜片镀膜为真空冷镀﹐通过镀膜材料汽化及离子化后打击在镜片表面以形成非常薄的薄膜。PIM现在可以在塑料镜片上镀的膜有:全反射铝膜﹑半反射膜﹑增透膜。其中PIM现在所镀的半反射膜﹑增透膜都为多层膜﹐每面5~~7层。因PMMA塑料不耐高温﹐故镀膜时温度必须控制的比较低(45度以内)﹐否则容易在镜片表面形成裂纹状的膜。PC耐候性较好﹐可以承受的温度较高一些。塑料镀膜较玻璃镀膜设备多个低温度冷冻机﹐用于降低镀膜室温度和抽取水分和氮气的功能。塑料镜片镀膜后有几项评价项目﹕1.透过率﹔2.外观(膜欠﹑膜不﹑烧蚀﹑白点﹑其它外观不良)﹔3.膜强度﹔4.环境测试等。PIM塑料镜片镀增透膜后﹐420~680纳米波长的透过率大于95%。因直接测试镜片误差较大﹐故每炉镀膜时放置一片玻璃测试片作为对当炉镜片镀膜质量好坏的评价。镀膜过程对所镀膜的透过率影响很大﹐首先膜层厚度监控失灵所镀产品透过率将严重降低﹐其次镀膜过程中氧气压如果发生异常﹐所镀产品颜色无异常﹐但透过率也会大幅度降低。半反射膜一般没有具体的透过率要求﹐以实际肉眼颜色来做判定﹐建立颜色限度样品来做规范。全反射膜理论透过率为零﹐一般以目视检查透过率状况﹐以肉眼观察不到透过可见光为准。机台的运行状况对产品质量也有很大影响。膜强度以TAPE胶剥落测试为基本方法﹐PIM所镀的三种膜都应该能达到抗2次TAPE测试﹐并无任何膜的脱落和变异。也可以用酒精擦拭或热盐水浸泡来检查膜的强度﹐但这些检查都只能作为参考。影响镀膜产品外观的因子比较多,如镀膜环境﹐机台内部洁净程度﹐镜片受潮状况﹐治具状况﹐人员作业状况等等这些都在很大程度上影响镜片外观质量。四.塑料镜片的测试评价方法1.表面轮廓仪测试非球面﹐及球面精度。表面轮廓仪可以测量非球面的回转曲线﹐并与图面设计曲线做出对比﹐两条曲线对比的差异值即为RT值(PV值)。一般图面都会对RT值做出要求﹐一般在0.5~1.5μm范围内。一般图面上非球面曲线的中心R值都会给出一个公差范围﹐在此公差范围内选择不同的R值﹐所测的RT值也有所不同﹐在公差范围内选择R值以使测得的RT值最小为所谓的优化动作。Ra值表示整条测试曲线的粗糙程度﹐一般要求在0.3~0.1μm左右。PIM的表面轮廓仪测量精度为0.0001μm。对于镜头镜片每个面测量两次﹐与进料方向平行的为X轴﹐与进料方向垂直的为Y轴﹐只有在X与Y方向同时到达图面要求的时候﹐才说明镜片符合要求。对于方形的目视镜镜片﹐只测量一个轴方向即与进料点平行的方向(因目视镜镜片要求较低﹐故测试要求也没那么高)。表面轮廓仪测量出来的数据打印出来数据图形﹐X轴即Y=0的红线表示理想的非球面曲线﹐绿色曲线为镜片非球面曲线经过分析过的数据线。当绿线为”W”或”M”状况的时候﹐基本上在成型上是不可能再有所改善精度了。当绿线为”n”或”u”型时﹐还有在成型上改善精度的可能。表面轮廓仪器也可在一定程度上用于对球面进行分析。2.干涉仪测量镜片球面亚斯﹐球面半径等。干涉仪可用于测量塑镜片的亚斯等﹐多数时候塑料镜片的亚斯数据会低于图面要求﹐以实配为准进行确认。干涉仪也可测量镜片的球面半径﹐但准确度并不很高。3.镜片机械尺寸的测量﹐镜片机械尺寸同样为镜片的重要性能参数。其中中心肉厚﹐R1/R2面高度﹐边厚﹐目镜镜片的导孔内经及其垂直度等等都非常重要﹐如果不能达到图面要求亦可造成解析不良或后焦不良等。机械尺寸可通过卡尺﹐厚薄规﹐工具显微镜﹐塞规﹐高度规等进行测量。边厚误差应在0.005mm范围内﹐中心肉厚R1/R2面高度一般在图面上都有做要求﹐一般公差多为正负0.03mm。4.投解机(传统﹑数码)﹕投解机为镜片组立成镜头后﹐通过镜头的投解状况来确认塑料镜片的质量的。PIM现在具有数码投解机及传统投解机各一台。在生产过程中对镜片投解用于确定镜片生产的稳定性﹐但目镜镜片确无法使用此种方法进行确认。5.偏振光片﹕可用偏振光片对镜片的应力状况进行分析﹐找出应力集中的地方并加以改善。也可通过应力的分析来做出一些对策。一般情况下PC材料镜片的应力会比较集中。