（机械制造及其自动化专业论文）光纤连接器端面的超声波复合研磨机理与实验研究.pdf

中南大学硕十学伊论文 摘要 随着光通讯技术的发展，光纤连接器得到了广泛的应用，但光纤连接器一直 存在着回波损耗偏低、插入损耗偏高和表面变质层的问题，反映在加工工艺上就 是光纤连接器端面的超精密加工问题。近年来，超卢振动加工技术得到了巨大的 发展，特别是在难加工材料的精密加工中，超声振动加工方法具有普通加工无法 比拟的工艺效果，已经得到了越来越广泛的应用。但是，在超声振动平面研磨这 一领域里，目| ；i 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。 基于超声振动研磨的一系列优越性，本文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 研磨存在的问题的方法。因此，进行光纤连接器端面的超声波复合研磨的研究具 有很藿要的理论和现实价值。 本文介绍了光纤连接器的发展现状以及存在的一些关键问题，以这些关键问 提为出发点，先从理论上分析脆性材料研磨的材料去除机理入手，在此基础上分 析超声振动研磨的材料去除机理，从中找到了光纤连接器端面的超声波复合研磨 的根本解决办法。由此得出了超声振动研磨具有自稳定性的特殊效果，并利用这 种自稳定性分析了超声波复合研磨能提高加工精度、提高表面质量和改善表面变 质层的原因。最后通过对光纤连接器端面进行超声波复合研磨的实验研究，发现 在光纤连接器端面研磨界面中引入超声振动能大大降低光纤连接器的插入损耗、 提高回波损耗和大大改善光纤连接器端面的表面变质层，一般能使光纤连接器的 插入损耗降到0 0 5 d b 以下，回波损耗提高到6 0 d b 以上，并且得出了当研磨压力 为2 0 9 肌埘2 左右，单个光纤连接器研磨的超声波功率为1 2 w 左右，在合适的研 磨时间下，研磨的工艺效果最好。 关键词：超声波复合研磨，光纤连接器，超精密加工，超声振动 中南大学硕+ 学伊论文 a b s t r a c t w i t ht 1 1 e d e v e l o p m e mo fm el i g h tf i b e rc o m m u n i c a t i o n s ，o p t i c a l 胁e rc o r u l e c t o ri sw i d e i yu s e di i lm a n yf i e l d s t h ec o n n e c t o rh a ss o m e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hi n s e r t i o nl o s sa n dl o wr e t 啪l o s s h e n c em e r e s e a r c ho f u l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n gi sn e c e s s a 叮n e e d e d i nr e c e m y e a r s ， u l t m s o n i c ，a san e wm e a n s ，h a sb e e n 印p l i e di nm ef i e l do fi n d u s t 搿 m a n u f a c t u r e ，e s p e c i a li np r e c i s i o nm a c h i n i n ga n dt l ep r o c e s so fs o m e k i n do fm a t e r i a lm a ta r ev e 珂d i m c u ht om a c h i n i n g p r o c e s sw i t t l u l 扛嬲o n i ch a ss u p e “o r i t ) ，o v e rt h ec o m m o np m c e s sa n dh a saw i d e a p p l i c a t i o n u m 订n o w ，m ep l a r i eg r i n d i n gw i t hu l t r a s o n i ci ss t i l ll i m i t e d i nt h el e v e lo fd i s s o c i a t e dg r i n d i n gm e d i u m l i t t l ea t t e n t i o nh a sb e e n p a i dt om ep l a n ec o n t a c tg r i n d i n gw i t hu l t r a s o n i c t h ep r e s e mp 印e r h a s e do nt h e c o m ! o u n dg r j n d i n g w i t hl | 1 t r a q n n i cn f n p t i p a l 伟h p r c o n n e c t o r i tw a n t st 0r e s