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

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 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 Unive 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 actOpt 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 fbr 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 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 pro 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 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 mo 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 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 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 inne 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 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 at 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 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 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 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 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 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,de 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 ywo rds:Gl ass Mo l ding Pro c e ss;Asph e ric surfac e;Gl ass l e ns;Re sidual St re ss;Fo rming Erro rI I 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 t目录摘要.IAbst rac t.II目录.IV第1章结论.11.1 弓I言.11.2 研究背景.11.2.1 非球面光学玻璃的特点.11.2.2 玻璃模压成形技术.21.3 文献综述.41.3.1 国外文献综述.41.3.2 国内文献综述.61.4 模压成形设备.71.5 研究目的及意义.91.6 本文主要研究内容.91.7 本章小结.10第2章 玻璃模压成形的理论研究.112.1 光学玻璃.112.1.1 光学玻璃的分类及命名.112.1.2 光学玻璃的制造.122.1.3 玻璃预形体.122.1.4 光学玻璃的低熔点趋势.132.2 光学玻璃的光学性能.142.2.1 折射率.142.2.2 色散.142.2.3 透明度.152.3 光学玻璃的化学性能.152.4 光学玻璃的机械性能.162.4.1 杨氏模量、剪切模量和泊松比.162.4.2 Kno o p 硬度.162.4.3 密度.162.4.4 比热容.162.5 光学玻璃的粘度.18IV71994-2018 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 t2.6 光学玻璃的热学性能.192.6.1 热膨胀系数.192.6.2 光学玻璃常见的温度点.192.7 光学玻璃的粘弹性.202.7.1 蠕变.202.7.2 应力松弛.222.8 粘弹性模型.232.8.1 粘弹性模型的基本元件.232.8.2 Max we l l 模型.232.8.3 Ke l vin 模型.252.8.4 Burg e rs 模型.252.8.5 广义 Max we l