（材料学专业论文）光学塑料镜片精密注射成型工艺的研究.pdf

武汉理_ 大学硕士学位论文 中文摘要 光学塑料由于其独特的性能优势，在现代光学成像中得到越来越多的运用。 在对光学性能的提高有着良好效果的非球面镜片上，光学玻璃非球面镜片的加 工由于成本高、精度差、周期长等缺陷，无法大规模生产，而用精密注射成型 生产光学塑料非球面镜片使规模生产变为现实，该产品已经广泛应用于光学领 域如数码相机、d v d 、手机摄像头、光通讯等行业，其具有很好的经济效益、具 有广阔的市场前景。 注射成型是塑料制品的主要加工方式之一，传统的注射成型工艺由于无法 达到制品的高精度，无法应用到精密制品的成型，而精密注射成型技术由于其 高精度的控制和优越的稳定性能，已经在精密塑料光学镜片成型方面得到了应 用。 精密注射成型已经是光学塑料加工的主要方式之一，它具有生产流程简单、 精度高和快速等优点，故非常适用于光学塑料镜片的成型加工。但注射成型本 身是一个非常复杂的过程，镜片质量受众多因素的影响而不容易控制。本文在 武汉理工光学公司的帮助下对光学塑料镜片精密注射成型工艺的主要参数做了 详细的研究，具体工作如下： 1 分析了塑料成型技术的基本原理，并详细的阐述了精密成型技术； 2 用p v t 方法分析了精密注射成型压力对成型镜片收缩的影响，为实际的 压力参数设置提供了一个依据； 3 为了更好的找出主要注射成型参数对镜片整体质量影响，做了不同的注射 速度、保压压力、熔体温度和模具温度对成型镜片的重量、半径变化和应力的 影响实验，在讨论实验结果时采用了试验设计方法的思想，对各个影响参数作 了统计分析，并给出了最优化的组合方式。光学镜片的精密注射成型应采用高 的模具温度，高的压力和较低的注射速度； 4 针对注射成型工艺参数对光学镜片所要求的光学性能如分辨率、后焦长的 影响进行了实验，并分析了实验结果； 5 用精密注射成型机生产出了某型号的塑料光学非球面，成型的镜片满足设 计要求，实际生产各项指标也稳定，并得到了规模生产。 关键词：光学塑料镜片，精密技术，注射成型，工艺参数 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eu n i q u ep e r f o r m a n c ea d v a n t a g eo fo p t i c a lp l a s t i ci nm o d e mo p t i c a li m a g i n g h a sb e e n u s e dm o r ea n dm o r e t oh a v eg o o dr e s u l t si nt h ei m p r o v e m e n to ft h eo p t i c a l q u a l i t yo fa s p h e d cl e n s e s , o p t i c a lg l a s sa s p h e r i c l e n s e sh a v eh i g l l p r o c e s s i n g c o s t s ，l o wp r e c i s i o n , l o n gp e r i o do fp r o d u c t i o na n do t h e rf l a w s ，n o tm a s sp r o d u c t i o n , b u tu s i n gp r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n go fp l a s t i co p t i c a ll e n sm a k eal a r g es c a l e p r o d u c t i o ni n t or e a l i t y t h i si 【i n do fp r o d u c t i o ni sm a i n l yu s e di nt h eo p t i c a lf i e l d , e g d i g i t a lc a m e r a 、d v d 、c e l lp h o n e sc a m e r a 、o p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n de t c i tc a n b r i n go u tg r e a te c o n o m i cb e n e f i t ，a n dh a sb r o a dm a r k e tp o t e n t i a l h 巧e c t i o nm o l d i n gi s o n eo ft h em a j o rp r o c e s s i n gm e t h o d so fp l a s t i c t h e t r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sc a nn o tb ea c h i e v e dt op r o d u c tt h eh i g h p r e c i s i o np r o d u c t sa n dt h ep r o d u c t sc a l ln o tb eu s e dt op r e c i s i o nm o l d i n g b u t p r e c i s i o nm o l d i n gt e c h n o l o g ya s 。