3D 玻璃熱壓熱彎成形理論與方法研究進(jìn)展綜述

何文斌，陳志君，明五一，2，沈 帆

（1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院，廣東省制造裝備數(shù)字化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 東莞 523808）

1 引言

近年來(lái)，隨著汽車(chē)、光電通信、建材等行業(yè)的快速發(fā)展，3D玻璃應(yīng)用需求日益增長(zhǎng)。曲面玻璃因其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)、熱穩(wěn)定性質(zhì)及機(jī)械性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)而備受重視。特別是隨著智能手機(jī)的快速發(fā)展，手機(jī)金屬后蓋將逐漸被2.5D/3D 玻璃、陶瓷后蓋取代[1]。因此，3D 曲面玻璃的發(fā)展將可能成為未來(lái)光學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

但傳統(tǒng)光學(xué)玻璃鏡片加工由研磨、拋光的方式成形，耗時(shí)耗工，已無(wú)法適應(yīng)目前日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。近年來(lái)出現(xiàn)以單點(diǎn)鉆石（Single Point Diamond）為刀具，對(duì)3D 玻璃鏡片進(jìn)行加工，但因其設(shè)備及刀具成本較高，目前尚未被廣泛應(yīng)用。目前新興的玻璃熱壓熱彎成形技術(shù)，具有成形精度高、材料流動(dòng)距離短、設(shè)備成本低等特性[2]，被稱(chēng)為是3D 玻璃制造中降低成本，提高產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)。熱壓熱彎成形技術(shù)是通過(guò)高精度模具經(jīng)加熱模造達(dá)到批量生產(chǎn)的目的，熱壓與熱彎兩者成形機(jī)理相似，只在胚料與模具上存在微小差別。熱壓成形原理是將粒狀或纖維狀的胚料放入成型溫度下的模具型腔中，然后閉模加壓而使其成型并固化示意圖，如圖1 所示。而熱彎成形對(duì)胚料的精度要求相對(duì)較高，是將已成型的產(chǎn)品（即預(yù)形體）通過(guò)加熱到軟化溫度，再經(jīng)物理方法改變形狀，最終冷卻成固定的形狀。

圖1 熱壓成形技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Hot Compression Forming Technology

成形產(chǎn)品尺寸精度與表面質(zhì)量都是熱壓熱彎成形質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于任何加工制造技術(shù)，零件成型后表面或內(nèi)部都會(huì)存在一定程度的微觀(guān)幾何尺寸誤差、殘余應(yīng)力及表面缺陷。這些微小變化對(duì)零件的使用性能（如抗沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性、接觸剛度、光學(xué)特性等）和壽命有極大影響。目前在玻璃熱壓熱彎成形技術(shù)上，尚存在許多問(wèn)題有待克服，例如在成型過(guò)程中成型溫度過(guò)高，會(huì)使產(chǎn)品表面產(chǎn)生老化現(xiàn)象；溫度過(guò)低，玻璃易碎；或在冷卻過(guò)程中殘余應(yīng)力過(guò)高，稍受外力時(shí)會(huì)在元件內(nèi)部或表面產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致產(chǎn)品損傷；此外鏡片中殘留的應(yīng)力會(huì)增大鏡片中心散射誤差，影響鏡片的光學(xué)性質(zhì)[3]。同時(shí)3C 產(chǎn)業(yè)對(duì)玻璃熱成形件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求非常高，如要求平面度小于0.1mm，曲率R角-0.086＜R＜0.124 等，因此，為了降低加工中的不利影響因素，以滿(mǎn)足3C 產(chǎn)業(yè)對(duì)玻璃熱成形件的加工質(zhì)量要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱壓熱彎成形加工材料模型、玻璃模具以及熱成形加工工藝對(duì)成形玻璃尺寸精度和微觀(guān)表面質(zhì)量的影響規(guī)律做了大量研究。

