用于制造石英玻璃空心柱体的方法
【专利摘要】迄今为止为了制造尺寸稳定的石英玻璃空心柱体，提出了具有中轴线的起始柱体，该起始柱体借助于围绕水平旋转轴线旋转的钻机被产生内钻孔，该钻机具有钻杆和抗扭地固定在钻杆处的钻头，其中钻头占据变化的钻头位置，该钻头位置借助于测量设备连续被确定并且在偏离时引回到额定位置。但是构建成本大。因此，本发明所基于的任务是说明低成本的用于制造尺寸稳定的石英玻璃空心柱体的方法。
【专利说明】用于制造石英玻璃空心柱体的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于制造石英玻璃空心柱体的方法，其方式是，提供具有中轴线的起始柱体(Ausgangszylinder),在该起始柱体中借助于围绕水平旋转轴线旋转的钻机(Bohrer)产生与中轴线同轴延伸的最终钻孔(Endbohrung),或已有的内钻孔被展宽成最终钻孔，钻机具有钻杆(Bohrstange)和抗扭地固定在钻杆处的钻头，其中钻头占据不断变化的钻头位置，该钻头位置借助于测量设备连续被确定，并且在偏离时被引回到额定位置。
【背景技术】
[0002]这样的石英玻璃空心柱体充当用于制造光学纤维的半成品和用于光学纤维的预成型件。其例如作为包套管(UmhiilIungsrohr)使用，以便用附加的包层玻璃(Mantelglas)来包覆所谓的“芯棒(Kernstab) ”。该包覆可以通过如下方式进行:使石英玻璃空心柱体的同轴布置塌陷(Kollabieren)和拉长到插入内钻孔中的芯棒上。以此方式产生预成型件，接下来由预成型件拉伸成光学纤维。还公知的是，在纤维拉伸期间，将空心柱体塌陷到芯棒上。作为反应室或套管以及作为用于拉长石英玻璃管的起始材料，由石英玻璃制成的尺寸稳定的空心柱体还应用在半导体制造的范围中。
[0003]石英玻璃空心柱体的制造常包括石英玻璃柱体的机械加工，在机械加工时通过深孔钻产生内钻孔或展宽已有的内钻孔。尤其要注意内钻孔的尺寸稳定性，因为其尽可能精确地与芯棒的外直径匹配，以便在空心柱体塌陷时、在制造预成型体或纤维时避免不可控制的塑性变形。这在空心柱体中造成与径向尺寸有关以及与长度有关的安全追加措施(Sicherheitsaufschlag),这导致材料损耗和由此产生的增加的制造成本。通过深孔钻和采用公知的珩磨和磨削方法，使具有大于10mm的外直径和2m及更长长度的石英玻璃空心柱体成为可能。
[0004]深孔钻在钻杆的垂直或水平布置中进行。为了避免在水平深孔钻时钻具由于钻头和钻杆的自重而发生偏钻(Verlaufen)，待钻削的起始柱体相对于钻机反向旋转。
[0005]由JP 2010-247340 A已知开头提及的类型的方法。通过压入包括水平取向的钻杆和安装在该钻杆处的钻头的中心钻(Kernbohrer),由合成石英玻璃制成的实心柱体的内钻孔被钻削到预先给定的大小。钻头具有围绕旋转轴线旋转的由磁性材料制成的钻心(Bohrkrone)。借助于测量设备，不断确定钻心在内钻孔内的位置。出于此目的，测量设备可移位地安放在内钻孔之外的滑座(Schlitten)上，并且以与钻机相同的进给量移动。钻机位置的测量以光学的方式、电容方式、通过无线电或借助于超声波进行。如果确定钻机与其额定位置偏离，那么钻机将再次被引回到内钻孔的中轴线中。这借助于磁场发生器作用下的磁力而发生，该磁场发生器具有四个围绕中轴线均勻分布的电磁体，这些电磁体同样装配在滑座上并且实现了非旋转对称的磁场的产生。
[0006]测量设备允许持久地检测当前钻机位置，并且有必要的话通过产生或改变非旋转对称磁场及其对磁性钻心的作用而自动地应对(Gegensteuern)。
[0007]公知的方法使得能够制造下述空心柱体:该空心柱体的特点是具有环形横截面和低尺寸偏差的精确的柱体对称性(Zylindersymmetrie)。但是构建成本高；对铁磁钻心的需要减少了合适材料的选择，并且可能导致特别不期望的杂质进入空心柱体内钻孔的壁中。
