旋轉(zhuǎn)超聲加工光纖預(yù)制棒預(yù)應(yīng)力深孔
2018-5-15 來(lái)源：天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院 作者：段 巍，宮 虎，王 羿，房豐洲
摘要: 熊貓型保偏光纖( PANDA PMF) 由于性能優(yōu)越而得到廣泛應(yīng)用，但其光纖預(yù)制棒預(yù)應(yīng)力深孔的加工一直是光纖生產(chǎn)過(guò)程中的難點(diǎn)． 為避免傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力孔加工方式中的缺陷，本文采用自行研制的加工裝置進(jìn)行非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工，并進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)． 共設(shè)計(jì)了 3 組光纖預(yù)制棒的深孔加工實(shí)驗(yàn)，得到了較優(yōu)的加工方案，最終實(shí)現(xiàn)了直徑 8. 3 mm、深度 250 mm 的預(yù)應(yīng)力深孔加工．
關(guān)鍵詞: 熊貓型保偏光纖; 旋轉(zhuǎn)超聲加工; 光纖預(yù)制棒; 深孔
隨著光纖在軍事、醫(yī)療、電子、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究的不斷深入，光纖技術(shù)得到了快速進(jìn)步，從幅度調(diào)制逐步向相位調(diào)制和偏振態(tài)調(diào)制發(fā)展． 普通的單模光纖具有衰減低、帶寬高的優(yōu)點(diǎn)． 但是由于在制造過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)性，光纖存在本征殘余應(yīng)力，而且使用時(shí)不可避免地受到外部應(yīng)力的作用，因此這種光纖對(duì)于光波偏振態(tài)的精確輸出存在缺陷，并不適用于光纖陀螺儀、光纖偏振器等高精度的光纖傳感器．保偏光纖( polarization maintaining fiber，PMF) 由于能夠精確控制偏振態(tài)光波輸出，具有更高的保密性而得到研究和應(yīng)用． 在種類(lèi)繁多的保偏光纖中，熊貓型保偏光纖( PANDA PMF) 由于具有優(yōu)越的光學(xué)性能而受到用戶(hù)青睞． 但是熊貓型保偏光纖的制備，尤其是其光纖預(yù)制棒的制備一直是個(gè)難題，其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是預(yù)制棒預(yù)應(yīng)力深孔的加工． 孔的直線(xiàn)度、內(nèi)孔的表面粗糙度、兩孔對(duì)稱(chēng)性都會(huì)對(duì)拉絲后得到的熊貓型保偏光纖的性能產(chǎn)生直接影響．
預(yù)應(yīng)力孔的加工目前主要采用傳統(tǒng)的套料鉆加工方式． 這種方式只有一個(gè)刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為了能夠保證一定的切削速度，往往需要刀具在加工過(guò)程中有較高的轉(zhuǎn)速． 但是由于刀具剛性差，轉(zhuǎn)速過(guò)高容易造成鉆孔方向的偏差和鉆頭端部的擺動(dòng)，使鉆孔的半徑增大，孔的質(zhì)量大大下降． 此外，傳統(tǒng)的套料加工效率低，需要大量時(shí)間才能完成孔的加工，刀具的磨損也很?chē)?yán)重．
旋轉(zhuǎn)超聲加工是加工硬脆材料的一種重要手段，具有加工效率高、切削力小、切削熱少、工件表面/亞表面損傷小等優(yōu)勢(shì)． 本文采用自行研發(fā)的非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置，設(shè)計(jì)了 3 組針對(duì)石英玻璃光纖預(yù)制棒預(yù)應(yīng)力深孔的加工實(shí)驗(yàn)，旨在分析旋轉(zhuǎn)超聲加工的優(yōu)勢(shì)，提高預(yù)應(yīng)力孔加工效率．
1 、加工原理與實(shí)驗(yàn)裝置
1. 1 加工原理
旋轉(zhuǎn)超聲加工原理如圖 1 所示，刀具在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，在軸向上被施加了一個(gè)高頻振動(dòng)，從而使刀具與工件間歇性地接觸，切削液更易進(jìn)入，冷卻更充分，同時(shí)也利于切屑的排出．
圖1 旋轉(zhuǎn)超聲加工原理