2 3D 玻璃熱壓熱彎成形加工材料模型

玻璃性質(zhì)包括光學(xué)性質(zhì)（折射率、色散、透光率）、物理（密度、硬度等）和化學(xué)性質(zhì)（抗酸堿性等），玻璃的性質(zhì)與其組成成分、宏觀(guān)和微觀(guān)缺陷、表面形態(tài)及熱處理等密切相關(guān)。此外玻璃的物理、化學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度有著很強(qiáng)的依賴(lài)性，表現(xiàn)為微觀(guān)有序，宏觀(guān)上無(wú)序，如圖2 所示。圖中：Tg—玻璃由玻璃態(tài)向熔體轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)變溫度；Tf—玻璃軟化溫度；曲線(xiàn)1—熱容、熱膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)等隨溫度的變化，在Tg附近，曲線(xiàn)上升比較快；曲線(xiàn)2—玻璃的機(jī)械性質(zhì)（如彈性系數(shù)和熱導(dǎo)率等）隨溫度的升高而呈現(xiàn)緩慢遞增的趨勢(shì)；曲線(xiàn)3—焓、比體積和熵等隨溫度的變化，呈現(xiàn)出先增加后減小的狀態(tài)[4]。

圖2 材料屬性曲線(xiàn)Fig.2 Material Property Curve

其中由曲線(xiàn)1 和曲線(xiàn)2 所代表的玻璃的熱膨脹系數(shù)、機(jī)械性質(zhì)等對(duì)其熱壓熱彎成形精度與表面質(zhì)量有極大的影響，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者在玻璃材料方面研究的重點(diǎn)。玻璃的粘彈性行為是材料對(duì)應(yīng)力或應(yīng)變的時(shí)間依賴(lài)性響應(yīng)，在粘彈性材料中，材料受到恒定載荷作用而發(fā)生變形，該變形是由瞬時(shí)變形（彈性效應(yīng)）和隨時(shí)間的連續(xù)變形（粘性效應(yīng)）組成，這會(huì)造成隨著所施加載荷衰減而產(chǎn)生的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。玻璃的粘彈性應(yīng)力松弛行為可以用由彈簧和阻尼器組合的廣義麥克斯韋力學(xué)模型來(lái)表示，如圖3 所示。圖中：彈簧—彈性行為；阻尼器—粘性行為；Gi—彈簧的彈性剪切模量；ηi—阻尼器的粘度[5-7]。該模型的應(yīng)力松弛模量和應(yīng)力松弛函數(shù)，如式（1）、式（2）所示。

式中：G1（t）—剪切應(yīng)力松弛模量；ψ1（t）—應(yīng)力松弛函數(shù)；τi—由ηi/Gi給出的剪切應(yīng)力松弛時(shí)間；ωi—加權(quán)因子。

圖3 粘彈性應(yīng)力行為的廣義Maxwell 模型Fig.3 Generalized Maxwell Model of Viscoelastic Stress Behavior

對(duì)于材料粘彈性模型的研究，文獻(xiàn)[8]采用改進(jìn)的牛頓流體模型對(duì)玻璃在固、液兩態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以上的玻璃黏彈性行為進(jìn)行了研究，得到了玻璃預(yù)形體在不同加熱時(shí)間的溫度分布圖及高溫下不同的應(yīng)力松弛和蠕變模型，發(fā)現(xiàn)玻璃不完全加熱行為不僅會(huì)在壓制開(kāi)始時(shí)引起載荷急劇增加，而且會(huì)導(dǎo)致玻璃產(chǎn)生粘性變形和幾何誤差，并用仿真出的結(jié)果優(yōu)化了模壓條件。文獻(xiàn)[9]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了玻璃的粘度和彈性模量，比較了BK7 和SK5 兩種玻璃在不同溫度下的應(yīng)力松弛狀態(tài)，并通過(guò)仿真模擬出應(yīng)力松弛曲線(xiàn)，將計(jì)算結(jié)果與基于廣義麥克斯韋模型的結(jié)果進(jìn)行比較，獲得良好的一致性。文獻(xiàn)[10]在過(guò)渡溫度以上30℃的溫度區(qū)間對(duì)兩種不同的光學(xué)玻璃進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了在不同溫度下的真實(shí)應(yīng)力與應(yīng)變率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證了玻璃在該溫度范圍內(nèi)可視為牛頓黏滯流亦即粘度表示為一常數(shù)。文獻(xiàn)[11]基于材料彈性變形特性，對(duì)非球曲面薄型零件的彈性變形加工方法進(jìn)行了探究，研究和評(píng)價(jià)了彈性變形加工法的加工精度，驗(yàn)證了基于材料彈性變形特性對(duì)非球曲面零件進(jìn)行高精密加工是可行的。

