（机械制造及其自动化专业论文）光电器件超声波精密研磨原理与工艺研究.pdf

摘要 光纤连接器是自光纤通信技术兴起就开始发展的一类光纤器件，也是目前 使用量最大的光纤器件。光纤连接器一直存在着回波损耗偏低、插入损耗偏高 和表面变质层的问题，因此本文主要对光纤连接器端面的超声波精密研磨原理 与工艺进行研究。光纤连接器端面的纤芯属硬脆难加工材料，具有加工余量小， 绝对尺寸精度要求高的特点，增加了研磨的难度。研磨效率和研磨质量是这一 加工过程的主要指标。为了得到好的研磨质量，本文将超声波引入研磨界面， 对光纤连接器进行超声复合研磨，分析了研磨机理、探索过程参数对光纤连接 器端面研磨效率及质量的影响规律。 1 根据光纤连接器端面研磨特点建立了相应的实验体系。设计了适合光纤 连接器端面超声研磨的实验装置，建立了超声研磨过程参数体系，为超声研磨 实验研究提供了条件。 一 2 探讨了超声场作用下端面材料特性的变化规律，以此为依据选取超声研 磨数值仿真的材料参数。根据超声微切削过程的本构方程，进行了纤芯材料超 声研磨的仿真分析。分析了超声研磨所特有的机理和工艺效果。 3 对超声研磨工艺过程参数与研磨质量的相关性进行了探讨，进行了相应 的实验研究。为超声研磨的工业化推广提供了依据。 通过数值仿真和实验研究得出：超声波在加工过程中借助磨粒冲击能激活 位错，软化刃前材料，促使刃前材料产生塑性变形而断裂；超声研磨时的应力 应交及温度低，加工表面形成的变质层要薄，使光纤连接器能获得低插入损耗、 高回波损耗；超声研磨能大大提高加工效率和研磨质量。因此把超声波引入到 硬脆材料的精密研磨中是一种新型的高效的加工方法，具有广阔的发展前景。 关键词：光纤连接器，超精密加工，超声波研磨，m a r c a b s t r a c t o p t i cf i b e rc o n n e c t o r sa r eu s e dm o s t l ya tp r e s e n t w h i c hd e v e l o p e d w i t ht h er i s eo ft h eo p t i cf i b e rc o m m u n i c a t i o n 。o p t i cf i b e rc o n n e c t o r s h a v es o m ed e f e c t sa sl o wr e t l r nl o s s ，h i 醣i n s e r t i o nl o s sa n ds u r f a c e d e g e n e r a t i o n h e n c et h ep a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h em e c h a n i s ma n d p r o c e s so fp r e c i s i o ng r i n d i n go fo p t i cf i b e rc o n n e c t o r sw i t hu l t r a s o n i c o 难i cf i b e ri sd i 臻c u l tt og r i n d i n gb e c a u s ei ti ss t i f fa n db r i t t l e ，a n dh a s l i t t l ea l l o w a n c eo fm a c h i n i n ga n dh i 曲d e m a n do fa b s o l u t ed i m e n s i o n n ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fg r i n d i n ga r ct h em o s tt a r g e t sd u r i n gt h e m a c h i n i n g i no r d e r 轮g e tf i n eq u a l i t y , t h eu l t r a s o n i ch a sb e e ni n t r o d u c e d i n t ot h eg r i n d i n gi n t e r f a c e 扬 m e c h a n i s mo f g r i n d i n ga n dp r o c e s sa c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fg r i n d i n go fo p t i cf i b e r c o n n e c t o r sh a v eb e e na n a l y z e di nt h ep a p e r 1 b u i l d i n g r e l e v a n t e x p e r i m e n t a ls y s t e m a c c o r d i n g t ot h e c h a r a e t e r i s t i c so fg r i n d i n go nt h ee n d f a c eo fo p t i ef i b e rc o n n e c t o r s d e s i g n h a gt h ej u i te x p e r i m e n t a le q u i p m e n to fu l t r a s o n i cg r i n d i n go ft h e o