余劍武,李嬋?,尹韶輝,朱科軍,易成
(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410082;2.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 湘潭 411105)
微V形槽玻璃元件模壓成形有限元應(yīng)力分析*
余劍武1,李嬋1?,尹韶輝1,朱科軍2,易成1
(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410082;2.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 湘潭 411105)
針對(duì)微V形槽結(jié)構(gòu)光學(xué)元件在模壓后存在應(yīng)力過(guò)大等問(wèn)題,選取D-ZK3型低溫光學(xué)玻璃,利用MSC.Marc軟件建立了微V形槽的有限元仿真模型.采用5個(gè)單元的廣義Maxwell模型來(lái)描述高溫下D-ZK3玻璃的粘彈性特性,對(duì)V形槽結(jié)構(gòu)在不同模壓條件下的填充效果和應(yīng)力分布進(jìn)行了仿真研究分析.結(jié)果表明:V槽角度越大,填充效果越好,但最大應(yīng)力也越大;模壓速度增大將導(dǎo)致應(yīng)力和模壓力的增大;模壓溫度增大將導(dǎo)致最大應(yīng)力的減小.
光學(xué)玻璃;模壓成形;微V形槽;應(yīng)力分布;填充效果
微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件廣泛應(yīng)用于光學(xué)成像、信息通信、汽車照明、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域[1-2].對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件來(lái)說(shuō),玻璃模壓成形是比較有前景的技術(shù).玻璃模壓成形技術(shù)(Glass Molding Press,GMP),是采用高精度模壓模具在特定的溫度、壓力條件下,將模具表面形貌復(fù)制到玻璃預(yù)制體上,從而直接高效模壓出具有最終產(chǎn)品形狀和光學(xué)功能的玻璃透鏡的加工方法[3].玻璃模壓成形一般分為4個(gè)階段,分別是加熱階段、模壓階段、退火階段以及冷卻和脫模階段,如圖1所示.
圖1 玻璃模壓成形過(guò)程示意圖Fig.1 Process of glass molding press
與傳統(tǒng)的玻璃材料去除方法相比,模壓成形工藝可以顯著提高生產(chǎn)效率.由于模壓時(shí)影響模壓精度的因素不確定性,透鏡的設(shè)計(jì)尺寸并不能直接用于模具的設(shè)計(jì),反復(fù)修改模具的難度和成本又很高,因此玻璃模壓過(guò)程的數(shù)值仿真變得尤為重要[4].目前,研究人員針對(duì)微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件模壓成形的數(shù)值仿真展開(kāi)了研究.日本的Shishido等[5]針對(duì)玻璃與模仁之間的貼合度進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)貼合度隨著玻璃表面張力變化而改變,也會(huì)影響元件的復(fù)制精度;臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)的宋岳洲[6]利用差示掃描量熱法和單軸壓縮松弛實(shí)驗(yàn),分別取得了玻璃的結(jié)構(gòu)松弛及應(yīng)力松弛參數(shù),并將參數(shù)代入用Marc軟件建立的模型中,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致;中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的季月良等[7]采用有限元仿真計(jì)算了圓柱透鏡以及非球面透鏡中的殘余應(yīng)力,并將仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比,研究表明,有限元仿真可以用來(lái)研究熱壓成形透鏡中的殘余應(yīng)力;日本東北大學(xué)的Zhou等[8]基于廣義Maxwell模型對(duì)V槽進(jìn)行有限元仿真,研究了模壓溫度、模壓速度和摩擦系數(shù)對(duì)V型槽成形后最大應(yīng)力值的影響;湖南大學(xué)的尹韶輝等[9-10]對(duì)非球面透鏡模壓成形進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明最大應(yīng)力出現(xiàn)在鏡片的邊緣區(qū)域,較低的溫度和較高的模壓速度都會(huì)增大最大殘余應(yīng)力值.
