一种玻璃容器的精密加工装置及方法

技术领域

本发明属于玻璃制品加工领域，具体涉及一种玻璃容器的精密加工装置及方法。

背景技术

目前常见玻璃容器的加工方式主要为压-吹法和吹-吹法，可参考专利CN104556637A、CN108059323A，两种方式的最终形状均依赖特定的成型模具，无法灵活地加工各种尺寸和形状的玻璃容器，且成型的玻璃容器厚薄均匀度与表面光洁度难以得到保障，而形状不依赖于成型模具的特定尺寸的玻璃容器通常由人工吹制。

不同材质的玻璃具有不同的成分及含量，因此通常具有不同的成型条件。牌号为GE180的特种玻璃是一种特殊的硅酸铝盐特种玻璃，其材料的高致密度(2.76g/cm3)可实现对所封装的惰性气体有极低的漏气速率，且该玻璃中硼的含量极低，特别适用于中子极化装置所需的氦三玻璃气室，因为它不会引起由于玻璃(普通玻璃中通常含硼)对中子的吸收而造成的中子个数的损失。然而GE180特种玻璃的加工难度极大，工艺要求极高：该特种玻璃较大多数普通玻璃而言，其软化温度更高(1015℃，常用的Pyrex玻璃软化温度为821℃)，软化后的流动性差，且容易因加热时温度不均匀而碎裂，由此使用该种材质的玻璃气室的加工技术在国内一直是中子极化领域的一项卡脖子技术。目前国际上使用GE180玻璃制作气室的主流方法均为人工吹制玻璃管的方式，该过程通常需要操作人长时间(几分钟以上)的吹气以便将直径15mm或25mm的玻璃管扩至50-100mm，因此人工吹制的气室容易受到人在吹气时呼吸变化的影响，管壁上会有与呼吸节奏对应的条纹，影响产品的光学性质，且容易因人工吹制过程中对气压控制不精确造成加工瑕疵或失败，加工成本高且成品率低。

发明内容

本发明针对以上不足和存在的实际问题提出了一种适用于各种玻璃材质的，特别是牌号为GE180的特种玻璃的玻璃容器加工成型的方法及装置。

本发明适用于一种玻璃容器的精密加工装置，其特征在于，精密加工装置包含玻璃车床、吹气压力接口、氢氧焰喷灯、带孔硅胶塞、卡盘、细玻璃管、实心硅胶塞、石墨轮、旋转主轴；所述玻璃车床两端安装设置具有可移动的承载工件，一端承载工件上安装设置有所述带孔硅胶塞、一个所述卡盘、细玻璃管、所述实心硅胶塞；另一端承载工件上安装设置有所述吹气压力接口与另一所述卡盘；吹气压力接口与压力控制系统出口相连。

进一步的，所述压力控制系统包括空压机、气压控制阀门、微压力表、PID控制器、压力控制系统出口、泄压阀门；所述空压机产生压缩空气，压缩空气通过所述气压控制阀门和所述泄压阀门调节至所需压力，最终通过所述压力控制系统出口输出，所述微压力表用于测量所述压力控制系统出口输出的气压，所述PID控制器根据气压测量结果调整所述气压控制阀门的开启大小，实现稳定的吹气压力。

同时，本发明还适用于采用本发明记载的玻璃容器的精密加工装置的玻璃容器的精密加工方法，其特征在于，步骤包括：

S1)装夹玻璃管原料；

进一步的，步骤S1)包括将玻璃管原料安装到玻璃车床上，并在玻璃管原料两端安装，细玻璃管插入带孔硅胶塞的孔洞中与玻璃管原料内部连通，使用实心硅胶塞封闭一端的细玻璃管，另一端的细玻璃钢与吹气压力接口相连，吹气压力接口再与压力控制系统出口相连。

S2)气密性检查；

进一步的，步骤S2)包括空压机产生压缩空气，压缩空气通过气压控制阀门和泄压阀门调节至所需压力，最终通过压力控制系统出口输出，微压力表用于测量压力控制系统出口输出的气压，PID控制器根据气压测量结果调整气压控制阀门的开启大小，实现稳定的吹气压力。

进一步的，通过调节泄压阀门确定最大压力Pmax，通过调节气压控制阀门可以使压力控制模块输出的吹气压力Pout为0-Pmax之间的任意值。

进一步的，例如开启空压机，调节气压控制阀门使微压力表示数到达预定压力P1,然后取下实心硅胶塞后检查微压力表示数P2。如果P2/P1等于某一比例(例如25％),则判定达到气密；如果大于该比例，则有漏气，需要调整硅胶塞直至达到气密。