o l v et h ep m b l e mo fg r i n d i n go fo p t i c a lf i b e r c o n n e c t o r s ot h er e s e a r c hh a sg r e a tv a l v ei nt h ef i l e do fm e o r ) ra i l d r e a l i 吼 t h ep 印e rs t a r t sw i t ht h et o d a y sd e v e l o p m e n to fm eo p t i c a lf i b e r c o r u l e c t o r 卸ds o m ek e yp r o b l e m sw a n tt ob er e s o l v e d t h e nm a k ea i l a n a l y s i so fm e c h a n i s mo fv i b r a t i o n 鲥n d i n ga i l d 鲥n d i n go f b r i t t l e n e s s m a t e r i a l t h ea u t h o ri n 协) d u c e dt h ec o n c e p tt h a tu l t r a s o n i cv i b r a t i o nh a s g y r o s c o p i ce 旋c ta n d 印p l i e di t t om ea n a l y s i so fm ee 腑c to ft i l e u l t r a s o n i cm a c h i n i n g w i t ht l l e h e l po ft h ee x p e r i m e n t so fu i t r a s o n i c g r i n d i n go fm eo p t i c a lf i b e rc o r u l e c t o r t h ea u t h o rg i v eh i sc o n c l u s i o n ， t h a ti s ，m eu l t r a s o n i cv i b r a t i o no fu i t r a s o n i cg r i n d i n gc a i li m p r o v em e q u a l i t yo fm e 协l n o r p h i cl a y e r r e d u c ei n s e r t i o nl o s sa 1 1 di m p r o v er e t u m l o s so fo p t i c a lf i b e rc o n n e c t o r t h ei n s e r t i o nl o s sa n dr e t l l ml o s sc a nb e d o w nt o0 0 5 d ba n du pt o6 0 d b t h i sp a p e ra l s oc o n c l u d ew h e nm e p r e s s i s 2 0 9 肌m 2 ，t h ep o w e ri s1 2 w a n di np r o p e r 鲥n d i n gt i m e ，m e 鲥n d i n g q u a l i t y i s m e b e s t k e y w o i t d s ： u l t i _ a s o n i c g r i n d i n g ，o p t i c a l f i b e rc o l l n e c t 0 i r u l 仃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 b r a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：丝 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：趁导师签名 吕 中南大学硕七学伊论文 第一章综述 第一章综述 1 1 光纤连接器的发展现状 光纤连接器是光纤传输系统的一种重要的光无源器件，国际电信联盟( 1 1 u ) 将光纤连接器定义为“用以稳定地、但不是永久地连接两根或多根光纤的无源组 件”【1 1 ，作为光信号传输的纽带，光纤连接器最主要的性能指标有两项，即插入 损耗、回波损耗。插入损耗越小越好，回波损耗越大越好。在光纤连接的过程中， 由于光纤连接器的规格大都足以两个插针体和一个套筒组成，如图卜1 ，它属于 较稳定的机械部件，故连接过程中形成连接误差和损耗的束源主要集中在光纤端 面的研磨加工这一环，制造光纤的材料和光纤的尺寸导致了光纤端面的精密加工 具有较高难度。近年来，光通信发展异常迅速，一方面朝着超高速、大容量、长 距离的方向发展；另一方面光纤局域网和用户系统得到大力开发，使光纤到社区， 进入家庭。全光通信是光通信发展的必然方向，在全光通信中，光无源器件是构 建全光通信网络的重要基础，为了有效地抑制通信网内发生的光损失，因此，必 须对光纤连接器端面进行超精密加工【2 “。 