l 模型.262.9 本章小结.28第3章 非球面凹凸玻璃透镜残余应力的有限元仿真分析.293.1 有限元分析简介.293.2 非球面凹凸玻璃透镜及模具设计.293.3 材料参数.313.4 有限元模型的建立.323.5 非球面凹凸玻璃透镜模压成形仿真过程.333.5.1 加热阶段.333.5.2 模压阶段.353.5.3 退火阶段.373.5.4 冷却阶段.403.6 残余应力实验测量.413.7 成形参数对透镜内部残余应力的影响.423.7.1 模压温度与残余应力的关系.423.7.2 非等温模压成形温度差与残余应力的关系.443.7.3 模压速率与残余应力的关系.453.7.4 摩擦系数与残余应力的关系.463.7.5 退火速率与残余应力的关系.473.7.6 保压力与残余应力的关系.493.7.7 冷却速率与残余应力的关系.503.8 本章小结.51第4章 非球面凹凸玻璃透镜的成形误差分析.524.1成形误差的产生.52V71994-2018 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 t4.2 成形误差的预测.544.3 成形误差实验测量.564.4 成形参数对成形误差的影响.594.4.1 模压温度对成形误差的影响.594.4.2 模压速率对成形误差的影响.614.4.3 退火速率对成形误差的影响.624.4.4 保压力对成形误差的影响.634.4.5 摩擦系数对成形误差的影响.644.4.6 冷却速率对成形误差的影响.664.5 本章小结.67第5章总结与展望.695.1 总结.695.2 展望.69参考文献.71致谢.74攻读硕士期间所发表的论文与参与的科研项目.76VI71994-2018 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第1章绪论1.1 引言非球面光学透镜因为能够有效修正影像畸变，减小球面透镜所带来成像上的慧差、色差，达到简化仪器结构、减小产品体积、提高成像质量、加强系统识别能力等要求而 备受关注，如今在各领域中的应用也越来越多。军用领域有激光测距仪、红外探测仪、潜望镜、军用望远镜、夜视仪等，比如美国的Ml坦克，使用了 90块非球面透镜；一 具AN/AVS-6型飞行员微光夜视眼镜就采用了 9块非球面透镜。医学领域有内窥镜、显 微镜、医用放大镜、眼球内置镜等，比如在医用电子内窥镜中采用非球面透镜能够实现 无盲区诊断；使用非球面透镜组的医用眼镜式放大镜能够准确设计出所需的放大倍数并 且有效提高手术效率。工业领域有半导体激光器、光纤耦合器等，比如在光纤放大器中 使用非球面透镜能够有效提高光纤的耦合效率；将非球面透镜用在半导体激光器的封装 端面上能够取得较好的准直效果。在民用方面有各种数码相机、光盘读写装置、高品质 投影仪等，比如美达能公司的APEX90照相机中使用了 2组4片非球面透镜作为变焦 镜头，其中包含了 2片两面都是非球面的透镜广角相机中使用非球面透镜来校正畸变；大屏幕投影显示光学系统使用非球面透镜后，使厚度缩小了一半；指纹采集系统中采用 非球面透镜能够有效提高指纹识别率，达到缩小系统结构的目的恒久近年来发展迅速的玻璃模压成形技术(Gl ass Mo l ding Pre ss,GMP)能够高效率、低成本、大批量生产非球面透镜，一定程度上满足了各界的大量需求口1-皿。玻璃模压成 形技术就是在一定温度和压力条件下，经历加热、模压、退火及冷却等工序，使用精密 模具压制高温软化的玻璃使其完成所需变形，快速获得玻璃元件的一种制造技术。1.2 研究背景1.2.1 非球面光学玻璃的特点光学元件在材料的使用上以光学塑胶和光学玻璃为主，其各项特性如表1.1所示。与光学塑胶相比，光学玻璃材料具有较好的抗变形性、抗高温性、较佳的硬度及表面抗 刮伤、耐有机物质腐蚀能力、热膨胀系数低等特点,并且光学玻璃透镜的成像质量高，材料种类更多、选择范围要比光学塑胶更广口幻，所以光学玻璃材料有着一些光学塑胶 材料所不能及的优良特性。球面光学透镜成像时可能会产生像差4,如图J所示，此种情况下通常采用多片 球面透镜组合起来进行矫正，如图L2所示，但是这样会造成透光度降低、整体体积变 大等缺陷。而使用非球面光学透镜，如图L3所示，理论上能够将平行的入射光线聚焦171994-2018 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于一点，不需要使用组合透镜来补偿像差。所以，非球面光学玻璃透镜不但能保证高质 量的光学性能，并且可以使产品满足体积小、便于携带的市场需求。