模壓成形冷卻過(guò)程中的溫度不均勻,以及玻璃在高溫下的復(fù)雜狀態(tài)變化,導(dǎo)致模壓后的光學(xué)元件內(nèi)部有殘余應(yīng)力,透鏡出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象和折射率改變的情況.針對(duì)目前微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件在模壓過(guò)程存在應(yīng)力過(guò)大等問(wèn)題,本文采用廣義Maxwell模型對(duì)微V形槽玻璃元件的模壓成形過(guò)程進(jìn)行了仿真,分析了V槽角度、模壓速度以及模壓溫度對(duì)應(yīng)力分布和模壓力大小的影響,對(duì)今后模壓生產(chǎn)過(guò)程中工藝參數(shù)的合理選取具有指導(dǎo)意義.
玻璃模壓需要將玻璃預(yù)制體加熱至轉(zhuǎn)變溫度Tg以上,此時(shí)玻璃表現(xiàn)為粘彈性,同時(shí)具有彈性性質(zhì)和粘性性質(zhì)[11].由于高熔點(diǎn)玻璃的模壓溫度也相對(duì)較高,將會(huì)縮短模具的壽命,所以通常采用低熔點(diǎn)光學(xué)玻璃來(lái)模壓光學(xué)元件.成都光明光電公司開(kāi)發(fā)的D-ZK3型光學(xué)玻璃轉(zhuǎn)變溫度較低,而且較易獲取,因此本文選用D-ZK3型光學(xué)玻璃進(jìn)行研究.
通常用理想固體和理想流體模型組合的方式來(lái)表示粘彈性力學(xué)模型,常用的有Maxwell 模型、Kelvin 模型以及廣義 Maxwell 模型[12].其中廣義Maxwell 模型是將多個(gè)Maxwell 模型并聯(lián)而成的,可以定義多個(gè)不同的松弛時(shí)間,更適合于用來(lái)描述玻璃粘彈性[13].如圖2所示,本文選用廣義Maxwell模型來(lái)表示模壓過(guò)程中玻璃的粘彈性響應(yīng),其方程如式(1)所示.
圖2 廣義Maxwell模型Fig.2 Generalized Maxwell model
廣義Maxwell模型應(yīng)力的時(shí)間響應(yīng)可用下式表示:
(1)
(2)
式中:ωi為各個(gè)單元彈性模量的權(quán)重系數(shù);τri表示折減時(shí)間(Reduced Time)[14].
玻璃材料D-ZK3的應(yīng)力松弛參數(shù)參考文獻(xiàn)[15],其應(yīng)力松弛參數(shù)如表1所示.
表1 D-ZK3玻璃應(yīng)力松弛參數(shù)Tab.1 Stress relaxation parameters of D-ZK3
微槽結(jié)構(gòu)光學(xué)元件在模壓過(guò)程中,由于尺寸過(guò)小,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,精度要求很高,同時(shí)在模壓過(guò)程中影響因素較多,所以很難保證模壓成形件滿足尺寸精度的要求.為了研究微槽結(jié)構(gòu)光學(xué)元件在模壓成形加壓階段的成形效果和應(yīng)力狀態(tài),本文選取V形槽結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,采用MSC.Marc軟件對(duì)玻璃的模壓成形過(guò)程的加壓階段進(jìn)行有限元仿真.工業(yè)中常用的V形槽光學(xué)元件微槽數(shù)量較多,為了簡(jiǎn)化模型,本研究以單個(gè)V形槽結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,并建立了2D模型.
如圖3所示,微V形槽高5 μm,寬10 μm,底部無(wú)圓角;玻璃胚料的長(zhǎng)為20 μm,高為10 μm.本文將上、下模具視為剛體,不考慮其變形和應(yīng)力,在仿真過(guò)程中,固定下模,上模以一定的速度向下運(yùn)動(dòng).參照成都光明光電公司2013年更新的玻璃材料庫(kù),D-ZK3型玻璃的材料參數(shù)如表2所示.
