Способ изготовления оптических деталей из стекла и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК C03B11/00 C03B11/08 

2. Устройство для изготовления оптических деталей из стекла, включающее установленные с возможностью встречного движения формующие элементы, соединенные с ультразвуковыми преобразователями, отличающееся тем, что, с целью повЕлше НИН качества деталей и сокращения технологического цикла, фор укяцие

элементы выполнены в виде волноводов с охлаждающими радиаторами и установленными на формующих торцах нагревателями, а ультразвуковые преобразователи выполнены магнитострикционными, при этом длина волны волноводов кратна полудлине волны магнитострикционных преобразователей.

. . Изобретение относится к строител . ным материалам, а именно к получени оптических деталей из стекла путем прессования с использованием ультра звуковых колебаний. Известны способ изготовления опт ческих деталей и устройство для его осуществления, по которому стеклома су, сваренную, в ванной печи или вазогретую в сосуде до вязкости ЮЭ 10%а-с, пропускают через донный па рубок и получают в виде штабика. Се ние штабика имеет форму, оптимальну для прессования заданного размера оптической заготовки, что обеспечив ется соответствующей формой фильеда патрубка. Когда сплавленный торец штабика достигает зоны прессования, встречным движением формукядих элеме тов С пуансона и матрицы) отрезают порцию стекломассы и одновременно формуют из нее.заготовку. После вы хода из зоны прессования форма рас- крывается, деталь некоторое время выдерживается, а затем дополнительным движением выталкивается из матрицы Cl. Недостатками данных способа и устройстйа для его осуществления являются адгезия или налипа.ние расплавленного оптического стекла на формующие элементы что влечет за собой сложный комплекс физико-химических явлений, возникающих и резул тате контакта разнородных материалов, невозможность получения загото вок оптических деталей диаметром свыше 18 мм из кристаллизующизсся стекол типа ТК ( тяжелые кроны), большое количество технологических операций по окончательной доводке до требуемого уровня и, как результат,-низкая производительность процесса, большая трудоемкость. Известен также способ изготовления стеклоизделий прессованием, когда формующим элементам сообщают колебания звуковой частоты (100. 5000 Гц, изменяя амплитуду обратно пропорционально вязкости стекломассы в пределах 50-500 мкм. Этот способ обеспечивает лучшее заполнение формы и удаление газов из кон- i тактной зоны, а также позволяет /получать изделия с более высоким качеством поверхности Г 2 J. Недостатком этого способа является налипание стекла на фОЕ 1ующие элементы из-за низкой частоты колебаний, увеличенный расход стекломассы на припуски для последующей обработки деталей, а также невозможность применения данного способа ,цля прессования заготовок оптических деталей, так как увеличение амплитуды ло 50-500 мкм приводит к образованию внутренних дефектов (свилей, пузырей раковин). УсТрсяЙСтво .для осуйествления способа содержит формукадие инструмвнгыматрицу и пуансон, которШл сообщаются с помощью вцбратора- колебания звуковой частоты 12. Наиболее, близким к предложенным по технической сущности и достигаемому результату являются способ изготовления оптических деталей иэ стекла путем прессования заготовки формующими элементами с использованием ультразвуковых колебаний для предотвращения контакта между заготовкой и формуквдими элементами и устройство для его осуществления, включающее установленные с ВОЗМОЖНОСТЕЙ встречного движения формующие элементы, соединенные с ультразвуковыми преобразователями. Известишь способом осуществляютисключение контакта между прессуемой заготовкой и формующими элементами путем подачи инертного или восстановительного газа в зону прессования, прессование порции расплавленной стекломассы или отдельной заготовки с помощью возвратно-поступательного движения формующих элементов; грубый (инерционный отжиг;для предотвращения разрушения заготовки при охлаждении; тонкий отжиг для обеспечения высокой оптической однородности стекла с едиными для всей партии показателями преломления и дисперсии; грубое ишифование.

необходимое в силу низкой шероховатости формуемых поверхност.ей заготовок; тонкое шлифование.

Формующие элементы в известном устройстве изготовлены из пористого, газопроницаемого материала и соединены с ультразвукрвБции преобразователями, с помощью трубопроводов высоког давления. При этом ультразвуковые колебания служат исключительно для проталкивания инертного или восстайрвительного газа через поры формующих элементов и образования противоадгезионного (газового слоя/ предупреждадоцего непос1 ёдственный контакт с прессуемой заготовкой. Устройство позволяет уменьшить налипание стекла на формующие элементы, улучшит качество поверхности прессуемых деталей з.

