馬敏莉

(南通職業(yè)大學(xué)，江蘇南通 226002)

光纖預(yù)制棒切割專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)

馬敏莉

(南通職業(yè)大學(xué)，江蘇南通 226002)

根據(jù)光通訊材料的特點(diǎn)、光纖預(yù)制棒制造企業(yè)要求，分析光纖預(yù)制棒切割專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了光纖預(yù)制棒切割專(zhuān)機(jī)，確保了加工質(zhì)量及效率，在一年多的實(shí)際應(yīng)用中其技術(shù)得到了充分驗(yàn)證。

光纖預(yù)制棒;切割專(zhuān)機(jī)

國(guó)際上光纖材料制作至今已有近30年的歷史，我國(guó)近幾年才開(kāi)始生產(chǎn)光纖預(yù)制棒，生產(chǎn)設(shè)備包括光纖預(yù)制棒切割機(jī)等輔助設(shè)備基本從日本等國(guó)家引進(jìn)。近兩年，光纖生產(chǎn)的輔助設(shè)備轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，但效果不理想。2010年，作者受某光纖材料制造公司委托自主研發(fā)生產(chǎn)光纖預(yù)制棒切割專(zhuān)機(jī)。根據(jù)光通訊材料的特點(diǎn)、光纖預(yù)制棒制造企業(yè)要求，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了光纖預(yù)制棒切割專(zhuān)機(jī)，確保了加工質(zhì)量及效率，在一年多的實(shí)際應(yīng)用中其技術(shù)得到了充分驗(yàn)證。

1 設(shè)計(jì)要求分析

1.1 光通訊材料特點(diǎn)分析

光纖預(yù)制棒主要是利用氣相沉積工藝將原料氣體SiCl4和O2在加熱時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成SiO2沉積熔融而成，其材料為純SiO2［1］，屬于石英玻璃材料，是一種堅(jiān)硬難溶的脆性材料，其化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，不溶于水也不跟水反應(yīng);其硬度為摩氏硬度5.5～6.5，抗拉強(qiáng)度4.8×107Pa，抗壓強(qiáng)度大于1.1×107Pa。

1.2 光纖預(yù)制棒制造企業(yè)要求

為了適應(yīng)不同規(guī)格的光纖預(yù)制棒切割，保證切割質(zhì)量，提高切割效率，在切割專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，除了可靠性要求外顧客還提出了以下幾項(xiàng)技術(shù)要求:

(1)加工尺寸:直徑:φ30～φ50 mm;長(zhǎng)度:300～2 700 mm。

(2)加工要求:將上述尺寸范圍內(nèi)的光纖預(yù)制棒切斷，要求切斷面光滑，表面粗糙度Ra≤6.3μm，崩邊不大于0.2 mm。

(3)機(jī)床主機(jī)占地長(zhǎng)度1 200～1 300 mm，滾輪頂部至地面高度850～900 mm，寬度600～700 mm(不作硬性要求)，加工棒料底部高出工作臺(tái)面5～10 mm等。

2 切割專(zhuān)機(jī)的設(shè)計(jì)及難點(diǎn)

在保證切割機(jī)安全可靠、換刀便捷的前提下，完成不同直徑規(guī)格的切割，并確保切斷面質(zhì)量，是該專(zhuān)用機(jī)床的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，機(jī)床各部件必須相互協(xié)調(diào)完成較為復(fù)雜的動(dòng)作。如何使機(jī)床具備可靠地完成這些動(dòng)作的功能是該專(zhuān)用機(jī)床要解決的主要問(wèn)題之一。同時(shí)如何保證各部件有足夠的承載能力，達(dá)到運(yùn)動(dòng)部件既要運(yùn)動(dòng)靈活又要與床身之間有足夠的接觸剛度是該專(zhuān)用機(jī)床要解決的另一個(gè)主要問(wèn)題。另外由于預(yù)制棒在加工時(shí)為多品種生產(chǎn)，各品種間更換加工時(shí)，要求機(jī)床調(diào)整方便快速。如何縮短機(jī)床調(diào)整、上下料等輔助時(shí)間也是該專(zhuān)用機(jī)床要解決的問(wèn)題。

3 專(zhuān)機(jī)的布局與功能

設(shè)計(jì)該專(zhuān)用機(jī)床時(shí)綜合考慮整體剛性、加工適應(yīng)范圍、操作等因素，采用立式平面布置。機(jī)床主要由支撐架部件、滑動(dòng)部件、運(yùn)動(dòng)部件、機(jī)架部件等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)示意圖1。工作時(shí)，將被切割光纖預(yù)制棒輕輕擱置在機(jī)床兩邊工作臺(tái)尼龍滾輪上，根據(jù)切割長(zhǎng)度，調(diào)整好光纖預(yù)制棒的軸向位置后，將光纖預(yù)制棒切斷。

圖1 光纖預(yù)制棒切割機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)床完成設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵動(dòng)作:(1)將不同規(guī)格的光纖預(yù)制棒在切割前準(zhǔn)確定位;(2)切斷工件。

4 光纖預(yù)制棒切割專(zhuān)機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

4.1 滑動(dòng)部件

滑動(dòng)部件是在不同規(guī)格預(yù)制棒切割時(shí)起輸送和定位作用，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)示意圖2。

