旋轉(zhuǎn)超聲加工光纖預(yù)制棒預(yù)應(yīng)力深孔
2018-5-15 來源：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)過程中的難點． 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行非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工，并進行了對比實驗． 共設(shè)計了 3 組光纖預(yù)制棒的深孔加工實驗，得到了較優(yōu)的加工方案，最終實現(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． 但是由于在制造過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不對稱性，光纖存在本征殘余應(yīng)力，而且使用時不可避免地受到外部應(yīng)力的作用，因此這種光纖對于光波偏振態(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難題，其中一項關(guān)鍵技術(shù)就是預(yù)制棒預(yù)應(yīng)力深孔的加工． 孔的直線度、內(nèi)孔的表面粗糙度、兩孔對稱性都會對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． 這種方式只有一個刀具旋轉(zhuǎn)運動，為了能夠保證一定的切削速度，往往需要刀具在加工過程中有較高的轉(zhuǎn)速． 但是由于刀具剛性差，轉(zhuǎn)速過高容易造成鉆孔方向的偏差和鉆頭端部的擺動，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，需要大量時間才能完成孔的加工，刀具的磨損也很嚴(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． 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)計了 3 組針對石英玻璃光纖預(yù)制棒預(yù)應(yīng)力深孔的加工實驗，旨在分析旋轉(zhuǎn)超聲加工的優(yōu)勢，提高預(yù)應(yīng)力孔加工效率．
1 、加工原理與實驗裝置
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，在軸向上被施加了一個高頻振動，從而使刀具與工件間歇性地接觸，切削液更易進入，冷卻更充分，同時也利于切屑的排出．
圖1 旋轉(zhuǎn)超聲加工原理
電信號的傳輸是旋轉(zhuǎn)超聲裝置實現(xiàn)的一個關(guān)鍵問題，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傳輸超聲信號． 由于轉(zhuǎn)動件和靜止件之間的導(dǎo)電是通過接觸方式實現(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(fā)射端，發(fā)射端通過感應(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的驅(qū)動下產(chǎn)生振動，由變幅桿放大后帶動刀具，實現(xiàn)刀具的超聲振動。
圖2 非接觸式電能傳輸原理
1. 2 實驗裝置
基于上述原理研發(fā)了非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工設(shè)備，并對光纖預(yù)制棒進行旋轉(zhuǎn)超聲輔助打孔實驗． 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． 實驗裝置如圖 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度和平行度，采用三爪卡盤夾住預(yù)制棒的外圓面進行定位．
圖3 實驗裝置
2、 實驗結(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)計了 3 組對比實驗，實驗參數(shù)如表 1 所示．
表 1 三組實驗參數(shù)
2. 1 實驗一
實驗一采用傳統(tǒng)加工方式，當(dāng)加工至 60 mm 左右深度時，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，刀具的剛性差，在剛切入工件時會產(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 實驗二
實驗二采用非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工方式，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(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)了一個圓錐，其長度大約為 3 mm 左右，這與加工開始時我們聽到的刺耳響聲相吻合． 分析其原因，是由于加工刀桿較長，回轉(zhuǎn)精度和剛度難以保證，在刀具剛鉆進光纖時刀頭出現(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?。?/font>
圖 5 加工得到的芯軸
2. 3 實驗三
實驗三采用非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工方式進行二次打孔． 第一次打孔使用長為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)入一個深為 10 mm 的定位孔． 此時加工聲音清脆． 加工到預(yù)定深度后退刀，換為實驗二中的長刀具，刀具以 15 mm/min 的進給速度，以 1 426 r/min 的轉(zhuǎn)速移動到孔深 8 mm 的位置，以 2 200 r/min 的轉(zhuǎn)速繼續(xù)加工至結(jié)束，加工過程中刀具前進平穩(wěn)． 在加工結(jié)束后并未發(fā)現(xiàn)實驗二中的芯軸變細(xì)和喇叭口現(xiàn)象．
由前面的加工可知，長刀在鉆入工件時偏擺嚴(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)量比較難于測量，直接對加工出來的芯軸表面進行測量得到表面粗糙度Ｒa為 0. 8 μm．
3 、結(jié) 語
本文采用非接觸式旋轉(zhuǎn)超聲加工裝置，進行了光纖預(yù)制棒深孔加工的實驗，通過 3 組實驗的對比，得到了較優(yōu)的加工方案，最終實現(xiàn)了直徑 8. 3 mm、深度250 mm 的深孔加工． 實驗結(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)用價值．
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