Однако известное устройство требует сложного оборудования: насосов высокого давления, системы подачи инертных или восстановительных газов, мембранных ультразвуковых преобразователей и др. А известный малопроизводителен из-за длительности образования гаэоЬой подушки на поверхности формующих эламентов и большого количества основных технологических операций, необходимых для получения качественных рптическйх деталей с высокими оптическими характеристик гили, т.е. обладаюа1их однородностью структураз, отсутствием внешних и внутренних дефектов (посечек, свилей, пузырей , и др.), стабильностью гесллетрических размеров, высоким классом шеррхойатости поверхностей при отсутствии остаточйых { температурных ) напряжений.

Целью изобретения является повышение качества деталей и сокращение технологического цикла.

Поставленнай цель достигается тем, что согласнй способу, изготовления оптических деталей из стекла путем прессования заготовки формующими элементами с использован ем ультразвуковых колебаний для предотвращения контакта между заготовкой и формующими элементами, в качестве ультразвуковых колебаний используют стоячие ультразвуковые волны с амплитудой 6-16 мкм, заготовку размещают в пучности колебаний стоячей ультразвуковой волны, при этом процесс прессования ведут до установления постоянной с1мплитуды колебаний.

Кроме того, в устройстве для изготовления оптических деталей и.з стекла, включающем установленные с возможностью встречногр движения формующие элементы, соединенные с ультразвуковыми преобразователями, формующие элементы выполнены в виде волноводов с охлаждающими радиаторами и установленными на

Формующих торцах нагревателями, а ультразвуковые преобразователи выпрлнены магнитострикционными, при этсаи длина волны врлноводов кратна полудлине волны магнитострикцирнных преобразователей.

Способ заключается в том, что при термоциклическом воздействии на оптическое стекло в нем возникают напряжения, связанные с перепадом температу р по сеченшо заготовки при ее охлаждении,-Для снятия этих напряжений требуются технологические операции грубого и тонкого отжига. Деиствие остаточных напряжений можйо свести к активирвванию работы микронеоднрроднйй части ис1Ч «ников, ведущему ; к возрастанию плотности дислокапий и увеличениккзапаса энергии. Заготовка, получившая избыточную энергию, будет i стремиться к перестройке своей структуры таким рбразом, чтобы кратчайшим путем принять устойчивое срстоянне.

Механизм образования дислокационной структу а при циклйческс м нагруяении связан с усилением з&эа.к здаейстВИЯ скользящих дислокаций и повышением их плохностя. Для рсвобоясдения диcлof каций необходима дополнительная внваняя энергия. Активация яислокаций при наложении ультразвуковых колебаний связана с поглощением энергия колебаний, которая пропорциональна квадрату изменения шлтлитуда.

Изменение амплитуды ультразвуковых колебаний в пределах 6-16 мкм, в зависимости рт марки оптического % стекла, усилия прессования, плсвдади поверхности прессуемой заготовки, позволяет резко снизить степень микронеоднородности и шероховатости и получить более совершенную мелкодисперсную структуру стекла на стадии прессования, причем прессование за- канчивают при установлении Ностоянной амплитуды колебаний, при которой происходит снятие внутренних (температурных) напряжений.

Ультразвуковые колебания образуют воздушную прослойку между фopмsющими волноводг «1 и прессуемой деталью, равную по толщине (6-16 мкм) амплитуде колебаний, что позволяет предупред ить непосредственный контакт между формующими волноводами и заготовкой и приводит к полному разрушению адгезионных мостиков, созданию благоприятных условий для своевременного удаления газов из контактной зоны и исключению химического взаимодействия стекла с формующими волноводами.