圖2 滑動(dòng)部件結(jié)構(gòu)示意圖

不同規(guī)格的光纖預(yù)制棒在切割前可通過(guò)工作臺(tái)上的直柱型樹(shù)脂滾輪6(φ60、φ70 mm兩種規(guī)格)、滾輪軸12、滾輪支架2、擋塊5實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位;滾輪支架零件圖見(jiàn)圖3，有80、105 mm兩個(gè)輪槽高度;當(dāng)需切割 φ30～φ50 mm光纖預(yù)制棒時(shí)，將φ70 mm滾輪部件裝在80 mm高度的輪槽中可實(shí)現(xiàn)完全切斷工件;當(dāng)需加工φ150 mm光纖預(yù)制棒時(shí)，將φ60 mm滾輪部件裝在105 mm高度的輪槽中即可;光纖預(yù)制棒切割使用滾子直徑與輪槽高度對(duì)照見(jiàn)表1。

圖3 滾輪支架零件圖

表1 光纖預(yù)制棒切割使用輥?zhàn)又睆脚c輪槽高度對(duì)照表 mm

為了保證滑動(dòng)部件在工作時(shí)能輕松滑動(dòng)，保證切斷面質(zhì)量，在保證專(zhuān)機(jī)可靠及成本相對(duì)較低的情況下，設(shè)置兩導(dǎo)輪副、上導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌，其導(dǎo)輪軸29通過(guò)軸承26與導(dǎo)輪25配合直接在兩下導(dǎo)軌23上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件的輸送;另一端通過(guò)軸承26直接與兩上導(dǎo)軌30配合，實(shí)現(xiàn)工件輸送的平穩(wěn)性;裝配時(shí)要求兩導(dǎo)輪在下導(dǎo)軌上行走平穩(wěn)、同步、無(wú)卡阻現(xiàn)象，在下導(dǎo)軌上行走無(wú)振動(dòng)、擺動(dòng)現(xiàn)象。

4.2 運(yùn)動(dòng)部件

運(yùn)動(dòng)部件是為專(zhuān)機(jī)提供動(dòng)力，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)示意圖4。為了使主軸能保證在高切削力時(shí)無(wú)振動(dòng)地運(yùn)行，選用Y90L-4電機(jī)，機(jī)床鋸片軸22由電機(jī)9、2根V型三角帶30直接帶動(dòng)，其特點(diǎn)振動(dòng)小、噪聲低、切割平穩(wěn)。鋸片主軸轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為2 000 r/min。

圖4 運(yùn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證切斷面質(zhì)量，裝配時(shí)可通過(guò)調(diào)整軸承拼緊螺母使鋸片主軸軸向、徑向間隙不大于0.02 mm。

為了使更換鋸片安全、快捷，在鋸片軸上設(shè)計(jì)了一個(gè)φ16 mm孔，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。換鋸片時(shí)，可用一撬棒 (附件)從機(jī)床的正面機(jī)座孔向內(nèi)插入直至鋸片主軸φ16 mm孔中 (如插不進(jìn)，可旋轉(zhuǎn)鋸片)，拆下工作臺(tái)上蓋板，再用扳手拆下壓緊螺母 (右旋)，取下舊鋸片，換上新鋸片，將壓緊螺母壓緊后拔出撬棒即可。

圖5 鋸片軸零件圖

4.3 支撐架部件

支撐架部件主要起輔助支撐作用，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。當(dāng)加工的預(yù)制棒長(zhǎng)度超過(guò)一定尺寸時(shí)，可調(diào)整矩形螺母11、蝶形螺釘12，使輔助支撐處于適合工件直徑的支撐高度。

圖6 支撐架部件結(jié)構(gòu)圖

5 鋸片與切削液的選擇

5.1 鋸片的選擇

目前，市面上的鋸片主要有高速鋼鋸片、整體硬質(zhì)合金鋸片、鎢鋼鋸片、鑲齒合金鋸片、金剛石鋸片等。因光纖預(yù)制棒的硬度達(dá)摩氏硬度5.5～6.5，僅次于金剛石，故選用金剛石圓鋸片，尺寸確定為φ300 mm×φ60 mm×1.8 mm。

5.2 切削液的選擇

光纖預(yù)制棒屬于石英玻璃材料，是一種堅(jiān)硬難溶的脆性材料，其化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，不溶于水也不跟水反應(yīng)，故直接選擇水為切削液。

6 結(jié)論

光纖預(yù)制棒切割專(zhuān)機(jī)的設(shè)計(jì)，基于對(duì)目標(biāo)工件材料性能、制造企業(yè)要求的仔細(xì)分析，找出其設(shè)計(jì)要點(diǎn)和難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)機(jī)床整體結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行分析，采用了來(lái)自生產(chǎn)一線的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及一系列新技術(shù)、新方法、新結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)目標(biāo)得以合理充分地實(shí)現(xiàn)。

該專(zhuān)機(jī)于2010年樣機(jī)試制以來(lái)，已進(jìn)入小批生產(chǎn)階段。一年多的實(shí)際使用證明:該專(zhuān)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好，操作便捷，顧客較為滿意。

【1】王智，張勁松，吳重慶，等.光纖預(yù)制棒工藝的能量分析［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，6(3):42 －44.

【2】成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

【3】現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

【4】趙如福.金屬切削工藝人員手冊(cè)［M］.4版.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006.

Design of Cutting Special Machine for Optical Fiber Perform

MA Minli
(Nantong Vocational College，Nantong Jiangsu 226002，China)

The key technology and key design points about the optical fiber preform cutting specialmachine design were introduced according to the characteristics of opticalmaterials and optical fiber preform manufacturing enterprises demands.The fiber preform cutting specialmachinewas designed targeted.The processing quality and efficiency are ensured.The technology is fully validated in more than a year of practical application.

Optical fiber perform;Cutting specialmachine

TH122

A

1001－3881(2013)8－039－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.015

2012－02－27

馬敏莉 (1965—)，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。E－mail:symmlsj@163.com。