陳艷芳， 曾天文

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源517000）

0 引言

光纖研磨技術(shù)對(duì)于光纖端面加工質(zhì)量有著舉足輕重的意義，極大地影響著光纖傳輸性能。研磨拋光是光纖研磨技術(shù)工藝?yán)镒铌P(guān)鍵的核心技術(shù)，它能夠降低光纖產(chǎn)品的表面粗糙度值，還可以去除長(zhǎng)度、降低產(chǎn)品應(yīng)力、提高產(chǎn)品強(qiáng)度、增加產(chǎn)品使用壽命。傳統(tǒng)研磨拋光技術(shù)所產(chǎn)生的精度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在5G通信時(shí)代光纖產(chǎn)品的需求，高精度自動(dòng)化研磨設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。目前研磨拋光有機(jī)械研磨拋光、電化學(xué)研磨拋光等?；瘜W(xué)研磨拋光常用的研磨材料有研磨液和研磨膏，在進(jìn)行高精度研磨拋光工藝中，利用研磨工具與研磨產(chǎn)品之間的相互運(yùn)動(dòng)，去除被加工產(chǎn)品表面的不平度，降低產(chǎn)品的表面粗糙度值。碳化硅（SiC）研磨液具有韌性大、高耐磨、高硬度、抗氧化特性，同時(shí)兼具防生銹、潤(rùn)滑和清洗功能。目前，為了保證研磨的順利進(jìn)行，操作人員需要一邊控制工件與研具之間的接觸程度，一邊通過(guò)手工控制研磨液供給；另外，在碳化硅研磨液中，作為磨料的碳化硅會(huì)沉淀，會(huì)被磨削的碎渣污染，為了保證研磨效果，操作人員在研磨液供給的過(guò)程中，還不得不時(shí)刻攪拌研磨液以保證其均勻，還要過(guò)濾。因此存在生產(chǎn)效率低、人工成本高和操作不方便等問(wèn)題，難以保證良好的研磨效果。

針對(duì)目前的碳化硅研磨液過(guò)濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)存在的生產(chǎn)效率低、碳化硅研磨液易沉淀、易污染、人工成本高和操作不方便等問(wèn)題，從研磨機(jī)的外部結(jié)構(gòu)、容納箱、泵體、攪拌裝置、過(guò)濾篩網(wǎng)、傳動(dòng)控制等方面進(jìn)行改進(jìn)，從而使該光纖研磨機(jī)能實(shí)現(xiàn)研磨液自動(dòng)攪拌循環(huán)，提高研磨液的利用率，降低人工成本，提高生產(chǎn)效率，使設(shè)備得到更進(jìn)一步的性能改善。

1 自動(dòng)攪拌循環(huán)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的高效自動(dòng)碳化硅研磨液過(guò)濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)，安裝在高精密研磨機(jī)的主工作臺(tái)側(cè)邊，研磨的過(guò)程中，當(dāng)研磨盤(pán)主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要人工將碳化硅研磨液引入到研磨盤(pán)上，對(duì)正在研磨盤(pán)上研磨的光纖進(jìn)行潤(rùn)滑、洗滌和緩沖。經(jīng)過(guò)研磨的研磨液會(huì)混入光纖的玻璃碎屑等大顆粒雜質(zhì)，若直接循環(huán)再次用于研磨，便可能會(huì)在研磨的過(guò)程中損壞光纖。因此需設(shè)計(jì)一款自動(dòng)過(guò)濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)，將研磨液通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)過(guò)濾、攪拌后，重新澆注在研磨盤(pán)上。自動(dòng)循環(huán)攪拌系統(tǒng)總體主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，泵體2安裝在左箱部上，泵體的下方安裝有1個(gè)與泵體聯(lián)動(dòng)的第1主動(dòng)軸；過(guò)濾篩網(wǎng)4設(shè)置在右箱部的上方，下部安裝第3轉(zhuǎn)動(dòng)軸；中箱內(nèi)設(shè)置有第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸，攪拌裝置3安裝在第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，第1主動(dòng)軸通過(guò)同步帶帶動(dòng)第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)同步帶帶動(dòng)第3轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，3根轉(zhuǎn)動(dòng)軸形成二級(jí)傳動(dòng)，完成過(guò)濾→攪拌→抽液→澆注的自動(dòng)連續(xù)循環(huán)過(guò)程。

