花寧 李懷陽 隋鎂深 王友軍

（中建材衢州金格蘭石英有限公司，浙江 衢州 324000）

0 前言

在信息化高速發(fā)展的今天，光通信行業(yè)的重要性愈發(fā)突出。近年，在5G、AI、萬物互聯(lián)等新技術(shù)發(fā)展的促使下，光纖需求量大增，商務(wù)部對進(jìn)口光纖預(yù)制棒的反傾銷調(diào)查也為國內(nèi)火爆的光纖市場添了一把火。在此背景下，國內(nèi)光纖光纜及其配套產(chǎn)業(yè)迎來了一個(gè)全新的發(fā)展機(jī)遇。

2004年以來，德國Heraeus公司開始大力研發(fā)RICODD光纖制造技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)將芯棒、套管的熔縮與拉絲同步進(jìn)行，在大幅提高拉絲效率的同時(shí)又降低了生產(chǎn)成本，此類產(chǎn)品的進(jìn)一步推廣成為未來光纖制造領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢[1]。石英玻璃把持管是應(yīng)用于大尺寸光纖預(yù)制棒拉絲環(huán)節(jié)以及RIC-ODD工藝的必須消耗性輔材，隨著國內(nèi)各大光纖廠商對RIC-ODD工藝的引進(jìn)與擴(kuò)產(chǎn)，石英玻璃把持管的市場需求量正在逐年快速增加。但受限于石英玻璃把持管的加工效率，目前國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的自主化率低下，各大光纖廠商所用產(chǎn)品多為進(jìn)口。

1 石英玻璃把持管的加工難點(diǎn)

較之國內(nèi)市場現(xiàn)已較為完善的各類其他石英玻璃制品，石英玻璃把持管通常因其尺寸外形大、加工精度高同時(shí)還需具備較高材料純度、表面潔凈度和力學(xué)性能而存在較大的加工難度。以國內(nèi)某大型光纖制造商為例，其公司目前在光纖拉絲環(huán)節(jié)所需一款把持管尺寸長度為1200mm±10mm、外徑150±0.5mm、內(nèi)徑80±0.5mm，對于把持管的外形亦具有一定的精度要求。加工此類產(chǎn)品的主要難點(diǎn)集中在以下幾方面：

1）由于此類規(guī)格把持管長度較長，且內(nèi)孔精度要求較高，無法通過常規(guī)的連熔法一次熔拉成型。

2）業(yè)內(nèi)常規(guī)的大口徑石英玻璃取芯方法難以對尺寸較長的工件進(jìn)行取芯作業(yè)，采用熱頂成型技術(shù)制備把持管坯料則存在設(shè)備通用性差、產(chǎn)品得料率低等缺點(diǎn)[2]。

3）常規(guī)的加工機(jī)床在對大尺寸把持管的外形與孔徑進(jìn)行加工時(shí)，形位公差難以控制。

上述問題的存在，使得國內(nèi)石英玻璃把持管的制備效率差、精度低、得料率低，進(jìn)而造成產(chǎn)品制造成本高、市場競爭力弱、無法大規(guī)模投產(chǎn)的現(xiàn)狀。

2 石英玻璃把持管的加工工藝

為解決石英玻璃把持管的制造難題，筆者所在的研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過對石英玻璃把持管的毛坯制備技術(shù)、組合取芯技術(shù)、深孔珩磨技術(shù)進(jìn)行整合研究，成功開發(fā)出一套石英玻璃把持管的高效制備工藝。該工藝現(xiàn)已經(jīng)過市場驗(yàn)證，對實(shí)際生產(chǎn)布局具有指導(dǎo)意義。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)行石英玻璃把持管的制備工藝路線如圖1所示，現(xiàn)將本工藝涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡要概述。

圖1 石英玻璃把持管的制備工藝路線

2.1 石英玻璃把持管柱狀坯制備技術(shù)

通常情況下，制備石英玻璃把持管柱狀坯這類大尺寸石英玻璃坯料的加工工藝主要包括連熔工藝和氣煉工藝兩種。連熔工藝為連續(xù)式生產(chǎn)，機(jī)械自動化程度高，但生產(chǎn)周期長、設(shè)備固定后不易調(diào)節(jié)產(chǎn)品尺寸，且此種工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品高溫脆性大、壽命低。氣煉工藝為間隙式成產(chǎn)，靈活性好，制成的產(chǎn)品與連熔工藝相比強(qiáng)度和耐溫性好，但在生產(chǎn)把持管這類大直徑的石英玻璃制品時(shí)，胚料氣泡、色點(diǎn)會增多[3]。

圖2 氣煉工藝示意圖

本團(tuán)隊(duì)采用新工藝“氣煉-熔拉兩步法”：首先利用氣煉工藝（圖2）制備大直徑石英砣解決氣泡和色點(diǎn)問題，再采用中頻熔拉工藝（圖3）獲得尺寸一致性良好的把持管柱狀坯。利用“兩步法”進(jìn)行生產(chǎn)，則把持管坯料的直徑、長度不再受石英玻璃制砣機(jī)規(guī)格的影響，且產(chǎn)品具備良好的力學(xué)性能和耐溫性[4]。

圖3 熔拉工藝示意圖

2.2 精密退火技術(shù)

