3D 玻璃热压热弯成形理论与方法研究进展综述

何文斌，陈志君，明五一，2，沈 帆

（1.郑州轻工业学院，机电工程学院，河南 郑州 450002；2.广东华中科技大学工业技术研究院，广东省制造装备数字化重点实验室，广东 东莞 523808）

1 引言

近年来，随着汽车、光电通信、建材等行业的快速发展，3D玻璃应用需求日益增长。曲面玻璃因其独特的光学性质、热稳定性质及机械性质等优点而备受重视。特别是随着智能手机的快速发展，手机金属后盖将逐渐被2.5D/3D 玻璃、陶瓷后盖取代[1]。因此，3D 曲面玻璃的发展将可能成为未来光学领域的研究重点。

但传统光学玻璃镜片加工由研磨、抛光的方式成形，耗时耗工，已无法适应目前日益增长的市场需求。近年来出现以单点钻石（Single Point Diamond）为刀具，对3D 玻璃镜片进行加工，但因其设备及刀具成本较高，目前尚未被广泛应用。目前新兴的玻璃热压热弯成形技术，具有成形精度高、材料流动距离短、设备成本低等特性[2]，被称为是3D 玻璃制造中降低成本，提高产量的关键技术。热压热弯成形技术是通过高精度模具经加热模造达到批量生产的目的，热压与热弯两者成形机理相似，只在胚料与模具上存在微小差别。热压成形原理是将粒状或纤维状的胚料放入成型温度下的模具型腔中，然后闭模加压而使其成型并固化示意图，如图1 所示。而热弯成形对胚料的精度要求相对较高，是将已成型的产品（即预形体）通过加热到软化温度，再经物理方法改变形状，最终冷却成固定的形状。

图1 热压成形技术示意图Fig.1 Schematic Diagram of Hot Compression Forming Technology

成形产品尺寸精度与表面质量都是热压热弯成形质量的重要评价标准。对于任何加工制造技术，零件成型后表面或内部都会存在一定程度的微观几何尺寸误差、残余应力及表面缺陷。这些微小变化对零件的使用性能（如抗冲击强度、疲劳强度、断裂韧性、接触刚度、光学特性等）和寿命有极大影响。目前在玻璃热压热弯成形技术上，尚存在许多问题有待克服，例如在成型过程中成型温度过高，会使产品表面产生老化现象；温度过低，玻璃易碎；或在冷却过程中残余应力过高，稍受外力时会在元件内部或表面产生裂纹，导致产品损伤；此外镜片中残留的应力会增大镜片中心散射误差，影响镜片的光学性质[3]。同时3C 产业对玻璃热成形件的尺寸精度和表面质量要求非常高，如要求平面度小于0.1mm，曲率R角-0.086＜R＜0.124 等，因此，为了降低加工中的不利影响因素，以满足3C 产业对玻璃热成形件的加工质量要求，国内外学者对热压热弯成形加工材料模型、玻璃模具以及热成形加工工艺对成形玻璃尺寸精度和微观表面质量的影响规律做了大量研究。

2 3D 玻璃热压热弯成形加工材料模型

玻璃性质包括光学性质（折射率、色散、透光率）、物理（密度、硬度等）和化学性质（抗酸碱性等），玻璃的性质与其组成成分、宏观和微观缺陷、表面形态及热处理等密切相关。此外玻璃的物理、化学性质对温度有着很强的依赖性，表现为微观有序，宏观上无序，如图2 所示。图中：Tg—玻璃由玻璃态向熔体转化的转变温度；Tf—玻璃软化温度；曲线1—热容、热膨胀系数、压缩系数等随温度的变化，在Tg附近，曲线上升比较快；曲线2—玻璃的机械性质（如弹性系数和热导率等）随温度的升高而呈现缓慢递增的趋势；曲线3—焓、比体积和熵等随温度的变化，呈现出先增加后减小的状态[4]。

图2 材料属性曲线Fig.2 Material Property Curve

其中由曲线1 和曲线2 所代表的玻璃的热膨胀系数、机械性质等对其热压热弯成形精度与表面质量有极大的影响，同时也是国内外学者在玻璃材料方面研究的重点。玻璃的粘弹性行为是材料对应力或应变的时间依赖性响应，在粘弹性材料中，材料受到恒定载荷作用而发生变形，该变形是由瞬时变形（弹性效应）和随时间的连续变形（粘性效应）组成，这会造成随着所施加载荷衰减而产生的应力松弛现象。玻璃的粘弹性应力松弛行为可以用由弹簧和阻尼器组合的广义麦克斯韦力学模型来表示，如图3 所示。图中：弹簧—弹性行为；阻尼器—粘性行为；Gi—弹簧的弹性剪切模量；ηi—阻尼器的粘度[5-7]。该模型的应力松弛模量和应力松弛函数，如式（1）、式（2）所示。