其中容納箱的結(jié)構(gòu)包括左箱部、中箱部和右箱部三部分，左箱部和右箱部在底部分別與中箱部連通，中箱部的底部水平設(shè)置，為了減少積液便于所有研磨液都能流向中箱部，，左箱部和右箱部的底部均朝向中箱部的底部?jī)A斜15°設(shè)置；左箱部的底部最低點(diǎn)高于中箱部的底部，中箱部的底部和左箱部的底部之間形成過(guò)渡臺(tái)階；右箱部的底部最低點(diǎn)高于中箱部的底部，中箱部的底部和右箱部的底部之間形成過(guò)渡臺(tái)階。左箱部和右箱部的底部15°傾斜設(shè)置，能夠集中沉積的碳化硅，而在中箱部的底部和左箱部的底部之間、中箱部的底部和右箱部的底部之間過(guò)渡臺(tái)階，能夠進(jìn)一步防止中箱部底部的不均勻研磨液走向兩邊，有效防止未經(jīng)攪拌均勻的研磨液進(jìn)行循環(huán)。

自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)采用左右高、中間低的箱體結(jié)構(gòu)，利用兩組同步帶實(shí)現(xiàn)機(jī)械二級(jí)傳動(dòng)，高效便捷，解決了人工攪拌和過(guò)濾問(wèn)題。

圖1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 循環(huán)傳動(dòng)工作原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于光纖研磨機(jī)的研磨液噴射潤(rùn)滑速度較慢，研磨盤(pán)位置較大，精度要求不高，速度較慢，經(jīng)過(guò)幾種方案比較后，決定采用工作穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)的機(jī)械傳動(dòng)，因此本自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)的傳動(dòng)部分通過(guò)兩組同步帶傳動(dòng)加3根傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)高精度同步傳輸，如圖2所示。其工作原理為：系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)泵體2提供動(dòng)力，帶動(dòng)攪拌裝置3和篩網(wǎng)支撐組件4運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)構(gòu)件包括2根傳動(dòng)帶和3根傳動(dòng)軸，第1轉(zhuǎn)動(dòng)軸7上設(shè)置有第1同步輪8，第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸9上設(shè)置有第2同步輪8和第3同步輪12，第3轉(zhuǎn)動(dòng)軸17上設(shè)置有第4同步輪16；第1傳動(dòng)帶5設(shè)置于第1同步輪8和第2同步輪8上，第2傳動(dòng)帶6設(shè)置于第3同步輪12和第4同步輪16上；第1轉(zhuǎn)動(dòng)軸7通過(guò)第1傳動(dòng)帶5帶動(dòng)第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)，第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸9通過(guò)第2傳動(dòng)帶6帶動(dòng)第3轉(zhuǎn)動(dòng)軸17轉(zhuǎn)動(dòng)。由于第1傳動(dòng)帶5設(shè)置于第1同步輪8和第2同步輪8上，當(dāng)泵體2帶動(dòng)第1轉(zhuǎn)動(dòng)軸7轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第1轉(zhuǎn)動(dòng)軸7通過(guò)第1傳動(dòng)帶5帶動(dòng)第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，由于第2傳動(dòng)帶6設(shè)置于第3同步輪12和第4同步輪16上，當(dāng)?shù)?轉(zhuǎn)動(dòng)軸7轉(zhuǎn)動(dòng)，第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸7轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)第2傳動(dòng)帶6帶動(dòng)第3轉(zhuǎn)動(dòng)軸17轉(zhuǎn)動(dòng)。采用這樣的帶傳動(dòng)方式，就可以通過(guò)泵體2自身的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)攪拌裝置3和篩網(wǎng)支撐組件4運(yùn)動(dòng)，能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低裝置成本。

圖2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

同步帶的選型：根據(jù)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)功率和主軸的轉(zhuǎn)速850 r/min，選用XL輕型同步帶，同步帶的節(jié)距為5.080 mm，齒形角為50°，齒根厚為2.57 mm，齒高為112.7 mm,帶高為2.3 mm，齒根圓角半徑為0.38 mm，齒頂圓角半徑為0.38 mm。

傳動(dòng)支撐零件采用滾動(dòng)深溝球軸承，降低摩擦力，提高運(yùn)動(dòng)精度，在第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸的上端設(shè)置有第1軸承11，第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸的下端設(shè)置有第2軸承，第1軸承和第2軸承安裝于中容納部；第3轉(zhuǎn)動(dòng)軸的上端設(shè)置有第3軸承15，第3轉(zhuǎn)動(dòng)軸17的下端設(shè)置有第4軸承18，第3軸承15和第4軸承18安裝于于右容納部。通過(guò)軸承減少部件之間的摩擦力，保證了系統(tǒng)的流暢運(yùn)作。

