石英管環(huán)切機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

羅亞南， 郭關(guān)柱， 李照存

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 云南 昆明 650201； 2.昆明沃特爾機(jī)電設(shè)備有限公司， 云南 昆明 650204）

0 引言

碲鋅鎘、鍺、砷化鎵等單晶材料是遠(yuǎn)紅外探測(cè)器或輻射探測(cè)器發(fā)展的重要材料， 單晶材料具有特定的光電性質(zhì)，適合制作高性能室溫γ 或X 射線探測(cè)器，而碲鋅鎘更是紅外探測(cè)器材料碲鎘汞的理想襯底材料， 上述單晶材料制備時(shí)，需要經(jīng)過(guò)提純、封裝、混合、生長(zhǎng)、檢測(cè)和切片等系列工藝，才能獲得真正可使用器件[1-3]。

制備過(guò)程中， 需要多次將原材料或是單晶成品用耐高溫高壓的石英管進(jìn)行真空封裝， 從而多次需要將石英空管或填充了晶體錠的石英管切開(kāi)[4]。 由于石英管壁面硬度較高且材料非常脆，切刀必須非常硬且高速旋轉(zhuǎn)，才可能實(shí)施切割；而石英管壁面又較薄，任何過(guò)大或不均勻壓緊力，均容易導(dǎo)致石英管碎裂，切割時(shí)極容易導(dǎo)致石英管破碎斷裂。

傳統(tǒng)采取人工切割方法，切割效率低，且稍有不慎，極容易導(dǎo)致石英管破碎斷裂， 造成嚴(yán)重?fù)p失， 且容易傷人。 雖然，現(xiàn)在市場(chǎng)也出現(xiàn)了一些管件切割設(shè)備，但大多切刀固定，由工件轉(zhuǎn)動(dòng)，由于石英管的特殊性，通過(guò)夾緊石英來(lái)高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割， 需要對(duì)石英管的加緊要求非常高， 故現(xiàn)實(shí)工作中難以通過(guò)夾緊石英來(lái)高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割； 同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的石英管在夾緊過(guò)程中旋轉(zhuǎn)與切刀接觸實(shí)施切割時(shí)，石英管也非常容易出現(xiàn)破碎斷裂。

針對(duì)上述情況設(shè)計(jì)了一種石英管環(huán)切機(jī)， 采取環(huán)切方法，切割前調(diào)整石英管夾緊位置，保證石英管與旋轉(zhuǎn)環(huán)切機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出軸在同一中心線上，兩者間不偏離。通過(guò)安裝高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)切砂輪，繞石英管外圓旋轉(zhuǎn)，對(duì)石英管進(jìn)行環(huán)形切割， 通過(guò)伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)環(huán)形切割砂輪的進(jìn)給量實(shí)現(xiàn)單次環(huán)切的進(jìn)給深度， 從而實(shí)現(xiàn)石英管均勻環(huán)切，避免石英管切割時(shí)破碎斷裂。

1 環(huán)切機(jī)設(shè)計(jì)要求與切割效率分析

石英管環(huán)切機(jī)用于切割石英管， 切割對(duì)象是高純度半導(dǎo)體用石英管，為最高化學(xué)純度、低氣泡率和低夾雜物含量的石英管材。

切割石英管的主要性能參數(shù)：密度為2.203g·cm-3，摩氏硬度為5.5～6.5，微小硬度（Micro Hardness）為8600～9800 N·mm-2，彈性模量為7.25×104N·mm-2（20℃時(shí)），扭轉(zhuǎn)彈性模量為3.0×104N·mm-2，壓縮強(qiáng)度為1150N·mm-2，泊松系數(shù)為0.17，彎曲強(qiáng)度為67N·mm-2，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為30N·mm-2。

石英管環(huán)切過(guò)程不能出現(xiàn)碎裂， 是石英管環(huán)切機(jī)設(shè)計(jì)最重要的依據(jù)。 為了能正常環(huán)切石英管且獲得整齊的環(huán)切口，石英管環(huán)切機(jī)應(yīng)符合下述條件：

（1）環(huán)切片狀砂輪的刃口硬度應(yīng)高于石英管硬度。

（2）環(huán)切砂輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)并繞石英管旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)平穩(wěn)，進(jìn)給量應(yīng)可調(diào)節(jié)。切割外徑φ40mm 和壁厚3.0mm石英管，單個(gè)切口的切割時(shí)間應(yīng)不超過(guò)5min。

（3）環(huán)切機(jī)應(yīng)有石英管加緊、石英管對(duì)中和安全防護(hù)功能。

石英管環(huán)切時(shí)，其最高切割效率ηC為：

式中：DC—環(huán)切砂輪外徑；nC—環(huán)切砂輪旋轉(zhuǎn)速度；δC—環(huán)切砂輪自身旋轉(zhuǎn)一圈的切削厚度。

石英管環(huán)切機(jī)切割石英管單個(gè)切口消耗的時(shí)間tC1為：

式中：ηFR—環(huán)切砂輪繞石英管旋轉(zhuǎn)切割時(shí)，單圈旋轉(zhuǎn)進(jìn)給量。

上式（2）中，ηFR的最大值應(yīng)符合切割效率低于最高切割效率原則。

環(huán)切砂輪選擇金剛石切割片，外徑為150mm，厚度為0.8mm。 金剛石摩氏硬度為10，遠(yuǎn)高于石英管硬度，能夠切割石英管。 砂輪粒度為200， 其粒度對(duì)應(yīng)粒徑大小為0.074mm。 忽略砂輪粒度不規(guī)則性。