p t i c f i b e r c o n n e c t o r , e s t a b l i s h i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ss y s t e m f o r u l 赶= a s o n i cg r i n d i n g ，w h i c ho f f e rt h ec a p a b i l i t yf o re x p e r i m e n t a ls t u d y i n g 2 a n a l y z ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fg r i n d i n gu n d e ru l t r a s o n i c ， a n ds t u d yt h em a t e r i a l ss h e a r i n gs t r e n g t hu n d e ru l t r a s o n i c ，i tg o tt h e c h a n g ed i r e c t i o no f m a t e r i a lp a r a m e t e r so nt h eb a s i so ft h a ts e l e c t i n gt h e p a r a m e t e r sf o rs i m u l a t i o n a n a l y z et h eu l t r a s o n i cg r i n d i n ga c c o r d i n gt o e q u a t i o no fc u t t i n gu n d e ru l t r a s o n i c t h e ns t u d yt h es p e c i a lm e c h a n i s m a n de f f e e t o r so f u l t r a s o n i cg r i n d i n g 弧o nc h e c ki tb ye x p e r i m e n t 。 3 s t u d yt h er e l a t i v i t y o fp r o c e s s p a r a m e t e r s a n d q u a l i t yo f u l t r a s o n i c 鲥n d i n g ，a n dt a k i n gc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a l ，w h i c h s u p p l yt h e f o u n d a t i o nf o ri n d u s t r i a l i z a t i o no f u l t r a s o n i cg r i n d i n g b ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，i ts h o w st h a t ：u l t r a s o n i cc a na c t i v e t h el o c a t i o na n ds o f t e nt h em a t e r i a lu n d e rt h eb l a d ew h i c hm a k et h e m a t e r i a lh a sp l a s t i cd i s t o r t i o na n dp a r t ；t h es t r e s s ，s t r a i na n dt h e t e m p e r a t u r eo f t h eo p t i cf i b e rw i t hu l t r a s o n i ca r eb e l i e rt h a nt h a tw i t h o u t , a n dt h es u r f a c ed e g e n e r a t i o ni st h i n r l e rw h i c hm a k e st h eo p t i cf i b e r c o n n e c t o rh a v el o w e ri n s e a i o nl o s sa n dh i 曲r e t u r nl o s s ；i m p r o v eg r e a t l y t h em a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t yw i t l lu l t r a s o n i c s oi ti sa l ln e wa n d b e t t e rm e a n st oi m p o r tt h eu l t r a s o n i ci np r e c i s i o nm a c h i n i n go fr i g i da n d b r i t t l em a t e r i a l ，w h i c hh a sw i d ed e v e l o p i n gi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：o p t i cf i b e rc o n n e c t o r s ，u l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n g ，u l t r a s o n i c g r i n d i n g ，m a r c i 中南大学硕士学位论文 第一章综述 第一章综述 世界经济的高速发展必然要求信息也要高速沟通，因此发展高性能、高速 率的信息高速公路已成为今后世界各国竞相研究和发展的战略目标。