h i g hp r e c i s ec o n t r o la n ds u p e r i o rs t a b i l i t yh a sb e e na v e r yg o o da p p l i c a t i o ni np r e c i s i o nm o l d i n go fp l a s t i co p t i c a ll e n s e s p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n go fo p t i c a lp l a s t i c sp r o c e s s i n gi so n eo ft h em a i n m e t h o d s i th a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l ea n dc e l e r i t yi nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ； a c c o r d i n g l y ，i ti sh i g h l yf i tf o r t h em o l d i n go fo p t i c a lp l a s t i cl e n s h o w e v e r ，i n i e c t i o n m o l d i n gi sam u c hc o m p l i c a t e dp r o c e s s i n g , t h eq u a l i t yo fl e n si sa f f e c t e db yal o to f h c t o 娼t h u si sd i f f i c u l tt oc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , b yt h eh e l po fl h ec a s o t h em n l no f p r o c e s sp a r a m e t e r sf o ro p t i c a lp l a s t i c sp r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n gh a sd o n eb ya d e t a i l e ds t u d y t h ec o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r e ： 1 t h eb a s i cp r i n c i p l eo fp l a s t i cm o l d i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na n a l y z e d , a n da d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ep r e c i s i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y 2 t h ep r e c i s ei n j e c t i o np r c 鲻u r ct oi n f l u e n c ew i t hl e n ss h r i n k a g ew a sa n a l y z e d b yt h ep v - tm e t h o d , i th a sp r o v i d e dab a s i s f o r t h er e a l i t yp r e s s u r ep a r a m e t e r e s t a b f i s h m e n t 3 i no r d e rt ob e t t e rd i s c o v e r st h em a i ni n j e c t i o n p a r a m e t e ro ft h el e n so v e r a l l q u a l i t yi n f l u e n c e ，d o n ee x p e r i m e n to f t h ed i f f e r e n ti n j e c t i o ns p e e d 、h o l d i n gp r e s s u r e 、 m e l tt e m p e r a t u r ea n dm o l dt e m p e r a t u r et oi n f l u e n c et h el e n sw e i g h t ，t h er a d i u s n 武汉理工大学硕士学位论文 c h a n g ea n dt h es t r e s s i nd i s c u s s i n gt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t su s i n gt h ee x p e r i m e n t a l d e s i g nm e t h o d , as t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n dg i v e s t h eo p t i m i z e dc o m b i n a t i o nw a y t h ep r e c i s ei n j e c t i o nm o l d i n go fo p t i c a lp l a s t i cl e n s s h o u l du s et h eh i g hm o l dt e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n dl o w e ri n j e c t i o ns p e e d ； 4 i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h er e s o l u t i o no fo p t i c a ll e n s e s ，b a c k f o c a ll e n g t ho fo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h