圖3 微V形槽結(jié)構(gòu)分析模型Fig.3 Analysis model of micro V-groove structure
性能參數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)變溫度Tg/℃511軟化點(diǎn)Sp/℃605密度ρ/(kg·m-3)3700泊松比υ0.299彈性模量E/MPa72700參考溫度TR/℃570C112.41C2129
為了研究模壓時(shí)V槽角度、模壓速度以及模壓溫度的影響,本文對(duì)微V形槽結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn),模擬參數(shù)如表3所示.
表3 不同模壓條件下的模擬參數(shù)Tab.3 The simulation parameters under different molding conditions
由于在模壓成形過(guò)程中,玻璃材料邊緣的變形和應(yīng)力較大,所以采用前沿法(Advancing front)的4節(jié)點(diǎn)四邊形單元對(duì)玻璃預(yù)形體進(jìn)行網(wǎng)格劃分.這種方法是從區(qū)域的邊界向內(nèi)部逐漸生成全域網(wǎng)格,有著較好的疏密過(guò)渡和幾何形狀.模壓成形后的壓力和應(yīng)變分布如圖4所示,在模具的兩個(gè)轉(zhuǎn)角處應(yīng)力最大,并由轉(zhuǎn)角處沿橫向擴(kuò)展,這是由于轉(zhuǎn)角處玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)變較大,同時(shí)又與下模具接觸,受到的擠壓力也較大,所以應(yīng)力是最大的;同時(shí)兩側(cè)的玻璃在Y方向受到下模具的限制,擠壓力較大,玻璃在擠壓力的作用下向兩側(cè)流動(dòng),所以應(yīng)力也是沿橫向擴(kuò)散.玻璃尖端的應(yīng)力最小,因?yàn)樵摬糠衷赮軸方向沒(méi)有約束,而且在模壓過(guò)程中應(yīng)變較小,所以內(nèi)應(yīng)力較小.
對(duì)于實(shí)施分層管理模式前后患者的滿意度、護(hù)理人員自身的滿意度、醫(yī)生對(duì)于護(hù)士的滿意度、護(hù)理部門質(zhì)控檢查的平均成績(jī)等進(jìn)行調(diào)查和比較,前后存在有明顯的差異性,P<0.05,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。詳細(xì)情況請(qǐng)參見(jiàn)表1所示。
圖4 V形槽模壓結(jié)果 (θ=90°,v=0.6 μm/s,T=570 ℃)Fig.4 The mold results of V-groove structure diagram
3.1 V形槽角度對(duì)模壓應(yīng)力的影響
V槽角度對(duì)于V形槽光學(xué)玻璃元件而言,是一個(gè)非常重要的參數(shù),其對(duì)模壓過(guò)程中的成形效果和應(yīng)力有著很大的影響.為了研究V槽角度對(duì)微槽填充性和應(yīng)力的影響,本文的模壓溫度設(shè)置為570 ℃,模壓深度為8 μm,模壓速度為0.5 μm/s,分別對(duì)角度為30°,45°,60°和90°的V槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真.
對(duì)不同V槽角度進(jìn)行模壓后的填充輪廓如圖5所示.可以很直觀地看出,V槽角度與玻璃模壓成形后的輪廓有直接關(guān)聯(lián),隨著V槽角度的增大,模壓成形后的填充效果越來(lái)越好,深度也明顯增加.這是因?yàn)樵谀哼^(guò)程中,玻璃胚料模壓到同一深度時(shí),V槽角度越小,玻璃材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形越嚴(yán)重,受到的阻力也越大,所以V形槽很難再被繼續(xù)填充.不同V槽角度模壓后的應(yīng)力分布圖與圖4相似,最大應(yīng)力都位于轉(zhuǎn)角處.
