深海玻璃浮球模具、壓機的優化設計制造

董為勇，徐 煒，溫家俊

(1.安徽凱盛基礎材料科技有限公司，蚌埠 233000；2.浮法玻璃新技術國家重點實驗室，蚌埠 233000)

深海玻璃浮球是一種獨特的、可靠的、經濟的可為在海洋環境下的電子設備的存儲提供浮力的產品。國外生產玻璃浮球的國家主要有美國的Teledyne Benthos，另外還有德國的SCHOTT DURAN，除此之外日本也有自己的玻璃浮球產品。

目前國外企業制造深海浮球時使用模具脫模制備的方法以保證玻璃浮球精度。每個半球邊緣均研磨至非常平整，當用作浮球時這些半球先成對匹配，接著內部抽真空至低于0.3個大氣壓，抽真空過后，先在半球連接處涂上密封劑然后纏上保護膠帶，以這種方式密封好的球在常壓下幾乎是不可能用外力打開的，以直徑為432 mm的深海浮球為例，打開需要超過880 kg的外力。

盡管玻璃浮球在過去的50多年里一直在深海技術中得到應用，但是國內一直沒有相關產品的出現，一直在進口國外的產品應用在相關實驗中。經過統計，目前國內每年需要使用各種深海玻璃浮球達20 000個，而深海玻璃浮球的價格國外一般都在2 000美元/個，儀器浮球價格更能達到3 000美元/個。所以深海玻璃浮球的國產化制備迫在眉睫。

目前安徽凱盛基礎材料科技有限公司承擔了國家重點研發計劃《玻璃球艙半球的成型技術和退火工藝》的研制工作，深海玻璃浮球制備時玻璃液的料滴參數、模具和壓機的設計以及半球的退火工藝都會對深海玻璃浮球的成型有關鍵性影響，作者通過半球成型工藝的研究從而對深海玻璃浮球的模具及壓機進行了優化設計及制造。

1 料滴溫度、粘度測定及合料模擬

1)料滴粘度系數的測定

目的：對即將熔融試驗的玻璃液的狀態有一個理性的認識。

試驗：準備300 g的高硼硅玻璃粉體，利用高溫粘度測試儀對其高溫粘度進行測試，測試結果如圖1所示。

2)玻璃液熔融試驗

目的：對即將去鳳陽熔融試驗的玻璃液的狀態有一個感性的認識。并觀察冷卻的玻璃液與模具的粘連性。

試驗：加熱至1 550 ℃，保溫2 h。如圖2所示。

3)料滴合料模擬

以432 mm尺寸的深海玻璃浮球舉例，由于單個半邊浮球質量高達12.5 kg，球艙用半球質量較大，難以通過單一料滴形式取料。該研究采用兩個料滴的方式進行取料并加入模具中。采用Ansys PolyFlow軟件，對兩個玻璃料滴在模具內的融合過程進行了二維簡化模擬分析。所采用的模型如圖3所示，兩個不同大小的球形玻璃料滴由不同高度加入模具內，在重力作用下流到模具底部并相互融合。模擬結果如圖4、圖5所示。

根據料滴融合過程的二維模擬結果可知，料滴在重力作用下迅速流入模具底部，并相互接觸、融合，融合過程的最后階段耗時較長，需要控制玻璃料滴溫度，加速融合過程的進行，減小愈合痕的影響，確保玻璃料滴在模具底部形成完整的球缺形狀，保證后續玻璃半球壓制過程的成型精度。

2 浮球模具及壓機的優化設計制造

根據玻璃液的粘度曲線及玻璃液融合過程的模擬及球艙用浮球玻璃組成、球艙結構與性能指標要求，分別對浮球的模具及壓機進行了相關設計。

2.1 模具的優化設計

設計了如圖6所示的球艙玻璃半球壓制用模具，半球外徑432 mm、內徑390 mm，模具加工精度±0.25 mm以下，以保證半球成型精度的嚴格要求。由于玻璃半球尺寸大，出模難度較大，在陰模底部設有頂出結構。

普通玻璃模具一般采用球墨鑄鐵及球墨合金鑄鐵。特點：熱變形量小但不耐高溫易開裂、易氧化對產品外觀有影響。高檔器皿模具一般用不銹鋼模具。特點：耐高溫不氧化、膨脹較大，對產品外觀尺寸控制較難?，F采用的模具材料需滿足確保產品尺寸符合設計要求：1)耐熱不變形。2)內腔不氧化。3) 要承受20 t的機械壓力。4)要有良好的熱傳導性。5)采用合金鑄鐵主要成分鉬、鉻、銅、硅、鈦、鐵。