3 攪拌循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)備自動(dòng)攪拌機(jī)構(gòu)采用機(jī)械傳動(dòng)中同軸傳動(dòng)工作原理，由上攪拌部和下攪拌部組成，上攪拌部和下攪拌部安裝在第2轉(zhuǎn)動(dòng)軸上保證兩者同步運(yùn)動(dòng)，減少運(yùn)動(dòng)誤差。如圖3所示，上攪拌部由上旋轉(zhuǎn)盤(pán)1和若干旋轉(zhuǎn)葉片2組成，若干個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片沿周向安裝于上旋轉(zhuǎn)盤(pán)的外圍。如圖4所示，下攪拌部由下旋轉(zhuǎn)盤(pán)3和若干個(gè)攪拌齒4組成，若干個(gè)攪拌齒4沿周向設(shè)置于下旋轉(zhuǎn)盤(pán)的外圍。

圖3 上攪拌部

圖4 下攪拌部

由于碳化硅研磨液存在沉積作用，在容納箱中，處于上方的研磨液的密度大于處于下方的研磨液的密度，在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，下攪拌部所受到的阻力要大于上攪拌部所受到的阻力。在工作的過(guò)程中，由于相對(duì)面積的大小，旋轉(zhuǎn)葉片所受到的阻力較大，攪拌齒所受到的阻力較小。將旋轉(zhuǎn)葉片設(shè)置在阻力較小的上方，通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片起到攪動(dòng)起整個(gè)容納箱1內(nèi)的研磨液的作用；根據(jù)動(dòng)量慣性定律將攪拌齒設(shè)置在阻力較大的下方，通過(guò)攪拌打散可能沉積于容納箱1底部的顆粒，克服阻力問(wèn)題的同時(shí)還能提高攪拌效果。

4 測(cè)試結(jié)果

基于上述設(shè)計(jì)，本文開(kāi)發(fā)了高效自動(dòng)碳化硅研磨液過(guò)濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)（如圖5），將研磨后的研磨液導(dǎo)向過(guò)濾篩網(wǎng)，通過(guò)過(guò)濾篩網(wǎng)將玻璃碎屑等大顆粒雜質(zhì)過(guò)濾掉，此時(shí)進(jìn)入到容納箱內(nèi)的研磨液中沒(méi)有大顆粒雜質(zhì)，主要是水與碳化硅的混合物；進(jìn)入到容納箱內(nèi)的研磨液中的碳化硅會(huì)逐漸收攏到中容納部，再通過(guò)攪拌裝置進(jìn)行攪拌，便能防止碳化硅沉積，使得整個(gè)容納箱內(nèi)的研磨液實(shí)時(shí)處于均勻狀態(tài)；再利用液壓泵體將容納箱內(nèi)處于均勻狀態(tài)的研磨液抽出，通過(guò)軟管引入研磨機(jī)的研磨盤(pán)，再次用于研磨。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了碳化硅研磨液的自動(dòng)循環(huán)。本文的高效自動(dòng)碳化硅研磨液過(guò)濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)提高了碳化硅研磨液的利用率，能夠多次自動(dòng)對(duì)研磨液進(jìn)行攪拌和過(guò)濾，使研磨液時(shí)刻處于最優(yōu)的使用狀態(tài)。另外，本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝簡(jiǎn)便、零件易于更換，且不易損壞；尺寸適中，易于攜帶移動(dòng)，并且有保存的效果，可以較長(zhǎng)時(shí)間保持研磨液不發(fā)臭，還能夠清除研磨液中混合的各種雜質(zhì)，提高了研磨液的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 高效自動(dòng)碳化硅研磨液過(guò)濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)

5 結(jié)論

目前市場(chǎng)大部分研磨機(jī)的研磨液依靠手工噴射，效率低，需要大量的人手，研磨液不能循環(huán)利用，本文針對(duì)上述問(wèn)題，從研磨機(jī)的外部結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)和攪拌系統(tǒng)方面進(jìn)行改進(jìn)，使該光纖研磨機(jī)能實(shí)現(xiàn)研磨液自動(dòng)攪拌循環(huán)，提高了碳化硅研磨液的利用率，使研磨液實(shí)時(shí)處于最優(yōu)的使用狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝簡(jiǎn)便，零件易于更換，且不易損壞；尺寸適中，易于攜帶移動(dòng)，并且有保存的效果，提高了研磨液的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。