1 1 1 光纤连接器的分类 图卜1 光纤连接器对接原理图 光纤连接器从结构上分为单芯光纤连接器和带状多芯光纤连接器，目f 箝使用 最多的是单芯光纤连接器，它又有单模光纤用和多模光纤用之分。依据光纤活动 接头的结构和形状，常见的单芯光纤连接器可分为f c ，s c ，s t 等几种l 。 f c 型为圆形的螺纹式结构，接头插入法兰盘后，插头中的卡锁落入法兰盘 的槽中，再用螺纹拧紧，接触的光纤端面不产生位移。光纤端面经研磨、抛光处 理，靠套简的高精度内圆与插针体的岛精度外圆紧密配合进行轴心对准。f c 型 插针的外径为2 5 m m ，可使用金属、塑料玻璃等材料，但目前应用最多的是氧 化钻陶瓷( p a n i a l l ys t a b i l i z e 殖n i a ) 材料。 由南大学硕十学伊论文 第一章综述 s c 型是矩形的插拔式结构，法兰盘中有卡簧。由于s c 型是矩形。所以很容 易对准。接头插入法兰盘后。听到卡簧声响，便表示接头己良好连接。多根光纤 的终端多选用s c 型，以利于高密度安装。 s t 型为圆形卡口式结构，接头插入法兰盘压紧后，旋转一个角度便可使插 头固定牢固，并对光纤端面施加一定的压紧力。 1 1 2 光纤连接器的端面形状 光纤连接器的端面形状可分为p c 型、s p c 型、a p c 型和u p c 型8 ，9 1 。p c ( p h y s i c a lc o 肌e c t ) 型连接器的端面研縻抛光成微凸球面、球面半径为l o 2 5 n l m ； s p c ( s p h c r i c a lp h y s i c a lc o m e c t ) 型研磨成凸球面、球面半径为2 0 n 衄：a p c ( a n 鲥e d p h y s i c a lc o n n e c t ) 型一万面在端面形成84 倾角，另一方藏还要在端面形成一定曲 率( r = 2 0 一5 0 m m ) 的球面；u p c ( u l t m p h y s i c a lc o i l l l e c t ) 型为超平面连接。 光纤连接器的型号通常表示为x x y y ，x x 表示接头的连接方式，y y 表示光 纤连接器端面的形状。如s c u p c 表示插拔式超平面连接。 1 1 3 光纤连接器端面研磨面临的主要问题 光纤连接器的回波损耗足指光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分 贝数，表示在加工光纤端面上反射回来的光减少量，由于返回光的存在，影响了 激光二极管光源的激振稳定性，这种光在有线电视上就会形成所谓的秀影，劣化 电视信号品质【2 j 。目前提高光纤连接器回波损耗的办法有：提高连接器的端面加 工质量，减小加工变质层；另一方面将光纤端面加工成球面或斜球面。由于球面 接触使纤芯之日j 的日j 隙接近于0 ，达到“物理接触，其回波损耗达到5 0 d b 以上。 目前光纤连接器端面研磨主要面临以下几方面的问题： 1 光纤端面超精密加工和加工变质层 由于光纤尺寸较小，加工精度要求很高，而且纤芯材料为硬脆材料，所以通 常的加工方法部很难满足光纤连接器本身的要求。现在脆性材料的超精密加工原 理有两种1 2 l ：一种是运动复印原理，种是压力复印原理。运动复印原理主要是 靠机床的精度来保证加工工件的精度，需要高精度的超精密加工机床和较大的投 入；压力复印原理利用一般精度的机床和误差均化原理来实现高精度加工，光学 零件的超精密加工在这方面有很好的应用，因而光纤连接器通常利用压力复印原 理进行加工。 a ) 加工变质层形成机理 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 2 中南大学硕十学伊论文 第一章综述 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。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。研究加工变质 层形成机理，建立加工变质层的理论模型，以及研究加工变质层和折射率的关系， 可以参照光学上折射率的计算，根据l a w r e n c e 公式，由( 卜1 ) 式计算： 垂兰：丝( 1 一1 ) 片2 + 2 3 8 0 式中：n 一单位体积的分子数； 口一分子系数； e 。一真空中的介电常数； 刀一折射率 用( 卜1 ) 式计算，折射率从芯部的1 4 5 上升到变质层的1 5 4 。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大 致同样程度，一般认为残余畸变引起密度上升，是折射率上升的主要原因【4 】。 b ) 加工变质层对回波损耗的影响 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。回波损耗由( 卜2 ) 式计掣2 1 ： ，1 2 + 呼+ 2 _ 吒c o s 掣 瞰旒一1 0 1 0 9 i 磊i 棚 q 。