CN100467222C - 管形脆性材料内表面抛光方法和由该方法得到的材料 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种抛光方法，用于在相对较短的时间内生产管形脆性材料，该材料有其最大粗糙度Rmax为0.1μm或更小和中心线平均粗糙度Ra为0.01μm或更小的高表面精度的内表面，和用所述抛光方法提供有高精度的管形脆性材料。按照本发明的抛光方法其特征在于使用搪磨机将管形材料的内表面预切割成管形，并进一步用有金刚石磨料附连在其上面的片材料进行抛光。同样要求权利的是应用所述抛光方法获得的管形脆性材料。

Description

管形脆性材料内表面抛光方法和由该方法得到的材料
技术领域
本发明涉及管形脆性材料内表面的抛光方法和由该抛光方法所获得的管形脆性材料，特别是，它涉及用于生产有优良表面精度光纤的石英玻璃管内表面的抛光方法和有很高的内表面精度的石英玻璃管。
背景技术
已经使用管形脆性材料，特别是高纯度石英玻璃管作为生产光纤的内部蒸汽沉降法(MCVD法)的反应管，或者已经使用该管作为由下述任一种方法先预制生产的套管:改良的化学蒸汽沉降法(MCVD法)、轴向蒸汽沉降法(VAD法)、和外部蒸汽沉降法(OVD法)。当用作先预制套管的高纯度石英玻璃管的内表面上存在不规则或裂缝时，在先预制和石英玻璃管互相熔融成一整体时就会产生空气泡，而这样产生的气泡会造成在光纤拉伸时光纤断裂、光纤接触不良和类似等问题。由于这些原因，必需使石英玻璃管内表面的表面精度很高。在JP-A No.2000-119034号专利中建议，在高纯度石英玻璃坯料的内圆周表面上由金刚石磨砂石进行机械研磨处理，接着由氧化铈制成的磨砂石在其内表面上进行机械抛光处理。
但是，在上述专利文献中描述的方法会发生这种情况，在抛光时由氧化铈制成的磨砂石的边缘部分会脱落大的碎屑，这样产生的碎屑卡在磨砂石和要抛光表面之间会造成要抛光物件内表面上的划痕。为了防止产生这样的划痕，已经开发了一种方法，在该方法中将氧化铈制成的研磨颗粒首先分散到研磨液体中，然后用刷子或类似物对要研磨的表面进行研磨。但是，在这种情况下，抛光的时间非常长因而该方法的生产能力很低。还有，已经开发出另一种方法，在该方法中使用在其上面粘着由氧化铈制成的磨料颗粒的一种片材料(下面也称为“氧化铈纸”)。但是，氧化铈纸的初始抛光能力很低，即在初步抛光步骤的研磨中磨去不规则部分的能力很低，因而它不仅需要在这样的初步抛光步骤中使内表面的粗糙度更小，而且它还需要经常更换新的氧化铈纸，这是由于磨损很大；因此造成成本很高的问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种抛光方法，它能进行高表面精度的抛光而不会在管形脆性材料的内表面上产生划痕。
还有，本发明的另一个目的是提供一种抛光方法，它能减小抛光时间。
另外，本发明还有另一个目的是提供有很高内表面精度的管形脆性材料。
在这些情况下，本发明者已经进行了深入的研究，结果，已经发现当已经使用搪磨机进行过初步研磨处理的管形脆性材料的内表面用粘连金刚石微粒的片材料(下面也称为“金刚石纸”或“金刚石片材料”)进行抛光时。通过使用“金刚石纸”进行最后抛光所获得的内表面粗糙度与使用氧化铈进行抛光所获得的粗糙度相同或甚至更好，还有，抛光时间可以大大地缩短，因而实现本发明。
因此，实现上述各项目的本发明涉及抛光有优良表面精度的管形脆性材料内表面的一种方法，它的特征在于脆性材料的内表面已经用配备抛光头的搪磨机进行过初步研磨成管形，随后用金刚石片材料进行抛光。还有本发明涉及有高的内表面精度的管形脆性材料。
