Способ изготовления оптических деталей из стекла и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕ(НИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCNOMII CIKTEflbCTRV 1 (21 ) 3386083/29-,33 . (22 ) 01, 0.2. 8 2 (46 ) 07.08. 83. Бюл.029 (72) Ю.П. Шумилов, A.Â. Степаненко и С.K. Штандель (71 ) Институт электроники AH Белорусской ССР (53) 666.035.2(088.8) .(56-) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 555057, кл. С 03 В 23/22, 1974. .2. Авторское свидетельство СССР

Р 398510, кл. С 03 В 11/00, 1970.

3. Заявка Японии 9 48-. 22977, кл. 21А4, 1973 (прототип). (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕИ ИЗ СТЕКЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

З(59 С 03 В 11 00 / С 03 В 11/08 (57 ) 1. Способ изготовления оптических деталей из стекла путем прессования заготовки формующими элементами с использованием ультразвуковых колебаний для предотвращения контакта меж-. ду заготовкой и Формуюшими элементами, отличающийся тем, что, с целью повыаения .качества деталей и сокращения технологического цикла., в качестве ультразвуковых колебаний используют стоячие ультразвуковые волны с амплитудой 6-

16 мкм, заготовку размещают.в пучности колебаний стоячей удьтразвукавой волны, при этом процесс прессования ведут до установления постоянной амплитуды колебаний. е

1033451

2. Устройство для изготовления оптических деталей из стекла, включающее установленные с воэможностью встречного движения формующие элементы, соединенные с ультразвуковыми преобразователями, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повыше ния качества деталей и сокращения технологического цикла, формующие

Изобретение относится к строитель. ным материалам, а именно к получению оптических деталей из стекла путем прессования с использованием ультразвуковых колебаний. 5 . Известны способ изготовления опти ческих деталей и устройство для его осуществления, по которому стекломас", су, сваренную. в ванной печи или разогретую в сосуде до вязкости 10-" 10

105Па с, пропускают через донный пат». рубок и получают в виде штабика. Сече ние штабика имеет форму, оптимальную для прессования заданного размера оптической заготовки, что обеспечива 15 ется соответствующей формой Фильеры патрубка. Когда сплавленный торец штабика достигает зоны прессования, встречным движением формующих элемен» тов (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 Г13 °

Недостатками данныМ способа и устройства для его осуществления являются адгезия или налипание рас плавленного оптического стекла на

Формующие элементы что влечет эа собОй сложный комплекс физико-хийических явлений., возникающих в результате контакта разнородных материалов, невозможность получения загото-, З5 вок оптических деталей диаметром свыше 18 мм из кристаллизующихся стекал типа ТК (тяжелые кроны), большое количество технологических операций по окончательной доводке 4Q до требуемого уровня и, как результат,низкая производительность процесса, большая трудоемкость.

Известен также способ изготовления стеклоиэделий прессованием, 45 когда формующим элементам сообщают колебания звуковой частоты (100. 5000 Гц), изменяя амплитуду обратно пропорционально вязкости стекломассы в пределах 50-500 мкм. Этот 50 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.

2 способ обеспечивает лучшее- заполне» ние формы и удаление газов из контактной зоны, а также позволяет ,получать изделия с более высоким качеством поверхности 2 ).

Недостатком этого способа является налипаиие стекла иа Формующие элементы из-за низкой частоты колебаний, увеличенный расход стекломассы на припуски для последующей обработки деталей, а также невозможность применения данного способа для прессования заготовок оптических деталей, так как увеличение амплитуды до 50-500 мкм приводит к образованию внутренних дефектов (свилей, пузырей, раковин ).

Устройство для осуществления способа содержит Формующие инструменТыматрицу и пуансон, которым сообщаются с помощью вибратора колебания звуковой частоты 2).

