光纤端面透镜微磨削加工试验研究*

吴晓芳，吕玉山，舒启林

（沈阳理工大学机械工程学院，沈阳 110159）

光纤端面透镜微磨削加工试验研究*

吴晓芳，吕玉山，舒启林

（沈阳理工大学机械工程学院，沈阳 110159）

光纤是现代通信技术的重要信息传输载体，而光纤透镜是重要的耦合器件之一。在分析了光纤透镜传统加工技术的基础上，提出了用微磨削技术加工光纤透镜的方法，针对直径125μm的单模光纤，展开了微磨削试验，并结合材料力学理论分析了悬伸长度对成型精度的影响，运用正交法研究了主轴转速、进给速度、磨削深度对表面粗糙度的影响规律。试验结果表明使用该方法能够获得满足精度要求的光纤斜面透镜和锥面透镜，且光纤的悬伸长度与透镜的成型精度呈正相关关系，磨削用量对表面粗糙度有较大影响。

微磨削加工；光纤透镜；成型精度；表面粗糙度

0　引言

随着光信息时代的到来，光纤通讯与光纤传感领域已经成为二十一世纪全世界研究的热点。光纤因其损耗低能进行远距离传输、频带宽传输信息容量大以及不受电磁干扰等众多优点成为现代通信技术的重要信息传输载体，受到了人们越来越大的重视。为提高半导体激光器与光纤的耦合效率，目前广泛采用光纤透镜法，即将光纤端面处理成斜面、锥面、楔形、球形以及几种型面组合的透镜，特殊几何形状端面的光纤透镜可以改变光强分布状态和强度，改善信号的信噪比和改变光纤传输的作用［1-2］。

传统的光纤透镜加工技术主要包括光纤研磨抛光、熔融拉锥、光栅刻写、化学腐烛以及光刻技术处理等［3］。Wong等［4］提出了一种化学腐蚀方法，用来制造扫描光学显微镜中的探针尖端。Hung［5］用类似的方法在光纤端面制成了微型透镜。Samuel I-En Lin［6］用四轴微型研磨抛光机加工出了理想几何形状的光纤透镜。尽管在光纤透镜微加工领域的研究已经取得了较大进展，但对光纤透镜制造理论的研究仍然是业界关注的一个热点问题。

本文采用微磨削技术，在桌面化微磨床上安装直径0.9mm的微磨棒，以实现对光纤端面不同形状、不同角度透镜的加工，进而探索悬伸长度对成型精度的影响以及各种磨削因素对表面粗糙度的影响规律。

1　试验装置与条件

本试验所采用的桌面化微磨削试验设备如图1所示，该机床采用西格玛公司生产的高精度自动平台来实现进给运动，运动行程为200mm。机床配备有一台超高速气浮主轴，其转速为96000～160000r/min。机床还配备两个CCD立体显微系统作为监视装置，能够对整个微加工过程进行监测，可以实现光纤加工后的在线抓拍和测量。另外，检测设备采用德国布鲁克公司生产的Contour-GTKO型号白光干涉仪，可以检测微磨削加工对工件表面产生的影响、加工后工件表面的粗糙度值以及三维表面形貌等。

图1　桌面化微磨削设备系统总图

此外，为了保证光纤端面微磨削能够获得较好的表面质量，根据脆性材料的去除机理，通过查阅相关资料，选择出合适的磨粒粒度为1.5μm。本试验采用的直径为0.9mm、磨粒粒度为1.5μm的金刚石微磨棒如图2所示。工件选用纤芯外径为125μm的单模光纤。光纤及金刚石磨料的材料性能如表1所示［7-8］。由于裸光纤比较纤细脆弱，加工时易发生弯曲断裂，故选用孔径为125μm±0.1μm的LC型陶瓷插芯，将裸光纤插入陶瓷插芯后，用石蜡粘接剂将尾端灌封，待胶干固定后将光纤和插芯作为一个整体工件放入夹具中进行加工，光纤端面微磨削加工示意图如图3所示。

图2　磨粒粒度为1.5μm的金刚石微磨棒

表1　石英光纤及金刚石磨料的材料性能

图3　光纤端面微磨削加工示意图

2　试验方案设计

为了研究光纤透镜加工过程中悬伸长度对成型精度的影响，在保证主轴转速（112000r/min）、进给速度（10μm/s）和磨削深度（3μm）等因素相同的条件下，调整加工前光纤伸出夹具的长度，做五组微磨削试验。

另外，为了检测加工后工件的表面质量，采用三因素三水平正交试验，做九组微磨削试验来研究机床主轴转速、工作台进给速度以及磨削深度对微磨削光纤表面粗糙度的影响，从而确定光纤端面微磨削的最佳加工工艺参数。