Изменение амплитуды к.олебаний формующих волноводов в диапазоне до 6 мкм приводит к ликвидации воздушной прослойки, т.е. к возникновению адгезии между прессуемой заготовкой и поверхностями формующих элементов, а изменение амплитуды в диапазоне свыше 16.мкм значительно влияет на внутреннюю структуру стекла, способствует возникновению свилей, пузырей увеличению степени.микронеоднородности, получению крупнодисперсной структуры прессуемой заготовки, что отрицательно сказывается на оптических характеристиках деталей. Применение ультразвуковых колебани припрессовании оптических детаЛёЯ в значительной степени влияет на ге1э метрические параметры. Ввиду Tofo, -ЧТО в-этом случае получают прозрачны заготовки (без адгезионного слоя) при шероховатости прессуемой ггреерхг ности на 2-3 порядка вьвде шероховатости формукнчего волновода, удается обнаружить брак на стадии прессования, с возможностью вторичной пираработки отбракованных заготовок. При чем допуски у заготовок, отпрессован них с наложением ультразвуковых коле баний, на 20-30% ниже, чем у заготовок, получаемьлх без их применения. На фиЕ.1 показан вариант устройст ва дляизготовления оптических.деталей диаметром до 40 мм путем вытягивания дрота определенного сечения;, на фиг.2 - то же, диаметром свыше 40,мм из отдельно взятой заготовки или порции жидкой стекломассы. - Устройство по первому в.арианту ( фиг.i ) использует дрот определен-, ного сечения из иггабика 1, который вытягивают с помощью валков 2. Оно состоит из формукадих торцов 3, волно водов 4. Длина волноводов 4 кратна полудлине или длине волны ультразвуковых стандартных магнитострикционны преобразователей 5 типа ntlC-15A-18, рассчитанных для работы с генератором УЗГ-2-10 ( не показан)или другими типами генераторов, обеспечивающих необходимый режим рйботы преобразова теля. Волноводы 4 -соединяются с преобразователями 5 для осуществления акустического контакта с помощью шпильки б, пЕУичем преобразователи 5 заключены в корпус 7, который закреплен к кронштейну 8 с возможность регулировки для точного совпадения формующих торцов 3 при прессовании, Кронштейн-; 8 жестко связан со штоком 9 пневмоцилиндра (не показан и имее направляющие не показаны) обеспечивающие точность хода всей акустической системы по основанию 10. На формующих торцах волноводов 4 закреплены нагреватели 11 кольцевогр типа мощностью 4,5 кВт, а автоматическое измерение температуры прессования осуществляется термопарами 12, причем температура регулируется в зависимости от марки оптического сте ла. Усилие прессования регулируется .пневмосистемой ( не показана) в , зависимости от геометрических разме ров прессуемой заготовки. Для предохранения преобразователей 5 от перегрева и для стабилизации акустического сопротивления волноводов 4 предусмотрены охлаждающие радиаторы 13 трубчатого типа, по которым циркулирует проточная вода. В устройстве по второму варианту (фиг.2; для прессования отдельных заготовок или порций жидкой стекломассы акустическая система расположена вертикально, . верхний преобразователь 5 с волноводом 4 закреплен на плите 14 через тензодатчики 15 сжатия, служащие для измерения усилия прессования, а нижний преобразователь 5 с волноводом 4 установлены на кронштейне 16, закрепленном на подвижной платформе 17, которая движется по направляющим колонками 18 с помощью штока 39 пневмоцилиндра 20 закреп-. ленного,на нижней плите 21. Таким образом, движение осуществляется ОДН.ИМ пневмоцилиндром-20, расположенном в данном случае внизу. При прессовании заготовок диаметром свьвде 40 мм волноводы 4 изготавливаются цельными. Регулировка амплитуды колебаний и частоты производится ультразвуковым r-lHepaTopOM (не показан), а .также изменением акустического сопротивления волноводов 4. Измерение амплитуды и частоты осуществляется с помо- щью виброметра УВВ-2М и частотомера ЧЗ-34А соответственно (не показаны) Устройство работает следующим образом. Из штабика 1 (фиг.1) вьатягивается дрот 22 (лента), котоЕИй подается роликами 2 в зону прессования с одновременным включением ультразвуком колебаний. Встречным движением волноводов 4 происходит прессование заго товки, расположенной в пучности колебаний стоячей ультразвуковой волны, причем ультразвуковые колебания остаются включенными в течение всего цикла, вплоть до удаления готовой детали из зоны прессованияk Деталь отверстие (не показано) в основании 10 поступает в печь грубого инерционного отжига (не показана). При этом при смыкании формующих волноводов 4 происходит вьщержка для выравнивания амплитуды колебаний. Например, для заготовки диаметром 26 мм и толщиной 5,2 мм из стекла БФ16 амплитуда составляет 9 мкм, а вьщержка - 1,52,5 с. Нижний формующий волновод 4 (фиг.2) закрепленный на кронштейне 16, отводится вниз вместе с плитой 17 по направляющим колонками 18 с помощью штока 19 пневмоцилиндра 20. Включаются ультразвуковые колебания, подается порция жидкого стекла или разогретая до температуры плавления заготовка 23, в зависимости от марки оптического стекла, которую помещают