高精度玻璃非球面透镜成型误差补偿方法：基于模具预补偿与高阶误差校正的创新研究

针对精密玻璃成型(PGM)中粘弹性收缩导致的热变形误差控制难题，研究人员提出了一种结合模具预补偿与高阶误差校正的创新方法。通过建立精确的成型仿真模型，揭示了玻璃/模具热膨胀耦合效应是形貌误差的主因，将非球面透镜的形貌误差从PV 7.187μm优化至0.1525μm。该方法显著提升了补偿精度与工业量产效率。

　　

在光学系统小型化与高性能化的趋势下，玻璃非球面透镜因其优异的光学特性成为关键元件。然而传统超精密车削或抛光工艺存在效率低、一致性差等瓶颈，精密玻璃成型(PGM)技术虽能实现高效量产，却长期受困于冷却收缩导致的形貌误差(PV值)。这种由玻璃粘弹性特性与热膨胀差异引发的微米级偏差，直接影响透镜的成像质量，而传统试错式模具补偿方法需反复修模，成本高昂且周期漫长。

针对这一行业痛点，贵州大学机械工程学院、湖南大学高效磨削国家工程研究中心的研究团队在《iScience》发表创新成果。研究通过建立融合玻璃应力松弛/结构松弛参数的有限元模型，首次系统解析了体积松弛与热膨胀耦合作用的误差产生机制，提出"仿真预补偿+实验高阶补偿"的双阶段补偿策略。关键技术包括：基于MSC.Marc软件的成型过程多物理场仿真、#2000树脂金刚石砂轮的超精密补偿磨削、以及128nm厚ta-C涂层的模具表面改性工艺。

模拟预测玻璃非球面透镜成型轮廓偏差
通过输入K-LCV161玻璃的高温粘弹性参数(剪切模量G₁=17699.42MPa)和J05钨碳模具的热力学特性，发现495°C/779N为最优成型参数。模拟显示径向填充不均导致边缘应力集中，冷却后最大PV误差达7.187μm，主要源于玻璃与模具4.6×10^-6 K^-1 vs 6.7×10^-6 K^-1的热膨胀系数差异。

模具预补偿设计与补偿加工实验
建立补偿系数α=0.001的数学模型，通过修正锥度常数k和曲率半径R（R从10.47mm调整为10.48047mm），使模具轮廓方程高阶项A₄-A₁₀产生定向偏移。采用5轴超精密机床配合法向补偿磨削路径算法，经两次补偿将模具PV值从初始275nm提升至93.8nm。

玻璃成型实验验证
在七工位成型机上实施多阶段温控（三阶段加热至495°C）与梯度压力（0.01-0.25MPa循环加载）工艺。预补偿模具使透镜PV误差降至0.6186μm，再通过离散点非线性拟合提取高阶误差分量，最终将PV值进一步优化至0.1525μm，表面粗糙度Ra稳定在4.923±1.53nm。

该研究创新性地实现了"仿真指导-工艺优化-补偿加工"的全链条闭环，突破传统PGM技术对经验调参的依赖。特别值得注意的是，团队发现ta-C涂层虽能减少玻璃粘附，但多次成型后界面摩擦仍会导致模具表面粗糙度从3.723nm升至5nm级，这一发现为后续界面改性研究指明方向。研究成果为航空航天、车载光学等领域的高精度透镜量产提供了可复制的技术范式，相关补偿算法已应用于红外硫系玻璃透镜的工业化生产。