圖5 不同V槽角度模壓成形輪廓Fig.5 The filling situation of different V-groove angle
圖6為不同V槽角度模壓過(guò)程中的最大應(yīng)力曲線,最大應(yīng)力隨角度的增大而增大.V形槽角度越大,與玻璃接觸的空間也越大,玻璃越容易流入V槽,填充深度也越深,所以轉(zhuǎn)角處玻璃材料的應(yīng)變也越大,造成最大應(yīng)力變大.其中V形槽角度由30°上升至45°時(shí),最大應(yīng)力急劇上升,其主要原因是玻璃的填充深度從1.383 μm增加至2.839 μm,升高了1.05倍;在60°和90°時(shí),填充深度分別增加了0.21倍和0.38倍;同時(shí)由于填充深度的增加,V槽中空氣的體積被壓縮得更小,壓強(qiáng)隨之增大,造成模壓力變大.所以在V槽角度從30°增大至45°時(shí),最大應(yīng)力劇增.
圖6 不同V槽角度最大應(yīng)力曲線Fig.6 Maximum stress curve of different V-groove angle
通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)V槽角度對(duì)玻璃模壓成形后的填充率和應(yīng)力均有影響,所以在模壓成形的生產(chǎn)過(guò)程中,應(yīng)合理選擇V槽角度,使填充率和應(yīng)力都滿足要求.
3.2 模壓速度對(duì)模壓應(yīng)力和模壓力的影響
玻璃材料在高溫下具有粘彈性,模壓速度與玻璃材料的松弛時(shí)間直接相關(guān),如果速度過(guò)大,玻璃材料在模壓時(shí)應(yīng)力得不到松弛,將導(dǎo)致應(yīng)力增加,從而影響玻璃元件的表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu).本文分別選取0.4 μm/s,0.6 μm/s,0.8 μm/s,1.0 μm/s以及1.2 μm/s的模壓速度來(lái)研究模壓速度對(duì)模壓結(jié)果的影響,其它參數(shù)如表3中第2組數(shù)據(jù)所示.
圖7為不同速度下,模壓成形過(guò)程中的最大應(yīng)力曲線,即加壓結(jié)束后的最大應(yīng)力.隨著模壓速度的不斷增大,V形槽玻璃元件的應(yīng)力也逐漸增加,從0.2 μm/s時(shí)的3.196 MPa增加到1.2 μm/s時(shí)的6.48 MPa,尤其是在模壓速度為1.2 μm/s時(shí),最大應(yīng)力值急劇上升.這是因?yàn)槟核俣仍龃?,玻璃?nèi)部材料松弛時(shí)間減小,殘余應(yīng)力隨松弛時(shí)間減小而增大.圖8為不同模壓速度下的模壓力隨時(shí)間的變化曲線.從圖8中可以看出,模壓力的最大值隨著模壓速度的增加而上升.增大模壓速度雖然可以縮短模壓時(shí)間,提高光學(xué)元件的生產(chǎn)效率,但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件應(yīng)力和模壓力的增大,容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力過(guò)大和模具使用壽命縮短的情況.因此在模壓過(guò)程中,應(yīng)合理地選擇模壓速度.由分析可知,模壓速度應(yīng)該在0.4至1.0 μm/s之間取值,此時(shí)模壓應(yīng)力較小且平穩(wěn).
圖7 不同速度下最大應(yīng)力變化曲線Fig.7 Maximum stress curve of different pressing velocity
圖8 不同速度下模壓力曲線Fig.8 Molding pressure curve of different pressing velocity
3.3 模壓溫度對(duì)填充效果和應(yīng)力分布的影響
玻璃的很多特性都跟溫度有密切關(guān)聯(lián),模壓溫度是影響成形元件形狀和尺寸的十分重要的參數(shù).通常模壓溫度選取在屈服溫度At附近,此時(shí)玻璃處于過(guò)渡態(tài),表現(xiàn)為粘彈性,更有利于玻璃的模壓成形.為了研究模壓溫度對(duì)模壓結(jié)果的影響,本文在At附近選取了560 ℃,570 ℃,580 ℃和590 ℃ 4種模壓溫度進(jìn)行數(shù)值仿真,其它模壓參數(shù)如表3所示.圖9為不同模壓溫度下V形槽的應(yīng)力分布圖.
