大長(zhǎng)徑比皮料玻璃管加工工藝研究及應(yīng)用

蘇德坦，孫建寧，陳曉倩，毛漢祺，韓曉明，楊 光，肖 杰，張正君，趙慧民

（1.北方夜視技術(shù)股份有限公司 南京分公司，江蘇 南京 211100；2.江蘇貴研電子有限公司，江蘇 鹽城 224000）

引言

微通道板（microchannel plate，MCP）[1-4]是一種大面陣的真空電子倍增器件，為數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)微的空心玻璃管集合在一起的平行陣列薄片結(jié)構(gòu)，每一空心管通道的作用猶如一個(gè)連續(xù)的打拿級(jí)倍增器。這種器件可以探測(cè)帶核粒子、電子、離子和加速的中性粒子、紫外光子和X 射線，被廣泛應(yīng)用在各類探測(cè)器中。

常規(guī)的還原鉛硅玻璃微通道板（reduced lead silicate glass microchannel plate，RLSG—MCP）[5-6]

制造工藝主要依賴于玻璃多纖維拉制技術(shù)，將熔煉制備的皮料玻璃管以及與之配套的芯料棒一起高溫拉制成單纖維絲，再經(jīng)過(guò)拉復(fù)絲、排屏、壓屏、切片、拋光、腐蝕、氫還原、鍍膜等一系列工藝，直至完成MCP 的制作。芯料棒在整個(gè)制造工藝中相當(dāng)于模具起支撐作用，壓屏完成陣列熔合后，就會(huì)把它去掉，形成所需的空芯列陣。而皮料玻璃是功能性玻璃材料，最終由它經(jīng)過(guò)高溫氫還原提供所須的電子導(dǎo)電電阻和二次電子發(fā)射功能。因此，按照上述RLSG－MCP 制造工藝，皮料玻璃管的質(zhì)量及幾何誤差將影響MCP 通道直徑尺寸誤差，從而影響MCP 增益的均勻性，在像增強(qiáng)器的應(yīng)用中就會(huì)形成輸出像的固定圖案噪聲。目前皮料玻璃管為人工吹管，由于人工操作拉制受力不均勻等各種原因，皮料玻璃管幾何尺寸控制精度較差，其內(nèi)徑、壁厚、直線度、圓度等幾何尺寸變化量只能控制在5%～8%，是提高M(jìn)CP 增益均勻性的瓶頸之一。同時(shí)為滿足大開(kāi)口面積比MCP 提出的薄皮皮料管，在后續(xù)制造工藝中由于皮料壁厚太薄且尺寸一致性較差使局部通道容易出現(xiàn)破損，因此在一定程度上存在發(fā)射點(diǎn)和頂角黑點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)南京理工大學(xué)常本康教授團(tuán)隊(duì)在不改變皮料壁厚的條件下曾采取了多種“擴(kuò)口”技術(shù)[7-10]，將MCP 輸入端的通道口制作成為喇叭狀，使得MCP 的開(kāi)口面積比提高到80%以上，但由于這些“擴(kuò)口”技術(shù)均未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此如何提高皮料管的幾何均勻性是值得研究的課題。

玻璃管的精密加工技術(shù)主要采用精密機(jī)械整形工藝和高溫精密拉制工藝。精密機(jī)械整形屬于冷加工工藝，制作的玻璃管精度是在后續(xù)機(jī)械整形過(guò)程中形成，而高溫精密拉制屬于熱加工工藝，制作的玻璃管精度是在拉制過(guò)程中形成。就加工產(chǎn)品幾何精度而言，兩者在內(nèi)外徑、圓度指標(biāo)上相差不大。精密機(jī)械整形工藝對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的玻璃管加工難度大，而高溫精密拉制工藝很容易生產(chǎn)1 m以上的超長(zhǎng)精密玻璃管。目前國(guó)內(nèi)外精密玻璃管生產(chǎn)企業(yè)采用高溫精密拉制工藝生產(chǎn)的高硼硅玻璃管相對(duì)成熟，但采用該工藝能夠生產(chǎn)高鉛硅玻璃管的企業(yè)鮮見(jiàn)報(bào)道。由于高鉛硅玻璃材料的特殊性，采用高溫精密拉制工藝制作成本極高。

因此，綜合各項(xiàng)因素，本文提出了采用人工吹制皮料毛坯玻璃管，通過(guò)玻璃管機(jī)械整形方法將皮料毛坯玻璃管精密整形，控制皮料管的幾何精度，為提高M(jìn)CP 增益均勻性打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 加工工藝研究