式中：G1（t）—剪切应力松弛模量；ψ1（t）—应力松弛函数；τi—由ηi/Gi给出的剪切应力松弛时间；ωi—加权因子。

图3 粘弹性应力行为的广义Maxwell 模型Fig.3 Generalized Maxwell Model of Viscoelastic Stress Behavior

对于材料粘弹性模型的研究，文献[8]采用改进的牛顿流体模型对玻璃在固、液两态转变温度以上的玻璃黏弹性行为进行了研究，得到了玻璃预形体在不同加热时间的温度分布图及高温下不同的应力松弛和蠕变模型，发现玻璃不完全加热行为不仅会在压制开始时引起载荷急剧增加，而且会导致玻璃产生粘性变形和几何误差，并用仿真出的结果优化了模压条件。文献[9]通过试验测定了玻璃的粘度和弹性模量，比较了BK7 和SK5 两种玻璃在不同温度下的应力松弛状态，并通过仿真模拟出应力松弛曲线，将计算结果与基于广义麦克斯韦模型的结果进行比较，获得良好的一致性。文献[10]在过渡温度以上30℃的温度区间对两种不同的光学玻璃进行压缩实验，得到了在不同温度下的真实应力与应变率的对应关系，验证了玻璃在该温度范围内可视为牛顿黏滞流亦即粘度表示为一常数。文献[11]基于材料弹性变形特性，对非球曲面薄型零件的弹性变形加工方法进行了探究，研究和评价了弹性变形加工法的加工精度，验证了基于材料弹性变形特性对非球曲面零件进行高精密加工是可行的。

在玻璃的热膨胀行为研究方面，文献[12]通过实验确定了玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫（PRU）的导热系数和热膨胀曲线，并考察了基体与纤维之间的相互作用以分析热膨胀行为。发现成型的FRU 在厚度方向上的导热性与玻璃纤维含量无关，其值与基体PUF 本身相同。并且热膨胀系数随着玻璃纤维体积含量相同的FRU 基体表观密度的增加而增大，随着玻璃纤维的体积含量的增加或具有相同密度的基体的纤维长度的增加而减小。文献[13]研究了高温下微晶玻璃热膨胀性能，通过DTA、XRD 等测试技术分析玻璃组分，探讨各组分对热膨胀性能的影响，发现玻璃的热膨胀系数随着K2O 和Na2O 碱金属氧化物的成分比例增加而逐渐增大。文献[14]通过研究锂铝硅微晶玻璃结构和性能的热稳定性，发现在（750～900）℃的温度范围内，主晶相为β-石英固溶体的透明微晶玻璃可以在相对较长时间内维持主晶相和结构的稳定，并在850℃条件下保温5h 仍保持较高的透光率和极低的热膨胀系数，具有极高的高温稳定性能。

总之，目前玻璃在高温下的粘弹性、热膨胀行为以及结构松弛现象的研究多用于中、厚度玻璃产品，对于超薄玻璃性质研究领域还很少涉及。此外为了顺应世界环保趋势，常用重金属玻璃的应用将受到限制，未来玻璃材料的发展将呈现出低熔点、低温成形及环保的趋势。

3 3D 玻璃热压热弯成形模具工艺研究进展

3.1 热压热弯成形模仁工艺研究现状

热压热弯玻璃成形对模仁要求极高，需具备高的耐氧化性、抗变形能力、强度和硬度，不易与玻璃起反应或发生粘连现象，脱模性能好等，此外对模仁在高温条件下的热传导性能以及模仁的面形精度、表面质量也有较高的要求。