在玻璃的熱膨脹行為研究方面，文獻(xiàn)[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了玻璃纖維增強(qiáng)硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PRU）的導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹曲線(xiàn)，并考察了基體與纖維之間的相互作用以分析熱膨脹行為。發(fā)現(xiàn)成型的FRU 在厚度方向上的導(dǎo)熱性與玻璃纖維含量無(wú)關(guān)，其值與基體PUF 本身相同。并且熱膨脹系數(shù)隨著玻璃纖維體積含量相同的FRU 基體表觀(guān)密度的增加而增大，隨著玻璃纖維的體積含量的增加或具有相同密度的基體的纖維長(zhǎng)度的增加而減小。文獻(xiàn)[13]研究了高溫下微晶玻璃熱膨脹性能，通過(guò)DTA、XRD 等測(cè)試技術(shù)分析玻璃組分，探討各組分對(duì)熱膨脹性能的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃的熱膨脹系數(shù)隨著K2O 和Na2O 堿金屬氧化物的成分比例增加而逐漸增大。文獻(xiàn)[14]通過(guò)研究鋰鋁硅微晶玻璃結(jié)構(gòu)和性能的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在（750～900）℃的溫度范圍內(nèi)，主晶相為β-石英固溶體的透明微晶玻璃可以在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持主晶相和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并在850℃條件下保溫5h 仍保持較高的透光率和極低的熱膨脹系數(shù)，具有極高的高溫穩(wěn)定性能。

總之，目前玻璃在高溫下的粘彈性、熱膨脹行為以及結(jié)構(gòu)松弛現(xiàn)象的研究多用于中、厚度玻璃產(chǎn)品，對(duì)于超薄玻璃性質(zhì)研究領(lǐng)域還很少涉及。此外為了順應(yīng)世界環(huán)保趨勢(shì)，常用重金屬玻璃的應(yīng)用將受到限制，未來(lái)玻璃材料的發(fā)展將呈現(xiàn)出低熔點(diǎn)、低溫成形及環(huán)保的趨勢(shì)。

3 3D 玻璃熱壓熱彎成形模具工藝研究進(jìn)展

3.1 熱壓熱彎成形模仁工藝研究現(xiàn)狀

熱壓熱彎玻璃成形對(duì)模仁要求極高，需具備高的耐氧化性、抗變形能力、強(qiáng)度和硬度，不易與玻璃起反應(yīng)或發(fā)生粘連現(xiàn)象，脫模性能好等，此外對(duì)模仁在高溫條件下的熱傳導(dǎo)性能以及模仁的面形精度、表面質(zhì)量也有較高的要求。

在材料方面，目前超硬合金和金屬陶瓷是模仁材料應(yīng)用比較廣泛的基材。近年來(lái)也有用石墨作為模仁材料，并取得了理想的效果。文獻(xiàn)[15]比較了玻璃碳（GC）和二氧化硅作為模具材料的質(zhì)量和魯棒性，發(fā)現(xiàn)基于GC 模具的精密玻璃成型是一個(gè)非常有前途的技術(shù)，尤其在制造較小的玻璃結(jié)構(gòu)上有較好的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[16]自行設(shè)計(jì)與制造球面透鏡的模仁，探討不同材質(zhì)的模仁表面的品質(zhì)，并以FCD1 光學(xué)玻璃胚料制成平面透鏡，使用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)溫度可達(dá)600℃，壓力可達(dá)19.6kN 的熱壓設(shè)備，將平面透鏡壓成球面透鏡。此外在模仁制造技術(shù)方面，由于其幾何尺寸的高要求標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[17]通過(guò)改變導(dǎo)軌進(jìn)給方式實(shí)現(xiàn)了非軸對(duì)稱(chēng)的非球面加工，即將車(chē)刀安裝在具有快速伺服機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)臂上來(lái)取代車(chē)刀的直線(xiàn)進(jìn)給，并構(gòu)建相關(guān)的幾何模型，提升模仁加工效率；文獻(xiàn)[18]提出了一種弧面磨削方法即平行磨削法，使用具有弧形橫截面的磨輪來(lái)產(chǎn)生非球面輪廓，在磨削過(guò)程中，利用兩軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床控制砂輪沿零件非球面輪廓移動(dòng)，其中零件軸線(xiàn)與砂輪軸線(xiàn)始終保持在同一平面內(nèi)并具有一定的角度，其原理，如圖4 所示。

