陳 兵，舒啟林，劉新偉

(沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110159)

光纖端面透鏡微磨削加工角度試驗研究*

陳 兵，舒啟林，劉新偉

(沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 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。并著重對光纖在磨削過程中角度的變形進行研究。該試驗利用125μm的單模光纖進行磨削實驗，通過力學(xué)分析光纖在加工過程中進給速度、主軸轉(zhuǎn)數(shù)、懸伸長度等因素對光纖加工角度的影響。試驗結(jié)果表明使用微磨削加工光纖端面透鏡，在一定范圍內(nèi)光纖的懸伸長度、進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

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，人們對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程比較復(fù)雜，同時成本也比較高，成品率很低等主要問題，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。由于拉錐過程中必須保證光纖的拉伸速度以及濕度場的穩(wěn)定才能確保光纖器件性能的一致性[4]。光纖化學(xué)腐蝕主要是通過調(diào)節(jié)光纖和腐蝕性溶液的作用時間、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，會致使光纖腐蝕的損耗大大的增加，嚴重影響光纖器件的應(yīng)用[6]。針對目前人們對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，通過采用0.9mm的微磨棒加工不同角度的光纖。通過對進給速度、主軸轉(zhuǎn)數(shù)以及懸伸長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 實驗裝置與條件

本試驗采用自行研制的桌面化微磨床對光纖端面進行加工，如圖1所示。該機床為四軸聯(lián)動機床，主要實現(xiàn)微進給臺的左右、上下、前后運動，以及光纖夾具的旋轉(zhuǎn)運動。裸光纖是通過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，本機床采用超高速氣浮主軸，其最高轉(zhuǎn)速可以達到160000r/min。與此同時機床還配備了兩個CCD顯微檢測系統(tǒng)方便在線觀察與監(jiān)控。本試驗?zāi)ハ鞯毒卟捎玫氖?.9mm的微磨棒，如圖3所示，該刀具可以實現(xiàn)對光纖端面不同形狀、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)，通過利用VB6.0進行人機界面的設(shè)計從而實現(xiàn)上下位之間的通信，最終實現(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 試驗流程與實驗結(jié)果及分析

本試驗流程：首先、將待磨光纖去除包層變成裸光纖，裝于光纖夾具上，保持一定懸伸長度。其次、啟動機床，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CCD攝像儀，進行試切，直到CCD可以清楚的看到微磨棒上出現(xiàn)一圈白色的條紋，對刀成功。最后、運行程序開始磨削加工。用流程圖可以表示為如圖4所示。

圖4 光纖磨削流程圖

為了檢測加工后工件的角度與主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、懸伸長度的關(guān)系，本試驗采用三因素三水平正交試驗，做九組微磨削試驗來研究機床主軸轉(zhuǎn)速、懸伸長度以及工作臺進給速度對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)，其試驗方案如表1所示。

表1 45°斜面光纖透鏡

圖5 主軸轉(zhuǎn)速對角度的影響

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為0.5時其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為160000轉(zhuǎn)，以此類推。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。由實驗結(jié)果可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速由0.2變化到0.4時，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 懸伸長度對角度的影響

根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，在一定長度范圍內(nèi)，隨著光纖的懸伸長度的增加，其角度變形也慢慢增加，大致呈正相關(guān)關(guān)系。但是，當(dāng)懸伸長度超過一度長度范圍時，懸伸長度稍微增加，其角度發(fā)生很大的偏差。因為光纖直徑太小，當(dāng)懸伸長度太長時，甚至出現(xiàn)無法加工的情況。其大致變化情況如圖6所示。所以在光纖加工過程中，應(yīng)當(dāng)盡量控制光纖的懸深長度在1.5mm左右，來減少角度變形。

圖7 進給速度對角度的影響

另外，有試驗結(jié)果還可以看出，進給速度對角度的影響如圖7所示：角度誤差大致隨著進給速度的增加而增加，當(dāng)速度過大時，角度誤差迅速增加。由于光纖屬于脆性材料，且直徑非常小，在加工過程中，隨著進給速度的增加，光纖內(nèi)部會發(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，在光纖磨削過程中應(yīng)當(dāng)謹慎控制進給速度最好小于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)減少懸伸長度，和進給速度，增加主軸轉(zhuǎn)速。在本次試驗中第5組試驗結(jié)果最好，即當(dāng)懸伸長度為1.5mm，主軸轉(zhuǎn)速為0.3，進給速度為20μm/s時獲得的角度變形最少如圖8所示。并利用檢測設(shè)備德國布魯克公司生產(chǎn)的Contour-GTKO型號白光干涉儀，可以檢測微磨削加工對工件表面產(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)過檢測其表面粗糙度為374nm，對應(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

由試驗可知利用微磨削加工光纖時，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，滿足加工精度要求。且隨著懸伸長度、進給速度的增加，光纖角度誤差也增加，當(dāng)其值超過一定范圍內(nèi)，懸伸長度與進給速度稍微增加，光纖角度發(fā)生驟變。試驗發(fā)現(xiàn)光纖角度的變形，卻隨著主軸轉(zhuǎn)速不斷增加時，其角度變形慢慢減少。因此，在加工光纖時，應(yīng)當(dāng)使其懸深長度和進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。

[1]ZinanLu,TakeshiYoneyama.Microcuttinginthemicrolatheturningsystem[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,1999,39:1171-1183.

[2] 沈連婠.超精密微細銑削加工技術(shù)[J].制造技術(shù)與機床, 1996(10):10-12.

[3]KaiEgashir,KatsumiMizutani.Micro-drillingofMonocrystallinesiliconusingacuttingtool[J].PressionEngineering,2002,26:263-268.

[4]MorganCJ.Micro-machiningandmicro-grindingwithtoolsfabricatedbymicroelectro-dischargemachining[J].Nano-manufacturing,2004(2):242-258.

[5] 鄭小嬌,楊敏,呂玉山,等.球面光纖透鏡研磨中檢測的CCD圖像處理[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2008(12):49-51,54.

[6] 盧澤生,王明海.硬脆光學(xué)晶體材料超精密切削理論研究綜述[J].機械工程學(xué)報, 2003,39(8):15-21.

[7] 吳曉芳,呂玉山,舒啟林.光纖端面透鏡微磨削加工實驗研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù), 2015(2):144-147.

(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)計劃資助項目(2011220009)

陳兵(1991—)，男，湖南衡陽人，沈陽理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為先進數(shù)控技術(shù)，(E-mail)632595178@qq.com。

TH162;TG

A