在材料方面，目前超硬合金和金属陶瓷是模仁材料应用比较广泛的基材。近年来也有用石墨作为模仁材料，并取得了理想的效果。文献[15]比较了玻璃碳（GC）和二氧化硅作为模具材料的质量和鲁棒性，发现基于GC 模具的精密玻璃成型是一个非常有前途的技术，尤其在制造较小的玻璃结构上有较好的经济性。文献[16]自行设计与制造球面透镜的模仁，探讨不同材质的模仁表面的品质，并以FCD1 光学玻璃胚料制成平面透镜，使用实验室自行设计温度可达600℃，压力可达19.6kN 的热压设备，将平面透镜压成球面透镜。此外在模仁制造技术方面，由于其几何尺寸的高要求标准，文献[17]通过改变导轨进给方式实现了非轴对称的非球面加工，即将车刀安装在具有快速伺服机构的旋转臂上来取代车刀的直线进给，并构建相关的几何模型，提升模仁加工效率；文献[18]提出了一种弧面磨削方法即平行磨削法，使用具有弧形横截面的磨轮来产生非球面轮廓，在磨削过程中，利用两轴联动数控机床控制砂轮沿零件非球面轮廓移动，其中零件轴线与砂轮轴线始终保持在同一平面内并具有一定的角度，其原理，如图4 所示。

3.2 热压热弯模具镀膜技术研究现状

在玻璃热压热弯加工过程中，温度高达500℃，此时玻璃熔体与模仁接触，在模腔表面产生作用载荷，同时由于熔体的流动产生剪切作用，这些都会对模仁造成一定的损伤，甚至失效5[19]。此外玻璃成形品与模腔易发生粘黏问题，难以进行脱模。因此改善模仁在高温环境下的稳定性能以及模仁与玻璃成品的脱模性能，对延长模仁寿命，降低热压热弯工艺成本具有重要的意义，而模仁表面镀膜技术就是解决这一问题的关键。

涂层的材料结构是影响涂层系统可靠性与稳定性的关键因素，同时也决定了涂层系统的应力-应变状态。文献[20]通过对玻璃模具模仁进行热机械特性的有限元分析，探讨镀模层材料结构对模仁的影响，结果表明通过选择合适的涂层材料及合理设计FGM 中间层的成分梯度，可以优化模仁涂层结构。文献[21]提出用类金刚石碳Me-DLC 涂层做热弯模具模仁的镀膜材料，这类材料易加工，具有低摩擦系数、耐高温、低润湿特性及对环境无害性。然而，在实际的高温加工过程中类金刚石碳会发生氧化从而析出碳杂质，造成玻璃与模仁发生粘黏。有学者研究发现硼氮化合物在高温下具有高氧化抵抗性、热稳定性及润湿角大等特性，可以作为模仁的镀膜材料。但后续研究发现，在高温时硼氮化合物会与氧原子发生化学反应，易损坏模仁[22]。由此文献[23]通过进一步研究发现ZrN、TiAlN 新型镀膜材料，此材料具有良好抗化学腐蚀性及高氧化抵抗性，可减轻模仁因镀膜材料的高温氧化而产生的损伤。

目前镀膜技术还不足够成熟，在镀膜材料的选择、膜层的结构布置、均匀性、粘附性及致密性方面还有待改善，且存在镀膜模具使用率、效率低等缺陷，尤其是针对于超薄玻璃模具及复杂曲面形状的模具，膜层厚度更难掌控。未来镀膜技术将更多地注重环保，重点关注于纳米及纳米复合薄膜、多元多层复合薄膜材料的开发，以及新方法和新工艺的协同应用6[19]。

3.3 热压热弯成形模具工艺仿真模拟

为进一步研究模具在热压热弯成形过程中的工艺效果，国内外有关学者结合计算机辅助设计有限元技术来模拟玻璃在模具中的成形过程，其二维有限元模型示意图，如图5 所示。其中文献[24]发现模仁与玻璃之间的贴合度对镜片成形精度会产生影响，且两者之间的贴合程度会伴随着玻璃表面张力的改变而发生变化。文献[25]通过有限元方法模拟玻璃成形过程，构建模具几何形状优化设计系统，使用模具预补偿法弥补产品几何偏差，达到提高产品精度的目的。文献[26]研究了玻璃成形后的光畸变现象，通过改进玻璃模具的结构，将一次成形模具改进为二次成形，有效地避免了玻璃因受过压而产生的折纹现象，并改善了玻璃板由于传统模具一次自重成型产生的局部变形量过大而造成的荷叶边现象，提高了产品的光学性能及外观质量。文献[27]为改善板料及模具自身冷却性能，采用ABAQUS 软件构建弹塑性体的热力耦合有限元模型，对板料热冲压成形和冷却淬火两个过程进行仿真模拟，并通过正交实验法和灰色关联分析，对模具冷却系统参数进行灰色关联度计算，得出工艺参数与其整体冷却性能的关联性。文献[28]基于有限元技术研究了多层热弯玻璃的生产模具，发现如果在玻璃进炉后直接开启炉体上下部加热元件，玻璃有可能发生炸裂现象。这是由于模具本身具有一定的热阻，同时加热时模具温度低于玻璃温度，造成玻璃受热不均。若先开启炉体下部加热元件，先使模具受热，待炉温达到300℃时再开启上部加热元件，则可有效避免炸裂现象。

