玻璃钢成型技术论文
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玻璃钢成型技术论文篇一
光学玻璃模压成型技术
摘要 光学玻璃模压成型法由于能直接一次成型，因而大大节省了材辅料、时间、设备及人力，且能模压出不同形状。在非球面光学玻璃零件和小型、微型光学元件制造方面，有着广阔的应用前景。通过阐述该项综合技术所涉及的低熔点玻璃材料的要求与现状、模具材料与加工、模压工艺和设备，详细介绍了光学玻璃模压成型技术的概况与关键点，指出我国应继续大力发展该项技术。
关键词 光学玻璃;模压成型;低熔点玻璃;模具工艺
中图分类号TN205 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2012)64-0105-02
Abstract Because of directly forming, optical glass molding technology could save the material, time, equipment and manpower, and different shapes could be molded into. It had wide application prospects in manufacturing of aspheric optical glass parts and small, micro optical element. Optical glass molding technology overview and key points were introduced in detail through elaborating the comprehensive technology which involves the low melting point glass material requirements and current situation, the mold material and processing, molding process and equipment. In the end, pointed out that our country should continue to develop molding technology vigorously.
Keywords optical glass; molding; low Tg glass; process
0 引言
光学玻璃模压成型技术，是利用了玻璃从熔融态向固态转化的过程是连续可逆的热加工性质，在玻璃的转变温度Tg附近，在无氧条件下，对玻璃和模具进行加温加压，一次性将光学玻璃模压成达到使用要求的光学零件[1]。由于光学玻璃模压成型法摒弃了传统的粗磨、精磨、抛光以及定心磨边等工序，直接一次成型，大大节省了材辅料、时间、设备及人力，且能模压出不同形状，尤其是在非球面光学玻璃零件和小型、微型光学元件制造方面，有着广阔的应用前景。光学玻璃模压成型技术是一项综合技术，需综合考虑玻璃材料、模具材料、模压设备及模压的工艺参数等，它所涉及的技术均为各个领域的尖端技术[2]。
1 适于精密模压的光学玻璃材料及预成型件
理论上讲，光学玻璃都可以模压。但实际上，一方面，转变温度Tg高的玻璃，以及含Ti高于5%的玻璃，在高温下会与模具产生反应，致使模具的使用寿命很短且零件表面质量差;另一方面，含有Pb、As等氧化物的玻璃不符合环境保护要求也不能用于模压。为适应玻璃模压成型技术的发展，要求材料厂家开发出转变温度Tg低(600℃以下)的环保型光学玻璃材料。世界各光学材料生产企业都投入了很大精力，开发出多种低熔点的适宜于模压成型的玻璃材料。尤其是最近五年左右时间，低熔点玻璃从品种数量的增长、折射率范围的扩大、Tg值的降低等方面，都有了很大的进步。目前，日本和德国在这方面走在了世界的前列，HOYA(保谷光学)、OHARA(小原光学)、SUMITA(住田光学)和SCHOTT(肖特光学)是其中的佼佼者。由于各个厂家的材料配方不同，导致光学常数相同或相近时，玻璃的Tg值会有所不同，且材料具体各项参数也有差异，因此在进行系统设计时必须首先考虑好所使用的光学玻璃材料的生产厂家。