光纤通信 是信息传输网络和信息高速公路的主体和骨架，这一技术的进展总是与基础光 器件的进步紧密联结在一起的，而且也会进一步促进光器件技术和产业的发展。 光纤器件伴随着光纤通信的兴起和发展已经走过几十年的历程。光纤器件 不仅成为光纤网络建设的基石，而且，光纤器件技术的发展促成光纤通信容量 的爆炸性增长及光纤通信技术和产业的迅猛发展。光纤器件技术的进一步发展 和成熟还将会掀起光纤通信技术和产业发展的新高潮。光纤器件经过多年的发 展，各种功能的光纤器件都应光纤线路或网络系统的需要而相继出现，门类和 品种越来越繁杂。各种功能不同、特性各异的光纤器件在不断满足网络系统需 求的同时也渐渐成熟起来。网络发展的高层次需求的不断出现又不时向光纤器 件提供更新的要求，促使光纤器件在功能和性能上不断发展。光纤器件在不断 满足光纤通信需求的同时也成为光纤通信网络建设不可缺少的基本构件，成为 光纤网络建设的基石。出现了像光纤连接器、光纤锅台器、波分复用器、掺铒 光纤放大器、光开关、光纤光栅、隔离器、光环行器及衰减器等一系列的器伊“。 i 1 光纤连接器及其端面加工 光纤连接器在光通信系统、光信息处理系统、光学仪器仪表中较广泛应用， 它常常用来实现从光源到光纤、从光纤到光纤以及光纤与探测器之间的光耦合， 特别是在光通信系统中，光纤连接器是使用量最大的光无源器件。各种光纤连 接器必须具备损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、便于操作和互换性好以及 价格低廉等特点。国际电信联盟( i t u ) 将光纤连接器定义为“用以稳定她、但不 是永久地连接两根或多根光纤的无源组件”1 2 】。其结构如图1 1 所示，实物如图 1 2 所示： 中南大学硕七学位论文第一章综述 12345 1 光纤2 包覆层3 连接器体4 插芯5 连接器端面 图1 - 1 光纤连接器插针体结构示意图 1 1 1 光纤连接器的分类 图1 - 2 光纤连接器插针体实物图 1 按连接器的外型结构分类【3 】 1 ) f c 型光纤连接器 它为一种螺纹连接，外部零件采用金属材料制作，是单芯光缆连接器的常 用型号，结构为插头转接器一插头式，如图卜3 所示。这种连接器结构简单、 操作方便、制作容易。早期f c 型连接器的对接端面采用平面接触方式( f c ) ，接 触面对微小灰尘非常敏感，且端面菲涅尔反射很高，后改用对接端面为球面 中南大学硕士学位论文第一章综述 ( p c ) ，或s p c 、a p c ，极大地改善了回波损耗。它的插针为外径2 5 m m 的圆柱型 氧化锆陶瓷，并采用m 8 螺纹式锁紧机构，具有低衰耗和低反射、性能优良、可 靠性高等优点，广泛应用于光缆传输网及数字通信中。 图l 一3f c p c 型光纤连接器 2 ) s c 型光纤连接器 它是由日本研制，其插针、套筒与f c 完全一样。外壳采用工程塑料制作， 为矩形结构，便于密集安装，可以直接插拔，操作空间小，还可以制成多芯连 接器，如图i - 4 所示：当用于多模光纤连接时可以制成s p c 和 p c 型，具有较 低的回波损耗。 图1 - 4s c 型光纤连接器 3 ) s t 型光纤连接器 它是采用直径为2 5 m m 圆柱型套筒对中机构，是一种卡口旋转锁紧连接耦 合方式，具有重复性好、体积小、重量轻、适合现场装配等优点，主要应用于 本地网和通信网，如图卜5 所示。 中南大学硕士学位论文第一章综述 图卜5s t 型光纤连接器 4 ) d 型光纤光缆连接器 它也是一种单芯光缆连接器，外径为2 m 圆柱型套筒和m 8 螺纹锁紧机构。 其特点：耦合平滑稳定、弹簧压力大小精确、重复性优良。主要适用本地网。 2 按插头的物理形状分类 根据相互接触的端口形状，可分为：f c ( 平面) 、p c ( 球面) 、s p c ( 超级p c ) 、 a p c ( 角度p c ) 等。p c ( p h y s i c a lc o n n e c t ) 型连接器的端面研磨抛光成微凸球面、 球面半径为1 0 2 5 m m ；s p c ( s p h e r i c a lp h y s i c a lc o n n e c t ) 型研磨成凸球面、 球面半径为2 0 咖；a p c ( a n g l e dp h y s i c a lc o n n e c t ) 型一方面在端面形成8 。倾 角，另一方面还要在端面形成一定曲率( r = 2 0 5 0 m m ) 的球面；u p c ( u l t r a p h y s i c a lc o n n e c t ) 型为超平面连接【3 8 l 。 1 1 2 光纤连接器光学性能测试项目 1 插入损耗( 介入损耗) 是指因连接器的介入而引起传输线路有效功率减小的量值，该值越小越好。 比较严重的连接器插入损耗，来自于光纤未对准，光纤端面分离存在日j 隙，光 纤端面研磨光滑度差等因素。有关插入损耗的测量简图如图1 - 6 ： 卜参考光鳋争德溯光纾淫簇罄3 - 援入搂耗溺试仪 图1 - 6 插入损耗测试 中南大学硕士学位论文第一章综述 2 回波损耗 亦称反射衰减、回损、回程损耗，是衡量从连接器反射回来并沿输入通道 返回的输入功率分量的一个量度，其典型值应不小于2 5 d b 。