图5 热压热弯成形二维有限元模型Fig.5 2D Finite Element Model of Hot Compression/Bending Forming

4 3D 玻璃热压热弯成形加工工艺优化

4.1 基于电热管加热辅助热压热弯成形研究现状

电热管加热棒是目前玻璃热压热弯产业最常用的加热方式，在玻璃热压热弯过程中，成形效果受温度影响极大。由此国内外学者在电热管辅助热压热弯成形的基础上，结合有限元模拟对热压热弯成形工艺做了大量研究。国外文献[29-30]利用商用FEM 软件建立2D 轴对称模型进行分析，将成形时的玻璃视为牛顿流体，且具有黏弹性的材料行为，并将黏度与温度的相关性以及模仁与胚料界面的热传导皆考虑进去，探讨模造制程参数对成品质量的影响，此外还使用广义麦克斯韦模型将粘弹性应力松弛因素合并到玻璃热弯成型有限元模型中，通过将模拟结果与实验数据结果相比较发现二者可以很好地拟合。文献[31]采用数值模拟方法构建模型研究成形过程中玻璃板的温度，导热系数和支撑布置对玻璃变形的影响。发现提升温度可以提高系统导热系数，进而改变玻璃机械性能，但温度越高，越易导致玻璃成形品变形。文献[32]通过MSC.Marc 软件对非球面玻璃透镜热压成形进行了仿真分析，获得了超精密热压成形最优热压温度和热压速率范围，优化了成形过程中的工艺参数，并解释了热压速率及温度对非球面玻璃透镜成形质量影响的机理，提出了两步等温热压新工艺。高大威，文献[33]通过构建双曲率玻璃参数化模型，对双曲率玻璃在导轨中的运动进行仿真，并依据鼓形面拟合双曲率车门玻璃的机理，结合梯度算法，得到最优的鼓轴位置及鼓形面，将玻璃的运动及拟合误差控制在0.5mm 之内。文献[34]在此基础上研究发现在接近560℃的形变温度时，关闭炉体下部的加热元件，此时在各层玻璃之间的厚度方向上产生温度梯度，可以有效减少产品表面印痕、麻点等缺陷，提高产品表面质量。

4.2 玻璃变频毫米波超声辅助热压热弯成型研究现状

变频毫米波热源辅助玻璃热压热弯成型：高频微波是目前应用于玻璃加工的主要毫米波，且已有很多研究应用，如石英玻璃的加工，通过在玻璃表面覆盖保护膜来修补玻璃，预制玻璃沉积玻璃层，玻璃表面改性等[35-38]。但高频微波用于玻璃热压热弯的研究很少，文献[39]研究了不同玻璃的高频微波加热融化特性，发现碱性可促进玻璃材料对微波的吸收，并研发了微波均匀加热装置。这在一定程度上促进了高频微波在玻璃热弯中的应用。文献[40]设计了一种微波辅助热源的玻璃热弯装置，先将玻璃加热到预定温度（482～510）℃，而后应用微波将其加热至（621～676）℃，在玻璃冷却至第三预定温度482℃并通过滚轮使其成型。结果表明微波热弯玻璃可提高加热速度，加热与冷却可同时进行，减少退火时长，提高效率和产量。文献[41]应用两个微波热源加热玻璃基体，而不加热玻璃表面涂层，模型示意图，如图6 所示。发现微波热弯不仅提高了加热效率、玻璃弯曲角度和幅度的尺度，而且减少了玻璃表面涂层热损伤。文献[42]研究了高频微波技术加热汽车挡风玻璃，通过多物理与电磁场分析仿真了电磁能量分配与温度分配，结果表明挡风玻璃内电磁能量分布为行驻波形式，且玻璃内温度分布主要受玻璃材料性质以及微波频率影响。