Наиболее близким к предложенным по технической сущности и достигаемому результату являются способ изготовления оптических деталей из стекла путем прессования заготовки Формующими элементами с использованием ультразвуковых колебаний для предотвращения контакта между заготовкой и формующими элементами и устройство для его осуществления, включающЕе установленные с возможностью встреч;ного движения формующие элементы, соединенные с ультразвуковыми преобразоватеЛями. Известным способом осуществляют исключение 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 охдаждении; тонкий отжиг для обеспечения высокой оптической однородности стекла с едиными для всей партии показателями преломления и дисперсии, грубое шлифование, 1033451

4 необходимое в силу низкой шероховатос- Формующих торцах нагревателями, а ти формуемых поверхностей заготовок; ультразвуковые преобразователи выполтонкое шлифованне. иены магннтострикционными,при этом

Формующие элементы в известном длина волны волноводов кратна полуустройстве изготовлены из пористого пористогок длине волны магнитострикционных

Газопрон щае о материала и соеди- 5 преобразователей. посо заключается в том, что

Рубопроводов BHcoKOFo при термоциклическом воздействии на давления. При этом улвтразв ковые

У Развуковые оптическое стекло в нем возникают колебания служат исключительно для проталкивания инертного или восстано. напряжения, связанные с. перепадом вительного газа через поры Формуюр . ил aoccTa@o 10. температур по сечению заготовки при щих элементов и образования п тивоее охлаждении. Для снятия этих напряРа а ия про>тиво жений требуются технологические опеадгезионного (газового) слоя п едпреду рации грубого и тонкого отжига. Дейст. вие остаточных напряжений можйо свеспреждающего непосредственный контакт стекла на о ие л нородной части источников ве е ф рмующ э ементы улучшить к возрастанию плотности дислокаций и качество поверхности прессуемых дета- - .. Увеличе лей (3) .

- .. Увеличению запаса энергии. Заготовка, Однако известное Уотройс»о требует стремиться к пе ст получившая избыточн эне ги сложного оборудования: насосов высо- с™ таким сосов высо- туры таким образом,.чтобы кратчайшим путем принять устойчивое состояние. кого давления, системы подачи инертных или восстановительных газов, ямб . Механизм.образован я ра У р У ых преобразовате- . ной структуры йри циклическ н г нных льт азв ков еханизм образования дисяокационный малопроизводи- g5 женин связан с усилейием вэаимодейст телен из-за длительности об азования дл ос и образования . вня скользящих дислокаций и повышением эа е ст- газовой подушки на поверхности Формую" их плотности. Для освобождения дисло& щих элементов и большого количества каций необходима дополнительная внешосновных технологических операций ю няя энергия. активация дислокаций необходимых для получения качествен- при наложении льт

30- при наложении ультразвуковых колебаоптическими характеристиками т.е, ний связана с поглощением энергии

Р стиками т.е . колебаний, которая пропорциональна обладающих однородностью структуры квадрату изменени амп отсутствием внешних и внутренних квадрату изменения амплитуды:. дефектов (посечек, свилей пузырей вых колебаний в пределах 6-16 мкй, и дР.), стабильностью геометРических 35 в зависимости от ма и в зависимости от марки оптического размеровi высоким классом шерохова- стекла, усилия прессования, площади тости поверхностей при отсутствии позволяет резко снизить степень микро.неоднородности и шероховатости н поцелью изобретения является позы- 40 лучить более совершенную мелкодисшение качества деталей и сокращение персную структу с структуру стекла на стадии технологического цикла. прессования, причем прессование эаПоставленная цель достигается тем, .канчивают при усТановлении постоянчто согласнО способу. изготовления ной амплитуды колебаний, при которой оптических деталей из стекла путем 45 происходит снятие вн р н ( нятие внутренних (темпепрессования заготовки фораующнми элементами с использованием ультра- ультразвуковые колебания образуют звуковых колебаний для предотвращения воздушную прослойку между формующими контакта между заготовкой и Формую- волноводами и прессуемой деталью, равщими элементами, в качестве ультра- ную по толщине (6-16 мкм) амплитуде з уковых колебаний используют стоя- колебаний, что позволяет предупрев

