高效自動碳化硅研磨液過濾攪拌循環系統的設計與研究

陳艷芳， 曾天文

（河源職業技術學院，廣東 河源517000）

0 引言

光纖研磨技術對于光纖端面加工質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工藝里最關鍵的核心技術，它能夠降低光纖產品的表面粗糙度值，還可以去除長度、降低產品應力、提高產品強度、增加產品使用壽命。傳統研磨拋光技術所產生的精度已經不能滿足現在5G通信時代光纖產品的需求，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品之間的相互運動，去除被加工產品表面的不平度，降低產品的表面粗糙度值。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系統存在的生產效率低、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，從研磨機的外部結構、容納箱、泵體、攪拌裝置、過濾篩網、傳動控制等方面進行改進，從而使該光纖研磨機能實現研磨液自動攪拌循環，提高研磨液的利用率，降低人工成本，提高生產效率，使設備得到更進一步的性能改善。

1 自動攪拌循環系統主體結構設計

本文所設計的高效自動碳化硅研磨液過濾攪拌循環系統，安裝在高精密研磨機的主工作臺側邊，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。經過研磨的研磨液會混入光纖的玻璃碎屑等大顆粒雜質，若直接循環再次用于研磨，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系統，將研磨液通過循環系統過濾、攪拌后，重新澆注在研磨盤上。自動循環攪拌系統總體主體結構設計如圖1所示，泵體2安裝在左箱部上，泵體的下方安裝有1個與泵體聯動的第1主動軸；過濾篩網4設置在右箱部的上方，下部安裝第3轉動軸；中箱內設置有第2轉動軸，攪拌裝置3安裝在第2轉動軸上，第1主動軸通過同步帶帶動第2轉動軸轉動，第2轉動軸通過同步帶帶動第3轉動軸轉動，3根轉動軸形成二級傳動，完成過濾→攪拌→抽液→澆注的自動連續循環過程。

其中容納箱的結構包括左箱部、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，有效防止未經攪拌均勻的研磨液進行循環。

自動循環系統主體結構采用左右高、中間低的箱體結構，利用兩組同步帶實現機械二級傳動，高效便捷，解決了人工攪拌和過濾問題。

圖1 主體結構設計

2 循環傳動工作原理和系統設計

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，經過幾種方案比較后，決定采用工作穩定、可靠性強的機械傳動，因此本自動循環系統的傳動部分通過兩組同步帶傳動加3根傳動軸實現高精度同步傳輸，如圖2所示。其工作原理為：系統運行的過程中，通過泵體2提供動力，帶動攪拌裝置3和篩網支撐組件4運動。傳動構件包括2根傳動帶和3根傳動軸，第1轉動軸7上設置有第1同步輪8，第2轉動軸9上設置有第2同步輪8和第3同步輪12，第3轉動軸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轉動軸7通過第1傳動帶5帶動第2轉動軸9轉動，第2轉動軸9通過第2傳動帶6帶動第3轉動軸17轉動。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轉動軸7轉動時，第1轉動軸7通過第1傳動帶5帶動第2轉動軸9轉動；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，當第2轉動軸7轉動，第2轉動軸7轉動通過第2傳動帶6帶動第3轉動軸17轉動。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和篩網支撐組件4運動，能夠簡化系統的結構設計，降低裝置成本。

圖2 機械傳動系統設計

同步帶的選型：根據電動機傳動功率和主軸的轉速850 r/min，選用XL輕型同步帶，同步帶的節距為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轉動軸的上端設置有第1軸承11，第2轉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轉動軸的上端設置有第3軸承15，第3轉動軸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，保證了系統的流暢運作。

3 攪拌循環系統設計

本設備自動攪拌機構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，上攪拌部由上旋轉盤1和若干旋轉葉片2組成，若干個旋轉葉片沿周向安裝于上旋轉盤的外圍。如圖4所示，下攪拌部由下旋轉盤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，旋轉葉片所受到的阻力較大，攪拌齒所受到的阻力較小。將旋轉葉片設置在阻力較小的上方，通過旋轉葉片起到攪動起整個容納箱1內的研磨液的作用；根據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 測試結果

基于上述設計，本文開發了高效自動碳化硅研磨液過濾攪拌循環系統（如圖5），將研磨后的研磨液導向過濾篩網，通過過濾篩網將玻璃碎屑等大顆粒雜質過濾掉，此時進入到容納箱內的研磨液中沒有大顆粒雜質，主要是水與碳化硅的混合物；進入到容納箱內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，使得整個容納箱內的研磨液實時處于均勻狀態；再利用液壓泵體將容納箱內處于均勻狀態的研磨液抽出，通過軟管引入研磨機的研磨盤，再次用于研磨。通過上述結構實現了碳化硅研磨液的自動循環。本文的高效自動碳化硅研磨液過濾攪拌循環系統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的使用狀態。另外，本系統的結構簡單、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臭，還能夠清除研磨液中混合的各種雜質，提高了研磨液的利用率和經濟效益。

圖5 高效自動碳化硅研磨液過濾攪拌循環系統

5 結論

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，研磨液不能循環利用，本文針對上述問題，從研磨機的外部結構、機械傳動和攪拌系統方面進行改進，使該光纖研磨機能實現研磨液自動攪拌循環，提高了碳化硅研磨液的利用率，使研磨液實時處于最優的使用狀態。系統結構簡單，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濟效益。