【发明内容】
[0008]因此，本发明所基于的任务是，说明低成本的用于制造尺寸稳定的石英玻璃空心柱体的方法。
[0009]根据本发明，该任务从开头提及的类型的方法出发通过下述方式来解决:引回到额定位置包括:起始柱体围绕中轴线转动，使得钻头位置到达中轴线的上方。
[0010]钻头具有高的重量，并且钻杆常有几米的相当大的长度。在钻杆水平布置时，钻头在其重量的作用下倾向于向下移位(wegwandern)。这可通过起始柱体以相对于钻机相反方向的旋转来对抗。因此，在具有理想柱体几何形状的起始柱体的情况下，相反方向上的旋转是特别简单的措施，以便还在没有高构建成本和测量成本的情况下实现空心柱体的中心的内钻孔和均匀的壁厚。然而，起始柱体常显示出非理想的几何形状，如例如“香蕉形状(Bananenform) ”。在这些情况下,在旋转的起始柱体的情况下也可能获得径向非均勻的柱体壁(下文亦称“壁单侧性(Wandeinseitigkeit) ”)。
[0011]为了在此仍提供补救，根据本发明对钻头位置连续——也就是说不断或时时地一进行测量，并且基于该信息来确定钻头继续在中轴线中在其额定位置中延伸还是相对其偏移。在与额定位置偏离的情况下，起始柱体的可能的旋转中断或停止，并且待钻削的起始柱体围绕其中轴线转动得使得钻头位置位于中轴线的上方，在理想情况下正好位于中轴线的垂直上方。钻头就此而言在该平面上方占据固定或可变的中间位置，从该中间位置出发钻头再次到达其额定位置中。在继续的钻削工艺的过程中，在起始柱体继续静止或者在其它情况下少量运动的情况下，钻头由于其重量向轴线的方向向下运动。一旦起始柱体的中轴线与钻机的旋转轴线同轴延伸，就到达了钻头额定位置。
[0012]因此，在根据本发明的方法中，为了将钻机引回到其额定位置利用了自然的重力。用于强制重新定位钻头的昂贵的装置、如现有技术中公知的磁场发生器由此变得多余。本发明也未对钻头的物质构造提出特殊的权利要求，尤其是钻头或其主要部件不一定必须由磁性材料制成。
[0013]最优地利用重力用来位置校正要求具有水平延伸的中轴线的起始柱体的布置。显然，与水平布置的小偏离是本发明的略微降级的实施方式。
[0014]为了将从其额定位置偏离的钻头重新定位到中轴线上方的中间位置，起始柱体被转动。在最简单的情况下，为此180度或更小的小转动角就足够了。随后可停止起始柱体的转动，使得钻头保持在占据的径向中间位置处。将钻头保持在中轴线的垂直上方致使尽可能最快地将钻头位置朝向其额定位置的方向改变。
[0015]但是起始柱体还可围绕中间位置摆动地(pendelnd)来回运动，或其甚至可以围绕其中轴线以可变的速度旋转，只要钻头在中轴线上方区域内的停留时间比在其下方更长即可。这些方法致使钻头位置朝向其额定位置的方向较慢地匹配。起始柱体的某种持续运动是有利的，从而避免了钻头位置的可能导致撕裂(Abrissen)的突然改变。
[0016]钻头位置的校正持续进行或者在与钻头的额定位置和实际位置的偏离超过了给定的极限值时进行。
[0017]在最后提及的情况下，工作阶段被一个或多个校正阶段中断。在工作阶段期间一其中钻头处于其额定位置处一起始柱体可相对于钻机方向反向地旋转，而它在校正阶段期间除了前面描述的转动或可能的重新校正以外静止或摆动地或以可变的周向速度转动，如前面阐述的那样。
[0018]因此，在第一优选的处理方式中规定，最终钻孔的产生包括工作阶段和至少一个校正阶段，在校正阶段中钻头引回到其额定位置，并且起始柱体在工作阶段期间围绕中轴线相对于钻机方向反向地旋转。
[0019]除了校正阶段以外(在校正阶段期间钻头借助于重力引回到其额定位置)，在此起始柱体相对于钻机方向反向地旋转。这减少了钻头从中轴线移位的风险。