3.2 熱壓熱彎模具鍍膜技術(shù)研究現(xiàn)狀

在玻璃熱壓熱彎加工過(guò)程中，溫度高達(dá)500℃，此時(shí)玻璃熔體與模仁接觸，在模腔表面產(chǎn)生作用載荷，同時(shí)由于熔體的流動(dòng)產(chǎn)生剪切作用，這些都會(huì)對(duì)模仁造成一定的損傷，甚至失效5[19]。此外玻璃成形品與模腔易發(fā)生粘黏問(wèn)題，難以進(jìn)行脫模。因此改善模仁在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性能以及模仁與玻璃成品的脫模性能，對(duì)延長(zhǎng)模仁壽命，降低熱壓熱彎工藝成本具有重要的意義，而模仁表面鍍膜技術(shù)就是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

涂層的材料結(jié)構(gòu)是影響涂層系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，同時(shí)也決定了涂層系統(tǒng)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。文獻(xiàn)[20]通過(guò)對(duì)玻璃模具模仁進(jìn)行熱機(jī)械特性的有限元分析，探討鍍模層材料結(jié)構(gòu)對(duì)模仁的影響，結(jié)果表明通過(guò)選擇合適的涂層材料及合理設(shè)計(jì)FGM 中間層的成分梯度，可以?xún)?yōu)化模仁涂層結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[21]提出用類(lèi)金剛石碳Me-DLC 涂層做熱彎模具模仁的鍍膜材料，這類(lèi)材料易加工，具有低摩擦系數(shù)、耐高溫、低潤(rùn)濕特性及對(duì)環(huán)境無(wú)害性。然而，在實(shí)際的高溫加工過(guò)程中類(lèi)金剛石碳會(huì)發(fā)生氧化從而析出碳雜質(zhì)，造成玻璃與模仁發(fā)生粘黏。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)硼氮化合物在高溫下具有高氧化抵抗性、熱穩(wěn)定性及潤(rùn)濕角大等特性，可以作為模仁的鍍膜材料。但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，在高溫時(shí)硼氮化合物會(huì)與氧原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，易損壞模仁[22]。由此文獻(xiàn)[23]通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)ZrN、TiAlN 新型鍍膜材料，此材料具有良好抗化學(xué)腐蝕性及高氧化抵抗性，可減輕模仁因鍍膜材料的高溫氧化而產(chǎn)生的損傷。

目前鍍膜技術(shù)還不足夠成熟，在鍍膜材料的選擇、膜層的結(jié)構(gòu)布置、均勻性、粘附性及致密性方面還有待改善，且存在鍍膜模具使用率、效率低等缺陷，尤其是針對(duì)于超薄玻璃模具及復(fù)雜曲面形狀的模具，膜層厚度更難掌控。未來(lái)鍍膜技術(shù)將更多地注重環(huán)保，重點(diǎn)關(guān)注于納米及納米復(fù)合薄膜、多元多層復(fù)合薄膜材料的開(kāi)發(fā)，以及新方法和新工藝的協(xié)同應(yīng)用6[19]。

3.3 熱壓熱彎成形模具工藝仿真模擬

為進(jìn)一步研究模具在熱壓熱彎成形過(guò)程中的工藝效果，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有限元技術(shù)來(lái)模擬玻璃在模具中的成形過(guò)程，其二維有限元模型示意圖，如圖5 所示。其中文獻(xiàn)[24]發(fā)現(xiàn)模仁與玻璃之間的貼合度對(duì)鏡片成形精度會(huì)產(chǎn)生影響，且兩者之間的貼合程度會(huì)伴隨著玻璃表面張力的改變而發(fā)生變化。文獻(xiàn)[25]通過(guò)有限元方法模擬玻璃成形過(guò)程，構(gòu)建模具幾何形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使用模具預(yù)補(bǔ)償法彌補(bǔ)產(chǎn)品幾何偏差，達(dá)到提高產(chǎn)品精度的目的。文獻(xiàn)[26]研究了玻璃成形后的光畸變現(xiàn)象，通過(guò)改進(jìn)玻璃模具的結(jié)構(gòu)，將一次成形模具改進(jìn)為二次成形，有效地避免了玻璃因受過(guò)壓而產(chǎn)生的折紋現(xiàn)象，并改善了玻璃板由于傳統(tǒng)模具一次自重成型產(chǎn)生的局部變形量過(guò)大而造成的荷葉邊現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品的光學(xué)性能及外觀(guān)質(zhì)量。文獻(xiàn)[27]為改善板料及模具自身冷卻性能，采用ABAQUS 軟件構(gòu)建彈塑性體的熱力耦合有限元模型，對(duì)板料熱沖壓成形和冷卻淬火兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法和灰色關(guān)聯(lián)分析，對(duì)模具冷卻系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算，得出工藝參數(shù)與其整體冷卻性能的關(guān)聯(lián)性。文獻(xiàn)[28]基于有限元技術(shù)研究了多層熱彎玻璃的生產(chǎn)模具，發(fā)現(xiàn)如果在玻璃進(jìn)爐后直接開(kāi)啟爐體上下部加熱元件，玻璃有可能發(fā)生炸裂現(xiàn)象。這是由于模具本身具有一定的熱阻，同時(shí)加熱時(shí)模具溫度低于玻璃溫度，造成玻璃受熱不均。若先開(kāi)啟爐體下部加熱元件，先使模具受熱，待爐溫達(dá)到300℃時(shí)再開(kāi)啟上部加熱元件，則可有效避免炸裂現(xiàn)象。