表1.1光学玻璃材料与光学塑胶材料各项特性比较特性光学坡璃光学塑胶成形性较差较好抗冲击强度较差较好抗磨耗、耐热、耐潮湿较好较差密度kg/c m323-6.21.05-1.32硬度N/mm25000150热膨胀系数1/5x 10-6100 x 10-6热导率W/M k0.5-1.40.14-0.23折射率n1.44-1.951.49-1.61阿贝数vd20-9026-57图1.1球面透镜产生的球面像差阿图L3非球面透镜调整光轨迹成像于一点上口刀1.2.2 玻璃模压成形技术传统的非球面光学坡璃透镜制造方法是研磨抛光法，该方法主要经过断料、倒角、粗磨、精磨、局部抛光等多道工序，该方法虽然能够制造出精度较高的非球面光学元件，但其工序繁多、工艺复杂、制造周期长且加工精度不稳定，该方法效率极低，对工人技 271994-2018 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术要求又很高，并且只能够制造相对简单形状的非球面光学元件，应用范围窄，这些缺 点直接导致了生产效率及工艺稳定性低，难以满足迅速发展的市场需求。玻璃模压成形 技术是采用可反复使用的高精度模具在高温无氧条件下，直接将模具表面形貌高效复制 到玻璃预形体上，将软化的玻璃预形体直接压制成玻璃透镜产品的一种先进加工方法。其工作流程是在无氧环境下将玻璃预形体放入模具成形腔内，将玻璃预形体加热到高于 转变点、低于软化点的温度，并对模具施加模压力使玻璃预形体受到挤压直至完全复制 模具成形腔表面形状，之后通过退火过程来消除玻璃内部残余应力，然后冷却至室温。在该条件下，玻璃预形体完成塑性变形，直接成形出达到使用要求不需研磨抛光即可直 接使用的光学玻璃透镜园，如图1.4所示为传统方法与玻璃模压成形技术的对比。图1.4传统研磨抛光法与玻璃模压成形技术比较玻璃透镜模压成形步骤包括进料、去氧、加热、均热、模压、退火、冷却、脱模八 个阶段，如图L5所示。1）进料阶段：将表面擦拭干净的玻璃预形体放入到模具成形腔内。2）去氧阶段：通过充入惰性气体氮气或抽真空处理，将成形腔内的氧气驱逐干净，避免高温条件下模具发生氧化而降低模具使用寿命。3）加热阶段：启动加热装置（红外灯或电阻丝）将模具和玻璃预形体同时进行加 执。八、O4）均热阶段：进行一定时间的均热处理，使玻璃预形体内部温度达到均匀。5）模压阶段：高温状态下，软化的玻璃预形体在模压力的作用下被挤压变形并逐 渐充斥填满模具成形腔，继而复制成形腔表面的形状。整个模压阶段，加热装置都处于 开启状态用来保证成形腔内温度恒定，避免环境温度对模压过程造成影响。371994-2018 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 t6）退火阶段：关闭加热装置，对下模具施加一个较小的恒定保压力，然后对成形 透镜进行缓慢的降温处理，可通过控制氮气的流速来调节降温速率，直至成形透镜温度 降低到退火点以下。7）冷却阶段：退火过程结束后撤销保压力，适当提高降温速率，将成形透镜与模 具的温度快速降低到室温。8）脱模阶段：通过移动上、下模具，打开成形腔，取出成形腔内经过模压成形工 艺得到的透镜成品。2加热前驱除氧气3采用红外或电阻丝方式加热】噩”好模抽真空g气二ECC=口亘4均热处理7 31、XhQhS取出成形透镜图1.5玻璃模压成形技术的工艺流程1.3 文献综述1.3.1 国外文献综述玻璃模压成形技术最早由美国的East man Ko dak提出，Mil t o n等人于1974年申请 了玻璃透镜模压成形方法的美国专利，对该工艺的基本原理进行了比较系统的阐释口刃。GMP发展至今已有40多年，国外对该技术的研究起步较早，美国、德国及日本等国家 的高校和研究机构对其展开了一系列研究，并对模压成形工艺过程中玻璃材料的粘弹 性、残余应力、成形误差等问题进行了深入研究。Jainm-24等人采用有限元仿真与实验相结合的方法，较为全面地研究了坡璃透镜的 模压成形工艺。在玻璃模压成形机上进行模压成形实验，针对成形透镜的曲面形貌以及 成形精度进行研究，并通过实验确定不同的成形工艺参数包括模压温度、模压速率以及 冷却速率等对成形透镜的影响。采用有限元分析软件研究了整个玻璃透镜模压成形工艺 过程，在模压阶段采用牛顿流体模型，而在冷却阶段采用Narayanaswamy模型来描述 透镜的蠕变及应力松弛现象。结果表明，在对成形透镜曲面形貌和成形精度的预测上,471994-2018 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仿真分析与实验数据有着较好地吻合，说明有限元仿真可以用来研究透镜的残余应力以 及成形精度，采用有限元仿真分析有利于优化模压成形工艺过程。Wang 3等人于2009年研究了模具的成形腔面形补偿问题，通过使用有限元数值仿 真分析对模具进行误差补偿来修正其产生的轮廓偏移。