[0020]但是在根据本发明的方法中，当连续进行位置校正时，还可完全放弃起始柱体的旋转。因此在可替换的、同样优选的处理方式中规定，最终钻孔的产生包括工作阶段和至少一个校正阶段，在校正阶段中钻头引回到其额定位置，其中起始柱体在工作阶段期间固定。
[0021]在此，起始柱体在钻削工艺中未围绕其中轴线旋转，并且该钻削工艺只要需要就包含并行和连续进行的对钻头位置的校正。
[0022]在使用从一开始实施为空心柱体的起始柱体的情况下，钻削工艺不仅用于展宽钻孔，而且还用于改善尺寸稳定性，尤其是用于避免起始柱体中可能的壁单侧性。在此上下文中，已证明可行的是，在钻削工艺开始前确定空心柱体长度上的径向壁厚走向曲线时，并且在引回钻头位置时考虑这样确定的壁厚走向谱。
[0023]用于连续确定钻头位置的测量设备还可以被用于提前确定轴向和径向的壁厚谱。考虑针对起始柱体提前单独确定的壁厚谱有利于去除或减小壁单侧性。
[0024]可替换地或对此补充地，在钻削工艺开始以前就确定起始柱体长度上的中轴线的走向曲线，其中这样确定的中轴线的轴向走向曲线在引回钻头位置时被加以考虑。
[0025]如已经上文阐述的，起始柱体可具有弯曲的中轴线并且尤其具有所谓的“香蕉形状”。在这样的情况可能有利的是，钻机的额定旋转轴线延伸到起始柱体的(弯曲)中轴线以外。
[0026]因此，中轴线在起始柱体长度上为非直线的走向曲线的情况下，确定拟合直线，并且为钻机旋转确定与拟合直线同轴的额定旋转轴线。
[0027]在使用实施为空心柱体的起始柱体的情况下，钻机可挤压穿过已有的内钻孔，又称作“冲击钻”。但是，已证明特别可行的是，钻头在起始柱体作为空心柱体实施的情况下借助于钻杆拉动穿过空心柱体内钻孔。
[0028]钻头位置可借助于激光和/或超声波测量或X射线测量来确定。在此借助于超声波优选地确定被钻削的起始柱体的壁厚，而激光测量优选用于距离的光学检测。
[0029]但是，已证明特别可行的是，借助于至少一个相机来检测钻头位置并且借助于图像处理对其进行分析。
[0030]借助于相机产生的图片实现了同时检测多个测量平面上的钻头位置，例如钻头之前、钻头中间中和钻头顶端处的测量平面。当起始柱体旋转时，相机足以用于检测。通过使用注视方向彼此垂直的两台相机，在非旋转的起始柱体的情况下也实现了对钻头位置的完全检测。
[0031]优选地，确定钻头位置包括起始柱体围绕其中轴线转动，其中钻头位置时时地、但是最迟在钻头每次5cm的进给量以后进行。
[0032]这样产生的石英玻璃空心柱体优选地用于制造光学纤维的预成型件，其方式是，石英玻璃空心柱体塌陷到芯棒上，并且同时在形成预成型件的情况下被拉长。
[0033]同样优选将根据本发明的石英玻璃空心柱体用于在拉伸方法中制造光学纤维，其中空心柱体塌陷到芯棒上，并且同时在形成纤维的情况下被拉伸。
[0034]空心柱体还适于用作在半导体制造中的特别尺寸稳定的部件，或者用作用于拉长管子的起始材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]下面根据实施例和附图详细阐述本发明。
[0036]在示意图示中:
图1示出了在钻机位置偏离时起始柱体的端面的俯视图；
图2示出了在为了发起钻机位置的校正而转动起始柱体以后的起始柱体的端面的俯视图；以及
图3示出了在校正钻机位置后的起始柱体的端面的俯视图。
【具体实施方式】
[0037]在OVD方法之后首先制造石英玻璃毛坯。为此，通过一系列沉积燃烧器(Abscheidebrenner)的往复运动,在具有39mm外直径的围绕自己的纵轴线旋转的氧化招管上逐层沉积灰料颗粒(Sootpartikel)，其中SiCl4被输送给沉积燃烧器，并且在存在氧的情况下在燃烧器火焰中氧化成S12并且水解。