50 чие ультразвуковые волны с амплиту- дить непосредственный контакт между дой 6-16 мкм, заготовку Размещают формующими волноводами и заготовкой в пучности колебаний стоячей ультра- и приводит к полному разрушению адзвуковой волны, при этом процесс гезионных мостиков, созданию благопрессования ведут до установления 55 приятных условий для своевременного постоянной амплитуды колебаний. удаления газов из контактной эоны

Кроме того, в устройстве для из- и исключению химического взаимодейст« готовлення оптических деталей из вия стекла с Формующими волноводами. стекла, включающем установленные Изменение амплитуды колебаний Форс возможностью встречного движения 60 мующнх волноводов в диапазоне до формующие элементы, соединенные 6 мкм приводит к ликвидации воздушной с ультразвуковыми преобразователя- прослойки, т.е. к возникновению адми, формукицие элементы выполнены гезии между прессуемой заготовкой и в виде волноводов с охлаждающими поверхностями формующих элементов

У радиаторами и установленными на а изменение амплитуды в диапазоне

1033451.свыше 1б.мкм значительно влияет на внутреннюю структуру стекла, способствует возникновению свнлей, пузырей, увеличению степени.микронеоднородности, получению крупнодисперсной структуры прессуемой:заготовки, что отрицательно сказывается на оптических характеристиках деталей.

Применениеультраэвуковых колебаний при прессовании оптических детаЛей, в значительной степени влияет на гео- 10 метрические параметры. Ввиду тойо., .что в этом случае получают прозрачные заготовки l без адгеэионного слоя) прн шероховатости прессуемой поверх-. ности на 2-3 порядка вйае щерохова- 15 тости формующего волновода, удается обнаружить брак на стадия прессования, с возможностью вторичной переработки отбракованных заготовок. Причем допуски у заготовок, отпрессован- 20 ных с наложением ультразвуковых колебаний, на 20-30% ниже, чем у заготовок, получаемых без их применения.

На фиг.1 показан вариант устройства для изготовления оптических дата- 25 лей диаметром до 40 мм путем вытяги вания дрота определенного сечения,, на фиг.2 - то же, диаметром свыше

40,мм из отдельно взятой заготовки или порции жидкой стекломассы.

Устройство по первому варианту (фиг.1 ) использует дрот определенного сечения иэ штабика 1, который вытягивают с помощью валков 2. Оно состоит иэ формующих торцов 3, волна» водов 4. Длина волноводов 4 кратна полудлине:или длине волны ультразвуковых стандартных магнитострикционных преобразователей 5 типа ПИС-15А-18, рассчитанных для работы с генератором УЗГ-2-10 (не показан)или другими 40 типами генераторов, обеспечивающих необходимый режим р6боты преобразователя. Волиоводы 4 соединяются с преобразователями 5 для осуществления акустического контакта с помощью 45 шпильки.б, причем преобразователи

5 заключены в корпус 7, который закреплен к кронштейну 8 с возможностью регулировки для точного совпадения формующих торцов 3 при рессовании.

Кронштейн.-8 жестко связан со штоком 9 пневмоцилиндра (не показан) и имеет направляющие (не показаны) обеспечивающие точность хода всей акустической системы по основанию 10.

На формующих торцах волноводов 4 закреплены нагреватели 11 кольцевого типа мощностью 4,5 кВт, а автоматическое измерение температуры прессования осуществляется термопарами 12, причем температура регулируется в зависимости от марки оптического стек ла. Усилие прессования регулируется .пневмосистемой (не показана) в зависимости от геометрических раэме, ров прессуемой заготовки. Для пре- i65 дохранения 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, т.:е. 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 1б, закрепленном на подвижной платформе 17, которая движется по направляющим колонками 18 с помощью штока 19 невмоцилиндра 20, закреп-, ленного на нижней плите 21.

