非球面塑料透镜的精密注塑模具设计

来源：网络作者：发布时间：2008-03-31

关键字：塑料透镜|注塑压缩成型|模具设计

　　摘要：介绍了非球面塑料透镜成型中所采用的注塑－压缩成型技术的工作原理.

　　近年来，塑料光学制件以轻量，低价化，成本低等特点在国内外发展很快。并且迅速扩展到社会生活的各个领域。

　　高精度的非球面塑料光学透镜是照相、摄像仪器中的主要光学元件之一，用光学塑料注塑成型，其注射周期短，生产效率高，价格低。然而塑料透镜的中心与边缘厚度相差较大，生产时如果采用生产性好的注射成型法，不仅在冷却时会产生收缩，而且在厚度较大的地方易产生局部收缩。所以塑料透镜的成型方法与玻璃透镜的成型方法有所不同，它要依靠精密注塑模具，对模具的设计制造技术及精密成型技术要求非常高。因此，为成型高精度的塑料透镜，在非球面塑料透镜的模具设计中采用了抑制变形的成型技术：注塑-压缩成形技术。[1]

　　1 注塑压缩成型法

　　所谓注塑压缩成型法是使模具型腔注射时的体积比其最终体积大，当向模具的型腔内填充的树脂由于冷却而产生体积收缩时，根据其收缩量，从外部加一个强制的力使模具型腔的尺寸变小，而使收缩的部分得到补偿的成型方法。此时的模腔内部的压力分布比较均匀，所以不仅形状精度良好，而且难以发生局部的残留应变，满足光学透镜要求的光学均一性。由于这些优点，注射压缩成型被应用于高精度非球面塑料透镜的精密注射成型。[2]

　　1.1注塑零件的几何形状与精度要求见图1与表1

图1 透镜三维造型

Fig 1. plastic lens three-dimensional mold

表1 透镜精度要求

Tab.1 required precision of the plastic lens

　　1.2塑件材料物性及其注射工艺[3]

　　塑件材料采用PMMA，为非结晶材料，PMMA透光率为92%，其密度为1.18g/cm2，比普通硅玻璃低一半左右，但其力学强度为普通硅玻璃的一半以上，熔点为253℃，当材料受热达到260℃以上时材料有分解产物，故加工温度范围较窄，必须严格控制加工温度。

　　注射工艺见表2

表2 PMMA的注射成型参数

Tab 2 injection mold processing paramrter of PMMA

　　注射-压缩成型有两种方法：全面压缩法和模芯压缩法。此设计中采用模芯压缩法。即通过对模芯施加压力使模芯移动从而改变型腔的体积。

　　具体的成型法及模具结构设计如图2所示：

图2 模具结构装配图

Fig 2 .Assembly drawing of mould

1.定位环 2.主流道衬套 3. 定模固定板4.定模板 5. 导向柱6.顶杆 7.加压板

8. 顶杆固定板9. 顶出底板10. 液压缸11. 动模板12.冷却水孔13.凸模 14.导力柱 15.拉料杆 16.动模底座

　　2 与普通的注射用的模具不同

　　在注射阶段，使模腔容积比其最终容积多出了相当于树脂收缩的量即模具微开量，模具微开量是通过凸模底部与动模板之间的间隙来设定的，在这种状态下，进行熔融树脂的注射，使树脂填充于型腔内，随后待浇口封闭，进入压缩阶段。为通过增大压力降低树脂的收缩率并使模具型腔中的树脂被快速压缩至最终体积，在模具设计上采用了锁模液压缸，即在动模底板上安装四个锁模液压缸。并且采用嵌入式凸模，凸模能够随着液压缸活塞杆移动，浇口封闭后，液压缸加力于加压板上，加压板推动凸模使之沿纵向移动从而使型腔体积缩小，并使熔融树脂上下表面上附加极大的压力，此时，模腔内部的压力分布比较均匀，因为透镜整个表面都附加了相同的压力，成型后透镜不仅形状精度良好，而且难以发生局部的残留应变。而后，进入冷却阶段。由于树脂温度降低，需要附加于透镜表面的压力渐减。因此须按照保持一定比容积时必要的冷却温度与使压力进行程式控制，使树脂冷却凝固，如此，可由模具获得形状偏差极小的塑料光学透镜。

　　3 模具型腔压力及树脂温度的设定

　　图3是PMMA树脂的温度-压力-比容积的关系。从图3中可以看出PMMA树脂在235℃时可以在完全不加压力的情况下注射到90℃的模具中，塑化状态的树脂比容积是0.994cc/g，而冷却至模具温度时树脂的比容积是0.856cc/g，其收缩率为3%。因为收缩率较大，所以不能满足塑料透镜的精度要求，而如果使用注射-压缩成形法，在浇口封闭后，通过加在模具上的四个液压缸对型腔进行快速压缩，在树脂表面压力沿0-1路径瞬间增至168MPa，然后在树脂温度从235℃降低到90℃的区间内使压力按照1-2-3的路径逐渐降低到34MPa。当树脂温度降低到90℃时打开模具。此时模具型腔的压力沿着路径3-4降低到大气压，透镜再次膨胀，但随着透镜的进一步冷却，树脂沿着4-5的路径产生收缩，从而成型出质量符合要求的透镜。