環(huán)切石英管時(shí)， 考慮砂輪每分鐘繞石英管旋轉(zhuǎn)4 圈（即1 圈/15s），每圈進(jìn)給量ηFR取值0.2mm。相關(guān)參數(shù)代入式（2），則切割外徑φ40mm 和壁厚3.0mm 石英管單個(gè)切口消耗的時(shí)間tC1為3.75min。

環(huán)切砂輪自身旋轉(zhuǎn)一圈的切削厚度取10%砂輪粒度，由式（1），則15s 內(nèi)最大能切割外徑φ40mm 的厚度為10.4mm，該值大于石英管壁厚3.0mm，滿足切割效率要求。

2 環(huán)切機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)方案

石英管環(huán)切機(jī)機(jī)械總體設(shè)計(jì)方案主要包括支架、安裝底板、石英管夾緊裝置、環(huán)切砂輪、砂輪旋轉(zhuǎn)頭、砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)、安裝座、環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)底板、配重塊、連接板、固定法蘭和伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)等，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 石英管環(huán)切機(jī)結(jié)構(gòu)主視圖

圖2 石英管環(huán)切機(jī)結(jié)構(gòu)俯視圖

圖1 中，支架的左側(cè)頂部安裝有安裝底板，安裝底板上安裝有石英管夾緊裝置， 支架的右側(cè)頂部安裝有環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)底板， 環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)底板上安裝有環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出端安裝有固定法蘭，連接板的中部安裝在固定法蘭上， 連接板的兩端分別安裝有配重塊與安裝座，安裝座上設(shè)置有一個(gè)滑槽，砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)的安裝底座安裝在滑槽內(nèi)， 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)固定安裝在安裝座上，伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)與砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接，砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)的動(dòng)力輸出軸上安裝有砂輪旋轉(zhuǎn)頭， 環(huán)切砂輪固定安裝在砂輪旋轉(zhuǎn)頭上。

石英管夾緊裝置包括石英管固定套、石英管壓片、石英管夾緊手柄， 所述的石英管固定套固定安裝在安裝底板上， 石英管固定套的套壁上沿圓周方向均勻的設(shè)置有螺紋孔， 石英管夾緊手柄通過(guò)螺紋連接的方式安裝在螺紋孔內(nèi)， 石英管夾緊手柄位于石英管固定套內(nèi)側(cè)一端安裝有弧形石英管壓片。

圖2 中，連接板上安裝有感應(yīng)片，支架上安裝有與感應(yīng)片匹配用于檢測(cè)環(huán)切砂輪環(huán)切石英管一周的行程開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)與控制器連接，控制器與環(huán)切旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置連接，控制器還與伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)、砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接。

安裝座上安裝有用于防止環(huán)切砂輪切割飛出的砂輪罩。支架上安裝有保護(hù)罩，保護(hù)罩上開(kāi)設(shè)有便于石英管伸入到其內(nèi)的開(kāi)孔，環(huán)切砂輪、砂輪旋轉(zhuǎn)頭、砂輪旋轉(zhuǎn)電機(jī)、安裝座于保護(hù)罩內(nèi)。

2.2 電氣控制方案

石英管環(huán)切機(jī)的電氣控制方案主要包括電源、 步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)、配套開(kāi)關(guān)及電纜等，見(jiàn)圖3。

圖3 石英管環(huán)切機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案

3 環(huán)切機(jī)切割實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)石英管環(huán)切機(jī)的切割性能時(shí)， 完成該機(jī)器連接和調(diào)試，見(jiàn)圖4。

圖4 石英管環(huán)切機(jī)實(shí)物

切割外徑φ40mm 和壁厚3.0mm 石英管夾緊開(kāi)展切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)切進(jìn)給量小且均勻可調(diào)，單個(gè)切口需要切割時(shí)間約為3.5min，切口連接光滑，未發(fā)生碎裂現(xiàn)象。

4 結(jié)論

針對(duì)人工切割石英管效率低， 且容易破碎斷裂的問(wèn)題，基于環(huán)形切割均勻方法，設(shè)計(jì)了一種石英管環(huán)切機(jī)，切割前調(diào)整石英管夾緊位置， 保證石英管與旋轉(zhuǎn)環(huán)切機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出軸在同一中心線上， 通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)切砂輪，繞石英管外圓旋轉(zhuǎn)，對(duì)石英管進(jìn)行環(huán)形切割，經(jīng)伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)環(huán)形切割砂輪的進(jìn)給量， 來(lái)控制單次環(huán)切的進(jìn)給深度，從而實(shí)現(xiàn)石英管均勻環(huán)切，避免石英管切割時(shí)破碎斷裂。

本文開(kāi)展了石英管環(huán)切機(jī)的設(shè)計(jì)要求分析和切割效率計(jì)算，確定了環(huán)切機(jī)設(shè)計(jì)方案，研制出環(huán)切機(jī)。 環(huán)切切割外徑φ40mm 和壁厚3.0mm 石英管時(shí)，環(huán)切進(jìn)給量小且均勻可調(diào)，單個(gè)切口需要切割時(shí)間約為3.5min，滿足設(shè)計(jì)要求。