研究表明，通过对 连接器对接端的端部进行专门的抛光或研磨处理，可以使回波损耗更大关于 回波损耗的测试方法如图i - 7 ： l 一娠目攫耗测量仅 争参考毙搴f，- 镥测炮阡连接毒 图i - 7 回波损耗测试 3 表面划痕 由于光纤端面的不平整也会增大损耗，应当尽可能把端面磨成光滑的平面 或曲面，因此，应尽量得到无划痕或只有细小划痕的端面。 4 球面顶点偏移 端面研磨以后，如果插针体端面球冠的顶点与光纤纤芯的中心重合则是最 理想的情况，但大多数情形则是两者不重合，即球面顶点偏移。球面顶点偏移 表明插针体端面不是以纤芯为中心的对称结构，从而导致光纤端面产生间隙和 不稳定的直接接触。但完全消除球面偏心是很困难的，当球面里非对称性时， 要确切定出所允许的偏心是多少，也是很因难的。但利用非对称球面所允许的 最大光纤下凹等效对称球面所允许的下凹值来确定偏心率，应小于5 0 u m 。 5 曲率半径 合适的光纤端面的曲率半径( 1 5 - 2 5 n ) ，会使回波损耗上升，不同尺寸的光 纤有不同曲率半径的要求。 6 光纤高度 指光纤突出于陶瓷芯的高度( 5 0 h m ) ，在某些连接器中，光纤突出高度 也是一技术指标9 “l 。 1 1 3 光纤连接器端面加工存在的问题 光纤连接器技术指标中最主要的是要求有大的回波损耗，而现在精密加工 光纤连接器得到的回波损耗普遍偏低。目前提高光纤连接器回波损耗的办法有： 将光纤端面加工成球面或斜球面。由于球面接触使纤芯之间的问隙接近于0 ，达 中南大学硕卜学位论文 第一章综述 到。物理接触”，其回波损耗达到5 0 d b 以上；另一方面提高连接器的端面加工 质量，减小加工变质层。目前光纤连接器端面研磨主要面临以下几方面的问题 b 7 - 2 0 l ： 1 端面加工质量差 端呵质量包括表面租糙度、球面顶点偏移、表面划痕等，这些与加工条件 如加工速度、压力、磨粒大小有直接的关系。磨粒对工件表面的机械作用程度 直接影响到表面耜糙度和加工变质层深度。为了获得高的表面质量，需要选用 微细的磨粒，以及弹性研具材料，使磨粒对工件表面的作用力均化分布。表面 粗糙度和磨粒压进的弹性变形和回弹的状态等有关，是无数磨粒加工的平均化 痕迹的结果。表面粗糙度的磨粒依赖性，同加工变质层厚度的磨粒依赖性很一 致。表面粗糙度可以用光学干涉仪等仪器测景，并且能够很好地反映加工引起 的表面塑性变形的痕迹，和加工变质层厚度的数量级相似。材料的去除率随研 磨速度增大而增大，从而端面质量也不断提高，但当转速过高时，有大幅振动 现象，导致端面质量下降。压力过大会造成表面质量下降，甚至会引起脆性材 料薄片工件破碎，当加工面积在一定范围内时应确定一个最佳正压力。 2 加工变质层的存在 光纤连接器产生返回光的主要原因之一是在光纤连接器端面加工过程中， 由于磨粒的微细加工作用，使被加工材料达到屈服应力，引起塑性流动，这时， 留下残余畸变，一般认为这残余畸变是压缩畸变，使得材料的密度增大，同时 该部分的折射率也增大。可以参照光学上折射率的计算，根据l a w r c n c * 公式， 由( 卜1 ) 式计算0 1 1 得出折射率大小： 望：丝( ) h + 2 3 。o 式中：n 一单位体积的分子数； a 分子系数； 8 。一真空中的介电常数； 折射率 由于大量直径一样的磨粒对加工表面的作用，导致塑性变形，在被加工表 面残留下同样厚度的加工畸变，从而形成加工变质层。利用合成石英玻璃杨氏 率和泊松比计算体积弹性率表明，变质层内的压应力和屈服应力为同一程度， 一般认为残余畸变引起密度上升，足折射率上升的主要原因i “。加工变质层引 起折射率的变化，折射率的变化影响光纤连接器的插入、回波损耗在加工变 中南大学硕士学位论文第一章综述 质层厚度d 一定时，随着折射率升高，回波损耗减小；另一方面，当折射率一定 时，返回光以两面反射的干涉来计算，变质层厚度变厚，回波损耗减小。因此 必须减小加工变质层的厚度。在加工变质层的数学模型中，加工变质层厚度d 值 与磨粒及被加工材料接触部分的曲率半径成比例，随着磨粒粒径变大，加工变 质层也变厚。变质层的厚度随着磨粒粒径的变小而变小，最终导致回波损耗增 大 2 3 - 2 4 1 。所以最后的加工工序应选用尽可能小的磨粒。 1 2 端面超精密2 j o r 新方法的提出 光纤连接器端面的加工属于超精密加工范畴，因此首先应了解超精密加工 技术。超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0 1 u m ，表面粗糙度r a 小于0 0 2 s u m ，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0 o l u m 的加工技 术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工 技术主要包括：超精密加工的机理、超精密加工的设备制造技术、超精密加工 工具及刃磨技术、超精密测量技术和误差补偿技术、超精密加工工作环境条件。 从精密加工的发展趋势来看，制造业的发展对加工精度的要求越来越高， 随着许多新方法、新手段的出现，我们可以实现的加工精度也越来越高，超精 密加工成为制造业发展的必然趋势。目前我们通常使用的超精密加工方法有超 精密磨削与研磨、超精密切削加工、超精密特种加工( 如电子束、离子束刻蚀、 激光加工等) ，还有待发现更加有效的新途径实现超精密加工。 