圖9 不同溫度下的應(yīng)力分布情況Fig.9 Stress distribution at different temperatures
玻璃在不同溫度下的模壓成形輪廓如圖10所示.成形結(jié)果與模壓速度相似,模壓溫度對(duì)V形槽成形輪廓影響不大,這是因?yàn)楫?dāng)溫度超過(guò)屈服溫度At時(shí),玻璃處于過(guò)渡態(tài),偏向于流體態(tài),所以模壓后都能得到良好、相似的輪廓.
圖10 不同溫度下的V形輪廓Fig.10 The V-shaped profile of different molding temperatures
圖11為不同溫度下玻璃元件模壓后的最大應(yīng)力曲線.由圖11可知,模壓溫度從560 ℃上升至570 ℃時(shí),最大應(yīng)力急劇下降;570 ℃上升至580 ℃時(shí),最大應(yīng)力下降趨勢(shì)放緩;580 ℃上升至590 ℃時(shí),最大應(yīng)力趨于平穩(wěn),并在590 ℃時(shí)有少許的增大.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是:在560 ℃時(shí),玻璃傾向于固態(tài),粘度大,流動(dòng)性能差,所以產(chǎn)生相同應(yīng)變時(shí),玻璃結(jié)構(gòu)的應(yīng)力相對(duì)較大;在570 ℃時(shí),玻璃傾向于液體,流動(dòng)性能好,所以模壓的最大應(yīng)力急劇下降;當(dāng)溫度大于570 ℃后,玻璃的粘性隨溫度的增大而減小,越來(lái)越接近于流體的狀態(tài),所以最大應(yīng)力也隨之減??;當(dāng)溫度為590 ℃時(shí),最大應(yīng)力有輕微的上升,這是因?yàn)闇囟冗^(guò)高,玻璃內(nèi)部的熱應(yīng)力較大的原因.仿真的模擬結(jié)果跟玻璃的理論特性是一致的,直觀上看來(lái),選擇高的模壓溫度更有利于進(jìn)行模壓,然而在較高的溫度下,模具容易發(fā)生氧化,這將導(dǎo)致模具的使用壽命降低.所以在保證玻璃輪廓和應(yīng)力都符合設(shè)計(jì)要求的條件下,模壓溫度應(yīng)該盡可能降低.
圖11 不同溫度下最大應(yīng)力曲線Fig.11 Maximum stress curve of different molding temperatures
3.4 模壓多因素綜合分析
為了研究多因素對(duì)V形槽模壓過(guò)程的綜合影響,本文采用正交法仿真分析V槽角度、模壓速度及模壓溫度對(duì)V槽模壓后的最大應(yīng)力和填充效果的影響.本試驗(yàn)是三因素四水平試驗(yàn),不考慮因素間的交互作用.因此,選擇L16(43)作為仿真分析的正交表,如表4所示,其方案與結(jié)果如表5所示.
表4 模壓仿真分析參數(shù)及水平Tab.4 The simulation analysis parameters and level
表5 模壓仿真分析方案及結(jié)果Tab.5 Molding simulation program and results
表6和表7是對(duì)V形槽模壓后的最大應(yīng)力和填充效果仿真結(jié)果的極差分析.表6表明各因素對(duì)V形槽模壓后的最大應(yīng)力的影響大小按降序排列為模壓溫度、模壓速度、V槽角度,為了控制模壓后的最大應(yīng)力,應(yīng)選取較小的V槽角度、模壓速度以及較大的模壓溫度.表7表明各因素對(duì)V形槽模壓后填充深度的影響大小按降序排列為V槽角度、模壓速度、模壓溫度.其中,模壓速度和模壓溫度對(duì)填充深度幾乎無(wú)影響,相對(duì)而言V形槽角度對(duì)其影響較大.