圖5 熱壓熱彎成形二維有限元模型Fig.5 2D Finite Element Model of Hot Compression/Bending Forming

4 3D 玻璃熱壓熱彎成形加工工藝優(yōu)化

4.1 基于電熱管加熱輔助熱壓熱彎成形研究現(xiàn)狀

電熱管加熱棒是目前玻璃熱壓熱彎產(chǎn)業(yè)最常用的加熱方式，在玻璃熱壓熱彎過(guò)程中，成形效果受溫度影響極大。由此國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電熱管輔助熱壓熱彎成形的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元模擬對(duì)熱壓熱彎成形工藝做了大量研究。國(guó)外文獻(xiàn)[29-30]利用商用FEM 軟件建立2D 軸對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行分析，將成形時(shí)的玻璃視為牛頓流體，且具有黏彈性的材料行為，并將黏度與溫度的相關(guān)性以及模仁與胚料界面的熱傳導(dǎo)皆考慮進(jìn)去，探討模造制程參數(shù)對(duì)成品質(zhì)量的影響，此外還使用廣義麥克斯韋模型將粘彈性應(yīng)力松弛因素合并到玻璃熱彎成型有限元模型中，通過(guò)將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn)二者可以很好地?cái)M合。文獻(xiàn)[31]采用數(shù)值模擬方法構(gòu)建模型研究成形過(guò)程中玻璃板的溫度，導(dǎo)熱系數(shù)和支撐布置對(duì)玻璃變形的影響。發(fā)現(xiàn)提升溫度可以提高系統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)而改變玻璃機(jī)械性能，但溫度越高，越易導(dǎo)致玻璃成形品變形。文獻(xiàn)[32]通過(guò)MSC.Marc 軟件對(duì)非球面玻璃透鏡熱壓成形進(jìn)行了仿真分析，獲得了超精密熱壓成形最優(yōu)熱壓溫度和熱壓速率范圍，優(yōu)化了成形過(guò)程中的工藝參數(shù)，并解釋了熱壓速率及溫度對(duì)非球面玻璃透鏡成形質(zhì)量影響的機(jī)理，提出了兩步等溫?zé)釅盒鹿に?。高大威，文獻(xiàn)[33]通過(guò)構(gòu)建雙曲率玻璃參數(shù)化模型，對(duì)雙曲率玻璃在導(dǎo)軌中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，并依據(jù)鼓形面擬合雙曲率車(chē)門(mén)玻璃的機(jī)理，結(jié)合梯度算法，得到最優(yōu)的鼓軸位置及鼓形面，將玻璃的運(yùn)動(dòng)及擬合誤差控制在0.5mm 之內(nèi)。文獻(xiàn)[34]在此基礎(chǔ)上研究發(fā)現(xiàn)在接近560℃的形變溫度時(shí)，關(guān)閉爐體下部的加熱元件，此時(shí)在各層玻璃之間的厚度方向上產(chǎn)生溫度梯度，可以有效減少產(chǎn)品表面印痕、麻點(diǎn)等缺陷，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量。

