孫偉

摘 要：簡要闡述了各種石英玻璃的主要種類、物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)。重點描述了各種石英玻璃加工的主要技術(shù)特點和加工難點。探討了不同類型石英玻璃的不同加工的方法。介紹了石英玻璃加工前單模預(yù)制棒的正確挑選。詳細(xì)梳理了石英玻璃加工的難點并一一提出其問題解決的途徑和方法。

關(guān)鍵詞：石英玻璃;石英玻璃性質(zhì);石英玻璃的加工

一、前言

石英玻璃因其良好的性能廣泛應(yīng)用于光纖生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，石英玻璃管是光纖生產(chǎn)的重要組成部分。在生產(chǎn)過程中，石英玻璃需要打孔，這需要很高的精確定位才能滿足實際生產(chǎn)的需要。

二、石英玻璃制的性質(zhì)

石英玻璃主要是由各種純凈的天然放射性石英（如水晶、石英砂等）經(jīng)過熔化處理制成。它的紫外線膨脹系數(shù)極小，是普通放射性玻璃的1/10-1/20，有很好的抗熱震性。它的耐熱性很高，經(jīng)常可以使用的溫度范圍為1100～1200攝氏度，短期內(nèi)可以使用的溫度范圍可達(dá)1400攝氏度。目前的石英玻璃主要是應(yīng)用于醫(yī)院和實驗室的光學(xué)設(shè)備和特殊的高純度電子產(chǎn)品的光學(xué)材料提煉和加工設(shè)備。由于它本身具有高的紫外線光譜度和透射，不會因輻射線受到損傷（其他的玻璃產(chǎn)品受到強輻射線的照射后會發(fā)暗），因此也是廣泛應(yīng)用于宇宙飛船、風(fēng)洞窗和分光鏡等光度測量計光學(xué)系統(tǒng)的一種理想光學(xué)玻璃。

三、石英玻璃的加工

在單模石英玻璃的打孔、振動、切削方法中我們目前較為推薦和使用的加工方法是單模超聲波振動切削加工，超聲波振動切削加工主要是石英玻璃磨料在超聲波的振動切削作用下的超聲波機械撞擊和超聲波拋磨的作用與單模超聲波空化作用的一種綜合結(jié)果。接下來我們就簡單談?wù)勀壳暗某暡ㄕ駝忧邢骷庸さ募夹g(shù)和發(fā)展方向。（1）利用傳統(tǒng)超聲銑削加工的技術(shù)開辟了數(shù)控加工工程中的陶瓷振動切削零件的加工新途徑。基于超聲波分層和去除振動切削思想的傳統(tǒng)超聲波振動銑削刀具加工的技術(shù)，解決了目前傳統(tǒng)的超聲銑削加工中工具的損耗嚴(yán)重且不能及時在線進(jìn)行補償?shù)募夹g(shù)難題，使得加工出來的帶有尖角和銳邊的三維復(fù)雜型面數(shù)控工程的陶瓷振動切削零件已經(jīng)成為一種可能。（2）為了更好地充分發(fā)揮數(shù)控刀具的振動切削效能，除了在刀具中選用合適的刀具幾何物理參數(shù)外，在超聲波振動的切削中，人們將更多的時間和注意力集中在轉(zhuǎn)為對數(shù)控刀具硬質(zhì)合金材料的技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用研究上，其中天然晶粒的金剛石、人造晶粒的金剛石和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料的開發(fā)與研究和其應(yīng)用已經(jīng)成為主要的方向。下面我們主要簡單探討了一下單模石英玻璃打孔預(yù)制棒的加工過程。

（一）單模預(yù)制棒的挑選

⑴缺陷過多的劃傷預(yù)制棒不一定適合于打孔工藝，因為單模預(yù)制棒的雜質(zhì)、氣泡的數(shù)量以及打孔工藝缺陷的數(shù)量都會直接影響我們的后續(xù)工藝產(chǎn)品的質(zhì)量和品控。

⑵預(yù)制棒的制作、加套和安裝在退火加工過程有可能使零部件產(chǎn)生彎曲、扭曲等的現(xiàn)象，同時在過程中可能還有產(chǎn)生較大應(yīng)力的殘存。由于單模的預(yù)制棒退火打孔的工藝過程需要對零部件進(jìn)行長一段時間的自動化和機械加工且零部件受力較大，所以上述單模的預(yù)制棒極易在生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力不均從而使棒體產(chǎn)生較大的龜裂甚至是炸裂。

