光纖端面透鏡微磨削加工試驗研究*

吳曉芳，呂玉山，舒啟林

（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159）

光纖端面透鏡微磨削加工試驗研究*

吳曉芳，呂玉山，舒啟林

（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159）

光纖是現(xiàn)代通信技術(shù)的重要信息傳輸載體，而光纖透鏡是重要的耦合器件之一。在分析了光纖透鏡傳統(tǒng)加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了用微磨削技術(shù)加工光纖透鏡的方法，針對直徑125μm的單模光纖，展開了微磨削試驗，并結(jié)合材料力學(xué)理論分析了懸伸長度對成型精度的影響，運(yùn)用正交法研究了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度對表面粗糙度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明使用該方法能夠獲得滿足精度要求的光纖斜面透鏡和錐面透鏡，且光纖的懸伸長度與透鏡的成型精度呈正相關(guān)關(guān)系，磨削用量對表面粗糙度有較大影響。

微磨削加工；光纖透鏡；成型精度；表面粗糙度

0　引言

隨著光信息時代的到來，光纖通訊與光纖傳感領(lǐng)域已經(jīng)成為二十一世紀(jì)全世界研究的熱點(diǎn)。光纖因其損耗低能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸、頻帶寬傳輸信息容量大以及不受電磁干擾等眾多優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代通信技術(shù)的重要信息傳輸載體，受到了人們越來越大的重視。為提高半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合效率，目前廣泛采用光纖透鏡法，即將光纖端面處理成斜面、錐面、楔形、球形以及幾種型面組合的透鏡，特殊幾何形狀端面的光纖透鏡可以改變光強(qiáng)分布狀態(tài)和強(qiáng)度，改善信號的信噪比和改變光纖傳輸?shù)淖饔茫?-2］。

傳統(tǒng)的光纖透鏡加工技術(shù)主要包括光纖研磨拋光、熔融拉錐、光柵刻寫、化學(xué)腐燭以及光刻技術(shù)處理等［3］。Wong等［4］提出了一種化學(xué)腐蝕方法，用來制造掃描光學(xué)顯微鏡中的探針尖端。Hung［5］用類似的方法在光纖端面制成了微型透鏡。Samuel I-En Lin［6］用四軸微型研磨拋光機(jī)加工出了理想幾何形狀的光纖透鏡。盡管在光纖透鏡微加工領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但對光纖透鏡制造理論的研究仍然是業(yè)界關(guān)注的一個熱點(diǎn)問題。

本文采用微磨削技術(shù)，在桌面化微磨床上安裝直徑0.9mm的微磨棒，以實現(xiàn)對光纖端面不同形狀、不同角度透鏡的加工，進(jìn)而探索懸伸長度對成型精度的影響以及各種磨削因素對表面粗糙度的影響規(guī)律。

1　試驗裝置與條件

本試驗所采用的桌面化微磨削試驗設(shè)備如圖1所示，該機(jī)床采用西格瑪公司生產(chǎn)的高精度自動平臺來實現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動，運(yùn)動行程為200mm。機(jī)床配備有一臺超高速氣浮主軸，其轉(zhuǎn)速為96000～160000r/min。機(jī)床還配備兩個CCD立體顯微系統(tǒng)作為監(jiān)視裝置，能夠?qū)φ麄€微加工過程進(jìn)行監(jiān)測，可以實現(xiàn)光纖加工后的在線抓拍和測量。另外，檢測設(shè)備采用德國布魯克公司生產(chǎn)的Contour-GTKO型號白光干涉儀，可以檢測微磨削加工對工件表面產(chǎn)生的影響、加工后工件表面的粗糙度值以及三維表面形貌等。

圖1　桌面化微磨削設(shè)備系統(tǒng)總圖

此外，為了保證光纖端面微磨削能夠獲得較好的表面質(zhì)量，根據(jù)脆性材料的去除機(jī)理，通過查閱相關(guān)資料，選擇出合適的磨粒粒度為1.5μm。本試驗采用的直徑為0.9mm、磨粒粒度為1.5μm的金剛石微磨棒如圖2所示。工件選用纖芯外徑為125μm的單模光纖。光纖及金剛石磨料的材料性能如表1所示［7-8］。由于裸光纖比較纖細(xì)脆弱，加工時易發(fā)生彎曲斷裂，故選用孔徑為125μm±0.1μm的LC型陶瓷插芯，將裸光纖插入陶瓷插芯后，用石蠟粘接劑將尾端灌封，待膠干固定后將光纖和插芯作為一個整體工件放入夾具中進(jìn)行加工，光纖端面微磨削加工示意圖如圖3所示。

