李康森;张灿滨;王小权;龚峰
【摘 要】目的 研究高温情况下光学玻璃精密成形设备加热系统的密封性能.方法 通过数值模拟分析,得到加热系统的温度场分布以及密封圈的温度变化规律,利用热电偶及红外测温仪对加热系统加热性能及安全性进行检测,在此基础上,对加热系统进行改进.结果 随着加热时间和功率的增加,密封圈的温度随之上升.模压温度过高,橡胶圈存在破坏的可能.结论 通过对密封处进行改良,橡胶圈在安全工作范围内,加热效率得到了改善.在机械泵和分子泵的共同作用下,模压腔内的真空度达到1 Pa以下. 【期刊名称】水过滤板《精密成形工程》
【年(卷),期】2017(009)004
【总页数】7页(P52-58)
【关键词】玻璃模压成形设备;密封;数值模拟;温度场
【作 者】李康森;张灿滨;王小权;龚峰
【作者单位】深圳大学 机电与控制工程学院,广东 深圳 518060;深圳大学 机电与控制工程学院,广东 深圳 518060;深圳大学 机电与控制工程学院,广东 深圳 518060;深圳大学 机电与控制工程学院,广东 深圳 518060
二代身份证识别系统【正文语种】中 文
【中图分类】TH122
光学玻璃非球面透镜是手机镜头、摄相机、投影仪、望远镜、红外探测仪、武器瞄准系统、内窥镜等光学系统产品中的关键部件。传统的玻璃非球面透镜经过复杂的冷加工而成，工序繁琐，耗时长，价格昂贵，对技术工人要求较高。玻璃精密模压成形技术是将软化的玻璃放入高精度的模具中，在高温加压和无氧条件下，一次性直接模压成形光学零件，如小口径透镜、非球面透镜、透镜阵列、衍射光学元件、自由曲面、红外透镜等[1—5]，大大简化了工艺，降低了成本。1974年玻璃模压技术在美国申请了专利，莱特巴斯、柯达、康宁等公司已掌握玻璃模压成形技术。美国克莱姆森大学研制的DTI—GP5000HT[6]
模压机，可以进行商业和科研实验，连续3 d工作，模压产品的形貌偏差为0.55 μm，GP-5000HT内部结构见图1。美国穆尔集团纳米技术公司开发型号为 140GPM 的玻璃模压机见图2，可在真空或者充满惰性气体的环境下进行，最大模压力为 25 kN，最高加热温度为800 ℃。日本的大原、保谷、欧林巴斯等公司对玻璃模压成形也有深入研究，日本武内制作所研发的型号为MVP-2010的玻璃模压成形机见图3，该设备常用的模压行程为 80 mm，常用的工作温度限定在500～700 ℃，模压力范围为0～5 kN。日本东芝研制的GMP系列模压机是目前市场大多数的选择，可加工工件面型精度小于0.5 µm，Ra＜5 nm，GMP系列玻璃模压机及原理见图4。国内高校和企业也对该技术也有所研究，不过起步较晚。玻璃精密热压成形过程主要分为3个阶段，第1阶段为抽真空及玻璃坯料加热，第2阶段是保温热压，第3阶段为退火冷却。模压成形过程中温度过低，会导致模压力过大，甚至会破坏模具的结构，影响模压透镜的精度；温度过高，玻璃会在重力的作用下自由流动，不容易控制，而且过高的温度会导致模压完成后，玻璃和模具表面粘结在一起，影响玻璃表面的成形质量[7]，因此，加热系统对模具和玻璃坯料的加热效果，对玻璃透镜的成形过程有重要的影响。文中主要针对自主研制的光学玻璃精密模压成形设备加热系统中的密封机构进行研究，通过数值模拟分析，得到加热系统的温度场分布以及密封圈的温度变化情
况，利用热电偶以及红外测温仪对加热系统的加热性能以及安全性进行检测，然后通过实验验证其可行性，最后对模压机密封处进行改进。
