石英玻璃的加工研究

孙伟

摘 要：简要阐述了各种石英玻璃的主要种类、物理性质及化学性质。重点描述了各种石英玻璃加工的主要技术特点和加工难点。探讨了不同类型石英玻璃的不同加工的方法。介绍了石英玻璃加工前单模预制棒的正确挑选。详细梳理了石英玻璃加工的难点并一一提出其问题解决的途径和方法。

关键词：石英玻璃;石英玻璃性质;石英玻璃的加工

一、前言

石英玻璃因其良好的性能广泛应用于光纤生产产业，石英玻璃管是光纤生产的重要组成部分。在生产过程中，石英玻璃需要打孔，这需要很高的精确定位才能满足实际生产的需要。

二、石英玻璃制的性质

石英玻璃主要是由各种纯净的天然放射性石英（如水晶、石英砂等）经过熔化处理制成。它的紫外线膨胀系数极小，是普通放射性玻璃的1/10-1/20，有很好的抗热震性。它的耐热性很高，经常可以使用的温度范围为1100～1200摄氏度，短期内可以使用的温度范围可达1400摄氏度。目前的石英玻璃主要是应用于医院和实验室的光学设备和特殊的高纯度电子产品的光学材料提炼和加工设备。由于它本身具有高的紫外线光谱度和透射，不会因辐射线受到损伤（其他的玻璃产品受到强辐射线的照射后会发暗），因此也是广泛应用于宇宙飞船、风洞窗和分光镜等光度测量计光学系统的一种理想光学玻璃。

三、石英玻璃的加工

在单模石英玻璃的打孔、振动、切削方法中我们目前较为推荐和使用的加工方法是单模超声波振动切削加工，超声波振动切削加工主要是石英玻璃磨料在超声波的振动切削作用下的超声波机械撞击和超声波抛磨的作用与单模超声波空化作用的一种综合结果。接下来我们就简单谈谈目前的超声波振动切削加工的技术和发展方向。（1）利用传统超声铣削加工的技术开辟了数控加工工程中的陶瓷振动切削零件的加工新途径。基于超声波分层和去除振动切削思想的传统超声波振动铣削刀具加工的技术，解决了目前传统的超声铣削加工中工具的损耗严重且不能及时在线进行补偿的技术难题，使得加工出来的带有尖角和锐边的三维复杂型面数控工程的陶瓷振动切削零件已经成为一种可能。（2）为了更好地充分发挥数控刀具的振动切削效能，除了在刀具中选用合适的刀具几何物理参数外，在超声波振动的切削中，人们将更多的时间和注意力集中在转为对数控刀具硬质合金材料的技术开发与应用研究上，其中天然晶粒的金刚石、人造晶粒的金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的开发与研究和其应用已经成为主要的方向。下面我们主要简单探讨了一下单模石英玻璃打孔预制棒的加工过程。

（一）单模预制棒的挑选

⑴缺陷过多的划伤预制棒不一定适合于打孔工艺，因为單模预制棒的杂质、气泡的数量以及打孔工艺缺陷的数量都会直接影响我们的后续工艺产品的质量和品控。

⑵预制棒的制作、加套和安装在退火加工过程有可能使零部件产生弯曲、扭曲等的现象，同时在过程中可能还有产生较大应力的残存。由于单模的预制棒退火打孔的工艺过程需要对零部件进行长一段时间的自动化和机械加工且零部件受力较大，所以上述单模的预制棒极易在生产加工过程中产生的应力不均从而使棒体产生较大的龟裂甚至是炸裂。

⑶为了保证后续的生产和加工的质量和稳定性，单模预制棒的椭圆度、偏心值等直接影响着后续生产成品的最终的几何结构和参数。由于棒体纵向上的弯曲度过大可能会直接导致实际的孔芯和后续计划生产孔芯上的几何参数偏差。同时孔芯的椭圆度、偏心值过大会直接导致外径波动较大从而造成整个后续生产成品的几何参数不合格。综上，需要注意和规避的是使用几何参数较差的单模预制棒。

（二）单模预制棒加工的难点

⑴纵向均匀性、孔径的平直度

⑵打孔过程中石英材质的单模预制棒容易产生碎裂

⑶钻孔杆本身的刚性

（三）解决上述加工难点的探讨

⑴保证俩个加工孔位相对于单模预制棒的芯中心对称且使芯部与俩孔的中心在相同的平面。这里需要定位装置、控制支架和高精度光学显微镜所组成的加工定位系统，从而解决打孔定位偏差问题。

⑵单模运动预制棒的运动应力一般可以分为暂时暂停应力和永久暂时应力。

暂时的应变热应力：由于当应变受热点与玻璃的规定温度发生变化时或低于临时应变受热点的规定温度时，导热性差，并且总发的热量不均匀，从而可能使受冷玻璃受热产生一定的暂时热应力。这种一定的玻璃热应力也会使其与玻璃之间存在一定的导热温差。这种只会产生一定热应力的化学过程也被称为暂时的热应力。

需要注意的是，由于平时生产加工的石英芯棒芯层惨和着不同化学物质，极易产生受热不均，所以在完成拼接后，使用火焰均匀棒体温度，使其整体温度梯度尽量平缓从而极大的消除石英芯棒的暂时应力。

永久应力：当石英玻璃从一定应变点的温度以上开始冷却时，由于温度差异所产生的永久热应力在石英玻璃产品冷却至一定的室温并且玻璃内层和其外层的应变点温度基本相等之后。它仍然不会完全的消失，并且石英玻璃中仍然可以存在一定的应力。永久应力的大小主要取决于石英玻璃产品在一定的应变点温度以上的持续冷却膨胀速率，石英玻璃的粘度，热膨胀应力系数和其他玻璃制品的石英玻璃厚度。

通常，预制棒在产品加工前需要退火。退火热处理是一种指在转变的温度和应变温度之间的一种热处理过程，以减少和消除在产品制造的过程中产品可能产生的巨大热应力。通常，玻璃的膨胀应力系数越大，直径范围越大，产品的状态越复杂，应力越严重。

在实际生产中，石英棒体退火，杆体内的应力不能完全消除。但是残余量已经很少了，就是在偏光仪下也不易发现。

⑶主要研究并设计使用高强石英喷砂加工的延展性复合材料，设计并研究制造和生产使用高强低规格的高强金刚石石英喷砂螺杆钻头，同时还要研究设计使用高强低规格高强不锈钢的延展性复合材料，提高使用石英喷砂钻杆的机械强度和运动刚性。

四、总结

在石英玻璃的打孔加工生产中，通过建立精密的光学定位系统、严格石英棒体的退火工艺和加强钻杆的刚性强度等手段，从而达到提高生产效率和成品率的目的。

参考文献：

[1]仇中军 石英玻璃的化学机械磨削加工 光学精密工程 2019（18）P1555-1556

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

[3]曹茂林 石英玻璃种类、用途和工艺方法 中华玻璃 2015（3）P23-P28