電信號(hào)的傳輸是旋轉(zhuǎn)超聲裝置實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，主要有兩種傳輸方式: 接觸式和非接觸式． 接觸式電能輸送方式一般使用電刷來(lái)傳輸超聲信號(hào)． 由于轉(zhuǎn)動(dòng)件和靜止件之間的導(dǎo)電是通過(guò)接觸方式實(shí)現(xiàn)的，所以摩擦非常嚴(yán)重，刀具的轉(zhuǎn)速受到限制，且容易產(chǎn)生打火、積碳等安全問(wèn)題． 非接觸式的電能傳輸方式很好地解決了這些問(wèn)題，其原理如圖2所示，超聲電源將超聲信號(hào)傳送給發(fā)射端，發(fā)射端通過(guò)感應(yīng)的方式將能量輸送到接收端，與接收端相連接的壓電陶瓷在超聲信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生振動(dòng)，由變幅桿放大后帶動(dòng)刀具，實(shí)現(xiàn)刀具的超聲振動(dòng)。
圖2 非接觸式電能傳輸原理
1. 2 實(shí)驗(yàn)裝置
基于上述原理研發(fā)了非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工設(shè)備，并對(duì)光纖預(yù)制棒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲輔助打孔實(shí)驗(yàn)． 旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置由超聲波電源、換能器、變幅桿和刀具組成． 由于加工刀具的尺寸將直接影響系統(tǒng)的諧振頻率，這里使用了可變頻率和振幅的超聲波電源，從而保證超聲輔助加工總能夠達(dá)到最優(yōu)效果． 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 3所示，通常光纖預(yù)制棒的外圓面做得比較準(zhǔn)確，這里為了保證加工出的孔具有較高直線(xiàn)度和平行度，采用三爪卡盤(pán)夾住預(yù)制棒的外圓面進(jìn)行定位．
圖3 實(shí)驗(yàn)裝置
2、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
為了比較旋轉(zhuǎn)超聲加工方式與傳統(tǒng)加工方式的不同，設(shè)計(jì)了 3 組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表 1 所示．
表 1 三組實(shí)驗(yàn)參數(shù)
2. 1 實(shí)驗(yàn)一
實(shí)驗(yàn)一采用傳統(tǒng)加工方式，當(dāng)加工至 60 mm 左右深度時(shí)，刀具顏色變紅，表明溫度明顯升高． 停止加工后，發(fā)現(xiàn)刀具前端的金剛石顆粒已經(jīng)脫落，而且中心孔已經(jīng)被融化的石英堵死，如圖 4 所示，加工出的預(yù)應(yīng)力孔有明顯的崩邊( 最大處 1. 2 mm) 和喇叭口現(xiàn)象．
圖 4 刀具內(nèi)孔被光纖材料堵死
由于刀具懸臂較長(zhǎng)，刀具的剛性差，在剛切入工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的沖擊力，導(dǎo)致刀具偏擺，非常容易產(chǎn)生崩邊的現(xiàn)象． 在加工過(guò)程中刀具與套料加工出的芯軸始終接觸，壓迫芯軸使其斷裂從而堵塞刀具內(nèi)孔，阻止了冷卻液的流出，顯著降低了冷卻效果，切削區(qū)域溫度顯著升高，致使磨粒脫落，芯軸溫度升高熔化，堵死了刀具內(nèi)孔．
2. 2 實(shí)驗(yàn)二
實(shí)驗(yàn)二采用非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工方式，在刀具剛進(jìn)入工件時(shí)有明顯的響聲，進(jìn)入 4 mm 左右時(shí)聲音變平穩(wěn)． 加工結(jié)束后并未出現(xiàn)芯軸斷裂堵塞內(nèi)孔導(dǎo)致冷卻液無(wú)法排出的現(xiàn)象． 入口處并未出現(xiàn)明顯的崩邊．套料加工出的芯軸如圖 5 所示． 可以看出在芯軸端部出現(xiàn)了一個(gè)圓錐，其長(zhǎng)度大約為 3 mm 左右，這與加工開(kāi)始時(shí)我們聽(tīng)到的刺耳響聲相吻合． 分析其原因，是由于加工刀桿較長(zhǎng)，回轉(zhuǎn)精度和剛度難以保證，在刀具剛鉆進(jìn)光纖時(shí)刀頭出現(xiàn)了偏擺，導(dǎo)致芯軸變細(xì)，內(nèi)孔直徑變大． 同樣的現(xiàn)象也出 現(xiàn)在了傳統(tǒng)的加工方式中． 在孔加工過(guò)程中筆者發(fā)現(xiàn)，使用了超聲輔助加工之后，一方面刀具與芯軸間歇性接觸，另一方面產(chǎn)生了較大的加速度，將芯軸磨細(xì)，有效地避免了芯軸斷裂導(dǎo)致的加工失敗．
圖 5 加工得到的芯軸
2. 3 實(shí)驗(yàn)三