3　试验结果及分析

经过多次对光纤端面进行微磨削加工试验，完成了光纤斜面透镜40°、45°和锥面透镜60°、100°的加工，如图4所示。

图4　不同角度的光纤斜面、锥面透镜

3.1悬伸长度对成型精度的影响

对65°斜面光纤透镜进行5次微磨削试验后，通过VMM2.2C精确测量软件测得加工后工件的实际角度，最后算出角度误差，试验结果如表2所示。

由表2可知，在其他加工条件都相同的情况下，角度误差与悬伸长度呈现正相关的关系，随着加工前光纤伸出夹具长度的增大，加工后的角度误差也逐渐增大，但整体看来，角度误差在±1°范围内，满足精度的要求。

在实际加工过程中，光纤在外加位移载荷的作用下会产生弯曲变形，加工端面会因光纤的弯曲变形而产生一定的偏转角θ，为了便于研究问题，可以把光纤的变形简化为悬臂梁来处理［9］，其力学模型如图5所示。

图5　悬臂梁力学模型

依据材料力学理论［10］，当一悬臂梁在自由端受一集中力P作用时，会在自由端截面处产生最大偏转角θmax和最大挠度fmax，有

式中，p为外加位移载荷，l为光纤夹持伸出长度，E1为光纤与陶瓷套的复合弹性模量，I为光纤与陶瓷套的复合截面转动惯量。由式（1）、（2）可知，偏转角θ和挠度f与伸出长度l都成正相关的关系，与试验结果相一致。

3.2磨削用量对表面粗糙度的影响

采用三因素三水平正交试验，对65°斜面光纤透镜进行9次微磨削试验后，得到的工件表面粗糙度值如表3所示。

表3　65°斜面光纤透镜微磨削三因素三水平试验数据

由试验结果可知，微磨削加工后工件的表面粗糙度值总体上随着主轴转速的增大而减小，如图6a所示，当主轴转速从112000r/min增大到128000r/min时，粗糙度值明显减小，得到了较好的加工表面质量，所以在微磨削过程中应该尽量使用高的主轴转速。

根据试验结果可以发现，表面粗糙度值与进给速度之间大致成线性关系，如图6b所示，随着进给速度的增大，工件的表面粗糙度值呈明显上升趋势，加工后的表面质量也越差。所以减小工件进给速度可以减小工件的表面粗糙度值，进而改善加工后工件的表面质量。

另外，由试验结果还可看出，磨削深度对表面粗糙度值也有着重要影响，如图6c所示，粗糙度值大体上随着磨削深度的增大而增大，但由于微磨削加工过程中存在最小未变形厚度值的问题，所以磨削深度不能选择过小。

图6　磨削用量对表面粗糙度的影响

综合以上试验结果，要想在微磨削光纤透镜时取得较好的表面质量，需要在提高主轴转速的同时适当减小进给速度和磨削深度。如在本次第8组试验中，选取主轴转速为128000r/min，进给速度为30μm/s，磨削深度为3.0μm时，结果得到Ra为149nm的表面，其表面形貌如图7a所示。而在第3组试验中，选取主轴转速为96000r/min，进给速度为50μm/s，磨削深度为4.0μm时，结果得到Ra为382nm的表面。其表面形貌如图7b所示。可以看出，粗糙度纹理方向与砂轮线速度方向一致。

图7　光纤表面粗糙度形貌

总的来看，表面粗糙度值较大，其原因在于所使用的微磨棒的磨粒粒度较大。为进一步改善表面质量，应进一步降低磨粒粒度。

4　结论

（1）利用微磨削法能够完成光纤斜面透镜和锥面透镜的加工，角度误差在±1°范围内，满足精度的要求。

（2）光纤伸出夹具的悬伸长度对光纤透镜成型精度有较大的影响，随着伸出长度的增大，加工后的角度误差也逐渐增大，两者呈正相关的关系。

（3）磨削用量对表面粗糙度有较大的影响，提高主轴转速的同时适当减小进给速度和磨削深度能降低表面粗糙度值。

［1］郑小娇，杨敏，吕玉山，等.球面光纤透镜研磨中检测的CCD图像处理［J］.组合机床与自动化加工技术，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.光纤微透镜制造方法的研究［J］.机械研究与应用，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］吕玉山，王运江，于湖平，等.斜面60°光纤透镜抛光接触状态的分析［J］.工具技术，2010.44（8）：91-96.

［10］刘鸿文.材料力学［M］.第5版，北京：高等教育出版社，2011.

（编辑 赵蓉）

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

辽宁省科技攻关项目（LT2010088）；沈阳市科技攻关项目（1091073-2-00）

吴晓芳（1987—），女，河南漯河人，沈阳理工大学硕士研究生，研究方向为微制造与信息装备技术，（E-mail）sy_wuxiaofang@126.com。