[0038]在沉积方法结束并且移除氧化铝管后获得灰料管(Sootrohr)，该灰料管经历脱水处理并且在此垂直定向地引入脱水炉且在从850°C至约1000°C的温度范围中在含氯的气氛中被处理。处理时长为约六小时。
[0039]接下来，这样处理的灰料管在玻化炉中在约1400°C的温度范围内被玻化，其中灰料管塌陷(aufkolIabieren)到具有38mm外直径的石墨杆上。这样获得的由人造石英玻璃制成的管形石英玻璃毛还重约205kg,其外直径为203mm,内直径为38mm并且其长度处于约3000mmo
[0040]石英玻璃毛坯的外壁被外圆磨削并且在此消除了表面可能存在的气泡和缺陷。为了确定可能的壁单侧性(Wandeinseitigkeit),在径向和轴向方向上测量壁厚。为此,将石英玻璃毛坯在其中轴线为水平取向的情况下置入深孔钻设备中。钻削设备配备有相机测量系统，其在滑座上可沿着毛坯中轴线行进。为了测量壁厚轮廓，毛坯围绕其中轴线旋转并且同时相机沿着中轴线行进。由相机产生的图片被输送给图像分析装置，以便确定壁单侧性。这样确定的壁厚轮廓在接下来的钻削工艺中使用。
[0041]在另一个石英玻璃毛坯的情况下放弃对外壁的磨削。为了确定可能的“香蕉形状”，在毛坯的长度上测量钻孔中轴线的走向。在此通过每个轴向测量位置的中心点的彼此连接而得到中轴线。
[0042]为此，石英玻璃毛坯以水平取向的中轴线被置入深孔钻设备中，并且借助于相机测量系统来测量，相机测量系统在滑座上沿着毛坯中轴线移动。在此，设置两台相机，它们的注视方向彼此垂直。毛坯的表面预先用浸油覆盖，以便使其对于相机测量是透明的。
[0043]由相机产生的图片被输送给图片分析装置，以便确定中轴线的曲率。如果曲率超过预先给定的极限值，那么作出经过中轴线的拟合直线，该拟合直线在接下来钻削工艺中用作钻机旋转的额定旋转轴线。
[0044]在钻削工艺中在采用钻机的情况下来加工内钻孔的壁，该钻机具有轴，轴具有固定在其上的钻头，钻头的钻心覆盖有金刚石颗粒并且其最大外直径为42mm。
[0045]钻机从端部开始借助于轴通过已有的钻孔被拉出，其中钻机以约480U/min围绕其旋转轴线旋转。待钻削的石英玻璃空心柱体在此静止。内壁的由钻削引起的磨蚀深度(Abtragtief)为约 2mm。
[0046]借助于之前为了测量壁单侧性和中轴线曲率所使用的相机测量系统，钻头的径向位置在此不断被确定，并且被转发给计算机用于分析，其中还将关于壁厚轮廓和当前钻削的石英玻璃空心柱体的中轴线曲率的信息存储到该计算机中，并且在这些信息的基础上确定钻头在空心柱体的整个长度上的额定位置。
[0047]钻头的额定位置——以及由此钻机的旋转轴线——通常处于待钻削的空心柱体的中轴线上。在壁单侧性的情况下，额定位置还可以在计算上相对于中轴线偏移地迁移，以便消除或避免单侧性。
[0048]在图1至图3中，钻头以参考标号I来表不，待钻削的空心柱体以参考标号2来表示，空心柱体2的中轴线以参考标号3来表示,钻头I的旋转轴线以参考标号4来表示,并且检测和分析系统的两台相机以参考标号6来表示。
[0049]图1示意性示出了针对钻头I确定中轴线偏移的情形，中轴线偏移大得以至于超过了预先设定的极限值0.25mm。一旦钻头I的旋转轴线4处于空心柱体中轴线3以下约
0.25mm，则在该实施例中的情况就是如此。为了实现该精度，两台相机6的光学分辨率处于
0.1mnin
[0050]因此，静止的石英玻璃空心柱体2连同在其中旋转的钻头I然后以计算机控制的方式围绕其中轴线3转动，这如其在图2中由方向箭头5示出。在该实施例中，转动角为正好180度，使得钻头I的旋转轴线4现在处于中轴线3的垂直上方约0.25mm处。
[0051]在其它钻削工艺的过程中，钻头I在继续静止的空心柱体2的情况下由于其重量向下沿中轴线3的方向运动。一旦空心柱体的中轴线3与钻头I的旋转轴线4同轴延伸，钻头位置就调谐好(eingeregelt)。在图3中示出的该情形下,要么石英玻璃空心柱体2相对于钻头I反向地旋转以使当前理想的钻头位置稳定，要么石英玻璃空心柱体2继续静止，直到重新的位置校正要求围绕其中轴线3的转动。
