一种高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具的制作方法

本发明涉及玻璃模压成形技术领域，特别是涉及一种高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具。

背景技术：

近年来，玻璃模压成形技术在各个领域都有着广泛的应用。玻璃材料具有较高折射率、高抗变形性、低膨胀、高成像质量等特性，在微机电系统领域备受关注。

然而目前针对微透镜阵列的模具设计中材料单一，无法满足针对超厚微透镜阵列模压成形技术的应用需求。目前，由于一般的微透镜阵列镜片比较薄，且微结构单元深度较浅，在传统模具设计方面可以将上模芯、下模芯面积扩大，使套筒在模压成形过程中不约束镜片侧边边缘，而是只起到控制镜片厚度的作用。模压过程原理如图1所示，模压成形结束后对镜片进行切割，获得符合要求的镜片，因此整套模具(包括上模芯、下模芯、套筒)用单一材料。目前针对薄的单面微透镜阵列采用的是模具整体用耐热不锈钢材料(仅在上模芯、下模芯表面镀特殊材料，套筒为耐热不锈钢)，或者模具整体采用硬质合金材料等。

其中，硬质合金模具由于其自身材料原因，传热快、热膨胀系数小、高温服役性能良好，但受限于目前对超硬材料的加工方法限制，硬质合金模具只能用于非球面透镜等大尺度简单光学结构的加工，对微阵列等微纳光学结构尚无超精密加工手段，无法满足较为精密的微透镜阵列模具所要求的精度要求。

而耐热不锈钢模具虽然可以进行微纳光学结构的精密加工，但是由于其易氧化等材料特性很难用于加工超精密模具，同时针对超厚微透镜阵列，由于镜片较厚，不适合整体切割，且阵列单元较深，微透镜阵列成形难度变大，成形条件更为苛刻。要求镜片侧边必须与套筒接触，限制镜片的x，y方向上材料流动，保证x，y方向整体尺寸的同时，促使z方向填充更加完整，保证透镜阵列形貌精度。但是，在垂直压力的作用下高温软化的玻璃材料与耐热不锈钢套筒紧密贴合，由于耐热不锈钢的热膨胀系数比玻璃的大，冷却时耐热不锈钢的收缩比玻璃大，此时冷却固化成型的镜片会被耐热不锈钢套筒挤压碎裂，因此单一耐热不锈钢材质的“型芯+套筒”的模具组合无法满足要求。

石墨也用于制作玻璃模压成形的模具，虽然石墨的热膨胀系数比玻璃的热膨胀系数小，用石墨制作的模具有利于玻璃镜片脱模，但是由于石墨强度低，易碎等材料特性，多用于制作手机曲面屏等成形压力小的玻璃模压成形用模具，石墨无法用来制作高精度微透镜阵列模具模芯，因此单一石墨材质的“型芯+套筒”的模具组合无法满足要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具，提高超厚微透镜阵列形状尺寸精度和表面形貌质量，并同时解决成型品顺利脱模的技术难题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具，包括：

模芯，所述模芯为两个，两个所述模芯分别为上模芯和下模芯，所述模芯包括基底和镀层，所述基底材质为耐热不锈钢，所述镀层的材质为磷化镍，所述镀层涂在所述两个所述模芯相对的一侧；

内套筒，所述内套筒所用材质的热膨胀系数小于被加工的玻璃材质和所述基底所用材质的热膨胀系数，所述基底包括凸起部和限位部，所述凸起部伸入所述内套筒内且与所述内套筒的内壁在常温下留有空隙、模压温度下贴合，所述限位部用以和所述内套筒的端面接触限位；

外套筒，所述外套筒的材质与所述基底的材质相同，所述外套筒同时套设于所述上模芯、所述下模芯和所述内套筒外侧，所述外套筒与所述内套筒之间留有间隙，所述限位部与所述外套筒的内壁贴合。