大長(zhǎng)徑比皮料玻璃管的加工難點(diǎn)在于管內(nèi)徑精度控制以及管內(nèi)壁的拋光，通過(guò)粗磨、精磨磨頭逐步擴(kuò)口磨削的方式進(jìn)行內(nèi)孔的擴(kuò)大，直至玻璃表面的毛面狀態(tài)變得細(xì)膩，再通過(guò)拋光磨頭對(duì)玻璃內(nèi)表面加壓的方式進(jìn)行表面平整度的修整，使毛面玻璃表面變得光滑、透明。本文以加工毛坯管尺寸：長(zhǎng)510 mm、24 mm≦內(nèi)徑≦27 mm、外徑≥39 mm 的毛坯管為例，重點(diǎn)敘述皮料管內(nèi)圓精磨和拋光冷加工工藝設(shè)計(jì)。

1.1 管內(nèi)圓精磨加工工藝設(shè)計(jì)

內(nèi)圓精磨是介于滾圓與拋光之間的重要冷加工工序，其目的是保證加工管件達(dá)到拋光前所需要形狀、尺寸精度和表面粗糙度[11-13]。因此，精磨后管件的質(zhì)量對(duì)后續(xù)拋光的影響是非常重要的。大長(zhǎng)徑比皮料玻璃管，內(nèi)孔深度大，壁厚薄，管內(nèi)圓加工面臨炸裂、表面擦傷、表面微裂紋深等一系列難題。由于加工效率在很大程度上會(huì)引起加工質(zhì)量變差，在提高加工效率的同時(shí)保證良好的加工質(zhì)量尤為困難，因此如何提高加工質(zhì)量和加工效率成為亟待解決的問(wèn)題。

管內(nèi)圓精磨加工主要通過(guò)改善機(jī)床加工誤差、對(duì)刀誤差以及設(shè)計(jì)合適的機(jī)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)來(lái)控制加工精度。通過(guò)選用高精度的滾動(dòng)軸承，增加軸承剛度以及提高軸承間相配合表面的加工精度，有效減小主軸徑向圓跳動(dòng)對(duì)機(jī)床加工誤差的影響。使用機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀并結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建待加工管件坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀操作，大幅度提高了對(duì)刀精度。管件裝夾采用液壓夾緊裝置取代手動(dòng)夾緊，有效避免了人為操作夾緊力過(guò)大易造成管件炸裂，過(guò)小加工時(shí)管件易松動(dòng)等影響加工精度的問(wèn)題。

本文采用單因素變量實(shí)驗(yàn)方案，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，選擇磨料粒度為400 目的氧化鋁磨頭和金剛砂磨頭進(jìn)行管內(nèi)圓的加工，每組180 min，每隔30 min 對(duì)管內(nèi)表面進(jìn)行表面質(zhì)量檢測(cè)，表面質(zhì)量隨加工時(shí)間增加的變化關(guān)系如圖1 所示。通過(guò)在同等磨削參數(shù)下使用氧化鋁和金剛砂磨頭的比較，發(fā)現(xiàn)金剛砂磨頭磨削加工性能更好，這與磨粒材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容有關(guān)。由于氧化鋁的磨削溫度高于金剛砂的磨削溫度，在玻璃表層下，溫度難以及時(shí)散熱，這會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，甚至導(dǎo)致亞表面損傷，影響表面質(zhì)量。同時(shí)也可以看到加工初期，隨著加工時(shí)間的增加，玻璃表面粗糙度Ra值不斷減小，但隨著時(shí)間不斷增加，玻璃表面粗糙度Ra值基本保持不變。

圖1 表面粗糙度隨加工時(shí)間變化關(guān)系Fig.1 Relationship between surface roughness and machining time

通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取磨頭轉(zhuǎn)速、背吃刀量、軸向進(jìn)刀速度及金剛砂磨頭粒度4 個(gè)水平因子，對(duì)皮料管內(nèi)圓精磨工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，得出在保證加工質(zhì)量的前提下，加工效率最高的加工工藝參數(shù)。表1 為按照正交試驗(yàn)規(guī)劃方法設(shè)計(jì)的 L16 正交試驗(yàn)水平表，其中S為磨頭轉(zhuǎn)速（r/ min），A為背吃刀量（mm），F(xiàn)為軸向進(jìn)刀速度（mm/min），D為磨頭粒度（目）。為了保證加工質(zhì)量的同時(shí)減少加工時(shí)間，本文采用L16 正交表，將16 個(gè)試驗(yàn)結(jié)果按4 組分別對(duì)應(yīng)各因子的水平，然后將每組的4 個(gè)試驗(yàn)結(jié)果分別相加，所得之和用Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj、Ⅳj表示，其中，j=1，2，3，4。Rj為Ⅰj、Ⅱj、Ⅲj、Ⅳj4 個(gè)數(shù)據(jù)的極差值。

