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光缆薄壁套管生产工艺分析

发表时间：2021/4/15 来源：《基层建设》2020年第32期作者：李东奇1 李森2

[导读] 摘要：本文介绍了微型薄壁PBT套管的生产工艺方法。

        1身份证号码：41042219900413xxxx；2身份证号码：41138119890903xxxx
        摘要：本文介绍了微型薄壁PBT套管的生产工艺方法。在气吹敷设微型光缆的生产过程中，通过调试套塑用PBT材料、优化挤塑模具配置和纤膏的填充工艺等，克服了微型薄壁套塑生产遇到的技术问题，完成对微型薄壁套管的生产调试，形成稳定的工艺方法，提高生产效率和产品合格率。
        关键词：PBT；光纤余长；模具配置；纤膏粘度；气吹微缆
        1 引言
        随着光通信网络建设规模的快速发展，光缆敷设路由资源变得稀缺，提高同一管道路由中的光纤光缆密度变得非常重要。在光纤网络建设中采用通信用气吹微缆产品系统，可以改善施工效率，提高路由中光纤光缆的容量。为适应通信用气吹微缆产品系统的发展，光缆生产企业开发了不同形式的气吹微缆产品，在层绞式气吹微缆的生产加工中，12芯光纤二次套塑的外径已经减小到Ø1.4mm以下，松套管呈现微型薄壁特征，薄壁套管的生产工艺成为层绞式微缆产品生产的关键技术。
        在试制层绞式气吹微缆产品过程中，套塑环节的不合格现象主要表现为套管几何结构不稳定，外径波动大；光纤余长控制困难；附加损耗严重超标；套管壁厚控制困难，抗侧压强度达不到设计要求等。我对调试过程中发现的不合格现象进行分析，通过多方面的工艺试验，完成了气吹微缆试制工作，本文依据挤塑模具配置，材料选择，光纤余长控制等工艺试验，探讨薄壁套管的生产工艺方法。
        2.薄壁套管设计
        在层绞式微缆设计中，为最大限度地减小光缆结构，光纤二次套塑的结构外径典型值为Ø1.40mm，套管外径减小必然要求套管壁厚减小。在设计光纤二次套塑套管，依据所用光纤的型号确定套管的内径，根据套管耐侧压性能，设计套管的壁厚。我们根据常规着色光纤，着色外径Ø0.254mm，单管含12芯全色谱光纤。光纤束在套管中的空间占比达到86%，对于套管的生产控制提出很高的要求。
        3.套管材料的特性
        为保证薄壁套管的抗侧压性能，除工艺因素影响外，材料的物性是决定套管侧压性能的主要因素，可选择具有较高强度的原材料，满足套管抗侧压的要求。在试制微型薄壁套管中，调试了常规光缆使用的PBT材料，由于加工特性和强度的差异，几个样品的抗侧压力性能不能达到设计要求。为此，选择邵氏硬度相对高，线胀系数相对小的PBT材料，提高了套管的抗侧压性能，满足设计要求。
        4.模具配置
        熔体破裂是指聚合物熔体在导管中流动时，如剪切速率大于某一极限值，往往产生不稳定流动，挤出物表面出现凹凸不平或外形发生竹节状、螺旋状等畸变．以至支离、断裂。若薄壁套管生产中，PBT熔体在模具定径区域的流动速度过高，可能会出现熔体破裂现象，考虑生产线的生产速度和产品的稳定性，应避免出现熔体破裂。要保证薄壁套管的结构尺寸稳定，熔体在拉伸过程中应保证等比变形，套管外径、内径、壁厚三个指标同步实现。
        为提高微型薄壁套塑的生产速度效率，在配置模具时，重点考虑熔体拉伸比和拉伸平衡指标。如果模具按照小拉伸比配置，熔体出模具口时由于压力高，流速快，容易造成熔体破裂现象，而且难以调节光纤的占位。而常用大拉伸比配置，熔体拉伸成形需要较长的拉锥，熔体由于自重下垂挂光纤而外径波动。参考普通光缆产品的套塑生产经验，结合微型薄壁套管的结构特点，通过实际生产试验，优化了拉伸比（DDR）S，其典型值在12到18之间。为保证套管环壁厚度均匀稳定，设计模具拉伸平衡比K=1。此外，为保证外径、内径和壁厚同步达标，重点设计套管内腔的成形拉伸比Sn，并且使Sn=S。设成形套管外径Dt，套管内径dt，挤塑模具配置如图1所示。

