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旋轉超聲加工光纖預（yù）製棒預應力深孔

2018-5-15 來（lái）源：天津（jīn）大學精密儀器與光電子工（gōng）程學院作者：段巍，宮虎，王羿，房豐洲

摘（zhāi）要: 熊貓（māo）型保偏光纖（xiān）( PANDA PMF) 由（yóu）於（yú）性能優越而得到廣泛應用，但其光纖預製棒預應力深（shēn）孔的加工一直（zhí）是光纖生產過（guò）程中的難點．為避免（miǎn）傳統預應力孔加工（gōng）方式中的缺陷，本文采用自行研製（zhì）的加工（gōng）裝置進行非接觸式旋轉超聲（shēng）加工，並進行了對比實驗．共設（shè）計了 3 組光纖預製棒的深（shēn）孔加（jiā）工實驗，得到了較優的（de）加工方案，最終實（shí）現了直徑 8. 3 mm、深度 250 mm 的預應力深孔加工．

關鍵詞: 熊貓型保偏光纖; 旋轉超聲加工; 光纖預製棒; 深孔

隨著光纖在軍事、醫（yī）療、電子（zǐ）、通信（xìn）等領域的應用和研究的不斷深入，光纖技術得到了快速進步，從幅度調製逐（zhú）步向相（xiàng）位調製和偏振態調製發（fā）展．普通的單模光（guāng）纖（xiān）具有衰（shuāi）減低、帶寬高（gāo）的優點．但是由於在製造過程中產生的（de）結（jié）構不（bú）對稱性（xìng），光纖存在本征殘餘應力，而且（qiě）使用時不可避免地受到（dào）外部應力的（de）作用，因此這（zhè）種光纖對於光波偏（piān）振態的精確（què）輸出（chū）存在缺陷（xiàn），並不適用於光纖（xiān）陀（tuó）螺（luó）儀、光纖偏振器等高精度的光纖傳感器．保偏光纖（xiān）( polarization maintaining fiber，PMF) 由於能夠精確控（kòng）製偏振態光（guāng）波輸出（chū），具有（yǒu）更高的保密性而得（dé）到研究和應用（yòng）．在種類繁多的保偏（piān）光纖中，熊貓型保偏光纖( PANDA PMF) 由於具有優越的光學性能而（ér）受到用戶青（qīng）睞．但（dàn）是熊貓型保偏光纖的製備，尤其是其光纖預製棒的製備一直是個難題，其中一項關鍵技術就是預製（zhì）棒預應力深（shēn）孔的加工．孔的直線（xiàn）度、內孔的表麵粗糙度、兩孔對稱性都會對拉絲後得到的熊貓型保偏光纖的性能產（chǎn）生直接（jiē）影響．

預應（yīng）力（lì）孔的加工目（mù）前主要采用傳統的套（tào）料鑽加工方式．這種方式隻有一個刀具旋轉運動，為了（le）能夠（gòu）保（bǎo）證一定的切削速度，往往需要刀具在加（jiā）工過程中有較高的轉速．但是由（yóu）於刀具（jù）剛性差，轉速過高容易造成鑽孔（kǒng）方向的偏差和鑽頭（tóu）端部的擺動，使鑽孔的半徑增（zēng）大，孔的質量（liàng）大大下降．此外，傳統的套料加工效率低，需要大量時間才能完（wán）成孔的加工，刀具的磨損也很嚴重．

旋轉超（chāo）聲加工是加工硬脆材（cái）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（jiàn）表麵（miàn）/亞表麵損傷（shāng）小等優勢．本文采用（yòng）自行研發的（de）非接觸式旋轉超聲加工裝置（zhì），設計了 3 組針對石英玻（bō）璃光纖預製棒預應力（lì）深孔的加工實驗，旨在分析旋轉（zhuǎn）超聲加工的優（yōu）勢，提高（gāo）預應力孔加工效率（lǜ）．

1 、加工原理與實（shí）驗裝置

1. 1 加工原（yuán）理

旋轉超聲加工（gōng）原理如圖 1 所示，刀具在旋轉的同時，在軸向上被施（shī）加了一個高頻振動，從（cóng）而使刀具與工件（jiàn）間歇（xiē）性地接觸，切削液更易進入，冷卻更（gèng）充分，同時（shí）也利於（yú）切屑（xiè）的排出．

圖1 旋轉超聲加工原理

電信（xìn）號（hào）的傳輸是旋轉超（chāo）聲裝置實現的一個關鍵問題，主（zhǔ）要有兩種（zhǒng）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傳輸超聲信（xìn）號．由於轉動件和靜止件之間的導電（diàn）是通過接觸（chù）方式實現的，所以摩擦非常嚴重，刀具的（de）轉速受到限製，且容易產生打火、積碳等安全（quán）問題．非接觸式的電能傳輸方式很好地解決了這些問題，其原理如圖2所示，超聲電源將超聲信號傳送給發射端，發射端（duān）通（tōng）過感應的方式將能量輸（shū）送到接收端，與接收端相連接（jiē）的壓電陶瓷在超聲信（xìn）號的驅動下產（chǎn）生振動，由變幅杆放大後帶動刀具，實現刀具的超聲振動。

圖2 非接觸式電能傳（chuán）輸原理

1. 2 實驗裝置

基於上（shàng）述原理研發了非接觸（chù）式（shì）旋轉超聲加工設備，並對光纖（xiān）預製棒進行旋轉超聲輔助打孔實驗．旋轉超聲加工（gōng）裝（zhuāng）置由超聲波電源、換（huàn）能器、變幅杆（gǎn）和刀具組成（chéng）．由於加工刀具的尺寸將直接影響（xiǎng）係統的諧振頻率，這裏使用了可變頻率和振幅的（de）超聲波電源，從而保證超聲（shēng）輔助加工總能夠達到最優效果．實驗裝置如圖 3所示，通常光纖預製棒的外圓麵做得（dé）比較準（zhǔn）確，這裏為了保證加工出的孔具有較高直線度和平行度，采用三爪卡盤夾住預製棒的外圓麵進行定位．