为了促进精密加工技术的发展，应深入研究和探讨下列几个问题。( 1 ) 基于 新原理的加工方法，努力开发加工单位极小的精密加工方法，必须在加工机理 的本身就使其误差分散在l n m 以下的水平。目前加工单位比较小的加工方法主 要有弹性破坏加工、化学加工、离子束加工、电子束加工、等离子体加工等。 ( 2 ) 开发精密的机械机构，不论是加工装置还是测量装置，都需要精密的机械机 构。开发高精度的测试系统，在目前的超精密加工领域中，对加工精度的测量 主要有两种方法：激光检测和光栅检测，而光栅的应用最为广泛。目前光栅的 测量精度可达衄级，开发系统误差小、精度高和可靠性高的检测仪器和控制装 置的前提是开发高性能的传感器以及伺服从动机构。如果开发出高性能的传感 器以及伺服机构及高精度、高速度、和高可靠性的读出装置，就可通过使用计 算机进行检测、分析及计算，以提高检测精度 2 4 - 2 6 1 。结合光纤连接器端面加工 的具体要求及考虑性价比因素，本文研究了引入超声波到研磨界面上进行超精 密加工这一新型的加工方法。 的加工方法。近来，超声波被广泛应用于精密加工中，取得了优越的加工效果， 成为一种新型的加工方法。 - 1 3 1 超声加工技术发展状况 + 直到本世纪生产和科学有了相当发展，对超声波的研究和应用有了可能和需 要之后，超声学才发展起来。超声波具有许多独特的性质和优点，所以超声学 的发展很迅速，应用领域十分广泛，并有广阔的应用前景。 1 9 2 7 年，rw w o o d 和a l l o o m i s 发表了第一篇有关超声加工的论文。 在1 9 4 5 年，l b a l a m u t h 申请了世界上第一个超声加工的专利。最早研究超声 加工技术的国家是日本。日本研究超声加工的主要代表人物是岛川正惠教授和 隈部淳教授。除了把超声加工用在普通设备上，在精密机床、数控机床中也引 入了超声振动系统，并且试图将超声加工引入超精密加工机床。超声加工在日 本已获得几百项专利，在生产中发挥了一定的作用。 原苏联的超声加工研究也比较早。在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复 合加工等方面均有生产应用。并取得了良好的经济效果。为了推动超声加工的 应用，1 9 7 3 年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济 效果和实用价值，对这项新技术在全国的推广应用起到了积极的作用。 6 0 年代初，美国开始了超声加工的研究工作。7 0 年代中期，美国在超声钻 孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已处于生产应用阶段；超声车削、 钻孔、镗孔已处于实验生产设备原型阶段；通用超声振动切削系统己供工业应 用。在这个时候就已形成部分标准。德国和英国也对超声加工的机理和工业应 用进行了大量的研究工作，在生产中也得到了积极的应用。 我国超声加工的研究始于5 0 年代末。以研究超声加工、清洗，焊接、粉碎 和乳化等应用为先导，进而研究磁致伸缩换能器，压电换能器和簧片哨。6 0 年 代末，哈尔滨工业大学应用超声车削，加工了一批飞机上的铝制细长轴，取得 了良好的切削效果。1 9 7 6 年以后，我国再次开展超声加工的实验研究和理论探 中南大学硕士学位论文 第一章综述 讨工作。吉林工业大学、广西大学及甘肃光学仪器厂等单位，率先进行超声车 削设备的实验研究。7 0 - 8 0 年代发展并提出两种新型的功率超声换能器。一种是 半穿孔结构宽频带压电换能器，理论上予以阐明工作原理，并广泛应用于超声 清洗设备；另一种是双向辐射换能器，用于超声乳化设备；提出换能器的声匹配 问题，为改进功率超声换能器设计指出方向。1 9 8 2 年，上海钢管厂、中国科学 院声学研究所及上海超声波仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在 金属塑性加工中的应用填补了空白。1 9 8 5 年，机械电子工业部第l l 研究所研制 成功超声旋转加工机，1 9 9 1 年研制成功变截面细长杆超声车削装置，从根本上 解决了各种复杂形状的变幅杆、等截面细长杆精密加工的重大技术难题。对保 证产品质量、提高制造技术水平有重大意义。在同一时期，研制出有特色的超 声珩磨设备【2 7 3 i 3 2 超声加工原理及特点 1 超声加工原理： 超声加工时，高频电源联接超声换能器，由此将电振荡转换为同一频率、 垂直于工件表面的超声机械振动，其振幅仅0 0 0 5 - 0 o h m ，再经变幅杆放大至 0 0 5 - 0 i m ，以驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液( 磨料、水或煤油) 等在工具的超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用 于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。同时，由于磨料悬浮液 的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，又由于超声振动产生的空化现象， 在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时 闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区 磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循环。