[0052]内钻孔的最终加工在多级加工工艺中在采用珩磨机的情况下借助于珩磨来进行，在珩磨中光泽程度(Politurgrad)连续被改良。最终处理以D7-珩磨块托架(FEPA标准)进行。随后获得的石英玻璃空心柱体接下来在氢氟酸蚀刻溶液中被蚀刻几分钟长，在氢氟酸蚀刻溶液中在室温下该蚀刻速率设定为约I μ m/min。
[0053]以此方式，将获得具有约43mm的内直径的石英玻璃空心柱体，该石英玻璃空心柱体以精确的、尺寸稳定的几何形状为特征。
【权利要求】
1.一种用于制造石英玻璃的方法，其方式是，提供具有中轴线(3)的起始柱体(2)，在该起始柱体(2)中借助于围绕水平旋转轴线(4)旋转的钻机产生与中轴线(3)同轴延伸的最终钻孔，或已有的内钻孔被展宽成最终钻孔，该钻机具有钻杆和抗扭地固定在该钻杆处的钻头(I)，其中钻头(I)占据不断变化的钻头位置，所述钻头位置借助于测量设备连续被确定，并且在偏离时引回到额定位置，其特征在于，引回到额定位置包括起始柱体(2)围绕中轴线(3)转动得使得钻头位置到达中轴线(3)的上方。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，起始柱体(2)的转动进行得使得钻头(I)到达额定位置的垂直上方。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，最终钻孔的产生包括工作阶段和至少一个校正阶段，在所述校正阶段中钻头(I)引回到其额定位置，并且起始柱体(2)在工作阶段期间围绕中轴线⑶相对于钻机反向地旋转。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，最终钻孔的产生包括工作阶段和至少一个校正阶段，在所述校正阶段中钻头(I)引回到其额定位置，并且起始柱体(2)在工作阶段期间固定。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，起始柱体(2)是空心柱体，并且在钻削工艺开始前确定空心柱体长度上的径向壁厚走向曲线，并且在引回到钻头位置时考虑这样确定的壁厚谱。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在钻削工艺开始以前就确定中轴线(3)在起始柱体长度上的走向曲线，并且这样确定的中轴线(3)的轴向走向曲线在引回钻头位置时被加以考虑。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在中轴线(3)在起始柱体长度上的非直线的走向的情况下，确定拟合直线，并且为钻机旋转确定与拟合直线同轴的额定旋转轴线。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，起始柱体(2)是空心柱体，并且钻头(I)借助于钻杆拉动穿过空心柱体内钻孔。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于至少一个相机(6)以光学的方式确定钻头位置并且借助于图像处理对所述钻头位置进行分析。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定钻头位置包括起始柱体(2)围绕其中轴线(3)转动，并且钻头位置时时地、但是最迟在钻头⑴每次5cm的进给量以后进行。
【文档编号】B28D5/02GK104203522SQ201380018321
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】R.佐瓦 申请人:赫罗伊斯石英玻璃股份有限两合公司