光纖插頭端面加工中材料去除的分析*

高 綺，楊 浩，董 剛

（天津職業(yè)大學(xué)機(jī)械實(shí)訓(xùn)中心，天津 300410）

光纖插頭端面加工中材料去除的分析*

高 綺，楊 浩，董 剛

（天津職業(yè)大學(xué)機(jī)械實(shí)訓(xùn)中心，天津 300410）

為了研究光纖端面的現(xiàn)行加工工藝，提出了一種光纖端面材料去除的分析方法。對(duì)被加工光纖端面和研拋工具先進(jìn)行研磨壓力的有限元分析，再模擬計(jì)算光纖研磨速度，最后分析去除率的材料。結(jié)果表明：光纖端面材料去除率的變化周期主要受研磨速度影響；成形初期的研磨去除率分布主要受研磨壓力的影響；與平動(dòng)式光纖研磨機(jī)相比，用行星回轉(zhuǎn)式光纖研磨機(jī)加工一批單芯光纖和MPO多芯光纖插頭時(shí)，由研磨速度的差異引起的各纖芯間材料去除率變化的最大值分別為3%和0.32%。本模擬分析方法建模簡(jiǎn)單，直觀，模擬分析結(jié)果與生產(chǎn)現(xiàn)狀相一致。

材料去除；光纖端面；研磨/拋光

0 引言

微小零件的球面的研拋加工，廣泛應(yīng)用于電子通訊等高科技領(lǐng)域，由于其加工區(qū)域不易觀察及測(cè)量，給成形加工工藝技術(shù)的研究帶來困難。目前國(guó)際上光纖連接器插頭的端面的精密加工[1-5]，普遍采用壓力成形原理的研磨和拋光加工工藝，采用金剛石的研磨片的固定磨料的研磨加工，和SiO2拋光片的固定磨料的拋光加工，一次12～24根的小批量生產(chǎn)。這種加工方法不僅適用于光纖插頭，也適合其他微型凸球面和平端面零件的精密加工的量產(chǎn)。

關(guān)于光纖連接器PC/UPC插頭的研究，多集中在對(duì)光學(xué)指標(biāo)I/L，R/L的影響和對(duì)接性能影響方面[1-5]。關(guān)于光纖凸球端面研磨和拋光成形加工工藝及原理，Takahashi進(jìn)行了試驗(yàn)研究[5]，指出螺旋線拋光加工軌跡對(duì)形成均勻球面有較大影響；并提出實(shí)現(xiàn)研拋軌跡的機(jī)構(gòu)；而凸球面的“工具成形模板”，是利用彈性材料的工具組件的彈性變形，在加工中形成的“動(dòng)態(tài)成形模板”，該彈性橡膠墊硬度應(yīng)在95度以內(nèi)；球面半徑由彈性橡膠墊的變形深度和插芯直徑等決定。我國(guó)學(xué)者劉德福等[7]，從光纖端面材料去除模式出發(fā)，通過研磨實(shí)驗(yàn)和SEM觀察，研究了光纖端面的研磨機(jī)理，指出光纖端面研磨表面由材料的塑性流動(dòng)形成，而不是脆性斷裂。Jun Wang等[8]研究了行星回轉(zhuǎn)式研磨機(jī)上，光纖中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)材料去除的影響。用MATLAB軟件模擬了研磨軌跡、研磨速度等，指出加長(zhǎng)系桿長(zhǎng)度L和提高內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速n1，可使研磨軌跡變化平穩(wěn)，選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速范圍和增大行星輪系桿長(zhǎng)度，可以使光纖的材料去除量得到改善。孟慶闖[9]等用ANSYS軟件對(duì)光纖連接器端面進(jìn)行了有限元的靜態(tài)仿真，著重分析了拋光墊的楊氏模量和泊松比對(duì)接觸壓強(qiáng)分布的影響。以上還僅限于對(duì)單芯、單根光纖的研磨壓力或研磨速度的單一因素的研究。

根據(jù)我們對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的調(diào)查，目前光纖端面加工的過干涉率約90%左右，其中，端面的曲率半徑和頂點(diǎn)偏移占不合格率中較大比重。近年來隨著MPO等多芯光纖需求量的增大，行星回轉(zhuǎn)式研磨機(jī)的改進(jìn)和平動(dòng)式研磨機(jī)使用量的增加，有必要從材料均勻去除的角度，對(duì)現(xiàn)行光纖研磨加工的實(shí)例進(jìn)行分析。本文在進(jìn)行研磨壓力的有限元分析和研磨速度的模擬計(jì)算基礎(chǔ)上，進(jìn)行材料去除率分析。

1 光纖端面加工原理與模型的建立

具有微型凸球端面的光纖連接器插頭，比平端面大大降低了光信號(hào)的插入損失和回波損失，通常曲率半徑為10～25 mm。我國(guó)的光纖跳線生產(chǎn)企業(yè)通常采用以下的端面研拋加工工藝：

