陳 兵，舒啟林，劉新偉

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

光纖端面透鏡微磨削加工角度試驗(yàn)研究*

陳 兵，舒啟林，劉新偉

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

光纖端面透鏡是重要的耦合器件之一，而光纖端面透鏡的形狀是影響光纖耦合的主要原因。文章在分析傳統(tǒng)光纖透鏡傳統(tǒng)加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了用微磨削加工光纖透鏡的方法。并著重對(duì)光纖在磨削過(guò)程中角度的變形進(jìn)行研究。該試驗(yàn)利用125μm的單模光纖進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，通過(guò)力學(xué)分析光纖在加工過(guò)程中進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)數(shù)、懸伸長(zhǎng)度等因素對(duì)光纖加工角度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明使用微磨削加工光纖端面透鏡，在一定范圍內(nèi)光纖的懸伸長(zhǎng)度、進(jìn)給速度與角度成正相關(guān)關(guān)系，主軸速度與光纖角度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

光纖耦合；光纖透鏡；單模光纖；加工角度

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)信息量的需求不斷增加，光纖加工技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，從而使的光纖端面加工技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展[1]。為了提高光纖的耦合效率，人們需要制造出優(yōu)質(zhì)的光纖端面，目前常用的方法是傳統(tǒng)光纖透鏡加工方法。主要包括：光纖研磨拋光、光纖熔融拉錐、光纖化學(xué)腐蝕技術(shù)[2]。光纖研磨拋光因在研磨制備的過(guò)程比較復(fù)雜，同時(shí)成本也比較高，成品率很低等主要問(wèn)題，使其應(yīng)用受到了限制[3]。光纖熔融拉錐是把光纖按照一定的方法排布在火焰二氧化碳激光器或者加熱電弧等高溫作用下拉伸光纖。由于拉錐過(guò)程中必須保證光纖的拉伸速度以及濕度場(chǎng)的穩(wěn)定才能確保光纖器件性能的一致性[4]。光纖化學(xué)腐蝕主要是通過(guò)調(diào)節(jié)光纖和腐蝕性溶液的作用時(shí)間、加熱溶液的溫度、腐蝕液的流速以及將光纖浸入溶液的深度等制作不同形狀、尺寸的光纖端面[5]，這種方法生產(chǎn)效率高、適合大批量的生產(chǎn)。然而光纖的化學(xué)腐蝕與腐蝕劑的濃度、溫度、以及腐蝕劑的流速等參數(shù)有關(guān)，化學(xué)腐蝕工藝控制不好，會(huì)致使光纖腐蝕的損耗大大的增加，嚴(yán)重影響光纖器件的應(yīng)用[6]。針對(duì)目前人們對(duì)光纖的需求不斷增加，質(zhì)量要求不斷提高，本文提出了光纖微磨削加工，通過(guò)采用0.9mm的微磨棒加工不同角度的光纖。通過(guò)對(duì)進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)數(shù)以及懸伸長(zhǎng)度等因素的探討研究這些因素與加工角度之間的關(guān)系，從而利用這些規(guī)律，以提高光纖的表面形狀質(zhì)量[7]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與條件

本試驗(yàn)采用自行研制的桌面化微磨床對(duì)光纖端面進(jìn)行加工，如圖1所示。該機(jī)床為四軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，主要實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給臺(tái)的左右、上下、前后運(yùn)動(dòng)，以及光纖夾具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。裸光纖是通過(guò)光纖陶瓷插芯夾持在光纖夾具上，如圖2所示。此外，為了提高光纖加工表面質(zhì)量，本機(jī)床采用超高速氣浮主軸，其最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到160000r/min。與此同時(shí)機(jī)床還配備了兩個(gè)CCD顯微檢測(cè)系統(tǒng)方便在線觀察與監(jiān)控。本試驗(yàn)?zāi)ハ鞯毒卟捎玫氖?.9mm的微磨棒，如圖3所示，該刀具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖端面不同形狀、不同角度光纖透鏡的加工。微磨床的其控制系統(tǒng)為采用PMAC控制的自主研發(fā)的控制系統(tǒng)，通過(guò)利用VB6.0進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)上下位之間的通信，最終實(shí)現(xiàn)光纖零編程加工。

圖1 桌面化微磨削設(shè)備

圖2 光纖端面微磨削加工示意圖

圖3 磨粒粒度為1.5μm的金剛石微磨棒

2 試驗(yàn)流程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)流程：首先、將待磨光纖去除包層變成裸光纖，裝于光纖夾具上，保持一定懸伸長(zhǎng)度。其次、啟動(dòng)機(jī)床，調(diào)整軸承氣壓使其保持在0.5MPa，以免損壞主軸。再者、調(diào)整兩個(gè)CCD攝像儀，進(jìn)行試切，直到CCD可以清楚的看到微磨棒上出現(xiàn)一圈白色的條紋，對(duì)刀成功。最后、運(yùn)行程序開(kāi)始磨削加工。用流程圖可以表示為如圖4所示。

圖4 光纖磨削流程圖

為了檢測(cè)加工后工件的角度與主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、懸伸長(zhǎng)度的關(guān)系，本試驗(yàn)采用三因素三水平正交試驗(yàn)，做九組微磨削試驗(yàn)來(lái)研究機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、懸伸長(zhǎng)度以及工作臺(tái)進(jìn)給速度對(duì)微磨削光纖角度的影響，從而確定光纖端面微磨削的最佳加工工藝參數(shù)，其試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 45°斜面光纖透鏡