從圖2 正交試驗(yàn)結(jié)果極差值Rj可看出，背吃刀量（A）對(duì)皮料管內(nèi)圓精磨加工時(shí)間的影響最大，其次是磨頭轉(zhuǎn)速（S），再次是磨頭粒度（D），影響最小的是軸向進(jìn)刀速度（F），即RA＞RS＞RD＞RF。如果從加工時(shí)間取最小的原則，選取磨頭轉(zhuǎn)速為1200 r/min，背吃刀量為0.05 mm，軸向進(jìn)刀速度為450 mm/min，磨頭磨粒為200 目，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為最佳，為后續(xù)內(nèi)圓拋光打下良好基礎(chǔ)。

1.2 內(nèi)圓拋光加工工藝設(shè)計(jì)

圖3 為經(jīng)磨削加工后玻璃斷面示意圖。拋光是為了消除玻璃精磨后殘存在凹陷層下表面的裂紋層，以獲得光滑的透明表面[14-16]。本文所述皮料玻璃管內(nèi)表面的拋光實(shí)際為機(jī)械磨削與化學(xué)反應(yīng)共同作用的過(guò)程，玻璃表面在拋光磨頭外加壓力下，受機(jī)械摩擦作用的同時(shí)，水對(duì)皮料玻璃進(jìn)行侵蝕生成硅酸凝膠，拋光粉使凝膠和拋光磨頭表面互相粘結(jié)，當(dāng)拋光磨頭與玻璃內(nèi)表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，凹陷層頂部的硅膠凝膠最先被拋光去除，然后

表1 正交試驗(yàn)水平表Table 1 Orthogonal test level

圖2 L16 正交試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of L16 orthogonal test

圖3 磨削后玻璃斷面示意圖Fig.3 Schematic diagram of glass section after grinding

水與新表面再發(fā)生水解作用，凝膠薄膜被去除，如此反復(fù)，玻璃表面從局部透明逐步擴(kuò)大到全部透明。大長(zhǎng)徑皮料玻璃管內(nèi)圓拋光加工時(shí)玻璃表面質(zhì)量難以控制，常出現(xiàn)表面麻點(diǎn)、擦傷等問(wèn)題。

在內(nèi)圓拋光過(guò)程中，拋光磨頭材質(zhì)、轉(zhuǎn)速、壓力、拋光粉規(guī)格等各種因素對(duì)拋光質(zhì)量及效率都有影響。本文采用單因素實(shí)驗(yàn)方案，控制其他工藝參數(shù)不變，選擇3 種氧化鈰磨料進(jìn)行管內(nèi)圓的拋光。每組300 min，每隔50 min 對(duì)管內(nèi)表面進(jìn)行表面質(zhì)量檢測(cè)，玻璃表面粗糙度隨拋光時(shí)間增加的變化關(guān)系如圖4 所示。隨著拋光時(shí)間的增加，玻璃表面粗糙度Ra值不斷減小，且拋光磨料粒度越小，拋光后玻璃表面粗糙度Ra值越低，拋光效果越好。

圖4 表面粗糙度隨拋光時(shí)間變化關(guān)系Fig.4 Relationship between surface roughness and polishing time

綜合上述因素，針對(duì)大長(zhǎng)徑比皮料管拋光磨頭材質(zhì)選用羊毛氈，拋光粉采用粒徑1.2 μm 氧化鈰，具體工藝參數(shù)及工裝設(shè)計(jì)如下：

1） 工藝參數(shù)?？紤]到加工效率，先使用硬質(zhì)羊毛氈進(jìn)行粗拋，粗拋消耗0.04 mm 的尺寸。使用軟質(zhì)進(jìn)口羊毛氈配合氧化鈰拋光液以轉(zhuǎn)速3 000 r/min 高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行精拋，精拋消耗5 μm 的尺寸，最終皮料管的尺寸變化量控制在1%以內(nèi)，表面粗糙度Ra值有效控制在0.02 μm 以內(nèi)，圖5 為拋光后皮料管內(nèi)表面粗糙度測(cè)試圖。

圖5 拋光后皮料管內(nèi)表面粗糙度測(cè)試Fig.5 Roughness test of inner surface of polished claddingtube

2） 工裝夾具設(shè)計(jì)。為滿足加工管件的光潔度及直線度，工裝夾具采用尼龍配合軸承鋼材料內(nèi)外雙層筒夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既保證管件外部裝夾的穩(wěn)定性，同時(shí)內(nèi)部使用尼龍筒夾直接夾住皮料管，可有效避免玻璃外表面因工裝夾具帶來(lái)的劃痕，減少玻璃表面微裂紋的產(chǎn)生。