        图1：模具配置示意图
        5.套塑余长的控制
        光缆生产中，套塑工序光纤余长的控制技术是光缆生产工艺技术的关键技术，光纤余长的大小直接影响光缆产品的环境性能和机械性能，余长大时，光缆容易出现低温性能不合格，而余长小，则光缆的拉伸性能易出现不合格。分析气吹微缆的敷设和使用场境，保证环境性能指标尤其是低温时的指标显得十分重要。
        按照套管结构设计结果，微型薄壁套管标称内径Ø1.14mm，而光纤束等效外径达到Ø1.02mm，光纤在套管中的活动空间很小，光缆的生产过程中和使用中，为保证环境性能的稳定可靠，在套塑工序中，控制小余长是套塑的关键技术。分析小直径薄壁套管的结构特征，套管结晶均匀，冷却充分，稳定性较好，适当增加光纤张力，控制冷却水温度和纤膏粘度，调节光纤余长在0‰～0.2‰。余长大于这个范围，套塑测试损耗容易超标，影响后工序控制和成品的质量性能。
        6.挤出模具温度的影响
        薄壁套管的生产过程特点是熔体拉伸比较大，熔体的粘度变化对拉伸过程影响明显，温度过高时，熔体粘度小，熔体强度降低，容易出现过拉伸，套管外径偏小甚至不能正常拉伸成形。熔体温度过低，熔体在拉伸过程流动性降低，熔体强度高甚至成粘弹性，套管拉伸外径偏大，壁厚变大，出现外径波动甚至断裂。根据不同PBT物料特性，优化设置模具温度在250℃到260℃之间。外界气温的波动导致模具温度和熔体拉伸变形不稳定，这也是值得关注并防范的影响因素。
        7.纤膏温度的影响
        在12芯套塑生产过程中，由于薄壁套管内径小，为保证光纤束在模具的中心位置，避免光纤擦挂套管，光纤束进入纤膏填充模具时光纤排列紧密，纤膏填充过程排除空气比较困难，在生产线速度较高的情况下，容易出现充填纤膏中夹带大量的空气进入套管，可以观察到有断续的空气节，套管中纤膏的填充度直接影响套塑工序的质量，以及影响光缆成品的各项指标。由于套管壁厚小，在温水槽中，填充的纤膏中夹带的空气量较多时，气体受到加热体积膨胀，套管内压增加导致套管局部膨胀，外径变大，壁厚变小造成套管不合格。为克服纤膏填充度不足的问题，调试不同的纤膏温度的套管质量，对纤膏输送管道控温加热，降低纤膏的粘度，明显改善套管中纤膏的填充度，消除长段空气节现象。由于套管薄壁的特点，PBT熔体冷却结晶的过程与常规套管的对比，纤膏的温度对薄壁套管的结晶影响比较明显，适当提高纤膏的温度，可以改善结晶过程，提高套管材料的结晶度和结晶均匀性。提高纤膏温度，降低了纤膏的粘度，减小了光纤余长。在实践中，纤膏的温度与热水区水温相当时，可以取得较为理想的效果。
        8.测试结果
        通过多次调试，优化模具配置、模具温度、纤膏温度和光纤张力等，生产的微型薄壁12芯套管符合设计要求，全部合格，批量生产的套管合格率100%。通过成缆、护套等工序，成品光缆检测合格，型式试验合格。
        9.结论
        通过优化模具配置，在设计模具时，加大了拉伸比，并关注套管内腔的成形拉伸比与环壁的拉伸比相同，避免高速生产时的熔体破裂，保证微型薄壁套管的几何尺寸要求，套管的结构尺寸稳定。
        生产微型薄壁套管，对PBT材料有特别要求，选择高强度和硬度的材料才能保证套管的抗侧压性能和后续工序的质量。
        对纤膏的输送管道控温加热，降低了纤膏的粘度，提高纤膏的填充度，减少套管中光纤带入的空气，对保证套管外径和壁厚有明显作用。纤膏温度与热水段的温度相当，延长了套管壁的结晶时间，增加套管的结晶度，进而提升套管的稳定性和抗侧压性能。为保证套管中光纤余长满足设计要求，适当增加光纤的放线张力，减小纤膏粘度，配合调节冷却水温度，控制光纤余长在零余长区间。
        参考文献：
        [1]杨俊生.薄壁套管零件的加工[J].航天工艺，1998，05（5）：40-40.
        [2]李佳文.数控车床加工薄壁零件的工艺浅析[J].幸福生活指南，2018，000（002）：12-14.
        [3]杨茜，周勇.GH4145合金薄壁套管成形工艺研究[J].中国科技博览，2013（28）：6-6.