为了实现玻璃坯料加热的要求，需要提供热源及支撑热源的炉体结构；为了提高整个工艺过程的加热效率、减少热量的散失，需要进行密封隔热处理；为了保证玻璃表面成形质量，需要进行抽真空，真空度要求在1 Pa以下。为了保证真空度，需要进行密封设计。静密封是与被密封面静态接触，且与其他表面没有相对滑动，直接在压力的作用下达到密封效果[8—9]。静密封一般可以分为轴向密封和径向密封。动密封则相反，被用在存在机械运动的表面，机械运动可以是往复运动或者振荡运动。轴向静密封通过压缩或挤压密封件上下2个表面，来达到密封的效果。往复动密封被用来密封内表面和外表面轴向的往复运动，加热系统工作状态见图5。设备中密封圈选用O型圈以及Y型圈对模压腔室进行密封[10—11]。密封材料选择橡胶，密封圈在工作时还受到加热系统的热辐射及退火冷却气路、水路的影响，因而在设计密封圈时，还要综合考虑温度和使用环境对密封圈密封性能的影响，选用氟橡胶，工作温度在250 ℃以下。光学玻璃精密成形装置的工作状态见图5，加热系统安装在机架上面的模压室内，加热系统的结构相对于上下模座呈轴对称。内部零部件见图6，主要由定心浮动机构、水冷密封件、隔热垫、模具等组成。玻璃精密模压成形机加
金属磷化热系统装配见图7。
热传导加热通常是通过发热体产生高温，再由发热体将能量传递至玻璃坯料，从而使玻璃受热。热对流是由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。低温气体由外界驱使通过高温发热体后，变成高温气体，该高温气体再接触到低温物体时，能把热量传递至低温物体[12—14]。
式中：K为玻璃的热导率；hm为玻璃与模具间的传热系数；ha为氮气热对流系数；Tm为模具的温度； 为玻璃密度；c为玻璃比热容； 2∇为拉普拉斯算子。
根据辐射传热理论[15]，物体的辐射力主要和物体的温度有关，红外发热管有良好的热惯性，在空间各个方向上的辐射强度认为是相等的。
式中：ε为热辐吸收系数；σ为辐射常数，σ =5.67×10-8W/(m2·K4)；A为辐射面积。加热系统模型中的材料物理参数见表1，各参数将用于热力学仿真，从而得到不同材料零件加热后的温度分布情况。
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加热系统结构总体呈轴对称，为了快速得到仿真结果，仿真模型采用二维轴对称热传递模
型。未改进前的模型见图8，模型中有4处需要密封处理，其中密封处利用水冷降温。1—2处为动密封橡胶，可能存在破坏的危险。为了降低加工精度的同时保证模压机的同轴度，采用了定心浮动机构，其工作温度要求在100 ℃以下，在密封件处进行水冷处理，作用是隔热和冷却橡胶，保证机器正常工作。
该模型在功率4.8 kW加热2000 s后的温度分布见图9，加热装置中一根红外灯管加热的最大功率为1.5 kW，通过PID调节控制温度升降。随着加热时间的增加，中心坯料处温度随之上升。480 s时中心坯料温度为420 ℃左右，由于施加功率载荷相对较低，同时采用了水冷，中心坯料处的升温速率逐渐缓慢，升至550 ℃左右时基本停止增长。
加热系统内零部件的局部温度见图10，此时中心坯料处温度为527 ℃，升温速率较慢。当中心坯料温度升至550 ℃左右，动密封处橡胶的温度变化曲线见图11，动密封1处的温度达到了170 ℃左右，动密封2处达到了100 ℃左右，橡胶圈处于正常工作温度。