磨粒 的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的。总之，超声加工 是磨料悬浮液中的磨粒，在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用 的结果。其中，以磨粒不断冲击为主。由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈 剧烈容易被破坏，故尤其适于超声加工 2 超声加工特点： ( 1 ) 适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石 墨等不导电的非金属材科。也可加工淬火钢、硬质合金、不锈钢、钦合金等硬 质或耐热导电的金属材料，但加工效率较低。 中南大学硕士学位论文第一章综述 ( 2 ) 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏 观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也 较低，可达r a o 6 3 - 0 0 8um ，尺寸精度可达正负0 0 3 m m ，也适于加工薄壁、 窄缝、低刚度零件。 - ( 3 ) 工具可用较软的材料、做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较 复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。一般，超声加工机床的结 构比较简单，操作、维修也比较方侧3 0 l 。 1 3 3 超声平面研磨研究现状 超声已应用到平面研磨这一领域，取得了好的研磨效果。其加工原理是超 声振动工具头的端面和工件表面保持一固定的间隙，并在其间充以微细磨料工 作液，当超声振动工具以一定的频率振动时，带动微细磨料冲击工件表面，从 而对工件表面进行研磨。当工作台作平面运动或曲面运动，即可对整个工件表 面进行加工。其原理加工模型如图卜8 所示0 2 1 。 甄有朋工变硬屋 新生加工褒质屡 图卜8 超声研磨加工原理模型 超声研磨时，大量的磨料以与超声振动相同的频率、脉动式地冲击被加工 表面，除去或改造工件表面原有的损伤层，并在其下面构成新的损伤层，即表 面加工层。如果工艺参数选择恰当，则可使新生成的损伤层更薄、更均匀，从 而获得较佳的表面质量，实现超精密加工，理想的状况足获得接近无损伤的表 面。 由于光纤连接器端面要求为凸球面，而采用游离磨粒传统超声平面加工时 磨料对表面作用的均匀性，无法形成具有一定曲率半径的球面。其次由于磨粒 中南大学硕士学位论文第一章综述 是游离分散在研磨液中，很容易被甩出研磨盘，难清洗，污染环境。因研磨精 度要求高，如研磨盘不能很好的清洗干净必将造成研磨精度达不到要求。因此 根据光纤连接器端面研磨特点，采用固结磨料即研磨砂纸进行超声加工，且工 具头平行被加工面振动，详见第二章的实验装置设计。 1 4 课题来源及研究意义和研究内容： 1 4 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金重点项目：“光纤器件亚微米制造理论及关 键技术”( 5 0 2 3 5 0 4 0 ) 中的“光纤连接器端面的超声波复合研磨”子课题。 1 4 2 研究意义 目前，随着现代高技术的发展，具有优良性能的硬脆材料的超精密加工作 为一新课题已提到议事日程，成为一普遍关注的新焦点。硬脆材料( 如工程陶 瓷、光学玻璃、半导体、单晶硅、铌酸锂、蓝宝石和石英晶体等) 在电子、光 学、仪器仪表、航空航天和民用等行业用来制造高技术产品的前景十分广泛。 对于硬脆材料来说，它们大多具有高硬度，低韧性、高熔点、低热传导性、低 导电性、高化学稳定性等固有特性( 例如工程陶瓷) ，对材料的去除是非常不利 的。由于材料的高硬度、低热传导性导致加工区温度较高、易产生热应力并导 致裂纹产生。而低导电性和高化学稳定性又使其难于进行电解加工。尽管如此， 由于这类材料的优良性能，新的加工方法也不断涌现。超声振动研磨属于其中 一种。但是，在超声振动平面研磨这一领域里，目前还仅局限于游离磨粒的研 磨，很少涉及平面接触的超声振动研磨。基于超声振动研磨具有提高加工精度、 改善表面变质层的一系列优越性能，课题拟将超声振动引入光纤连接器端面研 磨的界面，对光纤连接器端面进行超声波复合研磨，并由此找到解决光纤连接 器端面研磨存在问题的办法。从而得到好的端面研磨质量，提高光纤连接器的 光学性能即高回波损耗和低插入损耗。因此，进行光纤连接器端面的超声波复 合研磨的研究具有很重要的理论和现实价值。 1 4 3 研究内容 1 建立光纤连接器端面超声波研磨的过程参数体系，并以此为依据研究和 中南大学硕士学位论文第一章综述 设计光纤连接器端面超声波研磨的实验体系。 2 研究光纤连接器端面超声波研磨对声场中材料机械性能的影响，研究界 面上磨粒对加工表面的作用过程和几何模型，建立本构方程，确定基本模拟参 数和边界条件，进行数值仿真，探索在复合外场和多因素协同作用下材料的去 除。 3 研究连接器端面超声波研磨的过程参数与新生表面形貌的相关规律，通 过在不同实验条件下改变研磨的工艺参数，如磨料粒度和硬度、研磨速度和压 力、研磨时间和流体介质性能等对材料表面的面形精度、表面粗糙度、表面变 质层的影响和规律。