石英玻璃把持管的高效制备工艺

2019-10-29花宁李怀阳隋镁深王友军

中国建材科技 2019年4期

花宁李怀阳隋镁深王友军

（中建材衢州金格兰石英有限公司，浙江衢州 324000）

0 前言

在信息化高速发展的今天，光通信行业的重要性愈发突出。近年，在5G、AI、万物互联等新技术发展的促使下，光纤需求量大增，商务部对进口光纤预制棒的反倾销调查也为国内火爆的光纤市场添了一把火。在此背景下，国内光纤光缆及其配套产业迎来了一个全新的发展机遇。

2004年以来，德国Heraeus公司开始大力研发RICODD光纤制造技术，该项技术将芯棒、套管的熔缩与拉丝同步进行，在大幅提高拉丝效率的同时又降低了生产成本，此类产品的进一步推广成为未来光纤制造领域发展的必然趋势[1]。石英玻璃把持管是应用于大尺寸光纤预制棒拉丝环节以及RIC-ODD工艺的必须消耗性辅材，随着国内各大光纤厂商对RIC-ODD工艺的引进与扩产，石英玻璃把持管的市场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，目前国内相关产品的自主化率低下，各大光纤厂商所用产品多为进口。

1 石英玻璃把持管的加工难点

较之国内市场现已较为完善的各类其他石英玻璃制品，石英玻璃把持管通常因其尺寸外形大、加工精度高同时还需具备较高材料纯度、表面洁净度和力学性能而存在较大的加工难度。以国内某大型光纤制造商为例，其公司目前在光纤拉丝环节所需一款把持管尺寸长度为1200mm±10mm、外径150±0.5mm、内径80±0.5mm，对于把持管的外形亦具有一定的精度要求。加工此类产品的主要难点集中在以下几方面：

1）由于此类规格把持管长度较长，且内孔精度要求较高，无法通过常规的连熔法一次熔拉成型。

2）业内常规的大口径石英玻璃取芯方法难以对尺寸较长的工件进行取芯作业，采用热顶成型技术制备把持管坯料则存在设备通用性差、产品得料率低等缺点[2]。

3）常规的加工机床在对大尺寸把持管的外形与孔径进行加工时，形位公差难以控制。

上述问题的存在，使得国内石英玻璃把持管的制备效率差、精度低、得料率低，进而造成产品制造成本高、市场竞争力弱、无法大规模投产的现状。

2 石英玻璃把持管的加工工艺

为解决石英玻璃把持管的制造难题，笔者所在的研发团队通过对石英玻璃把持管的毛坯制备技术、组合取芯技术、深孔珩磨技术进行整合研究，成功开发出一套石英玻璃把持管的高效制备工艺。该工艺现已经过市场验证，对实际生产布局具有指导意义。团队现行石英玻璃把持管的制备工艺路线如图1所示，现将本工艺涉及的关键技术进行简要概述。

图1 石英玻璃把持管的制备工艺路线

2.1 石英玻璃把持管柱状坯制备技术

通常情况下，制备石英玻璃把持管柱状坯这类大尺寸石英玻璃坯料的加工工艺主要包括连熔工艺和气炼工艺两种。连熔工艺为连续式生产，机械自动化程度高，但生产周期长、设备固定后不易调节产品尺寸，且此种工艺生产的产品高温脆性大、寿命低。气炼工艺为间隙式成产，灵活性好，制成的产品与连熔工艺相比强度和耐温性好，但在生产把持管这类大直径的石英玻璃制品时，胚料气泡、色点会增多[3]。

图2 气炼工艺示意图

本团队采用新工艺“气炼-熔拉两步法”：首先利用气炼工艺（图2）制备大直径石英砣解决气泡和色点问题，再采用中频熔拉工艺（图3）获得尺寸一致性良好的把持管柱状坯。利用“两步法”进行生产，则把持管坯料的直径、长度不再受石英玻璃制砣机规格的影响，且产品具备良好的力学性能和耐温性[4]。

图3 熔拉工艺示意图

2.2 精密退火技术

利用热加工方法制备石英玻璃坯料，在生产及冷却过程中由于温差会有热应力，应力的不均匀分布会大幅降低石英玻璃的机械强度和结构稳定性，因而需要进行退火操作[5]。石英玻璃把持管毛坯直径大，常规退火很难将应力全部去除，并且其冷却过程又会产生热应力影响退火效果。本团队针对此类产品开发了专用大型退火设备，并采用梯度退火温度组合法，缓慢降温，从而达到石英玻璃把持管毛坯良好的退火效果。

2.3 组合取芯技术

采用取芯法制备石英玻璃把持管管状坯而非传统的各类热加工方法可有效避免热加工制坯过程中因把持管内外变形率不同而导致的应力集中，从而大幅提高把持管毛坯的强度。利用卧式工艺的天然优势，能够解决把持管加工长度方向的难题。

为此，团队设计开发了金刚石长杆取芯钻头，采用自动化组合取芯机和刀具内水冷技术可一次性钻取长达1600mm的厚壁管内芯，并能够解决散热和清洗钻头附着石英粉末的难题，钻取的内芯还可用于加工其他各类石英制品，充分提高了材料利用率[6]。此外，团队利用相应的无污染的水性冷却液代替油性冷却液从而保障了产品洁净程度。

2.4 深孔珩磨技术

单纯的取芯并不能满足光纤行业用石英玻璃把持管表面质量与精度的要求，在取芯之后仍需对管体内径进行进一步精密加工。由于大尺寸石英把持管深度大，传统配备小型扩孔砂轮的万能磨床设备难以加工。

为此，团队试制了大尺寸石英玻璃制品专用珩磨机；采用特殊粒度和组分的金刚石磨条替代传统的油石磨条，开发出专用于石英玻璃的珩磨头。在对产品的内孔进行精密加工时，珩磨头与设备主轴为浮动连接，珩磨加工的过程可有效避免刀具对脆性石英的破坏，保障产品加工精度。珩磨头尺寸调节方便，因而可以有效提高石英玻璃把持管的扩孔效率[7]。

2.5 外形精密加工技术

石英玻璃材质硬（莫氏硬度达到7），抗折强度低，在进行机械加工时常常会出现“蹦碴”（要求不大于0.5mm）、“飞边”和“颤棒”等现象，同时玻璃表面在高速研磨时会产生小裂纹，特别是对于异型石英玻璃棒在90度夹角处会出现“应力集中”现象，很容易在此处断棒，对于尺寸较大的空心棒来说，断裂的可能性更大。

本团队采用自行设计的整合各类机床的相关功能的石英玻璃车铣复合中心，并确定了针对石英玻璃把持管加工工艺路线，使石英玻璃把持管的外型能够实现一次加工成型，从而有效减少因工装夹具移动导致的尺寸偏差；利用团队开发出的脆性材料专用新型砂轮保障产品加工精度。改良后的工艺大幅提高了外形加工过程中的产品合格率，使得加工精度可控制在0.5mm以内，完全达到用户使用要求。

3 确定石英玻璃把持管制备工艺的意义

本项目开发的技术成果主要围绕大尺寸高精度石英玻璃把持管加工工艺中的各项关键工序，多从提高产品加工精度、提升产品加工效率、降低产品制造成本角度展开。项目成果对于提升大尺寸高精度石英玻璃把持管的制造水平具有实用价值。此外，本项目开发出的多项技术成果也是石英玻璃乃至脆性材料制品加工行业的通用性成果，对于多种规格及材料制品的磨削、钻孔、抛光等加工工艺的质量和效率的提高都具有良好的应用价值。