由于模压成型技术是光学玻璃材料直接一次性成型，出模后不再进行抛光，因此，对用于模压的毛坯相应提出了更高的要求。通常，毛坯会预加工成球形、椭球形或平面、平凸、双凸形[3-4]，也称之为预成型件。预成型件有热加工和冷加工两种方式，其中，小直径球形和椭球形可通过滴料直接成型，而其它几种形式的预成型件及直径超出滴料范围的预成型件必须先用传统的研磨抛光方法制造出来。各厂家滴料成型的预成型件一般每批次最小订单量为30 000件。
对预成型件的要求：因为模压不可能消除毛坯表面及内部的缺陷，因此毛坯在压型前的表面清洁度、表面粗糙度及材料内部质量均不得低于完工后的要求;由于要精密控制压型后的尺寸，毛坯的尺寸和重量也应进行精密控制。
为进一步防止高温时玻璃与模具发生粘连，HOYA、OHARA、SCHOTT等厂家现已开发出在预成型件表面镀防粘薄膜的方法，一方面可防止粘附，另一方面还可提高模压过程中玻璃和成型面之间的润滑性。薄膜的种类可为含碳薄膜或氮化物薄膜、贵金属膜等，优选使用含碳薄膜，尤其是模具材料为SiC、ZrO2时。
2 模压模具的材料选择及加工技术
在光学玻璃模压成型技术中，高精度的镜片和特殊的工艺过程要求模压成型的模具应达到以下要求：1)加工后的模具表面应达到光学镜面的表面粗糙度，在高温环境下能保持表面质量包括面形精度和表面疵病、表面粗糙度不变;2)模压过程中不与玻璃起反应或发生粘连现象，脱模性能良好;3)在高温环境具有很高的刚性、硬度、强度，能耐冷热反复冲击。模具材料的选择、模具的加工与研磨抛光、模具的表面处理等应综合考虑以上要求。
以HOYA为例，已开发出多种有关模具材料的专利。主要的模具材料包括SiC、Si3N4、WC超硬合金和金属陶瓷，并在模具基体的成型表面上加镀脱模膜。以WC等超硬合金为基体时，表面加镀贵金属膜或氮化物膜;以SiC为基体时，表面加镀硬质碳膜;膜层厚度控制在10nm~50nm左右。
由于所使用的模具材料硬度大，一般具有硬脆性，在加工过程中容易产生裂纹，影响工件的使用性能，因此对模具加工中所使用的刀具和加工方法提出了很高的要求。模具基体加工的机床都是超精密数控加工机床，与金刚石微分砂轮和高精度的在线检测补偿系统相配合。加工方法包括纳米磨削技术和PCD刀具微细铣削技术，后又发展出将ELID(Electrolytic In.Process Dressing)镜面磨削技术[4]与纳米磨削技术结合，应用到非球面透镜模具的加工上。
为达到更好的表面精度，模具表面还需进行研磨抛光。可用于模具抛光的技术有磁流变抛光(MRF)技术[5]、磁射流抛光(MJP)技术及超声波研磨技术。
3 模压工艺及设备
光学玻璃模压成型专用机床的制造技术主要掌握在日本、美国、德国和荷兰等国，如日本东芝、SYS，美国曼彻斯特精密光学公司、康宁公司，德国蔡司，荷兰飞利浦等[6]。
模压成型的具体工艺过程和工艺参数，随设备不同而有所区别，但加热与模压工序都要求是在无氧化气氛下进行。一般来说，光学玻璃模压成型可以分为等温成型和异温成型两种方式。等温成型是将预成型件导入到模压成形模具中，并将该成型模具与玻璃一起进行加热来进行零件加工的方法。
异温成型是先加热预成型件，使其软化，再将其导入到已预热的模压成型模具中进行精密模压成型的方法。简单地讲，等温成型就是将模具和预成型件同时加热和冷却，同时取出;异温成型就是将预成型件单独加热后成型单独冷却和取出，模具温度保持不变。等温成型方式加热升温和冷却降温都需要较长时间，因此生产速度较慢，在面形精度、中心偏差要求较高的情况下，推荐使用等温成型方式;在重视生产率提高的情况下推荐使用异温成型方式。
4 结论
光学玻璃模压成型技术现已广泛用于各类球面和非球面光学零件的制造中，尤其是在小型和微型光学元件及非球面制造方面具有传统光学零件不可比拟的优越性。目前，包括低熔点玻璃的熔炼、模具加工与镀膜、模压设备及工艺等关键技术主要掌握在国外厂家手中，我国尚处于起步阶段，很多方面还受制于国外技术壁垒，因此，继续深入开展光学玻璃模压成型技术方面的研究十分迫切，具有重要的现实意义。
参考文献
[1][日]谷田部善雄著.非球面透镜加工.张立士，译.
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[3]舒朝濂，田爱玲，等.现代光学制造技术[M].北京：国防工业出版社，2008：317-322.
[4]关佳亮，等. ELID精密镜面磨削技术的开发应用[J].航空精密制造技术，2002，38(2)：5-7.
[5]康桂文.磁流变抛光技术的研究现状及其发展[J].机床与液压，2008，36(3)：173-176.
[6]张坤领，等.非球面加工现状[J].组合机床与自动化加工技术，2007(5)：1-6.