圖2　磨粒粒度為1.5μm的金剛石微磨棒

表1　石英光纖及金剛石磨料的材料性能

圖3　光纖端面微磨削加工示意圖

2　試驗方案設(shè)計

為了研究光纖透鏡加工過程中懸伸長度對成型精度的影響，在保證主軸轉(zhuǎn)速（112000r/min）、進(jìn)給速度（10μm/s）和磨削深度（3μm）等因素相同的條件下，調(diào)整加工前光纖伸出夾具的長度，做五組微磨削試驗。

另外，為了檢測加工后工件的表面質(zhì)量，采用三因素三水平正交試驗，做九組微磨削試驗來研究機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、工作臺進(jìn)給速度以及磨削深度對微磨削光纖表面粗糙度的影響，從而確定光纖端面微磨削的最佳加工工藝參數(shù)。

3　試驗結(jié)果及分析

經(jīng)過多次對光纖端面進(jìn)行微磨削加工試驗，完成了光纖斜面透鏡40°、45°和錐面透鏡60°、100°的加工，如圖4所示。

圖4　不同角度的光纖斜面、錐面透鏡

3.1懸伸長度對成型精度的影響

對65°斜面光纖透鏡進(jìn)行5次微磨削試驗后，通過VMM2.2C精確測量軟件測得加工后工件的實際角度，最后算出角度誤差，試驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在其他加工條件都相同的情況下，角度誤差與懸伸長度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，隨著加工前光纖伸出夾具長度的增大，加工后的角度誤差也逐漸增大，但整體看來，角度誤差在±1°范圍內(nèi)，滿足精度的要求。

在實際加工過程中，光纖在外加位移載荷的作用下會產(chǎn)生彎曲變形，加工端面會因光纖的彎曲變形而產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角θ，為了便于研究問題，可以把光纖的變形簡化為懸臂梁來處理［9］，其力學(xué)模型如圖5所示。

圖5　懸臂梁力學(xué)模型

依據(jù)材料力學(xué)理論［10］，當(dāng)一懸臂梁在自由端受一集中力P作用時，會在自由端截面處產(chǎn)生最大偏轉(zhuǎn)角θmax和最大撓度fmax，有

式中，p為外加位移載荷，l為光纖夾持伸出長度，E1為光纖與陶瓷套的復(fù)合彈性模量，I為光纖與陶瓷套的復(fù)合截面轉(zhuǎn)動慣量。由式（1）、（2）可知，偏轉(zhuǎn)角θ和撓度f與伸出長度l都成正相關(guān)的關(guān)系，與試驗結(jié)果相一致。

3.2磨削用量對表面粗糙度的影響

采用三因素三水平正交試驗，對65°斜面光纖透鏡進(jìn)行9次微磨削試驗后，得到的工件表面粗糙度值如表3所示。

表3　65°斜面光纖透鏡微磨削三因素三水平試驗數(shù)據(jù)

由試驗結(jié)果可知，微磨削加工后工件的表面粗糙度值總體上隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，如圖6a所示，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速從112000r/min增大到128000r/min時，粗糙度值明顯減小，得到了較好的加工表面質(zhì)量，所以在微磨削過程中應(yīng)該盡量使用高的主軸轉(zhuǎn)速。

根據(jù)試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度值與進(jìn)給速度之間大致成線性關(guān)系，如圖6b所示，隨著進(jìn)給速度的增大，工件的表面粗糙度值呈明顯上升趨勢，加工后的表面質(zhì)量也越差。所以減小工件進(jìn)給速度可以減小工件的表面粗糙度值，進(jìn)而改善加工后工件的表面質(zhì)量。

另外，由試驗結(jié)果還可看出，磨削深度對表面粗糙度值也有著重要影響，如圖6c所示，粗糙度值大體上隨著磨削深度的增大而增大，但由于微磨削加工過程中存在最小未變形厚度值的問題，所以磨削深度不能選擇過小。

