回转式光纤预制棒磁力抛光机结构设计与分析

回转式光纤预制棒磁力抛光机结构设计与分析

卜苏琴

芯三代半导体科技（苏州）有限公司 江苏苏州 215200

摘要:纤维预制棒的磨削效果直接关系到纤维预制棒的性能和质量。针对光纤预制件的工艺需求，结合磁性研磨理论，提出了其设计与实现方案；采用“工件定磁场旋转”的技术方案，开发了回转式磁力抛光设备。此外，应用 Maxwell软件对抛光头的磁场进行了数值模拟，并对其与磁场的影响进行了研究。实验结果显示：采用旋转型纤维预制件的磁性研磨机可以达到抛光要求；转动磁场的参量对磁场的作用力有一定的影响，在模拟的情况下，电枢高度超过20毫米时，磁场的力值会随著电流的增大而增大。

关键词:回转式抛光机;磁力抛光;光纤预制棒

引言

光纤预制棒在加热后会慢慢熔化，在底部堆积液体，当纤维自然脱落时，纤维就会变成纤维状，有点类似于我们在拔丝地瓜时把它拉出来。其关键是加热均匀，拉制速度等。在拉制工艺正确的情况下，纤维的组织结构将和纤维预制件一样。同时，在拉丝机上，对纤维进行适当的涂布，防止纤维的潮气和磨损。有些涂层材料是采用自然冷却方式附着在纤维上，有些则是利用特定的光（UV）来对纤维进行硬化。在拉伸工艺中，纤维的尺寸的控制是很关键的。纤维的尺寸、结构等品质指标大多与拉伸速率相关，自动监测系统可随时调整拉伸速率。

1磁力研磨抛光机的结构和特点

磁力抛光机的抛光原理是通过磁力驱动不锈钢针头在抛光槽中高速输送，从而使不锈钢针头和工件在抛光槽中高速转动，从而达到抛光、抛光等目的。

磁性磨削抛光机与其他磨削抛光机的区别在于，它是由高质量的磁性铰链驱动和微机控制原理制作而成，对工件进行抛光加工，并具有良好的电动机防护性能。其独特的网状交流磁场能在磨削和抛光金属工件时，形成立体的电磁感应，从而推动工件在磨削容器中旋转、滚动，从而与不锈钢针头发生摩擦，从而实现对工件的磨削和抛光[1]。

磁性研磨抛光机在加工工件时，主要采用的是不锈钢钢针，其对工件的磨削和抛光作用主要是通过钢针的移动来实现。另外一种用于磁性抛光的磨具，是用于磨削和抛光的磨具。在磁性抛光机上，磨料光亮剂的功能是提高工件的光亮。与其他研磨和抛光机所用的磨具和磨具的区别在于，在磁性研磨和抛光机中，采用了不锈钢针。采用磁性研磨和抛光设备，可以节省抛光液。

2回转式磁力抛光原理及影响因素分析

磁力研磨的基本原理是：在转动磁场中，磁性研磨材料（磁微粒）受到磁力的影响，在被加工表面上产生沿磁力线方向的相对压力，从而产生相对滑动的磁力刷，从而实现工件表面的光整。

2.1 磁场回转速度

磁力研磨的质量与磁场的旋转速率有很大的关系。一般情况下，随着旋转速度的增大，磁颗粒受到的径向力也会增大，从而使得磁颗粒与被抛光的工件产生紧密的接触，从而改善了抛光的质量。但是，在太大的径向力下，由于受到的剪切力增大，使磁性粒子的粘附力不足，从而使磨削力低于所需要的磨削力，从而使研磨后的工件表面质量下降。为了适应各种材料尺寸的光纤预制棒的研磨，旋转磁力抛光机的旋转速度必须具有很大的可调整范围。

2.2 磁粒子成分及粒度

磁性颗粒是以Fe2O、金刚石和环氧树脂等粘合而成的，例如，使用粒径为3.63微米的组分Fe2O、6.85微米的金刚石粒径。此外，使用诸如碳酸钠（NaHCO）等辅助化学添加剂能够明显提高纤维玻璃的表面活性。

磁性微粒的粒径大小对研磨质量和研磨量有较大的影响，且随着磁性微粒粒径的增加，抛光量也随之增加。所以，在研磨的早期，要选择粗颗粒，以增加研磨效果。然后，根据加工需要，采用更精细的研磨材料，逐步打磨，以满足抛光的需要。用碳化硅研磨材料对不锈钢钢管进行了抛光。然而，由于纤维预制棒内部孔径大小的限制，导致了切割刃口数目的增加，从而导致了加工效率的下降。因而，必须考虑磁性微粒的粒度。