从而得到最佳的工艺参数。 中南大学硕士学位论文第二章光纤连接器超声研摩实验装置设计 第二章光纤连接器超声研磨实验装置设计 为进行超声复合研磨工艺实验研究，必须首先提供设备上的支持，因此实验 装置的设计是一关键。为了设计出合适的实验装置，本章先对超精密研磨的特点 进行研究，为实验装置设计提供依据。超声研磨实验装置主要包括超声发生器、 超声波振动系统、夹具和研磨盘等四个部分构成，它们是超声研磨工艺系统的关 键部分，而超声振动系统又由换能器、变幅杆组成。超声振动系统的工作原理是： 换能器将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆 将换能器的纵向振动放大后传给夹具；夹具带动安装在它上面的光纤连接器振 动。 2 1 超精密研磨特点研究 为得到好的加工表面通常对工件进行研磨加工。超精密研磨通过选用低的加 工压力，微细磨粒以及弹性或粘弹性抛光盘，就很可能得到极小的加工尺寸，进 而可以获得比一般机械加工更高的加工精度。在加工过程中的每个加工点局部， 均是以材料微观变形或去除作用的集成来进行的。可使用比缺陷( 特别是裂纹缺 陷) 还小的磨粒，使磨粒作用力比引起材料破坏的应力还小，并借助于磨粒( 或 研磨液) 对被加工表面的化学作用，获得高质量的加工表面。超精密研磨的主要 特点如下 3 3 - 3 4 1 ： 2 1 1 微量切削 当使用强制性进给切削加工方法时，因受机械进给机构和振动特性的影响， 要达到l u m 切除层是相当困难的，而采用切除层极小的超精密研磨加工方法是可 以达到的。可将磨粒形状简化为圆锥体如图2 一l 所示，其吃刀量为： 铲辱 ( 2 1 ) 式中f _ - 单个磨粒承受的压力( n ) ： a 假想圆锥磨粒的半顶角( 。) ； 最一工件材料的屈服点( m p a ) 取a = 6 0 。，最= 2 0 0 0 m p a ，f = i o n ，则口。= o 3 u m 。每颗磨粒载荷为f = i o 。n ， 假设每l c m 2 约有1 0 0 1 0 0 0 颗磨粒，载荷相当于0 卜l n ，如果将研磨压力控制在 这一范围内，可得到小于0 3 u m 的切削深度，这对超精密研磨加工并不困难。 中南大学硕士学位论文 第二章光纤连接器超声研麝实验装置设计 2 1 2 按创成原理成形 图2 - 1 磨粒的接触模型 出的僧 超精密研磨加工是一种选择压力作用点的加工方法。当研具与工件在一定宽 度面上接触，施加压力后，自动地选择局部突出的地方加工，故仅切除承受压力 处的材料。这种加工方法使研具与工件分别随着对方引导而同时逐步提高精度， 即使工具存在误差，由于加工过程中研具上的误差点也被切除，提高了研具精度， 故与一般强制进给切削方法不同，其加工精度主要不决定于机床的精度，所以称 这种加工原理为创成( 进化) 原理( 6 e n e r a t i n gp r i n c i p l e ) 。利用这种方法可获得 非常高的加工精度。 超精密研磨加工大多是用非强制性的压力进给切削加工，并且首先切除工件 与研具表面上的凸点。为了获得理想的按创成原理形成的加工表面，要求： 1 ) 研具与工件能相互修整； 2 ) 各点相对运动轨迹接近一致； 3 ) 采用在弹性或粘弹性压力下加载，能根据接触状态自动调整吃刀量，以保证加 工质量。 2 1 3 化学作用 目前，磨粒加工的去除单位已在纳米甚至是亚纳米数量级，在这种加工尺度 内，超精密加工过程中时常伴随着化学反应现象，加工氛围的化学作用变得不可 忽视。在加工中有效地利用工件与磨粒、加工液以及研具之间的各种化学作用， 既可提高加工效率，又可获得无损伤加工表面。 中南大学硕士学位论文 第二章光纤连接器超声研磨实验装置设计 2 1 4 多刃多向切削 在研磨加工中，由于每颗磨粒形状不完全一致，以及分布的随机性。磨粒在 工件上作滑动和滚动时，可实现多方向切肖，并且全体磨粒的切削机会和切刃破 碎率均等。可实现自动修锐。 2 2 光纤连接器超声研磨过程参数体系的建立 2 2 1 研磨运动形式 研磨加工应具有比较复杂，无规律的相对运动轨迹，以保证工件加工面的切 削条件均匀。对研磨运动轨迹的基本要求如下： ( 1 ) 工件相对研具作平面运动，表面各点的相对运动轨迹接近一致： ( 2 ) 尽量不出现运动轨迹的周期性重复； ( 3 ) 运动平稳，避免曲率过大的运动转角： ( 4 ) 保证工件走遍整个研具表面，使研具得到均匀磨损； ( 5 ) 及时变换运动方向，降低表面粗糙度并保证面形一致。 2 2 2 超声的振动振幅和频率 随着超声振动振幅和频率的增大，加工速度明显提高。但是，过大的振幅和 过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，严重时会超过工具和变幅杆材 料的疲劳强度，降低其使用寿命。随着工具振动振幅和频率的增加，加大了工具 与变幅杆、变幅杆与换能器之间联接处的能量损耗。 因此，要求超声加工工具振动振幅为0 0 1 0 1 衄，频率为1 6 2 5 k h z 。实际 加工时，应调至共振频率，以获得最大的振幅。 2 2 3 超声功率 超声功率是超声研磨中的重要参数，必须选用合适的功率值来达到超声研磨 所特有的效果。上节中清楚地表述出，切削过程中每一周期只有作用瞬间t 内， 刀具相对工件接触，并做功，此时切削力的大小为e 。