圖6　磨削用量對表面粗糙度的影響

綜合以上試驗結(jié)果，要想在微磨削光纖透鏡時取得較好的表面質(zhì)量，需要在提高主軸轉(zhuǎn)速的同時適當(dāng)減小進(jìn)給速度和磨削深度。如在本次第8組試驗中，選取主軸轉(zhuǎn)速為128000r/min，進(jìn)給速度為30μm/s，磨削深度為3.0μm時，結(jié)果得到Ra為149nm的表面，其表面形貌如圖7a所示。而在第3組試驗中，選取主軸轉(zhuǎn)速為96000r/min，進(jìn)給速度為50μm/s，磨削深度為4.0μm時，結(jié)果得到Ra為382nm的表面。其表面形貌如圖7b所示?？梢钥闯觯植诙燃y理方向與砂輪線速度方向一致。

圖7　光纖表面粗糙度形貌

總的來看，表面粗糙度值較大，其原因在于所使用的微磨棒的磨粒粒度較大。為進(jìn)一步改善表面質(zhì)量，應(yīng)進(jìn)一步降低磨粒粒度。

4　結(jié)論

（1）利用微磨削法能夠完成光纖斜面透鏡和錐面透鏡的加工，角度誤差在±1°范圍內(nèi)，滿足精度的要求。

（2）光纖伸出夾具的懸伸長度對光纖透鏡成型精度有較大的影響，隨著伸出長度的增大，加工后的角度誤差也逐漸增大，兩者呈正相關(guān)的關(guān)系。

（3）磨削用量對表面粗糙度有較大的影響，提高主軸轉(zhuǎn)速的同時適當(dāng)減小進(jìn)給速度和磨削深度能降低表面粗糙度值。

［1］鄭小嬌，楊敏，呂玉山，等.球面光纖透鏡研磨中檢測的CCD圖像處理［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2008（12）：49-51，54.

［2］Huang H，Chen WK，Yin L.Micro/meso ultra precision grinding of fiber optical connectors［J］.Precision Engineering，2004，28：95-105.

［3］王志友.光纖微透鏡制造方法的研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20（8）：49-50.

［4］Wong P，Wang T，Ho C.Optical fiber tip fabricated by surface tension controlled etching［J］.Solid-State Sensor，Actuator and Microsystems Workshop，2002，6（26）：94-100.

［5］Hung C.Fabrication and packaging of fiber array.Master thesis.National Taiwan University，1996.

［6］Samuel I-En Lin.A lensed fiber workstation based on the elastic polishing plate method［J］.Precision Engineering，2005，29：146-150.

［7］ZARZYCKI J.Glasses and amorphous materials［M］.Beijing：Science Press，2001.

［8］XIE Y，BHUSHAN B.Effect of particle size，polishing pad and contact pressure infree abrasive polishing［J］.Wear，1996，200（1-2）：281-295.

［9］呂玉山，王運(yùn)江，于湖平，等.斜面60°光纖透鏡拋光接觸狀態(tài)的分析［J］.工具技術(shù)，2010.44（8）：91-96.

［10］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.第5版，北京：高等教育出版社，2011.

（編輯 趙蓉）

Experimental Investigation on Micro-grinding the Optical Fiber Lens

WU Xiao-fang，LV Yu-shan，SHU Qi-lin
（School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

Optical fiber is an important information carrier in modern communication technology，and the fiber lens is one of the important coupling devices.Based on the analysis of traditional processing technology of optical fiber lens，the technique of Micro-grinding machining was proposed.Then the multiple sets of experiment on single fiber with 125μm diameter were carried，and the influence of overhanging length to the generating precision of the fiber lens was analyzed combined with the material mechanics，the effect law of spindle speed、feed speed and grinding depth that acted on surface roughness was investigated.The results show that the proposed technique can obtain the fiber inclined lens and cone lens which satisfy the requirement of precision，and that the overhang length and forming precision were positively relationship，and grinding parameters have great influence on surface roughness.

micro-grinding；optical fiber lens；forming precision；surface roughness

TH162；TG506

A

1001-2265（2015）02-0144-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.041

2014-08-28；

2014-09-29

遼寧省科技攻關(guān)項目（LT2010088）；沈陽市科技攻關(guān)項目（1091073-2-00）

吳曉芳（1987—），女，河南漯河人，沈陽理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為微制造與信息裝備技術(shù)，（E-mail）sy_wuxiaofang@126.com。