2 l + c o s 式中：万一加工变质层的折射率； 一基材的折射率； d 一加工变质层厚度； 一光的波长； 吒= 坠； 甩+ 一0 + ” 吃2 百百 由( 卜2 ) 式计算分析表明，在加工变质层厚度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。 c ) 加工变质层和表面质量 在加工变质层的数学模型中，将加工变质层作为翅性领域计算，加工变质层 中南大学硕十学伊论文第一章综述 厚度d 值和磨粒与被加工材料接触部分的曲率半径成比例的，随着磨粒粒径变 大，加工变质层也变厚。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量，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。 d ) 加工工艺参数对回波损耗的影响 研究表明【3 1 相对速度与加工压力的乘积同加工效率成比例关系，对光纤连 接器的回波损耗影响较小。在相对速度和加工压力一定时，改变研磨的磨粒粒径， 研究磨粒粒径对加工速度和回波损耗的影响。研究表明加工效率随着磨粒粒径的 增大而增大，而回波损耗则随着磨粒粒径的变小而增大，通过减小磨粒粒径，能 获得5 0 d b 左右的高回波损耗。而且同其它加工条件相比，磨粒粒径对回波损耗 影响最丈。其主要原冈是在使用金刚石磨粒或其它磨粒的加工中，磨粒对加工表 面的微加工作用，在加工表面上形成加工变质层，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1 2 j 。 ：球面光纤连接器的超精密加工技术 由于球面接触使纤芯之间的b j 隙接近于o ，达到“物理接触”。根据有关公 式计算，端面间隙和多次反射所引起的插入损耗将得以消除，从而使后向反射光 大为减小1 2 1 。将光纤连接器的端面加工成球面，球面曲率半径一般为1 5 2 5 衄， 其回波损耗可以达到5 0 d b 以上。斜球面光纤除具有物理接触之外，还可以将微 弱的后向反射光引入旁路，使其难以进入原来的纤芯，回波损耗达到6 0 d b 以上， 特别好的情况可以达到7 0 d b 。但足球面光纤连接器的加工相当困难，需要使用 超精密研磨和抛光才能加工出镜面光学表面【3 ，”j 。 3 球面光纤连接器的超精密加工 在球面光纤连接器的加工中，首先使用研磨砂纸除去光纤连接器尖端突出的 光纤和剩余粘结剂，在弹性体工具上，压住光纤连接器尖端，使用混合磨粒的研 磨液，将光纤连接器尖端加工成凸球面，然后，使用比前一道工序更细磨粒的研 磨剂进行超精密加工，除去加工变形，最终达到规定的要求。 玻璃插针体光纤连接器的超精密加工在玻璃插针体光纤连接器的超精密加 工中，经常使用o d ，、彳，q 和金刚石研磨膜，使用这3 种研磨膜加工的光纤连 接器，表面粗糙度部能够达到0 o l “加以下，加工表面不会残留啃划痕和划伤， 能够得到良好的镜面。使用d 2 研磨膜加工的光纤连接器，回波损耗平均为 4 1 4 d b ，使用4 f ，0 ；研磨膜加工的光纤连接器，回波损耗平均为3 4 1 d b ，使用金 刚石研磨膜加工的光纤连接器。回波损耗平均为3 6 3 d b 。产生这一差别的原因 是，同o d ，比较，使用一，q 和金刚石研磨膜超精加工时，加工面的损伤大，产 4 中南大学硕十学付论史 第一章综述 生加工变质层。因而，要求高回波损耗时，使用o o ，研磨膜超精密加工是合适 的，如果要求提高加工效率，则推荐使用高硬度的彳厶织和金刚石研磨带。在使 用d 研磨膜时，比较加工过程中加入水分的场合( 湿式) 和不加入水分的场 合( 干式) ，研究水分对加工后的光纤连接器光学特性的影响，干式超精密加工 的光纤连接器，平均回波损耗为4 1 4 d b ，湿式超精密加工的光纤连接器，平均 回波损耗为5 0 2 d b ，实验表明在光纤连接器的加工过程中，应该加入适当的水 分。在湿式的场合，其加工机理是依靠化学反应来去除的，一般认为会发生水解 反应，在常温常压时，其反应难以进行，但在微细磨粒的尖端上，由于极高的压 力，能够促进其反应【l ”。 表卜1 光纤连接器的检测项目厦评价指标1 2 】 榆测项目 检测条件 评价指标 纤芯凹陷 5 0 玎珊 纤芯r 。5 0 埘霄 主要性能 插针体r 。 5 0 疗m 指标 曲率# 径r 1 5 2 5 研坍 插入损耗x = 1 3u m ldl o 4 d b 回波损耗 = 1 3u m ldl f 4 0 d b 弯曲9 0 。2 5 2 4 5 n 加载5s 后测量 扭曲 9 0 0 。，1 3 2 n ，循环1 0 次 祝械性能 拉伸6 9 n 。加载5s 后测量 “o 5 d b 检测 震动l o 5 5 hz ，振幅1 5 m m 。2h l r 4 0 d b 冲击 1 0 0 n ，6 ms 循环1 0 次，3 个方向 耐久性1 0 0 0 次插拔。每插拔1 0 次测量一次 热循环4 0 。8 0 。8h ，周期，1 0 0 个周期 环境性能 l i o 5 d b 高温8 5 。