ee x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw a s a n a l y z e d ； 5 w i t hp r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n gt op r o d u c eac e r t a i nt y p eo fa s p h e r i cp l a s t i c l e n s ，t h el e n ss a t i s f i e dd e s i g nr e q u e s t ，a c t u a l l yp r o d u c t i o nt a r g e t ss t e a d ya n do b t a i n e d a l a r g es c a l ep r o d u c t i o n k e yw o r d s ：o p t i c a lp l a s t i cl e n s ；p r e c i s i o nt e c h n o l o g y ：i n j e c t i o nm o l d i n g ：p r o c e s s p a r a m e t e r h i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：生垒逵日期兰竺! ：型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名磐新赞凇期型坐夕 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 精密注塑成型一般是指成型制件的精度和表面质量均要求很高的工艺。随 着科学技术的日益发展，人们对塑料制件精度的要求越来越高，传统的成型工 艺已很难满足目前高标准的要求，这给精密注塑成型技术的发展提供了强大的 推动力，全世界先进的精密注塑技术不断涌现。近年来，随着电脑、手机、光 盘及微电子通讯产品用量急速增长，精密注塑成型开始向高速、超精密及微型 化方向发展；计算机模拟仿真以及计算机辅助设计技术越来越多地应用到产品 与模具的设计加工过程中去；新型的材料不断涌现，并且通过对原有材料进行 改性使制品精密度得到较大提高。本章分别从精密注塑机、精密注塑模具设计 与制i 猷精密注塑工艺及材料性能研究等方面介绍了国内外精密注塑技术的最 新进展，并针对当今光学镜片应用重点的光学塑料镜片的精密成型技术进行了 分析。 1 2 精密成型技术的发展及现状 1 2 1 精密注塑机的的发展情况“阳啊 精密注塑机是指具有成型精密制品能力的注塑机。从2 0 世纪7 0 年代开始， 随着电子技术的发展，工业发达国家相继研制出不同种类的精密注塑机。目前 精密注塑机已经向超小、超高速、超精密的方向发展，例如日本制钢所成功地 开发出了超高速精密注塑成型机j 2 e l i l 2 u p s ，日本东芝机械公司研究开发出了 型号为i s 4 0 h d 的d v d 专用超精密注射成型机；美国h u s k y 公司生产的s 系 列小型液压精密成型注塑机，锁模力为6 0 1 6 0 t ：德国d r b o y 公司生产的小型 液压精密成型注塑机为b o y 系列，锁模力为1 2 8 0 t ：日精( 香港) 塑料工业 有限公司最近开发出小巧型2 4 精密注塑机n f 7r e a lm i n i 。3 种最新发明的精 密注塑机分别是由我国广东泓利、德国的i k v 和日本的t o y o 发明的。 武汉理工大学硕十学位论文 1 ) 数码光盘精密注塑机 2 0 0 3 年8 月1 9 日，由广东泓利机器有限公司研制的首台国产数码光盘注塑 机，通过了广东省科技厅的鉴定，从而结束了光盘生产线完全被进口设备垄断 的历史。该机以高档精密为特点，其锁模结构是在其专利产品四缸直锁二板式 基础上进行改进的结构。它在开合模运动时导向性很好，超过了国外进口机。 而且在高压锁模时受力均衡，从而提高盘片厚度的均匀性，光盘基片成型过程 中，模具开启行程很小，不但使模具定位精度高，而且机器寿命长，开合模速 度也很快。该机目前已经获得中国、美国、英国、日本等7 个国家的专利。 2 ) 新型微型注塑机 到目前为止，还没有适当的制造单个微型零件的注塑机，因此制造商们生 产较大但是精密的流道来获得必要的注入量。通常9 0 的聚合物都浪费捧了， 而且大流道增加了冷却时间和生产周期。为了达到最小的注入量( t f ，即当快光从样品中透出时，慢光还在样品中。慢 光从样品中透出的瞬间，快光已在空气中传播了v 0 ( t 卜坩) ，其中v 0 为光在空 气中的速度。这个距离就是光程差r 。所以 武汉理工大学硕士学位论文 尺= v o ( t - t r ) = k 甓d 百d ) = 嚷v o o 百v o ) 根据折射率定律以2 毒和甩，= 毒 故r d ( n ，一疗，) 一d l x n 或写f f m = 吾 也就是说要测定双折射n ，只须知道样品厚度，并测量光程差即可。 3 4 2r 的测定 由检偏片透过的光强度i 与光程差之间的关系可用下式表达： 譬o ，= i os i n ：( 昙) = i os i n 2 ( ；尺) 二 可见光强取决于波长和光程差。若入射光是白光，当光程差r 固定时，波 长不同的光的透过率有很大差异。例如当r = 5 4 0 n m ，根据上式计算，得图3 4 ， r = 5 4 0 n m 与对应的干涉色是紫红色。类似地，对于每一个r 值，都有不同的干 涉色相对应。从m i c h e l l e v y 图( 如图3 - 5 ) 上可以查到他们的关系，光程差的 标尺分为几级，大约每5 6 5 n m 为一级，每一级以红色结束。第二级最亮，第三 级较不亮，基本重复第二级的颜色，第四级很淡了，对大多数人来讲已经是无 色