圖5 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)角度的影響

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為0.5時(shí)其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為160000轉(zhuǎn)，以此類(lèi)推。我們只需調(diào)節(jié)微磨床上的氣閥旋鈕即可調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速由0.2變化到0.4時(shí)，其角度變形慢慢減少，且大致呈反比關(guān)系變化如圖5所示。因此，在光纖微磨削的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)盡量采用較高的主軸轉(zhuǎn)速，以減少光纖角度的變形，提高光纖的的加工精度。

圖6 懸伸長(zhǎng)度對(duì)角度的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，隨著光纖的懸伸長(zhǎng)度的增加，其角度變形也慢慢增加，大致呈正相關(guān)關(guān)系。但是，當(dāng)懸伸長(zhǎng)度超過(guò)一度長(zhǎng)度范圍時(shí)，懸伸長(zhǎng)度稍微增加，其角度發(fā)生很大的偏差。因?yàn)楣饫w直徑太小，當(dāng)懸伸長(zhǎng)度太長(zhǎng)時(shí)，甚至出現(xiàn)無(wú)法加工的情況。其大致變化情況如圖6所示。所以在光纖加工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)盡量控制光纖的懸深長(zhǎng)度在1.5mm左右，來(lái)減少角度變形。

圖7 進(jìn)給速度對(duì)角度的影響

另外，有試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，進(jìn)給速度對(duì)角度的影響如圖7所示：角度誤差大致隨著進(jìn)給速度的增加而增加，當(dāng)速度過(guò)大時(shí)，角度誤差迅速增加。由于光纖屬于脆性材料，且直徑非常小，在加工過(guò)程中，隨著進(jìn)給速度的增加，光纖內(nèi)部會(huì)發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致切削力發(fā)生變化，從而增加了角度變形和表面粗糙度值。因此，在光纖磨削過(guò)程中應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎控制進(jìn)給速度最好小于20μm/s。

圖8 45°光纖

綜上所知：要想減少角度變形，獲得較高的表面形狀，應(yīng)當(dāng)減少懸伸長(zhǎng)度，和進(jìn)給速度，增加主軸轉(zhuǎn)速。在本次試驗(yàn)中第5組試驗(yàn)結(jié)果最好，即當(dāng)懸伸長(zhǎng)度為1.5mm，主軸轉(zhuǎn)速為0.3，進(jìn)給速度為20μm/s時(shí)獲得的角度變形最少如圖8所示。并利用檢測(cè)設(shè)備德國(guó)布魯克公司生產(chǎn)的Contour-GTKO型號(hào)白光干涉儀，可以檢測(cè)微磨削加工對(duì)工件表面產(chǎn)生的影響、加工后工件表面的粗糙度值以及三維表面形貌。經(jīng)過(guò)檢測(cè)其表面粗糙度為374nm，對(duì)應(yīng)的光纖表面粗糙度形貌如圖9所示，由圖可以看出粗糙度紋理方向與砂輪線速度方向一致。

3 結(jié)論

圖9 光纖表面粗糙度形貌

由試驗(yàn)可知利用微磨削加工光纖時(shí)，其角度誤差在0～1范圍內(nèi)，其光纖透鏡端面形狀質(zhì)量較好，滿(mǎn)足加工精度要求。且隨著懸伸長(zhǎng)度、進(jìn)給速度的增加，光纖角度誤差也增加，當(dāng)其值超過(guò)一定范圍內(nèi)，懸伸長(zhǎng)度與進(jìn)給速度稍微增加，光纖角度發(fā)生驟變。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光纖角度的變形，卻隨著主軸轉(zhuǎn)速不斷增加時(shí)，其角度變形慢慢減少。因此，在加工光纖時(shí)，應(yīng)當(dāng)使其懸深長(zhǎng)度和進(jìn)給速度保持在一定的范圍之內(nèi)，并且適當(dāng)?shù)奶岣咧鬏S轉(zhuǎn)速，以提高光纖端面透鏡質(zhì)量。

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(編輯 李秀敏)

Experimental Study on the Micro Optical Fiber End Face Lens Grinding Angle

CHENBing,SHUQi-lin,LIUXin-wei

(SchoolofMechanicalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China)

Opticalfiberendfacelensisoneoftheimportantcoupling,andtheopticalfiberendfaceoftheshapeofthelensisthemainfactoraffectingtheopticalfibercoupling.Sobasedontheanalysisofthetraditionalopticalfiberlens,onthebasisoftraditionalprocessingtechnology,itpresentsthemethodofmicrogrindingfiberlens.AndofopticalfiberintheprocessofgrindingAngledeformationwerestudied.Thisexperimentusing125μmofsingle-modefibergrindingexperiment,throughthemechanicalanalysisofopticalfiberinthemachiningprocess,relatedtothosefactors,andmainlyfor:feedspeedandspindlerevolutions,overhanginglengthandotherfactorsonthefiberprocessingpointofview.Experimentalresultsshowthatthismethodisusedtomeetthemachiningrequirements,andwithinacertainrangetheoverhangingofthefiberlength,Angleandfeedspeedintoanegativerelationship,feedratearepositivelycorrelatedwithfiberopticAngle.

opticalfibercoupling；opticallens；single-modefiber；machiningangle

1001-2265(2016)12-0039-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.011

2016-07-19；

2016-08-10

遼寧省工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011220009)

陳兵(1991—)，男，湖南衡陽(yáng)人，沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)數(shù)控技術(shù)，(E-mail)632595178@qq.com。

TH162;TG

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