高效自動碳化硅研磨液過濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)的設計與研究

陳艷芳， 曾天文

（河源職業(yè)技術(shù)學院，廣東 河源517000）

0 引言

光纖研磨技術(shù)對于光纖端面加工質(zhì)量有著舉足輕重的意義，極大地影響著光纖傳輸性能。研磨拋光是光纖研磨技術(shù)工藝里最關(guān)鍵的核心技術(shù)，它能夠降低光纖產(chǎn)品的表面粗糙度值，還可以去除長度、降低產(chǎn)品應力、提高產(chǎn)品強度、增加產(chǎn)品使用壽命。傳統(tǒng)研磨拋光技術(shù)所產(chǎn)生的精度已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在5G通信時代光纖產(chǎn)品的需求，高精度自動化研磨設備應運而生。目前研磨拋光有機械研磨拋光、電化學研磨拋光等。化學研磨拋光常用的研磨材料有研磨液和研磨膏，在進行高精度研磨拋光工藝中，利用研磨工具與研磨產(chǎn)品之間的相互運動，去除被加工產(chǎn)品表面的不平度，降低產(chǎn)品的表面粗糙度值。碳化硅（SiC）研磨液具有韌性大、高耐磨、高硬度、抗氧化特性，同時兼具防生銹、潤滑和清洗功能。目前，為了保證研磨的順利進行，操作人員需要一邊控制工件與研具之間的接觸程度，一邊通過手工控制研磨液供給；另外，在碳化硅研磨液中，作為磨料的碳化硅會沉淀，會被磨削的碎渣污染，為了保證研磨效果，操作人員在研磨液供給的過程中，還不得不時刻攪拌研磨液以保證其均勻，還要過濾。因此存在生產(chǎn)效率低、人工成本高和操作不方便等問題，難以保證良好的研磨效果。

針對目前的碳化硅研磨液過濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)存在的生產(chǎn)效率低、碳化硅研磨液易沉淀、易污染、人工成本高和操作不方便等問題，從研磨機的外部結(jié)構(gòu)、容納箱、泵體、攪拌裝置、過濾篩網(wǎng)、傳動控制等方面進行改進，從而使該光纖研磨機能實現(xiàn)研磨液自動攪拌循環(huán)，提高研磨液的利用率，降低人工成本，提高生產(chǎn)效率，使設備得到更進一步的性能改善。

1 自動攪拌循環(huán)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設計

本文所設計的高效自動碳化硅研磨液過濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)，安裝在高精密研磨機的主工作臺側(cè)邊，研磨的過程中，當研磨盤主軸運動時，需要人工將碳化硅研磨液引入到研磨盤上，對正在研磨盤上研磨的光纖進行潤滑、洗滌和緩沖。經(jīng)過研磨的研磨液會混入光纖的玻璃碎屑等大顆粒雜質(zhì)，若直接循環(huán)再次用于研磨，便可能會在研磨的過程中損壞光纖。因此需設計一款自動過濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)，將研磨液通過循環(huán)系統(tǒng)過濾、攪拌后，重新澆注在研磨盤上。自動循環(huán)攪拌系統(tǒng)總體主體結(jié)構(gòu)設計如圖1所示，泵體2安裝在左箱部上，泵體的下方安裝有1個與泵體聯(lián)動的第1主動軸；過濾篩網(wǎng)4設置在右箱部的上方，下部安裝第3轉(zhuǎn)動軸；中箱內(nèi)設置有第2轉(zhuǎn)動軸，攪拌裝置3安裝在第2轉(zhuǎn)動軸上，第1主動軸通過同步帶帶動第2轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，第2轉(zhuǎn)動軸通過同步帶帶動第3轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，3根轉(zhuǎn)動軸形成二級傳動，完成過濾→攪拌→抽液→澆注的自動連續(xù)循環(huán)過程。