图6 微波热源模型示意图Fig.6 Microwave Heat Source Model

超声振动辅助玻璃热压热弯成型：文献[43]利用建立的超声波辅助玻璃热压成形设备，进行玻璃热压实验，结合有限元软件MSC.Marc 对其超声波辅助玻璃热压成形过程进行模拟，发现超声波振动可使玻璃温度提升而软化，降低成形时所需的压应力，提高玻璃的填充性，从而提高玻璃热压的成型质量。文献[44]假设玻璃吸收的超声波能量全部转化为热量，使用频率为35kHz 的超声波辅助K-PSK100 玻璃材料热压，将由超声振动产生的热量添加到有限元仿真的边界条件中进行模拟，结果发现在超声波辅助成形条件下，成形应力减少高达74.9%，微结构模穴填充性提高17%。文献[45]设计开发了一种在上模具施加超声振动的玻璃精密热压成型装置，示意图，如图7 所示。结果表明超声振动能促使加工成型时材料温度升高、塑流应力降低及成型回弹量降低，并有效防止困气产生，获得内部组织结构和强度均匀的高质量光学玻璃零件。

图7 超声波热压设备示意图Fig.7 Ultrasonic Hot Compression Equipment

综上所述，目前变频毫米波微波和超声波辅助多用于玻璃修补、涂层、改性等研究，对于3D 超薄玻璃热成形应用的研究较少。研究变频毫米波超声辅助热压热弯新工艺，可突破3D 超薄玻璃热成形过程中存在的显著尺寸效应、温度应力不均匀、非牛顿流变现象以及传统热压热弯工艺难以满足其精度和质量要求的限制。但现阶段缺乏对3D 超薄玻璃变频毫米波超声辅助热成形机理研究。

4.3 热压热弯成形控制研究现状

文献[46]设计了一套基于三菱Q 系列PLC+CC-Link 总线组成的控制系统，采用计算机语言VB6.0 组态上位机监控，对大型热弯炉的控制系统进行改造，热弯效果明显提升。文献[47]设计了一套采用IPC+PLC 组成的汽车玻璃热弯炉自动控制系统，该控制系统可实现炉丝自动升降、炉丝功率调节、炉盖开合控制、保温控制、组态王6.52 和PLC 通讯、红外线实时检测玻璃温度等功能，通过操作面板、监控软件及温度仪表等实现人机交流。文献[48]借助计算机自动控制技术，得到炉室最佳供电时间，有效的改善了玻璃的破碎，玻璃成品率提高了20%。并将原来变压器与热弯炉一对一供电方式改进为一对四供电方式，提高了变压器的利用效率。文献[49]研究了基于PLC 加热炉温控系统控制软件及其结构设计，设计了以PLC 核心闭环PID 控制系统为基础的加热控制系统，如图8 所示。该系统有效减少了系统的响应时间，提高了温控系统的稳定性、精确度，使精确度调控在±5℃的范围内，同时传统加热炉温控系统常见问题及设备的自动化程度也得以改善。文献[50]使用耐高温压力传感器、耐高温应力传感器及其温度传感器设计了一种多曲面玻璃热弯挤压成型在线控制系统。总之，目前在玻璃热压热弯控制系统方面虽然已经取得了一定的研究成果，但由于热压热弯过程温度不易控制，压力-时间-温度三者的耦合规律还有待发现，多元物理量协同方法将可能成为热压热弯控制系统进一步发展的方向。

图8 PLC 温控系统组成Fig.8 PLC Temperature Control System Composition

5 总结及展望

从以上的研究情况上看，到目前为止，玻璃热压热弯成形技术研究虽然在一些方面取得了一定成果，但由于受到建模方法、计算手段及验证技术等条件的限制以及建立在其成形工艺之上的优化算法的局限性，而难以准确揭示影响其加工精度的因素，同时必将制约热压热弯玻璃生产装备水平的提升，此外目前对于3D 超薄玻璃热弯成形的研究更是稀少。总之3D 玻璃热压热弯成形技术的发展趋势主要涵盖以下几个方面。高温下的玻璃的粘弹性、热膨胀行为随着温度的变化以及结构应力松弛现象还需进一步研究。更加合适的模仁及镀膜材料以提高模仁抗变形能力，延长模仁寿命，新的设备与工艺应用于模仁及镀膜技术以得到更加精准的玻璃热压热弯模具。玻璃热压热弯成形过程分析所建立的模型进一步完善，对于多相多态介质耦合问题、多物理场及多尺度耦合问题将得到解决，能够建立更加复杂的有限元模型，真实模拟热压热弯成形过程中的热传导机制，减少仿真结果与实际加工的差距，提高有限元模型预测精确度。变频毫米波微波和超声波辅助应用于3D 超薄玻璃热压热弯成形的机理研究得到进一步发展，采用多元物理量协同控制方法，以能够得到曲面更加复杂、表面质量精度更高的3D 超薄玻璃。