总之，在旋转磁力抛光机上，要选用不同尺寸的磁性颗粒，并按粗细先后排列。

2.3 抛光周期大小

研磨次数越长，抛光后的表面粗糙度越高。以不锈钢管的内腔为例，在1600次连续抛光后，达到了最佳的抛光品质。在1600次以上的研磨过程中，研磨的磁性微粒会在加工好的表面上形成刮痕，从而使工件的表面粗糙程度下降。

所以，旋转磁力抛光机既要具有旋转磁场的速度控制功能，又要具有定时功能，能够自动设定抛光周期。

2.4磁场强度大小

当使用相同的参数时，磁场强度对抛光效果和抛光效果有很大的影响。为了对以后的磁流变抛光工艺参数进行研究与分析，旋转式磁力抛光机必须具备可调节的磁场强度，而在此基础上，为了确保抛光加工的稳定性，需要对其进行磁场旋转[2]。

总之，回转式 MR抛光机的关键是控制磁场强度、磁场旋转速度、抛光周期和合适的磁流变液。

3回转式光纤预制棒磁力抛光机的设计

(1)机架总成：主要由机架、外罩、观察塑料板、可调支座等组成，可实现正前方、左方和右侧的开孔，并可进行光纤预制件的装卸。

(2)光纤预制棒定位设备：将光纤预制棒置于左右固定架之间，由支承螺丝、右调整螺丝和调整弹簧来实现其位置和固定。对外包层的内孔进行打磨时，可以采用左右支架调整和采用石蜡封边；在预成型棒芯棒上，采用支撑螺钉、右调整螺钉和调整弹簧，使其在水平方向上保持稳定，并在外侧安装了标准的硅管玻璃，以使磁流变液流通。最后，通过左、右固定支架将该定位器与机箱进行了连接。

(3)磁力抛光头装置：根据旋转纤维预制棒的磁力研磨原理，该设备主要由电磁铁、带轮、供电装置、皮带、马达带轮、调整轮等组成。一种电磁体，用于产生一个电磁场，它被装在一个滑轮上，该滑轮由一个带与步进马达相连。采用步进马达对回转电磁场进行旋转运动。步进电机，电磁场，皮带，固定调整轮都是固定的。电磁体与电源设备相连接，一端与电源相连，一端与集电环（二）嵌入滑轮。集电环与电磁体相连，提供电源。另外，调整轮还能调整皮带的张力，使转动磁场的转动平稳。

(4)纤维预制件：这种磁流变研磨机是一种用于特殊规格的纤维预制件的内外包覆材料，由钠钙硅材料制成。它的大小是：大约150毫米的预制棒，大约20毫米的外包层玻璃，大约3到8毫米的内径（核心杆的外径）。

(5)伺服系统：该系统主要由步进马达及螺杆构成，利用滚珠螺杆进行机械驱动，但由于研磨对轴向定位精度的要求较低，故采用开环方式，可在满足使用需求的前提下，降低成本。基于 PLC的伺服运动控制系统。

4电磁场分析与仿真

利用 Maxwell3D函数，建立了电磁体的三维模拟模型，并以其转动中心为原点，构建了一个三维空间坐标系统。电磁体是由导套、线圈、衔铁等构成的圆柱体，其中心轴线对称。该磁轭由一种导电的材料构成一个闭合的磁回路。由于线圈支撑件是非金属的，所以在模拟时可以对线圈进行简化。其结构参数：采用铜制的线圈，20毫米的外径，12毫米的内径，20毫米的高度；电枢材质是钢制的，直径8毫米，高度20毫米；电磁体的线圈电流是10 A。本文利用三维空气场模拟了电磁体的空间分布，将其边长为80 mm，并将其作为磁性介质的边界条件[3]。

当电流通过线圈时，磁场的方向可以证实仿真结果。另外，磁场强度还与磁场中的磁性物质的位置相关，当磁力和磁粉颗粒之间的距离越大，磁场的强度就越弱。所以，在保持一定的安全距离的情况下，要尽量减小磁颗粒和磁场之间的间隔。另外，为了获得更好的抛光效果，还需要对其进行优化。

结束语

根据光纤预制棒的制造要求，利用磁性研磨技术，开发出一种用于旋转光纤预制棒的磁性抛光设备。然后，利用 Maxwell公司的磁场仿真软件，对其进行了设计与安装。可为以后的磁力抛光工艺的进一步研究奠定基础。

参考文献：

[1]河南工业大学. 一种回转式光纤预制棒磁流变抛光机:CN201721143497.8[P]. 2018-04-20.

[2]魏乔,朱红瑜,邢康林,等. 回转式光纤预制棒磁力抛光机结构设计与分析[J]. 组合机床与自动化加工技术,2021(5):157-160.

[3]河南工业大学. 一种回转式光纤预制棒磁流变抛光机及其抛光方法:CN201710802214.4[P]. 2017-12-01.