为了验证动密封 1, 2处的热稳定性能以及红外加热系统的加热速率，将加热系统中8根灯管全开，以83.3%的功率(10 kW)进行仿真分析。功率10 kW时加热2000 s后的温度分布见图12，经过513 s中心温度快速升至700 ℃左右，当加热1014 s时，中心温度为762 ℃，升温
石膏增强剂速率开始下降，1414 s时，中心温度在800 ℃左右。此时由于中心温度太高，密封圈存在被破坏的危险。其中与玻璃罩接触的动密封1, 2危险性最大。10 kW下加热系统局部温度见图13，虽然玻璃罩没有直接吸收红外光，但是由于热对流和热辐射，玻璃罩温度也到达了300～350 ℃的高温，与玻璃罩接触的橡胶圈温度变化见图 14，动密圈 1处橡胶温度高达260 ℃左右，此时密封圈已经被破坏，严重影响热密封性能。由于水冷作用，浮动定心机构处温度还在100 ℃以下，可保证对心精度。下模驱动装置是由几个零件装配组合成的，共有 4处需要进行密封，如图8所示，为了保护密封圈正常工作，4处密封圈都进行了水冷，密封处温度在30 ℃左右。为了操作安全，对加热辐射罩也进行了局部水冷处理，水冷处温度在30 ℃左右，但是远离水冷处温度较高，最高局部温度达到200 ℃左右。如果采用玻璃精密模压成形装置模压成形的玻璃温度在550 ℃左右，未改进的成形装置依然可以正常工作。当玻璃精密模压成形装置处于最高温度800 ℃时，密封圈则存在破坏的危险，因而有必要对加热系统进行改进。鲜奶搅拌机
对未改进前的玻璃精密模压成形装置加热系统外部零件进行温度测试实验，分别使用接触热电偶和红外测温仪对加热系统外部温度进行测量。测量点见图15，此时加热系统使用的功率在4.8 kW左右，模具内部热电偶显示温度为550 ℃。对不同位置温度进行测量提取，
不同部位温度数据见表2，由于测量误差，红外测温仪和热电偶测量的温度有区别，尤其是红外测温仪，不同材料设置的参数一样，存在一定的温度误差。从表2可以看出，当红外加热系统中心模具处温度为550 ℃时，水冷效果明显，此时的密封圈都处于正常工作温度范围内。
未改进前的玻璃精密模压成形装置在 800 ℃工作时，密封圈 1处存在破坏的危险。为了提高光学玻璃成形机的性能并保证密封效果，对玻璃精密模压成形装置的加热系统进行改进。优化后温度场分布见图16，优化后密封圈装配见图17，对动密封件进行了冷却，避免玻璃与密封圈接触过大，在玻璃罩上端部分也进行水冷处理，有效降低玻璃罩的温度。同时，减小上模隔热垫与密封件的接触面积，减小热传导面积。当玻璃精密模压成形装置加热系统以10 kW的功率加热2000 s时，密封圈处橡胶温度变化见图18，最高温度在150 ℃左右，处于安全工作范围。改进后的设计满足要求，提高了加热系统的性能。对BK7玻璃模压成形温度场进行仿真，其温度分布见图 19，改进后的玻璃精密模压成形装置共有 5处位置需要水冷处理，实验和仿真证明，密封圈在正常工作范围内。
1) 玻璃精密模压成形装置以4.8 kW功率快速升至550 ℃时，橡胶圈在正常工作范围内，但
随着加热时间的增加，由于玻璃罩会吸收少量的红外能量，造成局部温度过高，密封圈处于临界温度。
2) 未进行改进前，当玻璃精密成形设备加热至最高温度800 ℃时，橡胶圈被破坏。
3) 由于上模密封结构离冷却水处较近，所以当温度升至一定温度后，温升速率会慢很多。为了提高加热效率，减小上模垫与冷却密封的接触面积可以很好地提高热效率。
4) 对密封处进行优化改良后，橡胶圈在安全工作范围内。通过机械泵和分子泵的共同作用下，模压腔内的真空度可达到1 Pa以下。
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