其中容納箱的結(jié)構(gòu)包括左箱部、中箱部和右箱部三部分，左箱部和右箱部在底部分別與中箱部連通，中箱部的底部水平設置，為了減少積液便于所有研磨液都能流向中箱部，，左箱部和右箱部的底部均朝向中箱部的底部傾斜15°設置；左箱部的底部最低點高于中箱部的底部，中箱部的底部和左箱部的底部之間形成過渡臺階；右箱部的底部最低點高于中箱部的底部，中箱部的底部和右箱部的底部之間形成過渡臺階。左箱部和右箱部的底部15°傾斜設置，能夠集中沉積的碳化硅，而在中箱部的底部和左箱部的底部之間、中箱部的底部和右箱部的底部之間過渡臺階，能夠進一步防止中箱部底部的不均勻研磨液走向兩邊，有效防止未經(jīng)攪拌均勻的研磨液進行循環(huán)。

自動循環(huán)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)采用左右高、中間低的箱體結(jié)構(gòu)，利用兩組同步帶實現(xiàn)機械二級傳動，高效便捷，解決了人工攪拌和過濾問題。

圖1 主體結(jié)構(gòu)設計

2 循環(huán)傳動工作原理和系統(tǒng)設計

由于光纖研磨機的研磨液噴射潤滑速度較慢，研磨盤位置較大，精度要求不高，速度較慢，經(jīng)過幾種方案比較后，決定采用工作穩(wěn)定、可靠性強的機械傳動，因此本自動循環(huán)系統(tǒng)的傳動部分通過兩組同步帶傳動加3根傳動軸實現(xiàn)高精度同步傳輸，如圖2所示。其工作原理為：系統(tǒng)運行的過程中，通過泵體2提供動力，帶動攪拌裝置3和篩網(wǎng)支撐組件4運動。傳動構(gòu)件包括2根傳動帶和3根傳動軸，第1轉(zhuǎn)動軸7上設置有第1同步輪8，第2轉(zhuǎn)動軸9上設置有第2同步輪8和第3同步輪12，第3轉(zhuǎn)動軸17上設置有第4同步輪16；第1傳動帶5設置于第1同步輪8和第2同步輪8上，第2傳動帶6設置于第3同步輪12和第4同步輪16上；第1轉(zhuǎn)動軸7通過第1傳動帶5帶動第2轉(zhuǎn)動軸9轉(zhuǎn)動，第2轉(zhuǎn)動軸9通過第2傳動帶6帶動第3轉(zhuǎn)動軸17轉(zhuǎn)動。由于第1傳動帶5設置于第1同步輪8和第2同步輪8上，當泵體2帶動第1轉(zhuǎn)動軸7轉(zhuǎn)動時，第1轉(zhuǎn)動軸7通過第1傳動帶5帶動第2轉(zhuǎn)動軸9轉(zhuǎn)動；同時，由于第2傳動帶6設置于第3同步輪12和第4同步輪16上，當?shù)?轉(zhuǎn)動軸7轉(zhuǎn)動，第2轉(zhuǎn)動軸7轉(zhuǎn)動通過第2傳動帶6帶動第3轉(zhuǎn)動軸17轉(zhuǎn)動。采用這樣的帶傳動方式，就可以通過泵體2自身的運動帶動攪拌裝置3和篩網(wǎng)支撐組件4運動，能夠簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，降低裝置成本。

圖2 機械傳動系統(tǒng)設計

同步帶的選型：根據(jù)電動機傳動功率和主軸的轉(zhuǎn)速850 r/min，選用XL輕型同步帶，同步帶的節(jié)距為5.080 mm，齒形角為50°，齒根厚為2.57 mm，齒高為112.7 mm,帶高為2.3 mm，齒根圓角半徑為0.38 mm，齒頂圓角半徑為0.38 mm。

傳動支撐零件采用滾動深溝球軸承，降低摩擦力，提高運動精度，在第2轉(zhuǎn)動軸的上端設置有第1軸承11，第2轉(zhuǎn)動軸的下端設置有第2軸承，第1軸承和第2軸承安裝于中容納部；第3轉(zhuǎn)動軸的上端設置有第3軸承15，第3轉(zhuǎn)動軸17的下端設置有第4軸承18，第3軸承15和第4軸承18安裝于于右容納部。通過軸承減少部件之間的摩擦力，保證了系統(tǒng)的流暢運作。