4.2 玻璃變頻毫米波超聲輔助熱壓熱彎成型研究現(xiàn)狀

變頻毫米波熱源輔助玻璃熱壓熱彎成型：高頻微波是目前應(yīng)用于玻璃加工的主要毫米波，且已有很多研究應(yīng)用，如石英玻璃的加工，通過(guò)在玻璃表面覆蓋保護(hù)膜來(lái)修補(bǔ)玻璃，預(yù)制玻璃沉積玻璃層，玻璃表面改性等[35-38]。但高頻微波用于玻璃熱壓熱彎的研究很少，文獻(xiàn)[39]研究了不同玻璃的高頻微波加熱融化特性，發(fā)現(xiàn)堿性可促進(jìn)玻璃材料對(duì)微波的吸收，并研發(fā)了微波均勻加熱裝置。這在一定程度上促進(jìn)了高頻微波在玻璃熱彎中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[40]設(shè)計(jì)了一種微波輔助熱源的玻璃熱彎裝置，先將玻璃加熱到預(yù)定溫度（482～510）℃，而后應(yīng)用微波將其加熱至（621～676）℃，在玻璃冷卻至第三預(yù)定溫度482℃并通過(guò)滾輪使其成型。結(jié)果表明微波熱彎玻璃可提高加熱速度，加熱與冷卻可同時(shí)進(jìn)行，減少退火時(shí)長(zhǎng)，提高效率和產(chǎn)量。文獻(xiàn)[41]應(yīng)用兩個(gè)微波熱源加熱玻璃基體，而不加熱玻璃表面涂層，模型示意圖，如圖6 所示。發(fā)現(xiàn)微波熱彎不僅提高了加熱效率、玻璃彎曲角度和幅度的尺度，而且減少了玻璃表面涂層熱損傷。文獻(xiàn)[42]研究了高頻微波技術(shù)加熱汽車(chē)擋風(fēng)玻璃，通過(guò)多物理與電磁場(chǎng)分析仿真了電磁能量分配與溫度分配，結(jié)果表明擋風(fēng)玻璃內(nèi)電磁能量分布為行駐波形式，且玻璃內(nèi)溫度分布主要受玻璃材料性質(zhì)以及微波頻率影響。

圖6 微波熱源模型示意圖Fig.6 Microwave Heat Source Model

超聲振動(dòng)輔助玻璃熱壓熱彎成型：文獻(xiàn)[43]利用建立的超聲波輔助玻璃熱壓成形設(shè)備，進(jìn)行玻璃熱壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)合有限元軟件MSC.Marc 對(duì)其超聲波輔助玻璃熱壓成形過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)超聲波振動(dòng)可使玻璃溫度提升而軟化，降低成形時(shí)所需的壓應(yīng)力，提高玻璃的填充性，從而提高玻璃熱壓的成型質(zhì)量。文獻(xiàn)[44]假設(shè)玻璃吸收的超聲波能量全部轉(zhuǎn)化為熱量，使用頻率為35kHz 的超聲波輔助K-PSK100 玻璃材料熱壓，將由超聲振動(dòng)產(chǎn)生的熱量添加到有限元仿真的邊界條件中進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在超聲波輔助成形條件下，成形應(yīng)力減少高達(dá)74.9%，微結(jié)構(gòu)模穴填充性提高17%。文獻(xiàn)[45]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種在上模具施加超聲振動(dòng)的玻璃精密熱壓成型裝置，示意圖，如圖7 所示。結(jié)果表明超聲振動(dòng)能促使加工成型時(shí)材料溫度升高、塑流應(yīng)力降低及成型回彈量降低，并有效防止困氣產(chǎn)生，獲得內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均勻的高質(zhì)量光學(xué)玻璃零件。

圖7 超聲波熱壓設(shè)備示意圖Fig.7 Ultrasonic Hot Compression Equipment

綜上所述，目前變頻毫米波微波和超聲波輔助多用于玻璃修補(bǔ)、涂層、改性等研究，對(duì)于3D 超薄玻璃熱成形應(yīng)用的研究較少。研究變頻毫米波超聲輔助熱壓熱彎新工藝，可突破3D 超薄玻璃熱成形過(guò)程中存在的顯著尺寸效應(yīng)、溫度應(yīng)力不均勻、非牛頓流變現(xiàn)象以及傳統(tǒng)熱壓熱彎工藝難以滿(mǎn)足其精度和質(zhì)量要求的限制。但現(xiàn)階段缺乏對(duì)3D 超薄玻璃變頻毫米波超聲輔助熱成形機(jī)理研究。