去膠頭→粗磨→半精磨→精磨→拋光

即“9-3-1-拋光”。去膠頭后的光纖插頭為平端面由夾具固定靜止不動(dòng)或超低速直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；而研拋工具（研磨片/拋光片）緊貼彈性橡膠墊形成工具組件，加工中作行星回轉(zhuǎn)的研拋運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將光纖插頭逐步加工成球面。由于研拋加工采用壓力成形原理，根據(jù)Preston公式：

式（1）中k-Preston系數(shù)，P（x，y，t)-研磨壓力，v（x，y，t)-研磨速度，t-研磨時(shí)間。即研拋加工的材料去除量R（x，y，t)與研磨壓力P（x，y，t)、研磨速度v（x，y，t)及研磨時(shí)間t成正比。采用Solidworks軟件，分別對(duì)研磨壓力P進(jìn)行有限元模擬分析；對(duì)研磨速度v進(jìn)行模擬計(jì)算，在此基礎(chǔ)上通過計(jì)算P·v值，模擬材料去除率R/t在空間的分布和時(shí)域的變化規(guī)律。

目前我國(guó)的光纖端面研拋加工，仍普遍采用行星回轉(zhuǎn)式研磨機(jī)，光纖夾具及加壓系統(tǒng)靜止不動(dòng)，研/拋工具組件相對(duì)工件做螺旋線軌跡的研磨運(yùn)動(dòng)。

圖1 光纖插頭研拋加工系統(tǒng)模型

表1 光纖研拋加工模型的各材料參數(shù)

近年來，回轉(zhuǎn)平動(dòng)式研磨機(jī)也逐漸興起，光纖夾具及加壓系統(tǒng)以超低速作緩慢的直線往復(fù)式的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。因此，在研磨壓力P的有限元分析時(shí)，對(duì)加工系統(tǒng)模型做了靜態(tài)的簡(jiǎn)化處理。為了便于觀察光纖插頭端面和研磨工具組件的曲率半徑的變化；以及光纖插頭端面上P、v分布的變化；同時(shí)兼顧計(jì)算速度與精度；本課題采用1/2對(duì)稱模型，圖1為優(yōu)化后的加工系統(tǒng)模型。模型中各材料參數(shù)見表1。其中工具組件中的橡膠墊是提供球面成形加工的“動(dòng)態(tài)模板”的關(guān)鍵部件，由于橡膠為超彈性材料，建立非線性模型更為合理，本文采用能較好模擬小應(yīng)變及中等應(yīng)變的Mooney-rivlin模型。本課題前期在深圳志特通訊科技有限公司的生產(chǎn)線，實(shí)測(cè)了在線研拋加工的光纖插頭的曲率半徑數(shù)據(jù)（見表2），以此作為建模依據(jù)。

表2 研拋加工條件及光纖曲率半徑實(shí)測(cè)均值

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 單芯光纖平端面的研磨壓力分布

根據(jù)研拋加工的壓力成形原理，被加工工件形狀是“復(fù)印”研磨工具組件的形狀而成的。光纖端面研拋工藝的工具組件由研磨片/拋光片+彈性橡膠墊組成。研磨片/拋光片由PET基材、金剛石/ SiO2粉末、粘結(jié)劑組成，厚度約為80～100μm；緊貼于厚度為4～6 mm橡膠墊表面（表1），二者之間的接觸關(guān)系定義“接合”。而將光纖插頭與研磨片之間的接觸關(guān)系定義為“無穿透”。圖2為9μm研磨加工初期，光纖加工系統(tǒng)的位移分布的有限元計(jì)算結(jié)果。可見與光纖接觸的彈性工具組件，在研磨壓力作用下產(chǎn)生較大的位移，明顯下陷，形成球面；此時(shí)光纖插頭只有外緣處與工具組件相接觸。利用Solidworks軟件的“爆炸法”，可以求出此時(shí)的被加工光纖插頭端面的研磨壓力分布。光纖端面模型的研磨壓力趨于連續(xù)均勻分布，集中于外緣處，與Takahashi的推論相一致。通過Solidworks軟件的探測(cè)手段，測(cè)得光纖插頭端面周邊的研磨壓力并取平均值（圖3）?？梢钥闯龉饫w插頭端面的研磨壓力P由最外沿(r=1mm)向中心陡降；陡降斜率隨研磨載荷的增大而增大，隨彈性橡膠墊硬度的降低而增大。此外，研磨片的有無也會(huì)直接影響光纖端面研磨壓力的分布。當(dāng)橡膠墊表面無研磨片時(shí)，研磨壓力在邊緣處最大，但并不集中于邊緣處。