3 攪拌循環(huán)系統(tǒng)設計

本設備自動攪拌機構(gòu)采用機械傳動中同軸傳動工作原理，由上攪拌部和下攪拌部組成，上攪拌部和下攪拌部安裝在第2轉(zhuǎn)動軸上保證兩者同步運動，減少運動誤差。如圖3所示，上攪拌部由上旋轉(zhuǎn)盤1和若干旋轉(zhuǎn)葉片2組成，若干個旋轉(zhuǎn)葉片沿周向安裝于上旋轉(zhuǎn)盤的外圍。如圖4所示，下攪拌部由下旋轉(zhuǎn)盤3和若干個攪拌齒4組成，若干個攪拌齒4沿周向設置于下旋轉(zhuǎn)盤的外圍。

圖3 上攪拌部

圖4 下攪拌部

由于碳化硅研磨液存在沉積作用，在容納箱中，處于上方的研磨液的密度大于處于下方的研磨液的密度，在系統(tǒng)運行的過程中，下攪拌部所受到的阻力要大于上攪拌部所受到的阻力。在工作的過程中，由于相對面積的大小，旋轉(zhuǎn)葉片所受到的阻力較大，攪拌齒所受到的阻力較小。將旋轉(zhuǎn)葉片設置在阻力較小的上方，通過旋轉(zhuǎn)葉片起到攪動起整個容納箱1內(nèi)的研磨液的作用；根據(jù)動量慣性定律將攪拌齒設置在阻力較大的下方，通過攪拌打散可能沉積于容納箱1底部的顆粒，克服阻力問題的同時還能提高攪拌效果。

4 測試結(jié)果

基于上述設計，本文開發(fā)了高效自動碳化硅研磨液過濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)（如圖5），將研磨后的研磨液導向過濾篩網(wǎng)，通過過濾篩網(wǎng)將玻璃碎屑等大顆粒雜質(zhì)過濾掉，此時進入到容納箱內(nèi)的研磨液中沒有大顆粒雜質(zhì)，主要是水與碳化硅的混合物；進入到容納箱內(nèi)的研磨液中的碳化硅會逐漸收攏到中容納部，再通過攪拌裝置進行攪拌，便能防止碳化硅沉積，使得整個容納箱內(nèi)的研磨液實時處于均勻狀態(tài)；再利用液壓泵體將容納箱內(nèi)處于均勻狀態(tài)的研磨液抽出，通過軟管引入研磨機的研磨盤，再次用于研磨。通過上述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了碳化硅研磨液的自動循環(huán)。本文的高效自動碳化硅研磨液過濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)提高了碳化硅研磨液的利用率，能夠多次自動對研磨液進行攪拌和過濾，使研磨液時刻處于最優(yōu)的使用狀態(tài)。另外，本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、組裝簡便、零件易于更換，且不易損壞；尺寸適中，易于攜帶移動，并且有保存的效果，可以較長時間保持研磨液不發(fā)臭，還能夠清除研磨液中混合的各種雜質(zhì)，提高了研磨液的利用率和經(jīng)濟效益。

圖5 高效自動碳化硅研磨液過濾攪拌循環(huán)系統(tǒng)

5 結(jié)論

目前市場大部分研磨機的研磨液依靠手工噴射，效率低，需要大量的人手，研磨液不能循環(huán)利用，本文針對上述問題，從研磨機的外部結(jié)構(gòu)、機械傳動和攪拌系統(tǒng)方面進行改進，使該光纖研磨機能實現(xiàn)研磨液自動攪拌循環(huán)，提高了碳化硅研磨液的利用率，使研磨液實時處于最優(yōu)的使用狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，組裝簡便，零件易于更換，且不易損壞；尺寸適中，易于攜帶移動，并且有保存的效果，提高了研磨液的利用率和經(jīng)濟效益。