Способ изготовления оптических деталей из стекла и устройство для его осуществления

.В. Степаненко литуды ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ПИСАНИЕВтОРСНОИ СВИЙВТОЪС 721) 3386083/29-,33(71) Институт электроники АН Белорусской ССР.(56) 1. Авторское свидетельство СССРР 555057, кл. С 03 В 23/22, 1974..2. Авторское свидетельство СССРР 398510, кл. С 03 В 11/00, 1970,3. Заявка Японии 9 48-. 22977,кл. 21 А 4, 1973 (прототип).(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХДЕТАЛЕИ ИЗ СТЕКЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ(57 ) 1, Способ изготовления оптических деталей из стекла путем прессования заготовки формующими элементами с использованием ультразвуковых колебаний для предотвращения контакта меж-. ду заготовкой и Формуююими элементами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьааения качества дета. лей и сокращения технологического цикла., в качестве ультразвуковых колебаний используют стоячие ультразвуковые волны с амплитудой 6- 16 мкм, заготовку размещают.в пучности колебаний стоячей удьтразвуковой волны, при этом процесс прессования ведут до установления постоянной ампколебаний. е1033451 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 1Изобретение относится к строитель. ным материалам, а именно к получениюоптических деталей из стекла путемпрессования с использованием ультразвуковых колебаний. 5. Известны способ изготовления оптических деталей и устройство для егоосуществления, по которому стекломас",су, сваренную. в ванной печи или разогретую в сосуде до вязкости 10." 10105 Па с, пропускают через донный патрубок и получают в виде штабика, Сечение штабика имеет форму, оптимальнуюдля прессования заданного размераоптической заготовки, что обеспечива. 15ется соответствующей формой Фильерыпатрубка. Когда сплавленный торецштабика достигает зоны прессования,встречным движением Формующих элементовпуансона и матрицы) отрезаютпорцию стекломассы и одновременноФормуют из нее заготовку. После выхода из зоны прессования Форма раскрывается, деталь некоторое времявыдерживается, а затем дополнительным движением выталкивается из мат"рицы Г 13.Недостатками данныМ способа иустройства для его осуществленияявляются адгезия или налипание расплавленного оптического стекла наформующие элементы что влечет эасобОй сложный комплекс физико-хийических явлений., возникающих в резуль.тате контакта разнородных материалов, невозможность получения загото-, 35вок оптических деталей диаметромсвыше 18 мм из кристаллизующихсястекал типа ТКтяжелые кроны),большое количество технологическихопераций по окончательной доводке 4 Одо требуемого уровня и, как результат,низкая производительность процесса, большая трудоемкость.Известен также способ изготовления стеклоиэделий прессованием, 45когда формующим элементам сообщаютколебания звуковой частоты100, 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 преобра. зователи выполнены магнитострикционными, при этом длина волны волноводов кратна полудлине волны магнитострикционных преобразователей,2способ обеспечивает лучшее. заполне ние Формы и удаление газов из кон-тактной 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 стекло- массы 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 инструменТы- матрицу 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 осуществляютисключение 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 3 4необходимое в силу низкой шероховатос- Формующих торцах нагревателями, ати формуемых поверхностей заготовок; ультразвуковые преобразователи выполтонкое шлифованне. иены магннтострикционными,при этомФормующие элементы в известном длина волны волноводов кратна полуустройстве изготовлены из пористогопористого, длине волны магнитострикционныхгазопрон щаемого материала и соеди щ Образователей.посо заключается в том, чтощ ю рубопроводов высокого при термоциклическом воздействии надавления. При этом улвтраэв ковыеУ Раэвуковые оптическое стекло в нем возникаютколебания служат исключительно дляпроталкивания инертного или восстано.ю ельно для, напряжения, связанные с. перепадомвительного газа через поры Формуюр ил восстано 10 температур по сечению заготовки прищих элементов и образования п тивоЕЕ ОХЛаждЕнин, Для снятИя Этих напряра а ия противо- жений трйбуются технологические опеадгезионного (газового ) слоя п едпреду рации грубого и тонкого отжига. Действие остаточных напряжений можйо свеспреждающего непосредственный контактстекла на о ие лнородной части источников ве еф рмующ э ементы, улучшить к возрастанию плотности дислокаций икачество поверхности прессуемых дета-Увеличелей 3.