⑶為了保證后續(xù)的生產(chǎn)和加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性，單模預(yù)制棒的橢圓度、偏心值等直接影響著后續(xù)生產(chǎn)成品的最終的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)。由于棒體縱向上的彎曲度過大可能會直接導(dǎo)致實際的孔芯和后續(xù)計劃生產(chǎn)孔芯上的幾何參數(shù)偏差。同時孔芯的橢圓度、偏心值過大會直接導(dǎo)致外徑波動較大從而造成整個后續(xù)生產(chǎn)成品的幾何參數(shù)不合格。綜上，需要注意和規(guī)避的是使用幾何參數(shù)較差的單模預(yù)制棒。

（二）單模預(yù)制棒加工的難點

⑴縱向均勻性、孔徑的平直度

⑵打孔過程中石英材質(zhì)的單模預(yù)制棒容易產(chǎn)生碎裂

⑶鉆孔桿本身的剛性

（三）解決上述加工難點的探討

⑴保證倆個加工孔位相對于單模預(yù)制棒的芯中心對稱且使芯部與倆孔的中心在相同的平面。這里需要定位裝置、控制支架和高精度光學(xué)顯微鏡所組成的加工定位系統(tǒng)，從而解決打孔定位偏差問題。

⑵單模運動預(yù)制棒的運動應(yīng)力一般可以分為暫時暫停應(yīng)力和永久暫時應(yīng)力。

暫時的應(yīng)變熱應(yīng)力：由于當(dāng)應(yīng)變受熱點與玻璃的規(guī)定溫度發(fā)生變化時或低于臨時應(yīng)變受熱點的規(guī)定溫度時，導(dǎo)熱性差，并且總發(fā)的熱量不均勻，從而可能使受冷玻璃受熱產(chǎn)生一定的暫時熱應(yīng)力。這種一定的玻璃熱應(yīng)力也會使其與玻璃之間存在一定的導(dǎo)熱溫差。這種只會產(chǎn)生一定熱應(yīng)力的化學(xué)過程也被稱為暫時的熱應(yīng)力。

需要注意的是，由于平時生產(chǎn)加工的石英芯棒芯層慘和著不同化學(xué)物質(zhì)，極易產(chǎn)生受熱不均，所以在完成拼接后，使用火焰均勻棒體溫度，使其整體溫度梯度盡量平緩從而極大的消除石英芯棒的暫時應(yīng)力。

永久應(yīng)力：當(dāng)石英玻璃從一定應(yīng)變點的溫度以上開始冷卻時，由于溫度差異所產(chǎn)生的永久熱應(yīng)力在石英玻璃產(chǎn)品冷卻至一定的室溫并且玻璃內(nèi)層和其外層的應(yīng)變點溫度基本相等之后。它仍然不會完全的消失，并且石英玻璃中仍然可以存在一定的應(yīng)力。永久應(yīng)力的大小主要取決于石英玻璃產(chǎn)品在一定的應(yīng)變點溫度以上的持續(xù)冷卻膨脹速率，石英玻璃的粘度，熱膨脹應(yīng)力系數(shù)和其他玻璃制品的石英玻璃厚度。

通常，預(yù)制棒在產(chǎn)品加工前需要退火。退火熱處理是一種指在轉(zhuǎn)變的溫度和應(yīng)變溫度之間的一種熱處理過程，以減少和消除在產(chǎn)品制造的過程中產(chǎn)品可能產(chǎn)生的巨大熱應(yīng)力。通常，玻璃的膨脹應(yīng)力系數(shù)越大，直徑范圍越大，產(chǎn)品的狀態(tài)越復(fù)雜，應(yīng)力越嚴(yán)重。

在實際生產(chǎn)中，石英棒體退火，桿體內(nèi)的應(yīng)力不能完全消除。但是殘余量已經(jīng)很少了，就是在偏光儀下也不易發(fā)現(xiàn)。

⑶主要研究并設(shè)計使用高強石英噴砂加工的延展性復(fù)合材料，設(shè)計并研究制造和生產(chǎn)使用高強低規(guī)格的高強金剛石石英噴砂螺桿鉆頭，同時還要研究設(shè)計使用高強低規(guī)格高強不銹鋼的延展性復(fù)合材料，提高使用石英噴砂鉆桿的機械強度和運動剛性。

四、總結(jié)

在石英玻璃的打孔加工生產(chǎn)中，通過建立精密的光學(xué)定位系統(tǒng)、嚴(yán)格石英棒體的退火工藝和加強鉆桿的剛性強度等手段，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率和成品率的目的。

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