2 。9 6 0 h 检测 l 4 0 d b 低温2 5 。2 。9 6 0 h 中南大学硕十学伊论文 第一章综述 1 1 4 光纤连接器端面的关键牲能指标及检测项目 在通信领域，电话传输要求商标准的连接器性能，而对于有线电视( c a t v ) 和i n t e m e t 网络则需要更严格的连接器性能。研磨过的光纤连接器，必须经过质 量检测以便使得通信线路达到最大光传输和最小干扰。光纤连接器的检测项目和 性能指标见表1 1 。在下面的介绍中，将讨论光纤连接器的各种研磨的性能标准 和枪测措施【1 厶19 1 。 1 回波损耗： 回波损耗指光由连接器端面反射经光纤返回发射源的现象。这一现象必须通 过各种手段确保其最小化( 高于5 5 d b ) ，以便保证信号传输的清晰度。 关于回波损耗的测试方法如图卜2 ： 图卜2 回波损耗测试 2 插入损耗： 插入损耗是指，在两个光纤连接器的连接接触面所损失的一部分光能。比较 严重的连接器插入损耗，来自于光纤末对准，光纤端面分离存在b j 隙，光纤端面 研磨光滑度差等因素。有关插入损耗的测鼍简图如图卜3 ： 图卜3 插入损耗测试 3 顶点偏移 顶点偏移的定义只适用于球形端卣的光纤，顶点的定义是沿光纤轴线方向球 形端面的最高点。顶点偏移量就是指，从光纤纤芯中心到顶点的距离。具体的示 意图如图卜4 所示： 6 中南大学硕十学伊论文第一章综述 ( a ) 有较大顶点偏移的情况 顶点偏移为9 8 u m ( b ) 顶点偏移很小的情况 顶点偏移为1 l 岫 图卜4 顶点偏移 顶点偏移已经作为一种被承认的标准列入光纤连接器的性能标准。较大的顶 点偏移同样会导致较低的回波损耗和较大插入损耗。 4 纤芯凸凹度 在阐述纤芯凸凹度的时候首先要引入光纤端面曲率半径这样一个概念，对于 p c 型、s p c 型或者a p c 型连接器由于光纤端面要求加工出一定的球面度，这个曲 率半径就是指此球面的曲率半径。其大小一般在1 5 2 5 m m 之间( p c 型) 。相应 的示意图见图卜5 。 无穷大1 5 p 2 5 n 醢霉半径 曲霉半经 图卜5 光纤端面曲率半径 球形端面的研磨方法总体来说是采用预先确定的，对具有一定弹性的研磨 面，在研磨的过程中施加恒定的压力。对连接器施加的这个压力使它压在研磨面 上，而由于研磨面有一定的弹性，于是产生弹性形变从而使光纤端面研磨成球面。 由于压力不变，所以产生的这个弹性形变也不改变。而这个曲率半径则由压力和 光纤端面大小以及研磨面硬度决定。压力越大，光纤端面越小，研磨面的硬度越 小则曲率半径越小。反之曲率半径就越大。 在连接器的连接过程中，恰当的光纤端面曲率半径使得纤芯的凹陷可以通过 一定的压力得到补偿【2 们。 7 中南大学硕十学位论文第一章综述 当光纤纤芯凹陷进连接器顶端的时候称之为纤心凹陷，当光纤纤芯凸出到连 接顶端以外称之为纤芯凸起。测量纤芯凸凹度的方法一般是通过对端面进行测 量，从干涉条纹中计算出纤芯凸凹度。通常情况下，纤芯凸凹度一般不大于 5 0 ”朋。具体情况如图卜6 ： o ，则犯 o ；办即裂纹随载荷单调增大。 当尸= p ，则相应的裂纹尺寸是： c = “x 。+ x ，) p ，k ( r 胆 ( 2 1 3 ) 在卸载后半个周期( p 0 ) ： a ? a p = 2 x 。3 髟c ( 2 1 4 ) 其中，当a p z ，可在略去小范围非弹性形变区对应力场影 响的情况下，直接用弹性力学解来处理裂纹扩展问题。这时有【3 5 删： 昙= 罴( 等) ( 争= 常数 ( z - 2 0 ) 其中：妒( v ) = ( 1 一v 2 ) ( 1 2 v ) 2 2 石4 v 一材料的泊松比 y ，一材料的断裂能 ( a ) v i c k e r s 压痕诱发初始裂纹 ( b ) 充分发展径向中位裂纹体系 图2 5 压痕诱发初始裂纹畔1 上式说明随着压头载荷的提高，充分发展的裂纹继续扩展。但是这个公式没 有充分顾及残余应力的作用，若考虑残余应力的影响，残余应力与裂纹尺寸的关 系为1 3 3 1 ： 盯= ( k 。妒c “2 ) ( 1 一x ，p 墨、c ”)( 2 2 1 ) 其中盯= + 吒， 吒一断裂应力， 盯。一残余应力 对式( 2 2 1 ) 微分求极值： 箜：o d 盯 得i 临界应力仃。和临界裂纹尺寸巳的表达式为： it p 中南人学硕十学伊论文第_ 二章硬性材料的研磨机理 乏：泛z 嚣， 弘z 2 ， g = ( 4 x ，j p 。k ( 1 ) ” 、。 根据式( 2 2 1 ) 作d 和c 的函数关系如图2 6 ，从图中看出，当残余应力场的埋 性参数彳，= o 时，断裂应力盯足裂纹c 的减值函数。在x ， o 的情况下，有一 个临界裂纹尺寸巳，当原始裂纹c o c ，裂纹不需经稳态扩展，而是达到 临界应力盯时就发生突然断裂。 另一方面，因为在压头载荷峰值条件下得到的裂纹c 总是大于完全卸载条 件下的裂纹c + ，原始裂纹： c o = c + = ( x p 丘，) 2 3( 2 - 2 3 ) 与( 2 - 2 2 ) 相比得到c o 巳= 【( 1 + 工，z ，) 4 】2 ” 民 瓯 瓦 c oc j c ， 图2 6 外应力作用下的裂纹扩展行为与残余应力场的关系4 3 1 戍 力 参 数 j o 。 