同時模具設計與加工需滿足如下條件：

1)因產品尺寸較大重量較重，成型溫度高，成型壓力大，下模設計模具壁厚50 mm。增加承載加強筋、加熱冷卻系統。

2)模具沖頭表面采用鎳基噴焊工藝，保證高溫不變形不氧化。內部采用水循環冷卻系統。

3)沖頭蓋板配合面也采用噴焊加工工藝。保證間隙配合確保產品規格尺寸。

4)底模配合尺寸控制0.1 mm,確保產品順利脫模。做好冷卻。

5)模具加工全部以數控加工為主，內腔、沖頭、蓋板配合尺寸采用加工中心加工，保證加工精度。

而模具鑄造需同時具備如下條件：1)嚴格按照模具材料配方，加強爐前檢測，確保模具材質。2)精密鑄造。3)內腔采用冷鐵鑄造工藝，確保內腔致密度。

生產工藝如下：

1)玻璃料用電爐熔化，電窯爐熔制工藝穩定，能提供合格的玻璃液，給后期的產品成型提供極大便利。

2)原供料系統大都采用供料機供料，因產品重量23 kg目前國內外無此大供料機，需采用多滴供料，使產品易產生折疊氣泡，降低產品強度及光學性。采取白金管流料供料，一次性完成供料。白金管耐高溫不氧化可通電加熱，有效的控制玻璃液溫度，給成型提供便利條件。

3)三工位全制動壓機，沖頭壓力20 t以上。高硼玻璃粘度大流動性差，只有大壓力方可成型。

4)火焰拋光增加產品表面光潔度通透性。

5)退火窯長度60 m以上，確保產品應力小于3級，保證產品不爆裂。為保證產品機械加工性能，需要進行二次精退火，用精退火爐進行36 h精退火，使應力完全消失。

按圖紙要求，用加工中心完成機械加工，保證產品互換性。用1 000目金剛石研磨器完成口平面研磨，見圖7。

2.2 壓機的設計及優化

2.2.1 壓機的設計

球艙用玻璃半球體積大、成型精度要求高，玻璃料滴的入模溫度與形態對成型有顯著影響，在加入玻璃料滴前需要對模具進行預熱與保溫，壓機中需設置預熱機位和工作機位，以滿足半球壓制工藝過程的嚴格溫度控制需求。

在圖6所示模具設計方案基礎上，開展了球艙玻璃半球壓制成型用壓機結構設計，如圖8所示。預熱機位設置有兩組噴槍分別對模具外側和內側進行預熱，模具內部設有測溫熱電偶，持續監控模具溫度情況。當模具預熱完成、玻璃料滴就位后，將模具移至工作機位，將玻璃料滴準確放入陽模底部，開始半球壓制成型操作。陰模到達限定位置后，保壓一定時間，確保半球尺寸精確達到設計要求，同時監控模具溫度，達到玻璃出模溫度后，將半球取出并置入退火爐中進行精密退火操作。

2.2.2 玻璃半球壓制過程的模擬分析

球艙玻璃半球的壓制成型過程是一個非常復雜的傳熱與彈塑性變形的強耦合過程，其具有顯著的材料非線性和幾何非線性特征，且存在大變形。研究利用專業的粘彈性流體有限元CFD分析軟件Ansys PolyFLow對球艙半球壓制過程進行了數值模擬分析，得到玻璃液的流動情況，以期深入認識模具設計思路以及玻璃半球成型質量的影響因素。

2.2.3 球艙半球成型過程三維模擬

按照圖9(a)所示球艙半球模具結構尺寸，采用Ansys SpaceClaim前處理軟件建立了幾何模型，如圖9(b)所示，采用四面體網格劃分，設定相應計算參數，壓制過程總時長為2 s。球艙半球壓制成型過程的PolyFlow模擬結果如圖10～圖12所示。

根據球艙玻璃半球等速壓制過程PolyFlow模擬結果，可發現壓制成型過程中，玻璃液由陽模底部被擠壓并逐漸填充滿陽模與陰?？臻g，形成半球結構。玻璃液流速在流動前端最大；在壓制成型結束時，玻璃液內部壓力趨于一致，有利于玻璃液充分填充模具空間，保證半球的成型精度。

經過上述工作的準備，我司已經在2021年成功研制出了上述浮球，并在近日遠赴南海進行相關可靠實驗。圖13～圖15分別為研制過程圖片介紹。

3 結 論

綜合上述，模擬分析能夠有效指導玻璃浮球模具及壓機的設計制造，并通過理論參數結合實際的方法成功研制出深海用玻璃浮球，使得深海用玻璃浮球國產化、工業化成為可能。