毕业论文(设计)非球面凹凸玻璃透镜模压成形过程的有限元分析.pdf
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1、学校代码 10530 学 号 201431071700分类号 TG37 密 级 公开湘潭攵渗硕士学位论文非球面凹凸玻璃透镜模压成形过程的 有限元分析学位申请人_何遮_指导教师 朱科军学院名 称 机械工程学院学科专业 工程硕士(机械工程领域)研究方 向 制造工艺及装备71994-2018 Ch ina Ac ade mic Jo urnal El e c t ro nic Publ ish ing Ho use.Al l rig h t s re se rve d.h t t p:/www.c nki.ne tFinite Element Analysis on Molding Process
2、of Glass Lens with Aspherical Concave-convexCandidate_He Yuan_Supervisor_Zh u Ke jun_College Sc h o o l o f Me c h anic al Eng io e e ringProgram_Me c h anic al Eng ine e ring_Specialization Manufac t uring t e c h no l o g y and e quipme ntDegree_Mast e r o f Eng ine e ring_U Diversity_Xiang t an U
3、nive rsit y_Date_June.2017_71994-2018 Ch ina Ac ade mic Jo urnal El e c t ro nic Publ ish ing Ho use.Al l rig h t s re se rve d.h t t p:/www.c nki.ne t湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人
4、承担。作者签名:学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:导师签名:71994-2018 Ch ina Ac ade mic Jo urnal El e c t ro nic Publ ish ing Ho use.Al l rig h t s re se rve d,h t t p:/www.c nki.ne t
5、摘要光学元件在现代社会中起着重要的作用,用于娱乐、通信、制造和测量的光电装置 被广泛使用,其中非球面玻璃透镜因为能够有效修正影像畸变、色差、慧差,改善成像 质量、简化仪器结构而备受关注。相比于传统的去除加工方法,玻璃模压成形技术具有 高效率、低成本、适合大批量生产等优点,模压成形获得的透镜无需后续抛光处理就可 以直接使用。但是该技术在实际生产中存在两个难题:其一是成形透镜内部容易产生较 大的残余应力,使成形透镜表面产生裂纹甚至破裂,影响其光学性能及使用寿命;其二 是成形透镜的最终成形轮廓与原设计轮廓之间存在较大的成形误差。为了解决这些问题,本文使用Msc.Marc有限元分析软件建立了非球面凹凸
6、玻璃透 镜的数值模型,对成形透镜的残余应力及成形误差分别进行仿真预测,并通过模压成形 实验来验证仿真预测结果的有效性,之后通过改变单一成形参数来研究其对残余应力和 成形误差的影响规律。主要研究工作如下:1.基于广义Max we l l模型,分别建立加热、模压、退火和冷却四个阶段的数值模型,对整个成形过程中透镜的残余应力进行预测。预测结果表明透镜的残余应力主要集中于 凹、凸面内侧,凹、凸面的最大残余应力都出现在拐点附近且凹面大于凸面,退火过程 能够有效消除透镜内部的残余应力。通过进行模压成形实验,测量了非球面凹凸玻璃透 镜的残余应力,测量结果与预测结果相吻合,验证了仿真预测的有效性。2.在仿真预
7、测与实验相结合的基础上,研究了各成形参数对残余应力的影响规律,结果表明:在模压阶段,透镜的残余应力与模压温度成反比关系,与模压速率、摩擦系 数成正比关系;退火阶段,透镜的残余应力与退火速率及保压力皆成正比关系;冷却阶 段,冷却速率对残余应力并无明显影响。3.分析模压成形过程中造成成形误差的原因,成形误差主要出现在三个方面:1)模 具成形腔表面的加工误差;2)模压阶段玻璃预形体复制热变形模具轮廓而产生的误差;3)退火阶段透镜结构松弛产生的误差。在此基础上,对透镜在成形过程中产生的成形误 差进行预测,并对实验所获得的非球面凹凸玻璃透镜表面轮廓进行测量,测量结果与预 测结果相吻合,表明了通过数值仿真
8、来预测透镜成形误差的可行性。4,通过改变单一的成形参数来研究其对成形误差的影响规律。结果表明,成形误差 随着模压速率的增大而增大,随着模压温度的增大而减小,但过高的模压温度会使成形 误差变大,成形误差随着退火速率、保压力、摩擦系数的增大而减小,冷却速率对成形 误差无明显影响。关键词:模压成形;非球面;玻璃透镜;残余应力;成形误差I71994-2018 Ch ina Ac ade mic Jo urnal El e c t ro nic Publ ish ing Ho use.Al l rig h t s re se rve d.h t t p:/www.c nki.ne tAbstr actO
9、pt ic al e l e me nt s are pl aying an impo rt ant ro l e in t h e mo de rn so c ie t y.Opt o-e l e c t ro nic de vic e s fbr e nt e rt ainme nt,c o mmunic at io n,manufac t uring and me asure me nt are wide l y use d,in wh ic h asph e ric al g l ass l e ns c o me s t o be mo re e ye-c at c h ing fb
10、r it s e ffe c t ive c o rre c t io n t o imag e dist o rt io n,abe rrat io n,and c o ma;al so t h e impro ve me nt o f imag e qual it y and syst e mat ic al ide nt ific at io n,e quipme nt st ruc t ure simpl ific at io n as we l l.Diffe r t o c o nve nt io nal mat e rial re mo val t e c h nique s,g
11、 l ass mo l ding pro c e ss(GMP)h as t h e advant ag e s o f h ig h e ffic ie nc y,l o w c o st,and ac h ie vabl e mass pro duc t io n.I t c an be use d dire c t l y wit h o ut fo l l o w-up po l ish ing pro c e ssing.Ho we ve r,t wo c h al l e ng e s st il l be t h e re in c urre nt prac t ic al pr
12、o duc t io n.First l y,t h e l arg e re sidual st re ss l e ft in mo l de d g l ass in GMP,wh ic h may c ause c rac k o r frac t ure o n t h e surfac e,affe c t ing o pt ic s pro pe rt ie s and re duc ing se rvic e l ife;se c o ndl y,t h e re is a fo rming e rro r be t we e n t h e final sh ape and
13、de sig ne d sh ape.I n o rde r t o so l ve t h e se pro bl e ms,a nume ric al mo de l o f asph e ric al c o nc ave-c o nve x g l ass l e ns by Msc.Marc finit e e l e me nt anal ysis pro g ram h as be e n e st abl ish e d fbr re spe c t ive simul at io n c al c ul at io n t o re sidual st re ss o f m