23 裂纹尺寸参数c o g 图2 7 不同裂纹尺寸参数奈件下的裂纹扩展过程】 2 l 中南大学硕十学伊论文 第二章硬性材料的研磨机理 ( 2 - 2 1 ) 与( 2 - 2 2 ) 相比得到： 盯，= ；( 巳c ) ”2 【4 一( 巳c ) ”2 】 ( 2 2 4 ) 从图2 7 中可以看出，在c o ，c 。 l 的范围内，当应力仃= 听。时，裂纹沿着 途径突然失稳裂开，当c o c 。 p 时，材料内部 和表面出现裂纹扩展。由式( 2 - 2 5 ) 和( 2 - 2 6 ) 可知，材料的显微塑性变形取决于材料 的硬度，而裂纹形成与扩展取决于材料的断裂韧性。 对于c ，d ，陶瓷材料而占，材料不同，其中位径向裂纹产生的临界压痕载荷 也不同。根据公式( 2 2 6 ) ，取厶= 1 6 1 0 4 ，计算出2 0 0 c 下c ，d ：陶瓷材料的临界 载荷： ，= 1 5 7 ，k r = 5 0 ，日，= 3 1 ，只= o 2 6 比值日，何。作为材料的脆性参数，反映了材料裂纹产生的难易程度。因此在进 行光纤连接器端面的研磨时，需要控制研磨的压力，抑制或减少中位径向裂纹 的产生，以单性去除机理去除材料，这样就可以得到高质量的光纤连接器端面。 2 5 本章小结 本章主要完成了以下工作： 1 针对光纤连接器材料的具体特性，建立了脆性材料单颗磨粒研磨的力学模 型，分析和讨论了研磨过程中裂纹产生的机理及其影响因素。认为：在研磨 过程中，受磨粒作用力的影响，材料内部微裂纹扩展形成类似中位径向裂 纹系统，影响裂纹生成的因素主要为柏松比v 、材料的断裂能丑，以及材料表 面的残余应力状态。并分析了裂纹产生的方式与原始裂纹之日j 的关系。 2 根据位错产生微裂纹机制，建立了描述研磨过程微裂纹形成的位错塞积模 型，并从能量平衡的角度，讨论了位错裂纹的稳定性及i 临晃裂纹尺寸与磨粒 作用力的关系。 3 运用微断裂几何学，给出了光纤连接器端面研磨材料脆性去除向翅性去除转 换的机制，得出了研磨实现塑性去除主要为控制研磨压力和磨粒粒度。 中南大学硕十学位论文 第= 章超声振动研磨机理 第三章超声振动研磨机理 第二章分析了脆性材料的去除机理以及脆性去除向蠼性去除转化的机制。这 为光纤连接器的超声波复合研磨提供了理论基础。但引入超声振动以后，整个研 磨过程磨粒的运动方式、材料的去除机理都发生了很大的变化。为了更进一步认 识引入超声波振动的研磨。这一章将对引入超声振动后的研磨机理进行分析，为 光纤连接器的超声波复合研磨进一步找到合适的工艺参数。 3 1 振动方向与研磨效果 3 1 1 模型的建立 响，在这里我们假设金刚石磨粒为近似圆锥形。具体模型如图3 1 所示。磨粒振 型罟 图3 一l 研磨的模型图 动的方向：一垂直被加工面振动；一平行被加工面振动。本节先对磨粒振动 方向垂直于被加工面的研磨机理进行分析，指出为什么在这些方向上不能得到满 意的效果，然后对磨粒振动方向平行于被加工面的研磨机理进行详细分析。 y ab 图3 2 振动方向垂直被加工面的示意图 中南大学硕十学伊论文 第j 窜超声振动研磨机理 3 1 2 磨粒振动方向垂直于被加工面 为了分析简单，这咀把磨粒的振动看作是频率为，、振幅为口的三角波形振 动。如图3 2 所示，磨粒在切入深度为f ，振幅为口的范围内振动，在磨粒的一 个振动周期内，磨粒的| ； 进距离为直线a b ： a 8 = | l 磨粒从0 点开始，沿着磨粒切入深度加大的方向振动，一直到a 点，在磨 粒半个周期的振动过程中，被加工表面受到磨粒的冲击压缩而变形。在接下来的 半个周期中，磨粒开始作远离被加工面的振动，因此相对于冲击压缩的变形有放 松的趋势。在磨粒运动的一个周期内，磨粒的前半部分相对于被加工面有冲击作 用，以脉冲形式作用在被加工表面，这种作用力有规律地反复进行，产生连续的 材料去除。 这种振动方式的优点为：切削力波形按正弦规律变化，由于切入深度足按振 幅为口的正弦波形规律变化，但平均切削力和普通研磨差不多【3 l l 。 这种振动方式的缺点是：在这种切削力为正弦波形规律变化的过程中，由于 切入深度是朝着被加工表面垂直方向变化，所以切削力的幅值很大，因而很容易 损伤被加工表面，易于形成脆性去除，不适合光纤连接器端面的超精密研磨。 3 1 3 磨粒振动方向平行于被加工面 磨粒振动方向平行于被加工面有两种情况，一种是平行于被加工面作左右振 动，另一种是平行于被加工面向哩振动，由于研磨盘作回转运动，所以这两种振 动的效果是相同的。 磨粒 应变仪 向 图3 - 3 振动研磨系统示意图 1 提高加工精度的效果 在图3 3 所示的振动研磨系统中，当研磨的压力一定时，工件下的弹簧在研 磨压力的方向上被压缩，在一定的压缩量上取得平衡，此后切削力达到稳定。在 普通研磨的情况下，注意力主要集中在能够取得振动系统力学平衡的稳定领域， 中南大学硕十学伊论史 第三章超声振动研磨机理 并尽力使其趋于稳定。