石英玻璃的加工研究

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(diǎn)描述了各種石英玻璃加工的主要技術(shù)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)。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(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(huì)因輻射線受到損傷（其他的玻璃產(chǎn)品受到強(qiáng)輻射線的照射后會(huì)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(cè)量計(jì)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(dòng)、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(dòng)切削加工，超聲波振動(dòng)切削加工主要是石英玻璃磨料在超聲波的振動(dòng)切削作用下的超聲波機(jī)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?dòng)切削加工的技術(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(dòng)切削零件的加工新途徑。基于超聲波分層和去除振動(dòng)切削思想的傳統(tǒng)超聲波振動(dòng)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(shí)在線進(jìn)行補(bǔ)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的切削中，人們將更多的時(shí)間和注意力集中在轉(zhuǎn)為對(duì)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?yàn)閱文ｎA(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(huì)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(shí)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(duì)零部件進(jìn)行長一段時(shí)間的自動(dòng)化和機(jī)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(huì)直接導(dǎo)致實(shí)際的孔芯和后續(xù)計(jì)劃生產(chǎn)孔芯上的幾何參數(shù)偏差。同時(shí)孔芯的橢圓度、偏心值過大會(huì)直接導(dǎo)致外徑波動(dòng)較大從而造成整個(gè)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(diǎn)

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(diǎn)的探討

⑴保證倆個(gè)加工孔位相對(duì)于單模預(yù)制棒的芯中心對(duì)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(yùn)動(dòng)預(yù)制棒的運(yùn)動(dòng)應(yīng)力一般可以分為暫時(shí)暫停應(yīng)力和永久暫時(shí)應(yīng)力。

暫時(shí)的應(yīng)變熱應(yīng)力：由于當(dāng)應(yīng)變受熱點(diǎn)與玻璃的規(guī)定溫度發(fā)生變化時(shí)或低于臨時(shí)應(yīng)變受熱點(diǎn)的規(guī)定溫度時(shí)，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(shí)熱應(yīng)力。這種一定的玻璃熱應(yīng)力也會(huì)使其與玻璃之間存在一定的導(dǎo)熱溫差。這種只會(huì)產(chǎn)生一定熱應(yīng)力的化學(xué)過程也被稱為暫時(shí)的熱應(yīng)力。

需要注意的是，由于平時(shí)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(shí)應(yīng)力。

永久應(yīng)力：當(dāng)石英玻璃從一定應(yīng)變點(diǎn)的溫度以上開始冷卻時(shí)，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(diǎn)溫度基本相等之后。它仍然不會(huì)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(diǎn)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(shí)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(jì)使用高強(qiáng)石英噴砂加工的延展性復(fù)合材料，設(shè)計(jì)并研究制造和生產(chǎn)使用高強(qiáng)低規(guī)格的高強(qiáng)金剛石石英噴砂螺桿鉆頭，同時(shí)還要研究設(shè)計(jì)使用高強(qiáng)低規(guī)格高強(qiáng)不銹鋼的延展性復(fù)合材料，提高使用石英噴砂鉆桿的機(jī)械強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)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(qiáng)鉆桿的剛性強(qiáng)度等手段，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率和成品率的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]仇中軍 石英玻璃的化學(xué)機(jī)械磨削加工 光學(xué)精密工程 2019（18）P1555-1556

[2]王化德 石英玻璃鉆孔的新方法 科技消息 1989（05）P31-P33

[3]曹茂林 石英玻璃種類、用途和工藝方法 中華玻璃 2015（3）P23-P28