高精度的非球面塑料光学透镜.pdf

高精度的非球面塑料光学透镜是照相、摄像仪器中的主要光学元件之一，用光学塑料注塑成型，其注射周期短，生产效率高，价格低然而塑料透镜的中心与边缘厚度相差较大，生产时如果采用生产性好的注射成型法，不仅在冷却时会产生收缩，而且在厚度较大的地方易产生局部收缩所以塑料透镜的成型方法与玻璃透镜的成型方法有所不同，它要依靠精密注塑模具，对模具的设计制造技术及精密成型技术要求非常高因此，为成型高精度的塑料透镜，在非球面塑料透镜的模具设计中采用了抑制变形的成型技术：注塑-压缩成形技术[1] 1 注塑压缩成型法 所谓注塑压缩成型法是使模具型腔注射时的体积比其最终体积大，当向模具的型腔内填充的树脂由于冷却而产生体积收缩时，根据其收缩量，从外部加一个强制的力使模具型腔的尺寸变小，而使收缩的部分得到补偿的成型方法此时的模腔内部的压力分布比较均匀，所以不仅形状精度良好，而且难以发生局部的残留应变，满足光学透镜要求的光学均一性由于这些优点，注射压缩成型被应用于高精度非球面塑料透镜的精密注射成型[2] 1.1 注塑零件的几何形状与精度要求见图 1 与表 1 图 1 透镜三维造型 Fig 1. plastic lens three-dimensional mold 表 1 透镜精度要求 Tab.1 required precision of the plastic lens 1.2 塑件材料物性及其注射工艺[3] 塑件材料采用 PMMA，为非结晶材料，PMMA 透光率为 92%，其密度为 1.18g/cm2，比普通硅玻璃低一半左右，但其力学强度为普通硅玻璃的一半以上，熔点为 253℃，当材料受热达到 260℃以上时材料有分解产物，故加工温度范围较窄，必须严格控制加工温度。

注射工艺见表 2 表 2 PMMA 的注射成型参数 Tab 2 injection mold processing paramrter of PMMA 注射-压缩成型有两种方法：全面压缩法和模芯压缩法此设计中采用模芯压缩法即通过对模芯施加压力使模芯移动从而改变型腔的体积 具体的成型法及模具结构设计如图 2 所示： 图 2 模具结构装配图 Fig 2 .Assembly drawing of mould 1.定位环 2.主流道衬套 3. 定模固定板 4.定模板 5. 导向柱 6.顶杆 7.加压板 8. 顶杆固定板 9. 顶出底板 10. 液压缸 11. 动模板 12.冷却水孔 13.凸模 14.导力柱 15.拉料杆 16.动模底座 2 与普通的注射用的模具不同 在注射阶段，使模腔容积比其最终容积多出了相当于树脂收缩的量即模具微开量，模具微开量是通过凸模底部与动模板之间的间隙来设定的，在这种状态下，进行熔融树脂的注射，使树脂填充于型腔内，随后待浇口封闭，进入压缩阶段为通过增大压力降低树脂的收缩率并使模具型腔中的树脂被快速压缩至最终体积，在模具设计上采用了锁模液压缸，即在动模底板上安装四个锁模液压缸。

并且采用嵌入式凸模，凸模能够随着液压缸活塞杆移动，浇口封闭后，液压缸加力于加压板上，加压板推动凸模使之沿纵向移动从而使型腔体积缩小，并使熔融树脂上下表面上附加极大的压力，此时，模腔内部的压力分布比较均匀，因为透镜整个表面都附加了相同的压力，成型后透镜不仅形状精度良好，而且难以发生局部的残留应变而后，进入冷却阶段由于树脂温度降低，需要附加于透镜表面的压力渐减因此须按照保持一定比容积时必要的冷却温度与使压力进行程式控制，使树脂冷却凝固，如此，可由模具获得形状偏差极小的塑料光学透镜 3 模具型腔压力及树脂温度的设定 图 3 是 PMMA 树脂的温度-压力-比容积的关系 从图 3 中可以看出 PMMA 树脂在 235℃时可以在完全不加压力的情况下注射到 90℃的模具中，塑化状态的树脂比容积是 0.994cc/g，而冷却至模具温度时树脂的比容积是 0.856cc/g，其收缩率为 3%因为收缩率较大，所以不能满足塑料透镜的精度要求，而如果使用注射-压缩成形法，在浇口封闭后，通过加在模具上的四个液压缸对型腔进行快速压缩，在树脂表面压力沿0-1 路径瞬间增至 168MPa，然后在树脂温度从 235℃降低到 90℃的区间内使压力按照 1-2-3 的路径逐渐降低到 34MPa。

当树脂温度降低到 90℃时打开模具此时模具型腔的压力沿着路径 3-4 降低到大气压，透镜再次膨胀，但随着透镜的进一步冷却，树脂沿着 4-5 的路径产生收缩，从而成型出质量符合要求的透镜 图 3 PMMA 的 P-V-T 曲线 Fig 3 the P-V-T curve of PMMA 液压缸结构设计 1 液压缸压力计算 模具为一模八腔，附加于树脂上的最大注射压力为 168MPa，所以液压缸的最小锁模力为： F=PS=168×62.8=10.6KN 取活塞杆材料为 45 钢，其许用拉应力为 460～610 MPa，所以活塞杆最小截面积为 取其安全系数为 3，所以活塞杆的直径取为 10mm 液压缸如图 4 所示 图 4 液压缸 Fig 4 .fluid cylinder 1. 缸盖 2. 活塞 3. 钢体 4. 活塞杆 此外在模具设计中，为保证制品的质量，在模具设计中采取了一系列提高精度的措施： 1 在设计中采用了复合浇口，其结构示意图见图 5，由图 5 可见，第一浇口 2 较短，截面积很小，它连接流道 1 和第二浇口 3第二浇口 3 较长、较薄、截面积相对较大，在其中部有一狭窄的“卡口”。

当熔料通过第一浇口 2 时，由于截面积突然减少，熔料流速加快，从而产生了很大的剪切力，是用料进一步加热混炼经由第一浇口的熔料在第二浇口中得到扩张、减速，最后成层流状进入型腔，这样，型腔内熔料的分子取向被大大减弱，使得透镜制品的质量得到很大改善 图 5 二次浇口示意图 Fig 5 .secondary gating abrigged general view 1. 型腔 2.第二浇口 3. 第一浇口 4.流道 2 锥面和导柱的二次准确定位 注塑透镜由于精度以及同心度要求较高，成型时往往有很大的侧向力作用如果这种侧向力传递到导柱上，很容易使导柱弯曲变形，并引起模具中的成型零部件发生偏移，甚至还会导致导柱卡死损坏因此，设计中采用锥面定位机构，并用它来承受成型时的侧向压力[4] 设计经过三维模拟，模具运行灵活、可靠，浇注系统、温控系统、脱模机构效果良好，塑件精度达到了设计要求，外表面光洁，认为此结构完全符合使用要求。