这里所用的术语“脆性材料”打算包括这样的一种材料，当该材料在外力作用时能产生破裂有小的破碎毛刺，而这样脆性材料的特定例子包括玻璃，和陶瓷。为了用脆性材料形成管形体，在搪磨机上装上金刚石磨砂石和开始研磨操作。当研磨操作进行时，从磨砂石上脱落的金刚石微粒和被研磨物体上脱落的颗粒在研磨时会粘接到磨砂石的表面造成阻塞。当阻塞产生时，不仅研磨的能力降低，而且在磨砂石和要研磨物体之间的阻力也会变化从而产生振动。在极端的情况下，会产生很大的应力有时使磨砂石断裂。当使用有较小微粒尺寸的磨砂石进行抛光-精加工时这个特点是值得令人注意的。另一方面，代替上述金刚石磨砂石使用粘连金刚石磨料微粒的片材料时，已经发现，即使在产生阻塞时，由于片材料本身具有弹性，因而不会产生振动，还有，片材料也不会产生断裂，因而可以连续地进行抛光处理。还发现，在上述这样阻塞的状态下连续进行抛光时，抛光进行得比给定的磨料微粒规格所期望的更加有利。这被认为，当脆性材料被连续抛光而同时金刚石片材料又被阻塞时，片材料的整个表面被在抛光时要抛光物体上脱落的颗粒覆盖，因为该颗粒是由要抛光物体上相同的材料组成，因而在它们之间产生所谓的磨口状态(ground-in)，接着，抛光颗粒本身在尺寸上逐渐被研磨得更小，从而能获得有利的抛光。当以上述的这样方式使用金刚石片材料，由于可以获得有高表面精度的管形脆性材料，所以抛光的时间可以显著地降低而不需要将金刚石磨料微粒改变成更小的规格。
“金刚石片材料”的底层材料可以是纸、织物或塑料膜。附连着金刚石的表面可以是平的、波纹形的或者它可以有疙瘩。
虽然通常是使用装备抛光头的搪磨机对管形脆性材料进行抛光，但是很难将抛光头扩大使得抛光头压在脆性材料的整个内表面上，在内表面上抛光头是部分扩大的。因此，将磨砂石附连到这样扩大的部分。当用附连这种抛光头的搪磨机对管形脆性材料进行抛光时，与要研磨表面接触的磨砂石的边缘部分有时会产生大的碎片。这样产生的碎片被卡在磨砂石的边缘部分和要研磨的表面之间，在要研磨的表面上留下很深的划痕。因此，优选地是将整个抛光头用金刚石片材料覆盖，即使在扩大部分存在边缘时，由于金刚石片材料是连续地装设，所以不会发生碎片的入侵，因而在脆性材料的内表面上不会产生划痕。
上述所用的金刚石片材料的金刚石的微粒直径优选地是在#500到#10000的范围之内(符号#代表附连在片材料的微粒的筛目尺寸)。
在按照本发明方法的优选实施例中，使用钩和圈紧固件将有金刚石磨料附连在上面的片材料固定到抛光头。钩和圈紧固件有利于更换用过的金刚石涂复的片。
已经发现如果将金刚石磨料附连在有疙瘩或波纹形的片材料表面上有各种优点.这样的表面允许流体流动，使用流体作为辅助的抛光剂用于输送和除去磨下的玻璃颗粒。
特别通过参考下述的各实施例将进一步解释本发明，但这并不意味着对这些实施例进行限制。
按照日本工业标准(JIS)B0601设立的定义在每10mm长的距离上测量最大粗糙度Rmax和中心线平均粗糙度Ra，使用接触型简化表面粗糙度计来进行测量(型号:Surfcom 300B；由Tokyo SeimitsuCo.，Ltd.公司制造)。
附图说明
图1是示意画的图，表示按照本发明的抛光方法，
图2是示意画的图，表示在4个方向有扩大部分的抛光头，
图3是示意画的图，表示围绕整个扩展部分缠绕金刚石片材料的抛光头。
具体实施方式
实例1
汽化四氯化硅，然后将这样汽化的四氯化硅在酸性的氢火焰中进行火焰水解，接着使石英玻璃的细微颗粒沉降在转动基片的周围区域。按照OVD法获得大尺寸的多孔灰体。将这样制备的多孔灰体放入电炉中，同时考虑到玻璃芯棒的折射率和类似条件，由He和Cl2混合气体加热到1100℃脱水，接着在He的大气中通过加热到1600℃使其转变成透明的玻璃以便产生出圆柱形的石英玻璃坯料。切割这样生产的圆柱形石英玻璃坯料的两端，然后用垂直的搪磨机研磨它的内部，搪磨机有如在图2中所示的圆柱形抛光头，该头有扩大部分3(机器搪磨)，扩大部分围绕表层的表面均匀分配并沿着它的整个长度伸展。扩大部分3的尺寸是25cm长和5mm宽，用#800树脂粘接的金刚石磨砂石装设它们，以便制备有内径50mm和长2m的石英玻璃管。包括扩大部分3的整个抛光头用金刚石纸4围绕包裹和用钩和圈紧固件固定在其上面，如在图3中所示。金刚石纸4的基底材料是织物有波纹形状的表面，在表面上附连金刚石微粒。根据用于包裹的金刚石纸4的金刚石微粒直径为基准，首先使用#1200，其次#2000和最后#3000，先后更换纸三次。将抛光头插入到石英玻璃管中和沿着石英玻璃管的整个长度往复运动80次，同时抛光头以100rpm(转/分钟)的转速转动和以3m/min(米/分钟)的速度移动，如在图1中所示。这样获得的石英玻璃管的内表面的最大粗糙度Rmax和中心线平均粗糙度Ra分别是0.08μm和0.007μm。