Увеличениюзапаса энергии. Заготовка,Однако известное устройство требует ф ергию будполучившая избыточн эне гисложного оборудования: насосов высососов высо" туры таким Образом, чтобы кратчайшимпутем принять устойчивое состояние.кого давления, системы подачи инертНЫХ ИЛИ ВОССтанОВИтЕЛьНЫХ гаэов, мЕмб. Механизм.образован яра У р У ых преобразовате- . ной структуры"йри циклическ н гнных льт азв ковеханизм образования дисяокационный малопроизводи женин связан с усилейием вэаимодейсттелен из-за длительности об азованиядл ос и образования вня скользящих дислокаций и повышениемэа е ст-газовой подушки наповерхности Формую" их плотности. Для освобождения дислоРщих элементов и большого количества каций необходима дополнительная внешосновных технологических операцийцняя энергия. активация дислокацийНЕОбхОДиМЫХ для получения качестВЕН" При наложеНИИ льтн Оптических дет. ей с ки 30 ИРИ "л ц9 гОптическими характеристиками т,е,ний связана с поглощением энергиир стиками, т.е. . колебаний, которая пропорциональнаобладающих однородностью структурыф квадрату изменени ампотсутствием внешних и внутреннихквадрату изменения амплитуды.дефектов (посечек, свилей пузырейю , вых колебаний в пределах 6-16 мкй,и др,), стабильностью геометрических 35 в зависимости от ма ив зависимости от марки оптическогоразмеров, высоким классом шерохова" стекла, усилия прессования, площадитости поверхностей при отсутствиипозволяет резко снизить степень микро.неоднородности и шероховатости н поЦелью изобретения является позы лучить более совершенную мелкодисшение качества деталей и сокращение персную структу сструктуру стекла на стадиитехнологического цикла. прессования, причем прессование эаПоставленная цель достигается темю канчивают при установлении постоянчто согласнО способу. изготовления ной амплитуды колебаний, при которойоптических деталей из стекла путем 45 происходит снятие вн р н (нятие внутренних ( темпепрессования заготовки фораующнмиэлементами с использованием ультра- Ультразвуковые колебания образуютзвуковых колебаний для предотвращения воздушную прослойку между Формующимиконтакта между заготовкой и формую- волноводами и прессуемой деталью, равщими элементами, в качестве ультра- ную по толщине6-16 мкм) амплитудеэ уковых колебаний используют стоя- колебаний, что позволяет предупрев50чие ультразвуковые волны с амплиту- дить непосредственный контакт междудой 6-16 мкм, заготовку размещают формующими волноводами и заготовкойв 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 своевременногопостоянной амплитуды колебаний. удаления газов из контактной эоныКроме того, в устройстве для из- и исключению химического взаимодейстготовлення оптических деталей из вия стекла с формующими волноводами.стекла, включающем установленные Изменение амплитуды колебаний Форс возможностью встречного движения 60 мующнх волноводов в диапазоне доформующие элементы, соединенные 6 мкм приводит к ликвидации воздушнойс ультразвуковыми преобразователя- прослойки, т.е, к возникновению адми, формукицие элементы выполнены гезии между прессуемой заготовкой ив виде волноводов с охлаждающими поверхностями формующих элементоврадиаторами и установленными на 65 а изменение амплитуды в диапазоне.свыше 16.мкм значительно влияет навнутреннюю структуру стекла, способствует возникновению свнлей, пузырей,увеличению степени.микронеоднородности, получению крупнодисперснойструктуры прессуемой:заготовки, чтоотрицательно сказывается на оптических характеристиках деталей,Применениеультраэвуковых колебанийпри прессовании оптических детаЛей ", в значительной степени влияет на гео Рметрические параметры. Ввиду тойо,.что в этом случае получают прозрачныезаготовки 1 без адгеэионного слоя)прн шероховатости прессуеМОй поверх-.