Таким образом, движение осуществля« ется одним пневмоцилиндром -20, расположенном в данном случае внизу. При прессовании заготовок диаметром свьюи

40 мм волноводы 4 .изготавливаются цельнымн. Регулировка амплитуды колебаний и частоты производится ультразвуковым генератором (не показан), а .также изменением акустического сопротивления волноводов 4. Измерение амплитуды и частоты осуществляется с помощью виброметра УБВ-2И и частотомера

ЧЭ-34А соответственно (не показаны(Устройство работает следующим образом.

Иэ штабика 1 (фиг.1) вытягивается дрот 22 (лента), который подается роликами 2 в зону прессования с одновременным включением ультразвуковых колебаний. Встречным движением волноводов 4 происходит прессование ваго< ° товки, расположенной в пучности колебаний стоячей ультразвуковой волны, причем ультразвуковые колебания остаются включенными в течение всего цикла, вплоть до удаления готовой детали из зоны прессования. Деталь через отверстие (не показано) a основании 10 поступает в печь грубого инерционного отжига (не показана).

При этом при смыкании формукицих волноводов 4 происходит выдержка для выравнивания амплитуды колебаний. Например, для заготовки диаметром 26 мм и толщиной 5,2 мм из стекла БФ16 амплитуда составляет 9 мкм, а выдержка - 1,52,5 с.

Нижний формующий волновод 4 (фиг.2) закрепленный на кронштейне 16, отводится вниз вместе с плитой 17 по направлякщим 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

1033451 на нижний Формующий. волновод. Затем смыкают волноводы движением нижнего.

Выдержка выбирается в зависимости от марки оптического стекла и геометрических размеров заготовки, а также . производится для установления постоян-5 ной амплитуды, Так, для детали диаметром 44 мм и толщиной 10,9 мм- иэ стек- ,ла БФ 16 выдержка составляет 2,53,5 с, а .амплитуда продольных ультра" . звуковых колебаний - 10 мм. Затем 0 .осуществляют отвод нижнего волновода с помощью пневмоцилиндра 20 и.уда. ление готовой детали в -печь грубого кнерциойного-отжига (.не показана).

В йредложенном устройстве исполь- !5 зована замкнутая акустическая система .со стоячей ультразвуковой волной и постоянным акустическим контактом, . Расположение заготовки в пучности колебаний стоячей ультразвуковой вол-jp ны, где амплитуда смещений вьаае в два раза, чем в обычных ультразвуко.вых волнах, и выполнение формующих волноводов с длиной волны, кратной полудлине волны ультразвукового: преобразователя, обеспечивает полу чение высокой амплитуды и интенсивности колебаний.

° Изменение амплитуды стоячих волн в диапазоне 6-16 мкм дает возможность вйбрать оптимальный режим воздействия на .дислокации и микронеоднородности, частота и амплитуда дви-. .жения которых являются неодинаковы.:ми. Под влиянием стоячих ультразвуковых волн в пучности колебаний происходит образование однородной структуры оптического стекла, появление которой определяется по постоянной амплитуде колебаний волновода.

Удвоение амплитуды колебаний, обусловленное. использоваиием стоячей ультразвуковой волны и располо- жением заготовки в пучности ее колебаний, расширяет диапазон воздействия на прессуемую заготовку.

- Изменение амплитуды колебаний . волноводов осуществляют в предложенном .Устройстве как с помощью ультразвукового генератора (не показан), так и за счет регулировки акустического сопротивления путем изменения температуры вблйоводс в и усилия рессования в допустимых пределах для каждой марки оптического стекла и автоматически контролируют приборами..

Использование предложенного устройства позволяет повысить. качество деталей эа счет получения более однородной структуры, а также сократить технологический цикл за счет исключения операции тонкого о жигй, длящейся несколько суток. . кроме того, позволяет повысить производительйфсть труда за счет исключения грубого шлифовання и пОлн равания и сэкономить материалы, идущие как на изготовление самих дета-/ лей, так и обрабатыванзцих инструментов..

ВНИИПИ Заказ 5547/22

Тираж 486 Подписное

Филиал ППП "Патент",, г.ужгород, ул. Проектная, 4