2 MCP 性能提升效果分析

由于MCP 是由數(shù)百萬(wàn)個(gè)通道電子倍增器組成的緊湊型二維陣列，若陣列中部分區(qū)域通道直徑存在誤差，將直接影響MCP 增益均勻性，進(jìn)而在像增強(qiáng)器的應(yīng)用中形成了輸出像的固定圖案噪聲。針對(duì)研制高增益、低噪聲的MCP，提高通道直徑誤差尤為重要。因此，基于RLSG－MCP 制造工藝，提高功能材料皮料管的幾何均勻性是整個(gè)研制工作的前提也是關(guān)鍵。本文以制造開(kāi)口面積比為 65%的Φ25 /6 型微通道板為例，主要從MCP 通道陣列一致性、開(kāi)口面積比一致性以及增益均勻性敘述該大長(zhǎng)徑比皮料管加工工藝在RLSG－MCP制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

2.1 MCP 陣列一致性

由于目前人工吹制的皮料管外形尺寸精度控制較差，其幾何尺寸變化量只能控制在5%～8%，芯皮料組成的玻璃預(yù)制棒在拉絲過(guò)程中，單纖維絲絲徑難以控制在±1 μm，復(fù)絲與復(fù)絲之間以及同一復(fù)絲內(nèi)單絲與單絲間絲徑一致性較差，導(dǎo)致在后續(xù)壓屏熱處理過(guò)程中造成MCP 通道陣列結(jié)構(gòu)較差，相鄰復(fù)絲之間容易錯(cuò)位造成復(fù)絲頂角出現(xiàn)“梅花”現(xiàn)象。

圖6 為人工吹制皮料管和機(jī)械加工管試制的Φ25 /6 型微通道板光檢結(jié)構(gòu)顯微圖。由于機(jī)械加工管較人工吹制的皮料管尺寸精度提高20 倍，MCP 陣列一致性較好。

圖6 MCP 光檢結(jié)構(gòu)顯微圖Fig.6 Photomicrograph of MCP

2.2 MCP 開(kāi)口面積比一致性

開(kāi)口面積比為MCP 工作區(qū)的通道開(kāi)口面積與整個(gè)工作區(qū)面積之比，開(kāi)口面積比決定MCP 的探測(cè)效率，并在一定程度上影響MCP 的噪聲因子[2]。MCP 的開(kāi)口面積比可用下式計(jì)算：

式中：ROA為開(kāi)口面積比；dc為通道直徑；P為通道中心距，本文敘述的Φ25 /6 型微通道板開(kāi)口面積比約為65%。由于人工吹制皮料管試制的MCP陣列一致性較差，單復(fù)絲間絲徑存在誤差以及相鄰復(fù)絲間錯(cuò)位造成復(fù)絲邊界受力不均，導(dǎo)致絲徑變形等一系列問(wèn)題，直至芯料腐蝕去除后通道直徑會(huì)存在或多或少的偏差·，從而影響MCP 開(kāi)口面積比的一致性。圖7 為采用人工吹制皮料管和機(jī)械加工管試制的Φ25 /6 型微通道板樣品開(kāi)口面積比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。從圖7 可以看到，采用機(jī)械加工皮料管試制的MCP 開(kāi)口面積比有效控制在65%±1%。

圖7 MCP 開(kāi)口面積比Fig.7 MCP open area ratio

2.3 MCP 增益均勻性

由上述分析可知，皮料管幾何誤差影響MCP陣列、開(kāi)口面積比一致性，因而影響相應(yīng)通道區(qū)域增益均勻性，造成熒光屏上輸出圖像的亮度分布失真。圖8 為采用人工吹制和機(jī)械加工管試制的MCP 在450 V 低電壓下的滿板均勻性測(cè)試圖。從圖8 可以看到，采用人工吹制皮料管試制的MCP局部存在明顯的亮暗區(qū)域，而采用機(jī)械加工皮料管試制的MCP 滿板亮暗程度基本一致，目視幾乎觀察不出增益不均勻現(xiàn)象。

圖8 MCP 增益均勻性測(cè)試圖Fig.8 MCP gain uniformity test chart

3 結(jié)論

本文采用人工吹制的方法生產(chǎn)微通道皮料毛坯玻璃管，通過(guò)選擇合適的冷加工工藝將毛坯玻璃管精密整形，實(shí)現(xiàn)皮料玻璃管的尺寸變化量有效控制在1%以內(nèi)，表面粗糙度Ra值有效控制在0.02 μm 范圍內(nèi)。通過(guò)制造Φ25 /6 型微通道板制板試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，減小皮料玻璃管的幾何尺寸偏差在一定程度上提高了MCP 陣列一致性、開(kāi)口面積比一致性以及增益均勻性，這對(duì)從事制造高增益、低噪聲MCP 的研究具有較好的借鑒作用。