设该做功段长度为k ， 则完成振动切削过程所需的功率只为： 只= ( 只屯) ， ( 2 - 2 ) 式中厂为振动切削中刀具的振动频率。只是振动切削刀具作切削速度方向的振动 中南大学硕士学位论文第二章光纤连接器超声研磨实验装冒设计 所需的功率。 2 2 4 磨粒类型及大小 研磨加工的效率和表面租糙度很大程度上取决于磨料的性质。研磨磨料按硬 度可分为硬磨料和软磨科两类。常用的磨料有氧化铝系，碳化物系、超硬磨料系 和软磨料系4 类。研磨用磨料应具有下列性能：形状、尺寸均匀一致；能适当地 破碎，使切刃锋利；在研磨液中容易分散，利于均匀切削。加工过程中，由于每 颗磨料形状不完全一致以及分布的随机性，磨料在工件表面上作滑动和滚动时， 可以实现多方向切削，并且全体磨料的切削机会和切刃破碎率均等，能够自动修 锐。在光纤连接器研磨时，先选用1 5 s i c 砂纸去胶胞，再采用金刚石砂纸研磨， 最后用较软的氧化铝抛光。 磨粒对工件的机械作用足工件表面粗糙度的成因之一。为获取尽量小的表面 粗糙度，需要最小化各个机械作用。磨粒在工件表面压入深度可看作切痕或化痕 的深度。当选用大的磨粒粒径时，其切入的深度大，材料去除率也大，而表面粗 糙度差；小粒径的磨粒材料去除率小，但加工后的表面粗糙度值要好。因此粗磨 时可选用大粒度的磨粒，而精磨时需用小粒度的。 2 2 5 研磨压力 研磨加工表面材料的去除率与接触区域内工作压力和相对速度成正比，这是 因为随着压力的增加，单颗磨粒作用在工件表面上的应力增加，从而引起切屑单 元增大，在一定范围内，增加研磨压力可以成比例地提高加工效率；但当压力大 到一定值时，由于磨粒破碎及接触面积增加，实际加工点的接触压力不成正比增 加，研磨效率提高并不明显，选用较低的工作压力，可以实现微量去除，获得较 高的表面质量。 2 2 6 研磨速度 研磨速度是指加工区域内工件与研具的相对速度。研磨速度增大可以提高加 工效率；但当速度过高时，由于离心力作用，磨料被甩出工作区，研磨运动平稳 性降低，研具磨损加快，从而影响到加工精度。超声振动切削时，受临界切削速 度的限制，为了保证获得较高的加工质量，一般取切削速度v ”，3 。 在研磨过程中，增大相对速度和工作压力会提高加工效率，但将造成表面质 量的下降，甚至引起局部破碎。根据这种情况，粗研时选用低速，高压，半精研， 精研选用低速，低压，此外还要求磨料对工件表面的作用力分布均匀。 中南大学硕士学位论文 第二章光纤连接器超声研磨实验装置设计 2 2 7 研磨液 在加工区域的局部作用点上会产生相当高的温度，这将导致变质层厚度加 深，粗糙度变大，因而需要采用研磨液进行降温处理。对研磨液有下列要求：( 1 ) 能有效地散热，防止研具和工件表面热变形；( 2 ) 粘度低，可以提高磨料的流 动性；( 3 ) 不污染工件；( 4 ) 性能稳定，不分解变质；( 5 ) 较好地分散磨粒。 2 3 超声研磨实验装置构成 2 3 1 超声发生器 超声发生器( 又叫超声频发生器或超声波电源) 的作用是将工频交流电转变 为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料 的能量。超声加工用的超声频发生器的组成方框图类似于图2 屯所示，分为振荡 级，电压放大级，功率放大级及电源等四部分。其可以是他激式，也可以是自动 跟踪式。后者是一种自激振荡推动多级放大的功率发生器。自激频率取决于超声 波振动系统的共振频率。当出于某种原因，如更换工具或工具头磨损、部件受热 或压力变化等，会引起超声波振动系统共振频率的变化，可通过“声反馈”或“电 反馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始终处 于良好的谐振状态。为此，一般要求超声波发生器应满足如下条件： 1 ) 输出阻抗与相应的超声波振动系统输入阻抗匹配； 2 ) 频率调节范围应与超声波振动系统频率变化范围相适应，并连续可调； 3 ) 输出功率尽可能具有较大的连续可调范围，以适应不同工件的加工； 4 ) 结构简单、工作可靠、效率高，便于操作和维修。 图2 - 2 超声发生器的组成方框图 振荡级由电子管或三极晶体管接成电感反馈振荡电路，调节电容量可改变振 荡频率。即可调节输出的超声频率。振荡级的输出经耦合至电压放大级进行放大 中南大学硕十学位论文第二章光纤连接器超声研磨实验装置设计 后，利用变压器倒相输送到末级功率放大管，功率放大管有时用多管并联输出， 经输出变压器输至换能器f 3 s l 。 2 3 2 超声波振动系统 超声波振动系统主要包括换能器、变幅杆、工具。其作用是将由超声波发生 器输出的高频电信号转变为机械振动能，并通过变幅杆使工具端面作小振幅的高 频振动，以进行超声加工。 1 换能器 换能器的作用是将高频电振荡转换成机械振动，目前实现这一目的可利用压 电效应和磁致伸缩效应两种方法p 6 】。 ( 一) 压电效应超声波换能器 石英晶体、钛酸钡以及锆钛酸铅等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在它 们两对面的接口上将产生一定的电荷，形成一定的电势；反之，在它们的两接口 上加以一定的电压，则将产生一定的机械变形，如图2 - 3 所示，这一现象称为“压 电效应”。如果两接口加上1 6 k h z 以上的交变电压，则该物质产生高频的伸缩变 形，使周围的介质作超声振动。为了获得最大的超声波强度，应使晶体处于共振 状态，故晶体片的厚度应为声波的半波长或整数倍。 石英晶体的伸缩量太小，3 0 0 0 v 电压才能产生0 0