最后经实验验证，模具的成形腔 面在经过补偿之后，可以减小模压成形后透镜轮廓曲线与设计轮廓曲线之间的偏差，达 到减小成形误差的目的。Mo sadde g h冏等人通过剪切平板试验，测量了 BK7玻璃和碳化铝模具在不同温度 下的摩擦系数。结果显示出，随着温度的上升摩擦系数会变大，在转变区域内，BK7 玻璃与碳化铝模具之间的摩擦系数值范围为0.60.7。Jo sh is1等人对圆柱型玻璃进行单轴模压成形实验，通过参数迭代来拟合实验和数 值仿真中的蠕变曲线，得到了 BK7和L-BAL35玻璃的应力松弛参数。结果表明玻璃材 料在转变温度区域内，其粘度、剪切松弛函数、体积松弛函数等都有着高度的温度依赖 性，圆柱形玻璃的变形强烈依赖于接触界面处的摩擦滑移与玻璃材料的粘度变化，这是 玻璃材料在成形过程中产生形状变化的关键因素。Yan.等人通过比较模具成形腔面与成形透镜的形状误差和表面粗糙度来描述玻 璃模压成形工艺的形状转移情况，并测量了模压成形实验后模具成形腔表面的微观变 形。实验结果表明，当使用球状玻璃预形体来做模压实验时，有较大曲率半径的模具成 形腔面不耐用。之后通过数值仿真得到玻璃在成形过程中的温度变化与分布，得到玻璃 预形体达到温度均匀时的最短加热时间。然后模拟了玻璃预形体在模压阶段的应力、应 变分布，结果表明玻璃预形体与模具成形腔面接触部分边缘处的应力较大且较集中。Zh o u等人对玻璃的粘弹性进行了各项研究，在理论分析之后讨论了玻璃材料在 模压阶段的蠕变现象以及退火阶段的应力松弛现象，并使用平板单轴压缩圆柱形玻璃的 模压成形实验来解释这一现象。实验表明，模压阶段中Burg e rs模型最能够反应蠕变现 象的实验数据；并且用相近的实验方法来模拟退火阶段，对三个不同的粘弹性模型进行 数据拟合，结果表明Max we l l模型最能够准确表达退火过程中的应力松弛现象。最后通 过建立数值模型来预测透镜的残余应力，结果为透镜外部的应力要比中心部分高得多，应变也相应集中在透镜外部。Zh o d。等人采用非等温模压成形方法来制造非球面透镜，并进行非等温模压成形 实验及有限元仿真对各成形参数进行研究，通过实验表明，非等温加热法可以缩短加热 时间，并且由于玻璃与模具之间温差较小，可以达到延长模具寿命的效果。但非等温法 比传统等温法的成形误差要大，并且非等温成形法会使玻璃过早发生粘结现象，增加成 形透镜内部应力。Sarh ad产学等人研究了模压成形过程中玻璃透镜的温度场分布，通过建立三维瞬态 传热的数值模型，模拟了玻璃透镜的多阶段加热过程，得到了玻璃透镜的内部温度场分 布。之后通过利用圆柱形玻璃的圆环模压实验得到了 L-BAL42玻璃的应力松弛参数并571994-2018 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对摩擦系数进行测量，结果表明光学玻璃材料的粘弹性参数以及玻璃与模具之间的摩擦 系数在成形透镜的变形行为和应力分布中起关键作用。Bal aje e R等人针对模压成形过程中成形透镜的形状偏差进行分析。研究了各成形 参数对透镜形状偏差的影响规律，并讨论了透镜在成形过程中产生形状偏差的原因。通 过使用确定的粘弹性玻璃热流变参数进行模压成形实验，对退火阶段成形透镜发生结构 松弛而造成的形状偏差进行了重点讨论。Sie do wM等人对模具的优化设计及加工精度进行研究，开发了一个以计算机为辅 助的优化算法，建立了数值模型，该模型包括热-机耦合特性、玻璃与模具之间变化的 应力接触条件以及复杂的粘弹性材料流变特性等。1.3.2 国内文献综述我国对GMP的研究起步较晚，但发展迅速。目前国内从事研发的科研单位主要有 中国科学技术大学、湖南大学、苏州大学、西安工业大学等“旬。国内进行模压成形技 术研究的生产厂家主要有舜宇光学、佛山富士康等区。中国科学技术大学的沈连娘的等人深入分析工艺参数对成形透镜质量的影响来解 决成形过程中透镜由于产生形貌偏差、残余应力变化等现象造成光学质量不高的问题。分别以常规光学玻璃和红外低熔点玻璃作为研究对象，建立有限元模型进行数值仿真，分析了透镜形貌偏差、模具形貌偏差以及它们之间的间隙这三个变量之间的数量关系，得到这些变量在冷却过程中随时间变化的规律曲线，分析了模具热膨胀系数、脱模温度、冷却速率和保持力大小对透镜形貌偏差的影响，并通过优化工艺参数的选择，达到改善 成形透镜质量与提高生产效率的目的。中国科技大学的陶波河对模压成形过程中玻璃透镜里的残余应力进行研究，表明 成形透镜在冷却过程中经过转变温度附近时的冷却速率直接决定了模压之后透镜内部 的残余应力大小，冷却速率越快残余应力越大，并对退火工艺进行优化来改善玻璃透镜 中残余应力过大的现象。湖南大学的尹韶辉因-39等人使用MSC.Marc非线性有限元软件，对于小口径非球面 玻璃透镜超精密模压成形进行研究，并进行数值模拟分析。得出模压后成形透镜和模