4.3 熱壓熱彎成形控制研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[46]設(shè)計(jì)了一套基于三菱Q 系列PLC+CC-Link 總線(xiàn)組成的控制系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言VB6.0 組態(tài)上位機(jī)監(jiān)控，對(duì)大型熱彎爐的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，熱彎效果明顯提升。文獻(xiàn)[47]設(shè)計(jì)了一套采用IPC+PLC 組成的汽車(chē)玻璃熱彎爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)爐絲自動(dòng)升降、爐絲功率調(diào)節(jié)、爐蓋開(kāi)合控制、保溫控制、組態(tài)王6.52 和PLC 通訊、紅外線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)玻璃溫度等功能，通過(guò)操作面板、監(jiān)控軟件及溫度儀表等實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流。文獻(xiàn)[48]借助計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，得到爐室最佳供電時(shí)間，有效的改善了玻璃的破碎，玻璃成品率提高了20%。并將原來(lái)變壓器與熱彎爐一對(duì)一供電方式改進(jìn)為一對(duì)四供電方式，提高了變壓器的利用效率。文獻(xiàn)[49]研究了基于PLC 加熱爐溫控系統(tǒng)控制軟件及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了以PLC 核心閉環(huán)PID 控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的加熱控制系統(tǒng)，如圖8 所示。該系統(tǒng)有效減少了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高了溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度，使精確度調(diào)控在±5℃的范圍內(nèi)，同時(shí)傳統(tǒng)加熱爐溫控系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題及設(shè)備的自動(dòng)化程度也得以改善。文獻(xiàn)[50]使用耐高溫壓力傳感器、耐高溫應(yīng)力傳感器及其溫度傳感器設(shè)計(jì)了一種多曲面玻璃熱彎擠壓成型在線(xiàn)控制系統(tǒng)?？傊?，目前在玻璃熱壓熱彎控制系統(tǒng)方面雖然已經(jīng)取得了一定的研究成果，但由于熱壓熱彎過(guò)程溫度不易控制，壓力-時(shí)間-溫度三者的耦合規(guī)律還有待發(fā)現(xiàn)，多元物理量協(xié)同方法將可能成為熱壓熱彎控制系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的方向。

圖8 PLC 溫控系統(tǒng)組成Fig.8 PLC Temperature Control System Composition

5 總結(jié)及展望

從以上的研究情況上看，到目前為止，玻璃熱壓熱彎成形技術(shù)研究雖然在一些方面取得了一定成果，但由于受到建模方法、計(jì)算手段及驗(yàn)證技術(shù)等條件的限制以及建立在其成形工藝之上的優(yōu)化算法的局限性，而難以準(zhǔn)確揭示影響其加工精度的因素，同時(shí)必將制約熱壓熱彎玻璃生產(chǎn)裝備水平的提升，此外目前對(duì)于3D 超薄玻璃熱彎成形的研究更是稀少。總之3D 玻璃熱壓熱彎成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要涵蓋以下幾個(gè)方面。高溫下的玻璃的粘彈性、熱膨脹行為隨著溫度的變化以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力松弛現(xiàn)象還需進(jìn)一步研究。更加合適的模仁及鍍膜材料以提高模仁抗變形能力，延長(zhǎng)模仁壽命，新的設(shè)備與工藝應(yīng)用于模仁及鍍膜技術(shù)以得到更加精準(zhǔn)的玻璃熱壓熱彎模具。玻璃熱壓熱彎成形過(guò)程分析所建立的模型進(jìn)一步完善，對(duì)于多相多態(tài)介質(zhì)耦合問(wèn)題、多物理場(chǎng)及多尺度耦合問(wèn)題將得到解決，能夠建立更加復(fù)雜的有限元模型，真實(shí)模擬熱壓熱彎成形過(guò)程中的熱傳導(dǎo)機(jī)制，減少仿真結(jié)果與實(shí)際加工的差距，提高有限元模型預(yù)測(cè)精確度。變頻毫米波微波和超聲波輔助應(yīng)用于3D 超薄玻璃熱壓熱彎成形的機(jī)理研究得到進(jìn)一步發(fā)展，采用多元物理量協(xié)同控制方法，以能夠得到曲面更加復(fù)雜、表面質(zhì)量精度更高的3D 超薄玻璃。