对于普通研磨，是经过不稳定领域，即经过过渡现象领域 以后，才进入稳定状态【3 1 5 1 1 。切削力足通过粘贴在弹簧上的应变片来测定的。所 记录的受力的波形足随着振动系统的固有频率及应变仪的动态特性改变的。普通 研磨磨粒的| j 半部分是与被加工表面连续接触的，这里我们将研究的重点放在接 触稳定之后，办即从切削力的波形这个角度来说，研究的重点放在经过某一段时 日j 达到了尸历。+ p s i n 耐以后的时候。在振动研磨时，磨粒在一个振动周期中与 被加工面接触的时间f 。是很短的，例如l 3 0 0 0 0 ( 1 ，3 l ，l o ) j 。这一点是很重要 的：在普通研磨中，是经过一定的时b jr ，使弹簧的变形量达到血，然后达到稳 定研磨阶段；而振动研磨在研磨过程中，由于矗很短，在弹簧还没有达到那个变 形之前，磨粒就和被加工面脱离开了，因此几乎可以看成址* o ，就可以达到稳 定研磨阶段。从这些方面分析可以得出：在普通研磨中，研磨的整个系统是需要 经过一个过渡过程才能达到稳定的研磨过程，而在振动研磨中几乎是从一开始就 进入了稳定的研磨阶段。 周期和作用时间很短的脉冲作用力，作用在固有频率一定的振动系统上，这 种脉冲力波形，恰好利用了加工系统振动动态特性的过渡现象，不仅避免了弹性 振动，使其变为静力加工，而且带来了平均切削力的效果。 在研磨过程中，虽然磨粒在振动，磨粒在与加工面接触去除材料的时间“的 各个瞬日j ，磨粒相对于被加工面的位置是基本保持不变的，由于被加工面也不随 时间发生变动，从而提高了加工精度。 2 切削力减小的效果 普通研磨和振动研磨的切削力的波形见图3 4 的( a ) 、( b ) 。普通研磨中，整 个加工系统按着其固有频率振动，这种振动的频率相对于振动研磨是很小的，磨 f 平均磨削力 、八八、八 vvvvvv ( a ) 普通研磨 x f ( b ) 振动研磨 x 力 图3 4 普通研磨和振动研磨切削力的波形1 5 1 1 粒始终与被加工面接触，磨粒在系统中处于一种被迫冲击的作用。切削力在一个 键大的平均力的周围作近似正弦规律变化。而在振动研磨的过程中，磨粒大部分 时b 】是不与被加工面接触的，接触时的最大切削力和普通研磨是差不多，所以晟 后得到平均切削力就比普通研磨时要小得多。 中南大学硕十学伊论文 第二章超声振动研磨机理 3 研磨温度保持室温的效果 切削力以脉冲波形起作用，研磨产生的热也以脉冲波形起作用。这与普通研 磨有很大的区别，如同平均切削力减小的情况一样，平均研磨温度几乎达到与室 温相同的程度。比如在振动车削中，车削完全没有氧化变色，就是赤手去摸也不 会灼伤，这是普通车削不敢想象的现象。这里可以打一个比方来说明，在普通研 磨时，相当于用加热了的钎焊烙铁一动不动的压紧工件进行钎焊：而振动研磨时， 相当于上下摆动的断续加热，就怎么也焊不上去。这样就能够防止因为研磨界面 的温度过高而造成的热变形和变质层问题。 在振动研磨过程中，冷却液的作用效果也会大不相同。由于磨粒的断续接触， 冷却液很容易进入到加工界面。超声波高频振动产生空化作用，使得流过来的水 被雾化，吸收了一部分热量，也促使周围的水流过来进行补充，加速了冷却的循 环。这些都使得研磨界面的温度大为降低。 3 2 超声振动研磨机理 3 2 1 磨粒刃的运动机理 分析振动研磨的方法有：单颗磨粒研磨过程中的瞬时摄影法；研磨去除材料 的采样分析法；单颗磨粒切削力的波形测定【3 1 1 。根据上面三种方法得出磨粒刃 的运动和切削力波形之问的关系如图3 - 5 所示：图中振动频率为厂、振幅为口， 磨粒相对被加工面沿箭头所示方向振动，研磨盘转动线速度为v 。 图3 5 磨粒刃的运动机理和切削力波形之间的关系【3 l l 中南大学硕+ 学伊论文 第二章超声振动研磨机理 所用符号： 口一磨粒振动的振幅 厂一磨粒振动的频率 卜磨粒的振动周期 国一振动的角频率 y 一磨粒的位移 v 。一磨粒的振动速度 v 一研磨盘转动的线速度 ，| 一磨粒由原点开始振动，当振动方向与研磨盘转动方向相同、振动速度与 研磨盘转动线速度相等时，磨粒开始离开被加点的那一点到原点的时间 ，一当磨粒振动方向与研磨盘转动方向相同，磨粒开始与材料接触的那一点 到原点的时间 一磨粒在一个振动周期中的研磨时间 卜一磨粒在一个振动周期中与工件接触研磨盘转动的距离 n 一临界研磨速度 若磨粒从起始点开始振动，则在e c 之间，脉冲波形的只和e 发生作用，形 成研磨挤压，从c 点到b 点，磨粒前半部分与材料分离，在此期间磨粒的受力 降为o ，在b 点再次开始接触，在a b 之间，同样脉冲波形昂和只又发生作用， 形成第二次研磨挤压。这样磨粒与被加工面有规律的接触和分离，并在一定位置 上往返重复，达到研磨的效果。这样就产生了切削力的连续波形。 磨粒与材料开始脱离的时间 磨粒的位移y 可表示为： ) = s i n 耐 ( 3 一1 ) 磨粒的速度可表示为： y = 口脚c o s 甜( 3 2 ) 磨粒前端丌始脱离的时间 ，就是在磨粒后退时当振动速度与研磨盘转动速 度相同时a 点和c 点，c 点的时日jr 1 或a 点的时间( f l + r ) ： 一v = 口c o s 甜l ( 3 3 ) 由式( 3 3 ) 可求得时间，。