S3)软化扩管；

进一步的，步骤S3)包括开启玻璃车床，使玻璃管原料以50r/min-200r/min的转速旋转，打开氢氧焰喷灯并向左匀速移动加热，促使玻璃管原料在旋转状态下被氢氧焰自右向左软化，同时通过稳定的吹气压力使玻璃管原料加热软化的部分持续膨胀，车床右边的卡盘在转动的同时匀速向左移动，使玻璃管软化扩张部分的材料增加，使已完成扩管部分的壁厚保持一致；软化膨胀的玻璃接触下方的石墨限位轮时达到所需的扩管尺寸，通过设置石墨限位轮的转速，其与玻璃接触处保持同样的线速度，避免拖拽软化的玻璃管。在软化扩管过程中，石墨限位轮与喷灯以相同速度匀速向左移动。扩管过程中，通过石墨限位轮的限位使玻璃管外径精确地保持一致，通过稳定的吹气压力使玻璃管的壁厚保持一致。由此确保玻璃管壁的均匀度、表面平整度和光学质量。

S)封底；

进一步的，步骤S4)包括在玻璃管旋转的状态下，将氢氧焰喷灯的火焰在欲封底的位置从高于玻璃管的位置开始自上而下持续加热，使玻璃管侧面的材料软化收缩，直至汇聚到中心点，并在该处分为左右两段；此时增大玻璃管转速并使火焰位置向成型的玻璃容器方向稍作移动，用更大的离心力使玻璃容器底部形成厚度均匀的平面，完成封底。

本发明具有以下有益效果：

可加工任意直径和长度的圆柱形玻璃容器，加工成型的玻璃容器可达到良好的几何形状和光学性质，其成品可用于充装高纯度气体，例如氦，氩、氪、氙等惰性气体和钠、钾、铷等碱金属蒸气。该方法提高了被加工玻璃容器的加工精度、表面平整度和光学性质，封装上述气体后所制成的玻璃气室可实现气体的激光光谱分析及基于量子跃迁的精密测量。

尤其是，通过设置石墨轮的转速，其与玻璃接触处保持同样的线速度，避免拖拽软化的玻璃管；在此过程中，车床右边的卡盘在转动的同时匀速向左移动，使玻璃管软化扩张部分的材料增加，避免扩管后的壁厚变薄。扩管过程中，通过始末滚轮的限位使玻璃管外径精确地保持一致，通过稳定的吹气压力使玻璃管的壁厚保持一致。由此确保玻璃管壁的均匀度、表面平整度和光学质量。

附图说明

图1为本发明用于玻璃容器的精密加工方法所需装置的结构图；

图2为本发明中用于提供可调的、稳定压力的吹气压力控制系统；

图3为本发明中人工吹气与采用本发明装置自动吹气的效果及测量结果对比图；

图中，101.玻璃车床102.吹气压力接口103.玻璃管原料104.氢氧焰喷灯105.带孔硅胶塞106.卡盘107.细玻璃管108.实心硅胶塞109.石墨轮110.旋转主轴201.空压机202.气压控制阀门203.微压力表204.PID控制器205.压力控制系统出口206.泄压阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

实施例一

本发明适用于一种玻璃容器的精密加工装置，其特征是，精密加工装置包含玻璃车床(101)、吹气压力接口(102)、氢氧焰喷灯(104)、带孔硅胶塞(105)、卡盘(106)、细玻璃管(107)、实心硅胶塞(108)、石墨轮(109)、旋转主轴(110)；所述玻璃车床(101)两端安装设置具有可移动的承载工件，一端承载工件上安装设置有所述带孔硅胶塞(105)、一个所述卡盘(106)、细玻璃管(107)、所述实心硅胶塞(108)；另一端承载工件上安装设置有所述吹气压力接口(102)与另一所述卡盘(106)；吹气压力接口(102)与压力控制系统出口(205)相连。

进一步的，所述压力控制系统包括空压机(201)、气压控制阀门(202)、微压力表(203)、PID控制器(204)、压力控制系统出口(205)、泄压阀门(206)；所述空压机(201)产生压缩空气，压缩空气通过所述气压控制阀门(202)和所述泄压阀门(206)调节至所需压力，最终通过所述压力控制系统出口(205)输出，所述微压力表(203)用于测量所述压力控制系统出口(205)输出的气压，所述PID控制器(204)根据气压测量结果调整所述气压控制阀门(202)的开启大小，实现稳定的吹气压力。

