柱阵列玻璃透镜模压成形仿真及实验研究

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柱透镜及柱阵列透镜在激光整形、匀光、全息成像等领域都具有重要作用,尤其在激光整形领域中,使用柱透镜或柱阵列透镜是激光整形中较为理想的一种方法,整形效果较好、能量损耗低并且结构设计简单。随着激光技术使用领域的增加,市场上对柱阵列透镜的需求将急剧升高。传统的柱阵列透镜加工方法具有加工精度低,加工周期长、不适宜大批量生产等缺点。玻璃透镜模压成形技术成形精度高,加工一致性高,适合大批量生产,可以克服传统加工方法的不足。但目前玻璃透镜模压成形技术研究对象多为小口径非球面透镜,对微结构阵列玻璃透镜研究较少。并且有限元仿真技术作为玻璃模压技术研究中常用的研究方法,对模压过程中材料参数和玻璃-模具界面摩擦系数还不够准确。本研究针对以上问题,首先对玻璃-模具界面摩擦系数进行测定,之后建立有限元模型,对柱阵列透镜模压过程进行仿真,探究模具结构和模压工艺参数对柱阵列透镜模压过程中应力和填充效果的影响,最后开展了柱阵列玻璃透镜的模压成形实验。论文主要研究工作如下:(1)使用新型光学玻璃K-LCV161、铜镍合金C71500和碳化钨J05,采用传统桶压试验,对玻璃-模具界面摩擦系数进行测定,并且对摩擦系数影响因素进行探究。结果表明,在模压过程中玻璃与模具材料之间的摩擦系数在适宜模压温度内变动较小,使用不同模具材料时摩擦系数变化较大。(2)使用仿真软件MSC.Marc对柱阵列玻璃透镜模压过程进行了仿真分析。对比分析了不同模具结构对柱阵列玻璃透镜填充效果和应力的影响。增大沟槽沟槽间隔可以降低模具在成形时最大应力;随着模压速率增大,玻璃在成形时最大应力增大;玻璃在成形后进行保压最大应力降低,玻璃内部应力降低至极低水平。选用最优模压参数组合进行了退火冷却轮廓预测。(3)进行柱阵列透镜模压工艺实验,对比分析模压前后上下模具表面形状轮廓和表面粗糙度变化。采用单因素实验法探究模压温度和模压力/模压速率对透镜成形轮廓偏差的影响规律。实验表明,模压前后上下模具表面形状轮廓误差和表面粗糙度都有上升;模压温度对透镜成形轮廓影响较大,模压力/模压速率对透镜成形轮廓影响较小。
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