当v 口时，式( 3 3 ) 中f 1 的解不存在，这就意味着 在研磨过程中磨粒与材料不分离面形成的普通研磨。 振动研磨的临界速度v 当研磨盘转动速度v 与口彩相等时，磨粒的前端总是与材料接触，成为普通 研磨，振动研磨完全消失。这时的研磨盘转动速度称为振动研磨的临界速度： ”= 口= 2 月矿( 3 - 4 ) 中南大学硕十学伊论文第二章超卢振动研磨机理 磨粒在一个周期的接触时间f 3 磨粒在c 点分离后，工件以速度v 相对于研磨盘转动，工件的位移y ： y = 口s i n 6 舅1 一v o f 1 )( 3 - 5 ) 在b 点： 口s i n 甜2 = 口s i n 耐l v o 一，2 ) ( 3 6 ) 若耐- = z 厅争，耐：= z 万争， 则由式( 3 3 ) 可得： 詈c ，= 一等c o 卿争口ii 由式( 3 6 ) ： 口s i n i 晓彳i + v ，l = 口s i n i 晓矿2 + w 2 因此： s i n ( 2 厅争) 一2 万争c 。s ( 2 石争) = s i n ( 2 石争) 一2 万争c o s ( 2 石争) ( 3 7 ) 由式( 3 - 7 ) 能够求出和，r 相对应的f ! r 值。如果求出岛7 的关系，那么， 对照图3 6 可利用式( 3 8 ) 求出争。 争小争 ( 3 s ) 丁r丁 、 f l lf 2 ，八r 的关系如表3 - l 所示： ，一磨粒在一个振动周期中与工件接触研磨盘转动的距离 如图3 6 ，在j ，= 口s i i l 研曲线的各点的切线中，在以研磨盘的转动速度v 为 方向系数的切线上，对应丁+ f l 时的b 点，与磨粒的位移曲线上对应于r + 时的 b 点之日j 的距离b c ，就是磨粒在一周期内沿研磨盘转动方向的接触振动长度。 工件的位移j ，如同式( 3 5 ) ： j ，= 口s i n 耐1 一v ( f 一 ) 由图3 6 可知： 中南夫学硕七学位论史 第= 章超声振动研磨机理 表3 1f l r ，f 2 ，r ，岛丁9 1 1 t 1 t f 2 丁 t 3 t 口吐，石争 o 5 0 00 5 0 0 1 0 0 01 0 0 0 o 4 7 60 5 5 o 9 2 60 9 8 9 0 4 5 00 6 0 o 8 5 0o 9 5 2 0 4 2 6 0 6 5o 7 7 60 8 9 3 0 4 0 2o 7 0o 7 0 2o 8 1 6 0 3 7 90 7 5o 6 2 9o 7 2 5 o 3 5 70 8 0 o 5 5 7 o 6 2 3 o 3 3 6o 8 5 o 4 8 6o 5 1 6 0 3 1 7 o 9 0o 4 1 7o 4 1 0 o 3 0 0o 9 5o 3 5 0o 3 0 8 o 2 8 5l 0 0o 2 8 5o 2 1 7 o 2 7 21 0 50 2 2 2o 1 3 9 o 2 6 21 1 0o 1 6 2 o 0 7 6 o 2 5 5l 1 5o 1 0 5 0 0 3 4 o 2 5 11 2 0o 0 5 10 0 0 8 o 2 5 0 5l 2 2o 0 3 0o 0 0 3 o 2 5 0 2 1 2 3 o 0 2 00 0 0 1 o 2 51 j 2 50o 图3 6 ，的求法p t 巾南大学硕十学伊论文 第二章超声振动研磨机理 c 胃= 口s i n 甜l v 2 因此， b c = lr = b h c h = 、玎= v i f 所以，= v ， 决定振动研磨性能的f r ，在磨粒振动频率厂一定的情况下，研磨盘转动的速 度越小，r 就越短；在研磨盘转动速度一定的情况下，振动频率越高，就越小。 为了缩短磨粒与工件的接触时间尽可能采用高速研磨，如果要提高理想振动研磨 的效果的话，就必须采用较高的振动频率。 3 2 2 研磨过程中系统的动态变化 研磨的整个系统由各种有一定固有频率的个体单元组成，因此，在振动加工 的过程中，各单元也会发生与切削力波形相应的振动。那么，它们之间的位置关 系就必须从振动学的角度来对待。如果从静力学的角度来对待，将停留在对这些 复杂的实际动态变化的某一瞬时现象的分析上，如果根据这一瞬时的现象，推论 到整个现象就会发生错误。对于研磨中切削力的研究，如果一开始就把切削力平 均，那么后面研究研磨的效果随时间的变化就变得毫无意义了。为了更好的得出 研磨中的各种现象，我们重视切削力的波形是非常重要的。下面我们就要来讨论 在振动研磨中切削力发生时，被加工对象会发生怎样的变化【5 2 5 3 1 。 1 振动研磨的自稳定性 工件在切削力方向的动态位移对加工精度有着直接关系。工件在这种切削力 作用下的位移x 可用下式来表示【3 l 】： x 专 + 喜 拿三s i n 。鱼石 言。磊吼彻享石 舯舻一吾 l 一珂2 篓 只一切削力 “一磨粒在一个周期的纯接触时间 r 一振动加工的周期 一振动加工的频率 国。一加工对象的固有频率 s i n ( 行研+ 9 ) 中南犬学硕十学伊论文 第= 章超声振动研磨机理 v 一研磨盘转动的线速度 由式( 3 9 ) 就可以知