实施例二

本发明还提供一种采用本发明记载的玻璃容器的精密加工装置的玻璃容器的精密加工方法，其特征是，步骤包括：

S1)装夹玻璃管原料；

进一步的，步骤S1)包括将玻璃管原料(103)安装到玻璃车床(101)上，并在玻璃管原料两端安装，细玻璃管插入带孔硅胶塞(106)的孔洞中与玻璃管原料(103)内部连通，使用实心硅胶塞(108)封闭一端的细玻璃管，另一端的细玻璃钢与吹气压力接口(102)相连，吹气压力接口(102)再与压力控制系统出口(205)相连。

具体的，可以将直径25毫米、壁厚1.4毫米的GE180特种玻璃管原料(103)安装到玻璃车床(101)。

S2)气密性检查；

进一步的，步骤S2)包括空压机(201)产生压缩空气，压缩空气通过气压控制阀门(202)和泄压阀门(206)调节至所需压力，最终通过压力控制系统出口(205)输出，微压力表(203)用于测量压力控制系统出口(205)输出的气压，PID控制器(204)根据气压测量结果调整气压控制阀门(202)的开启大小，实现稳定的吹气压力。

进一步的，例如开启空压机(201)，调节气压控制阀门(202)使微压力表示数到达预定压力P1,然后取下实心硅胶塞(108)后检查微压力表示数P2。如果P2/P1等于某一比例(例如25％),则判定达到气密；如果大于该比例，则有漏气，需要调整硅胶塞(108)直至达到气密。

进一步的，通过调节泄压阀门确定最大压力Pmax，通过调节气压控制阀门可以使压力控制模块输出的吹气压力Pout为0-Pmax之间的任意值。

S3)软化扩管；

进一步的，步骤S3)包括开启玻璃车床(101)，使玻璃管原料(103)以50r/min-200r/min的转速旋转，打开氢氧焰喷灯(104)并向左匀速移动加热，促使玻璃管原料在旋转状态下被氢氧焰自右向左软化，同时通过稳定的吹气压力使玻璃管原料(103)加热软化的部分持续膨胀，车床右边的卡盘在转动的同时匀速向左移动，使玻璃管软化扩张部分的材料增加，使已完成扩管部分的壁厚保持一致；软化膨胀的玻璃接触下方的石墨限位轮(109)时达到所需的扩管尺寸，通过设置石墨限位轮的转速，其与玻璃接触处保持同样的线速度，避免拖拽软化的玻璃管。在软化扩管过程中，石墨限位轮与喷灯以相同速度匀速向左移动。扩管过程中，通过石墨限位轮的限位使玻璃管外径精确地保持一致，通过稳定的吹气压力使玻璃管的壁厚保持一致。由此确保玻璃管壁的均匀度、表面平整度和光学质量。

具体的，可以设置软化过程中玻璃管转速为100r/min，氢氧焰和石墨限位轮向左移动的速度为40mm/min，车床右端卡盘向左移动的速度为10mm/min；开始扩管时需仔细地缓慢调节火焰高度，避免玻璃管原料过热而破损。

具体的，可以设置扩管过程中每次降低石墨轮(109)3mm，使玻璃管直径扩大6mm，玻璃管软化膨胀至左端接近车床卡盘时完成一轮扩管，此时关闭氢氧焰，将氢氧焰喷灯与石墨限位轮重新移动至玻璃管右端开始新的一轮扩管；扩管7次后玻璃管直径扩大为67mm。

S)封底；

进一步的，步骤S4)包括在玻璃管旋转的状态下，将氢氧焰喷灯的火焰在欲封底的位置从高于玻璃管的位置开始自上而下持续加热，使玻璃管侧面的材料软化收缩，直至汇聚到中心点，并在该处分为左右两段；此时增大玻璃管转速并使火焰位置向成型的玻璃容器方向稍作移动，用更大的离心力使玻璃容器底部形成厚度均匀的平面，完成封底。

具体的，可以设置玻璃管初始转速为50r/min。逐渐降低氢氧焰喷灯(104)火焰高度至软化的玻璃材料收缩到中心汇聚后，增大玻璃管转速并使火焰位置向成型的玻璃容器方向稍作移动，用更大的离心力使玻璃容器底部形成厚度均匀的平面。两端封底后即完成了所需长度的直径67mm特种玻璃容器。

本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。