优选地，所述高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具用于加工超厚微透镜阵列。

优选地，所述高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具用于加工超厚微结构阵列。

优选地，所述高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具用于加工超厚非球面透镜。

优选地，所述基底材质为耐热不锈钢，所述镀层的材质为磷化镍，所述内套筒的材质为渗铜石墨，所述外套筒的材质为耐热不锈钢。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具，通过利用多种不同的材料设计模具的不同部分以达到使用要求。首先，磷化镍的热膨胀系数与耐热不锈钢相近且易切削，因此以耐热不锈钢做基底，磷化镍做镀层的模芯可以加工出符合精度要求的超精密阵列模具；同时，根据热膨胀系数α石墨＜α硬质合金＜α玻璃＜α不锈钢，利用渗铜石墨做内套筒，在微透镜阵列模压成形的冷却阶段，镜片、模具和内套筒可以完美分离，互不干涉，使镜片在保证x、y方向上的定位的同时还可以顺利脱模，很好的兼顾了镜片精度问题与镜片脱模问题的关系。耐热不锈钢外套筒的厚度是上模芯、下模芯与最终成型镜片厚度之和，且耐热不锈钢与石墨相比强度高，可以经受多次模压成型且基本不发生磨损，有利于保证镜片的厚度精度，因此利用耐热不锈钢做外套筒可以实现镜片z方向上的定位。在这里，为了便于理解，采用了这套具体的多种材料组合模具，事实上模具材料并未局限，只要满足模具各部分热膨胀系数α内套筒＜α玻璃＜α模具基底材料＝α外套筒≈α镀层材料，且材料满足模具加工和使用要求，均可用于制造多种材料组合模具。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例的高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具在使用时的流程图；

图2为本实施例的高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具在常温下的结构示意图；

图3为本实施例的高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具在模压温度下的结构示意图；

附图标记说明：1内套筒；2外套筒；3基底；4镀层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具，提高超厚微透镜阵列形状尺寸精度和表面形貌质量，并同时解决成型品顺利脱模的技术难题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本实施例提供一种高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具，包括模芯、内套筒1和外套筒2。

其中，模芯为两个，两个模芯分别为上模芯和下模芯，模芯包括基底3和镀层4，镀层4涂在两个模芯相对的一侧；内套筒1所用材质的热膨胀系数小于被加工的玻璃材质和基底3所用材质的热膨胀系数，基底3包括凸起部和限位部，凸起部伸入内套筒1内且与内套筒1的内壁在常温下留有空隙(如图2)、模压温度下贴合(如图3)，限位部用以和内套筒1的端面接触限位；外套筒2的材质与基底3的材质相同，外套筒2同时套设于上模芯、下模芯和内套筒1外侧，外套筒2与内套筒1之间留有间隙，限位部与外套筒2的内壁贴合。

本实施例中，由于外套筒2与内套筒1之间留有间隙且热膨胀系数不同，因而在冷却阶段和脱模阶段外套筒2不影响内套筒1；又由于石墨尺寸收缩最小，而且石墨本身具有润滑作用，因此模压成型后玻璃会与模芯和套筒顺利分离且互不干涉，脱模成功率比硬质合金套筒和耐热不锈钢套筒更高。

需要说明的是，使用时，应根据具体的热膨胀系数、成形温度和模具尺寸提前设计好内套筒1和外套筒2的尺寸和尺寸补偿，确保内套筒1、外套筒2、模芯在高温下不会发生挤压。

本实施例中，该高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具可用于加工多种高精度玻璃，例如超厚微透镜阵列、超厚微结构阵列、超厚非球面透镜等。

本实施例中，基底3材质为耐热不锈钢，镀层4的材质为磷化镍，内套筒1的材质为渗铜石墨，外套筒2的材质为耐热不锈钢。α石墨＜α硬质合金＜α玻璃＜α不锈钢，因此满足α内套筒＜α玻璃＜α模具基底材料＝α外套筒≈α镀层材料的要求。由于耐热不锈钢的热膨胀系数与磷化镍的热膨胀系数相近，高温时不易脱落，磷化镍材料易用于超精密加工，因此利用耐热不锈钢做上模芯和下模芯的基底3，同时在其表面镀磷化镍镀层4，这样可以在镀层4表面加工出符合精度要求的微结构。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。