實(shí)驗(yàn)三采用非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工方式進(jìn)行二次打孔． 第一次打孔使用長(zhǎng)為80 mm 的具有高回轉(zhuǎn)精度和剛度的短刀，刀具直徑仍為 8. 3 mm，轉(zhuǎn)速為 2 200r / min． 在光纖上端部，預(yù)先轉(zhuǎn)入一個(gè)深為 10 mm 的定位孔． 此時(shí)加工聲音清脆． 加工到預(yù)定深度后退刀，換為實(shí)驗(yàn)二中的長(zhǎng)刀具，刀具以 15 mm/min 的進(jìn)給速度，以 1 426 r/min 的轉(zhuǎn)速移動(dòng)到孔深 8 mm 的位置，以 2 200 r/min 的轉(zhuǎn)速繼續(xù)加工至結(jié)束，加工過(guò)程中刀具前進(jìn)平穩(wěn)． 在加工結(jié)束后并未發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)二中的芯軸變細(xì)和喇叭口現(xiàn)象．
由前面的加工可知，長(zhǎng)刀在鉆入工件時(shí)偏擺嚴(yán)重．使用短刀預(yù)打孔可有效避免這一現(xiàn)象．換成長(zhǎng)刀之后，之前的預(yù)鉆孔起到了一定的束縛作用，限制了刀具的偏擺，所以這種加工方式可以在一定程度上抑制喇叭口的出現(xiàn)．此外，由于內(nèi)孔的表面質(zhì)量比較難于測(cè)量，直接對(duì)加工出來(lái)的芯軸表面進(jìn)行測(cè)量得到表面粗糙度Ｒa為 0. 8 μm．
3 、結(jié) 語(yǔ)
本文采用非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置，進(jìn)行了光纖預(yù)制棒深孔加工的實(shí)驗(yàn)，通過(guò) 3 組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，得到了較優(yōu)的加工方案，最終實(shí)現(xiàn)了直徑 8. 3 mm、深度250 mm 的深孔加工． 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 相比傳統(tǒng)的磨削加工，采用旋轉(zhuǎn)超聲加工可以有效促進(jìn)深孔加工中切屑的排出，散熱效果好，因此可以顯著提高加工效率，并且在一定程度上能夠減少崩邊現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)于熊貓型保偏光纖預(yù)制棒預(yù)應(yīng)力深孔加工具有較高的應(yīng)用價(jià)值．
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點(diǎn)
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年1月 新能源汽車(chē)銷(xiāo)量情況
- 2024年12月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車(chē)（轎車(chē)）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘用車(chē)（轎車(chē)）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車(chē)銷(xiāo)量情況
- 2024年10月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過(guò)程圖示
- 判斷一臺(tái)加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線(xiàn)切割機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
- 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國(guó)的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營(yíng)銷(xiāo)，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時(shí)代，少談點(diǎn)智造，多談點(diǎn)制造
- 現(xiàn)實(shí)面前，國(guó)人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車(chē)床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車(chē)床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計(jì)
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別