圖3 實驗裝置

2、實驗結果及分析

為了比較旋轉超聲加工方式與傳統加工方式的不同，設計了 3 組對比實驗，實驗參數如表 1 所示．

表 1 三組實驗參數

2. 1 實驗一（yī）

實驗一采用傳統加工（gōng）方式，當加（jiā）工至 60 mm 左（zuǒ）右深度時，刀具顏色變紅，表明溫（wēn）度明顯升高．停止加工後，發現刀具前端的金剛石顆粒（lì）已經脫落，而且（qiě）中心（xīn）孔已經被融（róng）化的石英堵死，如圖（tú） 4 所示，加工出的預應力孔有明顯的崩邊( 最大處 1. 2 mm) 和喇叭口現象．

圖 4 刀具（jù）內（nèi）孔被光纖（xiān）材料（liào）堵死

由於刀具懸臂較長，刀（dāo）具的剛性差，在剛切入工件時會產生比較（jiào）大的衝擊力，導致刀具偏（piān）擺，非常容易產生崩邊的現象．在加工過程中刀具與套料加工出的芯軸始終接觸，壓迫芯軸使其（qí）斷裂從而堵塞刀具內孔，阻止了冷卻液的流出，顯著降低了冷卻效果，切削區域溫度顯著升高，致使（shǐ）磨粒脫落，芯軸（zhóu）溫度升高熔化，堵（dǔ）死（sǐ）了刀具內孔．

2. 2 實驗二

實驗二采用非接觸式旋轉超聲（shēng）加工方（fāng）式，在刀具剛進入工件時有明顯的響聲，進入 4 mm 左右時聲音變平穩．加工結束後並未出現芯軸斷裂堵塞內孔導致冷卻（què）液無法排出的現象．入口處並未出現（xiàn）明顯的（de）崩邊．套料加工出的芯（xīn）軸如圖 5 所示．可（kě）以看出在芯軸端（duān）部出現了一個圓（yuán）錐，其長（zhǎng）度大約為 3 mm 左右，這與加工（gōng）開始時我們聽到的刺耳響聲相吻合（hé）．分析其原因，是由於加工（gōng）刀杆（gǎn）較長，回轉精度和剛度難以（yǐ）保證，在刀具剛鑽（zuàn）進（jìn）光纖時刀頭出現了偏擺，導致（zhì）芯（xīn）軸變細，內孔直徑變（biàn）大．同樣的現象也出現在了傳統（tǒng）的（de）加工方式中．在孔加工（gōng）過程中筆者發現，使用了超聲（shēng）輔助（zhù）加（jiā）工之（zhī）後，一方麵刀具與芯軸間歇性接觸（chù），另一方麵產（chǎn）生了較大的加速度，將芯軸（zhóu）磨（mó）細，有效（xiào）地避免（miǎn）了芯軸斷裂導致的加（jiā）工失敗．

圖 5 加工得到的芯軸

2. 3 實驗三

實驗三采用非接（jiē）觸式旋轉超（chāo）聲加工（gōng）方式進行（háng）二次打孔（kǒng）．第（dì）一次打孔使（shǐ）用長（zhǎng）為80 mm 的具有高回轉精度和剛度的短刀，刀具直徑仍（réng）為 8. 3 mm，轉速為 2 200r / min．在光纖上端部，預先轉入一個深為 10 mm 的定位（wèi）孔．此時加工聲音清脆．加工到預定深度後退刀，換為實（shí）驗二中的長刀具，刀（dāo）具以 15 mm/min 的進給（gěi）速度，以 1 426 r/min 的轉速移動到孔深 8 mm 的（de）位置，以（yǐ） 2 200 r/min 的轉速繼續加工至結束，加工過程中刀具前進（jìn）平穩．在加（jiā）工結束後並（bìng）未發現實驗二中的芯軸變細和（hé）喇叭口現象．

由前麵的加工（gōng）可知，長刀在鑽入工件時偏擺嚴（yán）重．使用短刀預打（dǎ）孔可有（yǒu）效避免這一（yī）現象．換成長刀之後，之前的預鑽孔起到了一定（dìng）的束縛作用，限製了刀具的偏擺，所以這（zhè）種加工方式可以（yǐ）在一定程度上抑製喇叭口的出現．此外，由於（yú）內孔的表麵質量（liàng）比較難於測量，直（zhí）接對加工出來的芯軸表麵進行測量得到（dào）表麵粗糙度（dù）Ｒa為 0. 8 μm．

3 、結語

本文采用非（fēi）接觸式旋轉超聲加工裝置，進行了光纖預製棒深孔加工的實驗，通過 3 組實驗的對比，得到了較優的加工方案，最終實現（xiàn）了直徑 8. 3 mm、深度250 mm 的（de）深孔加工．實驗（yàn）結果表明: 相比（bǐ）傳統的磨削加工，采用（yòng）旋轉（zhuǎn）超聲加工可以（yǐ）有效促（cù）進深（shēn）孔（kǒng）加工中切屑的排（pái）出，散熱效果好，因此可以顯（xiǎn）著（zhe）提高加工效率，並且在一定程度上能夠減（jiǎn）少崩邊現象的發生，對於（yú）熊貓型保偏光（guāng）纖（xiān）預製棒預應力深孔加工（gōng）具有（yǒu）較高的應用價值．

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