玻璃钢成型技术论文篇二
大型缠绕成型玻璃钢容器的优化设计
摘 要：介绍了玻璃钢材料的优缺点，并针对其强度好刚度不足的问题，对立式缠绕成型玻璃钢罐进行了结构优化，现场使用达到了预期的效果。
关键词：玻璃钢罐 结构优化 刚度 耐温性
中图分类号：TB47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2014)02(a)-0135-02
玻璃钢[1](也称玻璃纤维增强塑料，国际公认的缩写符号为GFRP或FRP)是一种品种繁多，性能用途广泛的复合材料。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺，制作而成的一种功能型的新型材料。
1 玻璃钢材料的优缺点
与传统的金属材料及非金属材料相比，玻璃钢材料及其制品，具有强度高，性能好，节约能源，产品设计自由度大，以及产品使用适应性广等特点。因此，在一定意义上说，玻璃钢材料是一种应用范围极广，开发前景极大的材料品种之一。
玻璃钢(FRP)的优点之一是轻质高强[2]。相对密度在1.5～2.0之间，只有碳钢的1/4～1/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。但同时玻璃钢(FRP)的弹性模量低，玻璃钢(FRP)的弹性模量比木材大两倍，但比钢(E=2.1×106)小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。
2 立式缠绕成型玻璃钢罐的优化设计
立式缠绕成型玻璃钢罐的设计过程中需要充分考虑到玻璃钢材料刚性不足、容易变形的问题。因此，在华北局红河油田联合站200 m3玻璃钢储罐的设计过程中，对玻璃钢罐进行了罐壁优化设计、储罐连接优化、罐底转角设计优化、接管结构优化以及过热接管夹层结构的设计优化。
2.1 玻璃钢罐罐壁的设计
立式储罐在满足使用寿命的前提下，对壁厚采用自下而上的减薄设计。
(1)罐壁厚度按下式计算：
罐体刚度按下式计算壁厚：
式中：D=6.5 m;H=6.5 m;φ=1.0;n=10;γ=1000 kg/m3;Hi按2.87、5.74、6.5取值。
玻璃钢：σb=150MPa;[ε]=0.1%;E= 1.1×104 MPa
结构层的厚度附加量(C)：当计算厚度小于5 mm时，厚度附加量为3 mm;当计算厚度大于或等于5 mm<10 mm时，厚度附加量为2 mm;当计算厚度大于或等于10 mm<15 mm时，厚度附加量为1 mm;当计算厚度大于或等于15 mm时，不需要厚度附加量。内层厚度取2.5 mm，外层厚度取1.5 mm。
将已知数代入上式，计算结果见表1。
(2)罐壁设计外压计算。
其中：K1=1.0 ;q0=350 Pa;K2=1.2;P=0 Pa
(3)罐壁的许用临界压力按下式计算：
;其中;
按上式计算结果见表2。
(4)罐壁的稳定校核应满足下式要求：
上述计算知：
故该罐壁校核合格，不需设加强圈。
2.2 玻璃钢储罐的连接优化
玻璃钢储罐的封头与筒体间的连接形式采用对接连接。对接时可借助导向板完成，接缝处应平整、严实，接缝间隙不超过板厚或者10 mm，且无明显错位倾斜。内外层分别采用400 mm的聚酯材料进行粘贴加固。
2.3 玻璃钢转角设计优化
筒体与罐底用承插内外增强糊制法粘接[3]，内部糊制的拐角半径r不小于50 mm，增强糊制的宽度不小于200 mm。拐角糊制增厚应递减，圆滑过渡并与底部和侧壁相切。
2.4 接管结构优化
法兰与容器组装形式见图1。其适合于直径大于100 mm的接管。直径不大于100 mm的接管需要角撑板支撑。接管开孔处应能承受液柱压力，要在以开口中心线为中心的周边面积进行补强。常压容器的接管开孔补强按照公式(1)进行计算[4]。
Tt=PDK/2Sa (1)
式中：
Tt为开孔补强厚度，单位为毫米(mm);K为系数，接管直径≥150 mm时，K=1.0;接管直径<150 mm时，K=1.0d/(dr-d);d为接管公称直径，单位为毫米(mm);dr为补强圈直径，单位为毫米(mm);接管直径≥150 mm时，dr=2d，接管直径<150 mm时，dr=d+150;P为接管所在部位的液柱压力，单位为兆帕(MPa);D为容器内径，单位为毫米(mm);Sa为许用拉伸应力，单位为兆帕(MPa)。
2.5 过热接管夹层结构的设计优化
由于玻璃钢长期耐温性差，长期使用时通用聚酯FRP在50 ℃以上强度就明显下降[5]。因此，对于内部有碳钢加热盘管的玻璃钢大罐，其罐壁可以采用套管式的夹层结构，以防止内部碳钢加热盘管与玻璃钢罐壁直接接触。
3 结论
(1)红河油田联合站、转油站、废液处理站内，建造玻璃钢罐时进行了结构优化，共建造玻璃钢罐数量达到9座。(2)从玻璃钢罐的检测结果和现场运行情况标明，玻璃钢罐的结构优化是合理的，罐的刚度不足的问题得到了解决，满足了生产的需要。
参考文献
[1] 陈博.发展中的我国玻璃钢工业[J].玻璃钢/复合材料，1997(6)：15.
[2] 雷文，凌志达.缠绕玻璃钢管罐的技术特点及在我国的应用现状[J].工厂塑料应用，2000，28(6)：24-26.
[3] CD130A19-85，手煳法玻璃钢设备设计技术条件[S].
[4] HG/T 3983-2007，耐化学腐蚀现场缠绕玻璃钢大型容器[S].
[5] HG/T 20696-1999，玻璃钢化工设备设计规定[S].