圖2 光纖平端面研磨加工初期的位移

圖3 光纖平端面的邊緣研磨壓力隨載荷的變化

2.2 研磨速度分布對(duì)材料去除均勻性的影響

本文著重討論目前我國(guó)生產(chǎn)線上使用量最大的行星回轉(zhuǎn)式光纖研磨機(jī)的特性，以深圳晨瑞科技有限公司的中心加壓MLP-12D和深圳榮邦四角加壓的RB-550C為例；并與近年來使用量逐漸增多的回轉(zhuǎn)平動(dòng)式光纖研磨機(jī)進(jìn)行比較。圖4為2類研磨機(jī)在9μm研磨時(shí)，光纖插頭的研磨速度曲線的對(duì)比。使用行星回轉(zhuǎn)式研磨機(jī)時(shí)，光纖端面直徑上r=0，0.9，1 mm各點(diǎn)的研磨線速度，隨時(shí)間呈正弦曲線變化（圖4（a）），其中圖中放大處顯示，各點(diǎn)速度值的大小順序也隨時(shí)間交替變化，表明光纖端面各點(diǎn)的研磨線速度相異，并隨時(shí)間變化。與此相比，圖4（b）為回轉(zhuǎn)平動(dòng)式（直線往復(fù)進(jìn)給）研磨機(jī)的研磨速度曲線，由于采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光纖夾具的直線往復(fù)式進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，研磨線速度的幅值受其影響，呈周期變化，因此會(huì)影響材料去除在時(shí)域上的均勻性；但其最大特點(diǎn)是同批被加工光纖及單根光纖端面上各點(diǎn)的瞬時(shí)研磨速度始終相同，消除了行星回轉(zhuǎn)式研磨機(jī)的各點(diǎn)研磨速度存在差異，進(jìn)而引起瞬時(shí)材料去除率的不均勻的問題。這對(duì)于多頭光纖（如MPO，MTRJ等）和排布不合理的同批工件的研拋加工可能會(huì)產(chǎn)生影響。

將行星回轉(zhuǎn)式研磨機(jī)加工的光纖端面各點(diǎn)研磨速度v與對(duì)應(yīng)的研磨壓力P相乘，可得研磨初期的P·v的曲線，隨時(shí)間呈正弦變化（圖5），由此可推論光纖端面去除率R/t=k·P·v的時(shí)域變化曲線，受研磨速度的影響，亦呈正弦變化。圖6為單芯光纖端面上各點(diǎn)在t=4.7 s時(shí)刻的P·v值及影響因素P，v的截面分布曲線?？梢娫谇蛎娉尚纬跗冢饫w端面的研磨壓力集中于邊緣處，研磨線速度沿直徑呈線性分布，但P·v及材料去除率R/t的分布，與研磨壓力P的分布相一致，集中于邊緣處，不受研磨速度分布的影響。即光纖插頭凸球端面成形初期，材料去除集中于邊緣處，中心區(qū)域沒有材料去除。

圖4 光纖插頭端面的研磨線速度的變化

圖5 光纖插頭各點(diǎn)P*v曲線

這與凸球面研拋成形加工的現(xiàn)狀相一致。當(dāng)光纖端面研磨壓力呈均勻分布狀態(tài)時(shí)，受研磨速度分布的影響，單芯光纖端面上各點(diǎn)的材料去除率的最大差值為0.26%。對(duì)于MPO的多芯光纖，當(dāng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)速為80～120 r/min時(shí)，由研磨速度引起的各光纖纖芯之間的材料去除率的最大差值約0.32%（圖7）。

圖6 光纖插頭端面（剖面）各點(diǎn)研磨參數(shù)分布

圖7 MPO光纖各纖芯間材料去除率的最大變化率

為了提高生產(chǎn)率及研磨片的利用率，研磨設(shè)備廠家推出了圖8右上角所示的光纖夾具盤。同時(shí)可加工24根光纖，各光纖纖芯的材料去除率的最大差值曲線見圖8。當(dāng)研磨機(jī)轉(zhuǎn)速為80 r/min，100 r/min，120 r/min時(shí)，ΔR/t的最大差值為3%。距中心最近處的光纖去除率最小。

Material Removal Analysis on Face Machining of Optical Fiber Plug

GAO Qi，YANG Hao，DONG Gang
（Mechanical Engineering Training Center，Tianjin Vocational Institute，Tianjin 300410，China）

In order to investigate the existing process of optical fiber end-face，a simple material removal analysis on optical fiber end-face is established.Analyzing the fiber and lapping/polishing film posted on the rubber pad as follow，first the FEM static analysis of lapping pressure，secandly，simulating lapping/polishing velocity，at last analyze the material removal rate on basis of 1&2.Analysis results indicate that the material removal rate varied periodically with time，as like the lapping/polishing velocities，the distributions of material removal rate at beginning of the forming processing mainly affected by the lapping pressure;Using planetary rotary fiber lapper，not translational one，the Max.R/t among of single fiber end-faces is 3%，because of different lapping velocity and this value will up to 3%for the MPO end-face.This analysis is easy to model，and simulation results are corresponding to the processing.

material removal；optical fiber end-face；lapping/polishing

TH161+.1

A

1009－9492(2014)09－0077－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.021

*天津市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（編號(hào)：13JCYBJC18100）；天津職業(yè)大學(xué)培育項(xiàng)目（編號(hào)：20101101）

2014－05－08