ности на 2-3 порядка вйае шероховатости формующего волновода, удаетсяобнаружить брак на стадии прессования, с возможностью вторичной переработки отбракованных заготовок. Причем допуски у заготовок, отпрессован Рных с наложением ультразвуковых колебаний, на 20-30 ниже, чем у заготовок, получаемых без их применения.,На фиг.1 показан вариант устройства дляизготовления оптических деталей диаметром до 40 мм путем вытягивания дрота определенного сечения;,на Фиг.2 - то же, диаметром свыше40,мм из отдельно взятой заготовкиили порции жидкой стекломассы,Устройство по первому варианту1 фиг.1 ) использует дрот определенного сечения иэ штабика 1, которыйвытягивают с помощью валков 2. Оносостоит иэ Формующих торцов 3, волнаводов 4. Длина волноводов 4 кратнаполудлине:или длине волны ультразвуковых стандартных магнитострикционныхпреобразователей 5 типа ПИСА,рассчитанных для работы с генератором УЗГ-10не показан)или другими 40типами генераторов, обеспечивающихнеобходимый режим работы преобразователя. Волиоводы 4 соединяются с преобразователями 5 для осуществленияакустического контакта с помощью 45шпильки 6, причем преобразователи5 заключены в корпус 7, который закреплен к кронштейну 8 с возможностьюрегулировки для точного совпаденияФормующих торцов 3 при црессовании.Кронштейн.-8 жестко связан со штоком9 пневмоцилиндра (не показан) и имеетнаправляющие 1 не показаны) обеспечивающие точность хода всей акустической системы по основанию 10.55На формующих торцах волноводов 4закреплены нагреватели 11 кольцевоготипа мощностью 4,5 кВт, а автоматическое измерение температуры прессования осуществляется термопарами 12,причем температура регулируется взависимости от марки оптического стекла. Усилие прессования регулируется .пневмосистемойне показана) взависимости от геометрических раэме,ров прессуемой заготовки. Для пре 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 вариантуфиг.2) для прессования отдельных заготовок или порций жидкой стекло- массы 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 16, закрепленном на подвижной платформе 17, которая движется по направляющим колонками 18 с помощью штока 19 цневмоцилиндра 20, закреп-, ленного на нижней плите 21.Таким образом, движение осуществля ется одним пневмоцилиндром 20, расположенном в данном случае внизу. При прессовании заготовок диаметром свьзае 40 мм волноводы 4 изготавливаются цельнымн. Регулировка амплитуды колебаний и частоты производится ультразвуковым генератором ( не показан), а .также изменением акустического сопротивления волноводов 4. Измерение амплисуды и частоты осуществляется с помощью виброметра УБВИ и частотомера ЧЭА соответственно (не показаны 1Устройство 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 ваготовки, 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) в основании 10 поступает в печь грубого инерционного отжига (не показана).При этом при смыкании формукщих волноводов 4 происходит выдержка для выравнивания амплитуды колебаний, Например, для заготовки диаметром 26 мм и толщиной 5,2 мм из стекла БФ 16 амплитуда составляет 9 мкм, а выдержка - 1,5- 2,5 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 помещают1033451 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 постоянной 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 .осуществляютотвод нижнего волновода с помощью пневмоцилиндра 20 и.уда ление готовой детали в печь грубогокнерциойного-отжига (.не показана).В йредложенном устройстве исользована замкнутая акустическая система .со стоячей ультразвуковой волной и постоянным акустическим контактом, . Расположение заготовки в пучностиколебаний стоячей ультразвуковой вол-;рны, где амплитуда смещений вьаае в два раза, чем в обычных ультразвуко.вых волнах, и выполнение формукщих волноводов с длиной волны, кратнойполудлине волны ультразвукового . преобразователя, обеспечивает полу чение высокой амплитуды и интенсивности колебаний., Изменение амплитуды стоячих волнв диапазоне 6-16 мкм дает возможность вйбрать оптимальный режим воздействия на .дислокации и микронеод"нородности, частота и амплитуда дви-. .жения которых являются неодинаковы,:ми. Под влиянием стоячих ультразвуковых волн в пучности колебаний происходит образование однородной струк. туры 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 помощьюультразвукового генератора (не показан),так и за счет регулировкиакустического сопротивления путемизменения температуры вблйоводбви усилия прессования в допустимыхпределах для каждой марки оптического стекла и автоматически контролируют приборами.,Использование предложенного устройства позволяет повысить. качество деталей эа счет получения болееоднородной структуры, а также сократить технологический цикл за счетисключения операции тонкого омжигй,длящейся несколько суток.. кроме того, позволяет повыситьпроизводительность труда за счетисключения грубого шлифовання и пОлИравания и сэкономить материалы, идущие как на изготовление самих дета/лей, так и обрабатыванзцих инструментов ВНИИПИ Заказ 5547/22 Тираж 486 Подписное илиал ППП фПатент" ,Ужгород, ул. Проектн