利用熱加工方法制備石英玻璃坯料，在生產(chǎn)及冷卻過程中由于溫差會有熱應(yīng)力，應(yīng)力的不均勻分布會大幅降低石英玻璃的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因而需要進(jìn)行退火操作[5]。石英玻璃把持管毛坯直徑大，常規(guī)退火很難將應(yīng)力全部去除，并且其冷卻過程又會產(chǎn)生熱應(yīng)力影響退火效果。本團(tuán)隊(duì)針對此類產(chǎn)品開發(fā)了專用大型退火設(shè)備，并采用梯度退火溫度組合法，緩慢降溫，從而達(dá)到石英玻璃把持管毛坯良好的退火效果。

2.3 組合取芯技術(shù)

采用取芯法制備石英玻璃把持管管狀坯而非傳統(tǒng)的各類熱加工方法可有效避免熱加工制坯過程中因把持管內(nèi)外變形率不同而導(dǎo)致的應(yīng)力集中，從而大幅提高把持管毛坯的強(qiáng)度。利用臥式工藝的天然優(yōu)勢，能夠解決把持管加工長度方向的難題。

為此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了金剛石長桿取芯鉆頭，采用自動化組合取芯機(jī)和刀具內(nèi)水冷技術(shù)可一次性鉆取長達(dá)1600mm的厚壁管內(nèi)芯，并能夠解決散熱和清洗鉆頭附著石英粉末的難題，鉆取的內(nèi)芯還可用于加工其他各類石英制品，充分提高了材料利用率[6]。此外，團(tuán)隊(duì)利用相應(yīng)的無污染的水性冷卻液代替油性冷卻液從而保障了產(chǎn)品潔凈程度。

2.4 深孔珩磨技術(shù)

單純的取芯并不能滿足光纖行業(yè)用石英玻璃把持管表面質(zhì)量與精度的要求，在取芯之后仍需對管體內(nèi)徑進(jìn)行進(jìn)一步精密加工。由于大尺寸石英把持管深度大，傳統(tǒng)配備小型擴(kuò)孔砂輪的萬能磨床設(shè)備難以加工。

為此，團(tuán)隊(duì)試制了大尺寸石英玻璃制品專用珩磨機(jī)；采用特殊粒度和組分的金剛石磨條替代傳統(tǒng)的油石磨條，開發(fā)出專用于石英玻璃的珩磨頭。在對產(chǎn)品的內(nèi)孔進(jìn)行精密加工時(shí)，珩磨頭與設(shè)備主軸為浮動連接，珩磨加工的過程可有效避免刀具對脆性石英的破壞，保障產(chǎn)品加工精度。珩磨頭尺寸調(diào)節(jié)方便，因而可以有效提高石英玻璃把持管的擴(kuò)孔效率[7]。

2.5 外形精密加工技術(shù)

石英玻璃材質(zhì)硬（莫氏硬度達(dá)到7），抗折強(qiáng)度低，在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)常常會出現(xiàn)“蹦碴”（要求不大于0.5mm）、“飛邊”和“顫棒”等現(xiàn)象，同時(shí)玻璃表面在高速研磨時(shí)會產(chǎn)生小裂紋，特別是對于異型石英玻璃棒在90度夾角處會出現(xiàn)“應(yīng)力集中”現(xiàn)象，很容易在此處斷棒，對于尺寸較大的空心棒來說，斷裂的可能性更大。

本團(tuán)隊(duì)采用自行設(shè)計(jì)的整合各類機(jī)床的相關(guān)功能的石英玻璃車銑復(fù)合中心，并確定了針對石英玻璃把持管加工工藝路線，使石英玻璃把持管的外型能夠?qū)崿F(xiàn)一次加工成型，從而有效減少因工裝夾具移動導(dǎo)致的尺寸偏差；利用團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的脆性材料專用新型砂輪保障產(chǎn)品加工精度。改良后的工藝大幅提高了外形加工過程中的產(chǎn)品合格率，使得加工精度可控制在0.5mm以內(nèi)，完全達(dá)到用戶使用要求。

3 確定石英玻璃把持管制備工藝的意義

本項(xiàng)目開發(fā)的技術(shù)成果主要圍繞大尺寸高精度石英玻璃把持管加工工藝中的各項(xiàng)關(guān)鍵工序，多從提高產(chǎn)品加工精度、提升產(chǎn)品加工效率、降低產(chǎn)品制造成本角度展開。項(xiàng)目成果對于提升大尺寸高精度石英玻璃把持管的制造水平具有實(shí)用價(jià)值。此外，本項(xiàng)目開發(fā)出的多項(xiàng)技術(shù)成果也是石英玻璃乃至脆性材料制品加工行業(yè)的通用性成果，對于多種規(guī)格及材料制品的磨削、鉆孔、拋光等加工工藝的質(zhì)量和效率的提高都具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

1）通過本研究，團(tuán)隊(duì)成功研制開發(fā)了石英玻璃把持管的高效制備工藝。文中介紹的加工方法均經(jīng)過市場驗(yàn)證，對生產(chǎn)指導(dǎo)具有重要意義。

2）石英玻璃把持管高效制備方法的研制成功對我國石英玻璃行業(yè)加工水平的提高具有促進(jìn)意義。