抛光处理所花费的时间包括更换金刚石纸的时间是略小于6小时。当用#6000微粒尺寸的金刚石纸在石英玻璃管内表面上再往复运动80次后，石英玻璃管内表面的最大粗糙度Rmax和中心线平均粗糙度Ra分别变为0.06μm和0.005μm。
实例2
用在实例1中相同的方法进行抛光—精加工，除了将金刚石纸4仅附连在4个围绕抛光头4均匀分布的扩大部分3上(机器搪磨)。获得的石英玻璃管的内表面的最大粗糙度Rmax和中心线平均粗糙度Ra近似与实例1的数据相同；但是观察到一条螺旋形的划痕，它可能是由磨砂石或石英玻璃的碎屑造成的，碎屑卡在内表面上产生划痕。因此，该结果仅对质量要求较低的情况是可以接受的，和这不是实现按照本发明的方法的最好模式。
比较实例1
通过研磨与实例1相同尺寸的石英玻璃坯料已经获得内径50mm和长2m的石英玻璃管，为了抛光该石英玻璃管的内表面，将附连尼龙刷的搪磨机头部放入到石英玻璃管内，接着将由氧化铈制成的磨料颗粒与纯水混合得到的抛光液体从管的上部注入到管内，沿着石英玻璃管的整个长度使上述的刷子连续往复运动240次(三次往复运动80次)，同时刷子以500rpm的转速转动和以3m/min的速度移动。得到的石英玻璃管的内表面的最大粗糙度Rmax和中心线平均粗糙度Ra分别为0.5μm和0.2μm。为了使这样得到的石英玻璃管的内表面精度与实例1的石英玻璃管的内表面精度相同，进行960次的往复运动需要花费略少于22小时的时间。
比较实例2
重复与实例1中相同的步骤，除了用氧化铈纸代替金刚石纸和一个抛光周期是沿着石英玻璃管的整个长度抛光头往复运动80次同时抛光头以100rpm的转速转动和以3m/min的速度移动，重复三个周期每次更换纸。得到的石英玻璃管的内表面的最大粗糙度Rmax和中心线平均粗糙度分别为0.35μm和0.15μm。为了用这个抛光方法得到与实例1相同的内表面，需要重复80次往复运动一个周期7次同时每个周期更换纸。抛光处理花费的时间包括更换纸所花费的时间约为13小时。
本发明的优点
按照本发明的抛光方法，在相对较短的时间内可以生产有高表面精度，它的内表面的最大粗糙度Rmax和中心线平均粗糙度Ra分别为0.1μm或更小和0.01μm或更小的石英玻璃管，因此，然后应用这样生产的石英玻璃管作为MCVD法的先预制的套管或反应管，可以很容易地生产高质量的光纤。
符号的解释
1:石英玻璃管
2:抛光头
3:伸出部分
4:金刚石纸
5:轴
6:推杆

Claims (5)

1.一种用于在高表面精度下抛光管形脆性材料内表面的方法，其特征在于所述内表面先用装备有抛光头(2)的搪磨机进行初步的研磨处理，接着用片材料(4)对所述内表面进行抛光，片材料(4)在其上面附连有金刚石磨料。
2.如权利要求1所述的抛光方法，其特征在于将所述附连有金刚石磨料的片材料(4)围绕搪磨机的抛光头(2)包裹。
3.如权利要求2所述的抛光方法，其特征在于使用钩和圈紧固件将所述附连有金刚石磨料的片材料(4)固定在抛光头(2)。
4.如前述权利要求中一个所述的抛光方法，其特征在于金刚石磨料的微粒直径是在#500到#10000的范围内。
5.如前述权利要求1至3中任何一个所述的抛光方法，其特征在于将金刚石磨料附连在带突出或波纹形的片材料(4)的表面上。
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