表6 最大應(yīng)力的正交極差分析Tab.6 The orthogonal range analysis of maximum stress
表7 填充深度的正交極差分析Tab.7 The orthogonal range analysis of filling depth
通過(guò)分析可知,多因素綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與玻璃材料的性質(zhì)相符,同時(shí)與單一因素分析的結(jié)果也保持一致.通過(guò)模壓多因素綜合分析,對(duì)于模壓后的最大應(yīng)力而言,最佳組合為V槽角度θ=30°,模壓速度v=0.6 μm/s,模壓溫度T=590 ℃;對(duì)于填充深度,最佳組合為V槽角度θ=120°,模壓速度v=1.2 μm/s,模壓溫度T=590 ℃.
本文以微V形槽結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件為研究對(duì)象,選取D-ZK3型低溫光學(xué)玻璃,建立了V形槽的二維仿真模型,對(duì)微V形槽光學(xué)元件模壓成形特性進(jìn)行了有限元數(shù)值仿真分析,結(jié)論如下:
1) 分析了不同V槽角度對(duì)模壓后的填充效果和應(yīng)力最大值的影響,結(jié)果表明隨著V槽角度的增大,模壓成形后的填充效果更好,但應(yīng)力也隨之增加.
2) 通過(guò)仿真得到了不同模壓速度下V形槽模壓后的最大應(yīng)力和模壓力,分析結(jié)果表明最大應(yīng)力值和模壓力均隨著模壓速度的增大而增大.合理地選擇模壓速度,可提高光學(xué)元件的成形質(zhì)量.
3) 分析了在不同模壓溫度下V形槽模壓后的填充效果和最大應(yīng)力,模壓溫度對(duì)填充效果的影響不明顯;但應(yīng)力隨模壓溫度的升高而降低.實(shí)際應(yīng)用中,在保證光學(xué)元件輪廓和應(yīng)力都滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,模壓溫度應(yīng)盡可能降低,可提高模具的使用壽命.
4) 綜合分析多因素對(duì)模壓后最大應(yīng)力和填充深度的影響,發(fā)現(xiàn)模壓溫度對(duì)最大應(yīng)力影響顯著,V槽角度對(duì)填充深度影響最大,同時(shí)得到了兩組最優(yōu)參數(shù)組合.通過(guò)分析可知,為降低模壓后的最大應(yīng)力,應(yīng)盡量選擇較小的V槽角度和模壓速度及較高的模壓溫度.
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Finite Element Analysis on Stress of Micro V-groove Components in GMP
YU Jianwu1,LI Chan1?,YIN Shaohui1,ZHU Kejun2,YI Cheng1
(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University,Changsha 410082,China; 2.College of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)
Due to the large residual stress existing in micro-structure optical elements after GPM,the glass material D-ZK3 with low transition temperature was selected,and a finite element simulation model of micro V-grooves was developed with the software MSC.Marc.Five-element general Maxwell model was used to describe the viscoelastic properties of D-ZK3 glass at high temperatures,and the fill effect and stress distribution of micro V-grooves were simulated and analyzed under different molding parameters.The simulation results show that the maximum stress increases and filling effects are improved when the V-groove angle increases;the higher molding speed leads to higher maximum stress and molding pressure;whereas the maximum stress decreases with the increasing of molding temperature.
optical glass;glass molding press;micro V-groove;stress distribution;filling effect
1674-2474(2017)08-0008-07
10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.08.002
2016-11-23
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275165),National Natural Science Foundation of China(51275165)
余劍武(1968—),男,湖南冷水江人,湖南大學(xué)教授,博士
?通訊聯(lián)系人,E-mail:greenlaraine@163.com
TG376.2
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