14、o l de d g l ass and fo rming e rro r as we l l,and GMP e x pe rime nt is suppo se d t o ve rify t h e e ffe c t ive ne ss o f t h e simul at io n c al c ul at io n.Sing l e fo rming parame t e r wil l be c h ang e d l at e r t o re se arc h so me fe at ure s9 e ffe c t o n re sidual st re ss and fo
15、 rming e rro r.Th e majo r re se arc h e s as fo l l o ws:1.Buil d fo ur ph ase s nume ric al mo de l s o f h e at ing,mo l ding,anne al ing,c o o l ing st ag e s o n t h e base o f g e ne ral ize d Max we l l mo de l t o pre dic t l e ns re sidual st re ss in t h e wh o l e mo l ding pro c e ss.Th
16、e re sul t sh o ws t h at re sidual st re ss is mainl y fbc us o n t h e inne r side o f bump surfac e;t h e l arg e st re sidual st re ss is aro und t h e infl e c t io n po int,and fo rc e o n t h e c o nc ave surfac e is g re at e r t h an t h at o n t h e c o nve x side.Re sidual st re ss in inn
17、e r l e ns c an be e l iminat e d e ffe c t ive l y during t h e anne al ing pro c e ss.Take a re sidual st re ss t e st t o t h e mo l de d asph e ric al c o nc ave-c o nve x g l ass l e ns in GMP e x pe rime nt,and t h e re sul t c o rre l at e wit h t h e pre dic t io n re sul t,wh ic h pro ve s
18、t h e e ffe c t ive ne ss o f simul at io n.2.Buil d fo ur ph ase s nume ric al mo de l s o f h e at ing,mo l ding,anne al ing,c o o l ing o n t h e base o f g e ne ral ize d Max we l l mo de l t o pre dic t l e ns re sidual st re ss in t h e wh o l e mo l ding pro c e ss.Th e re sul t sh o ws t h a
19、t re sidual st re ss is mainl y fo c us o n t h e inne r side o f bump surfac e;t h e l arg e st re sidual st re ss is aro und t h e infl e c t io n po int,and fo rc e o n t h e c o nc ave surfac e is g re at e r t h an t h at o n t h e c o nve x side.Re sidual st re ss in inne r l e ns c an be e l
20、iminat e d e ffe c t ive l y during t h e anne al ing pro c e ss,and it c o me s t o be a l o we r val ue wh e n anne al ing finish e d.Take a re sidual st re ss t e st t o t h e mo l de d asph e ric al c o nc ave-c o nve x g l ass l e ns in GMP e x pe rime nt,and t h e re sul t c o rre l at e wit h
21、 t h e pre dic t io n re sul t,wh ic h pro ve s t h eI I71994-2018 Ch ina Ac ade mic Jo urnal El e c t ro nic Publ ish ing Ho use.Al l rig h t s re se rve d.h t t p:/www.c nki.ne te ffe c t ive ne ss o f simul at io n c al c ul at io n.3.Fo rming e rro r is mainl y sh o ws in t h re e aspe c t s in
22、anal ysis o n GMP:1)Mac h ining e rro r o n c avit y surfac e in mo l ding pro c e ss;2)Dist o rt io n e me rg e d wh e n g l ass pe rfo rm re pl ic at e t h e rmal de fl e c t io n mo l d pro fil e in mo l ding pro c e ss;3)Le ns st ruc t ure re l ax at io n in anne al ing pe rio d.Pre dic t io n o
23、 f fo rming e rro r t h at l e ns pe rfo rme d in GMP is o n t h e se basis me nt io ne d abo ve.Th e surfac e pro fil e,fro m t h e finish e d asph e ric al c o nc ave-c o nve x g l ass l e ns in e x pe rime nt,t h e re sul t c o rre l at e wit h t h e pre dic t io n re sul t,pro ving it is in t h
24、e fe asibil it y fbr pre dic t ing l e ns fo rming e rro r via nume ric al simul at io n.4.Sing l e fo rming parame t e r wil l be c h ang e d l at e r t o re se arc h so me fe at ure s9 e ffe c t o n fo rming e rro r.I t is said t h at fo rming e rro r inc re ase s wit h big g e r mo l ding rat e,d
25、e c re ase s as t e mpe rat ure g o e s up.Ho we ve r,h ig h e r t e mpe rat ure l e ads t o l arg e r de viat io n;e rro r re duc e s wh e n anne al ing rat e,dwe l l pre ssure and fric t io n c o e ffic ie nt g e t s do wn;and c o o l ing rat e,it it no o bvio us affe c t t o fo rming e rro r.Ke y
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