回转式光纤预制棒磁力抛光机结构设计与分析*

魏 乔，朱红瑜，邢康林，沙 杰

(河南工业大学机电工程学院，郑州 450001)

0 引言

光纤预制棒的加工是生产制造光纤的重要环节，机械法制备光纤预制棒具有生产设备柔性大，生产效率高，前期投资少等特点，是批量生产的主要方式。机械法加工光纤预制棒的主要实施流程为原始光纤玻璃烧制及热处理，预制棒纤芯及包层玻璃加工，预制棒纤芯及包层玻璃的内外表面研磨抛光加工，预制棒拉丝及包装质检等过程[1]。其中，光纤预制棒的内外表面质量，纤芯与包层玻璃的配合与光纤质量密切相关。为提高光纤预制棒的尺寸精度及表面质量，在生产工艺上，基于“金刚石钻磨取棒+磨床校准预制棒尺寸形位公差+研磨抛光”的技术加工路线被广泛使用。研究表明预制棒镜面级内外表面是保证高质量光纤的必要条件[2]。受限于原始预制棒芯棒及外包层玻璃尺寸大小，目前，光纤预制棒外包层内孔及外圆的抛光主要采用手工和机械抛光相结合的方法[3]。该种生产方式抛光效率低，劳动强度大，损坏率高且不易获得稳定的形面精度及抛光精度品的特点，极大限制了光纤的高效高质量生产。

使用磁性磨粒的磁力抛光是利用磁性磨粒对工件表面进行研磨抛光的加工方法[4]。与传统的抛光方法相比，由于其使用磁力作为驱动力驱使磨粒与被加工表面产生相对运动，因此其加工不受工件几何外形的限制。同时磁力抛光具有对设备要求低、磨粒自锐性高等显著特点[5-6]，其在平面、钛合金弯管、复杂模具曲面等加工场合已得到广泛应用。使用磁力抛光技术，有望对光纤预制棒外包层内孔表面加工进行自动化抛光，提高抛光效率，降低劳动强度。

针对光纤预制棒加工过程中的问题，本文提出了光纤预制棒外包层玻璃的回转式磁力抛光方案。该方案基于磁力抛光原理，采用“工件固定磁场旋转”的技术方案，在兼顾光纤预制棒的尺寸及材质的前提下，创新性提出了旋转磁场的设计方法及实施结构，结合伺服系统及磁粒子清洗系统，能够完成光纤预制棒的回转式磁力抛光。该方案能够提升抛光过程中光纤预制棒的稳固性。

1 回转式磁力抛光原理及影响因素分析

磁力抛光的基本原理为：磁性磨料(磁粒子)在旋转磁场中受到磁场力的作用，形成按照磁力线方向对加工表面具有相对压力的柔性磁力刷，伴随磁极的几何运动，在工件表面形成相对滑擦运动，进而完成工件表面的光整加工[7]。

结合光纤预制棒结构及磁力抛光原理，回转式磁力抛光原理如图1所示。在抛光光纤预制棒外包层玻璃管时：磁性磨料放置在(外包层玻璃管)的内径表面；在光纤预制棒的外部分别对立安装有两对旋转磁场，磁性微粒在磁场的作用下与工件的内径相接触，形成具有一定接触压力的磁力刷。伴随外部磁场的旋转，磁力刷将围绕光纤预制棒的内径做回转运动，同时，外部磁场装置能够沿着光纤预制棒的管线方向往复移动，磁性刷在光纤预制棒的内表面上形成螺旋线形的复合运动，进而实现对光纤预制棒的内径抛光。

对于单个磁性磨粒在磁场中的受力分析，根据基于Preston 数学模型的磁研磨理论，在回转磁场中,磁性磨粒所受的力可由公式(1)计算得出[8]：

Fm=VχHΔH

(1)

其中，V是磁性(Fe)粒子的体积，χ代表磁性磨粒的磁化率参数，H是磁场强度，ΔH是磁场强度的梯度值。同时，单个磨粒在研磨过程中所受到的磁压力F为[7]：

(2)

其中，B为磁场与磁粒子接触面之间的磁感应强度；H为磁场与磁粒子接触面之间的磁场强度；um为磨粒团簇的相对磁导率；u0为空气的相对磁导率。

图1 回转式光纤预制棒磁力抛光原理

1.1 磁场回转速度

磁场回转速度与磁力抛光质量密切相关。通常，伴随磁场回转速度增加，磁性粒子所受径向力会提高，使磁粒子与抛光工件表面密切接触，提高抛光质量。然而，当径向力过大时，磁粒子所受的剪切力会增加导致磁力子颗粒链之间的结合力不足，造成切割力小于去除材料所需的力，使得抛光工件表面质量降低[8]。

因此，回转式磁力抛光机的磁场回转速度需要有较大可调节范围，以满足不同材质尺寸光纤预制棒的抛光加工。

1.2 磁粒子成分及粒度

磁性粒子主要由Fe2O3、金刚石和环氧树脂等粘结而形成，例如采用组分为Fe2O3粒径(3.63 μm)及金刚石粒径(6.85 μm)[9]。同时，辅助化学添加剂(如碳酸氢钠(NaHCO3))的应用可以显著改善光纤玻璃表面活性。

磁粒子粒度对抛光质量与抛光量有很大影响，抛光量随磁粒子颗粒度的增大而增大。因此，在抛光初期，应选用较粗的粒度，提高抛光效率。后结合工艺需求，逐级用较细的磨料进行抛光，以达到抛光要求。该规律在SiC磨料抛光不锈钢钢管中得到验证[8]。但是，由于光纤预制棒内孔孔径尺寸有限，随着粒径的增大，参与切削的切削刃的数量也减少，使得研磨效率反而降低。因此，磁粒子的粒径亦需要考虑。

综上所述，在回转式磁力抛光机加工中，应选择不同粒度大小的磁粒子，按照先粗后细的顺序依次使用。

1.3 抛光周期大小

抛光材料表面粗糙度值随着抛光周期的增加会逐渐改善。以不锈钢管内腔抛光为例，最佳抛光质量在连续抛光1600次时出现。当经过1600次循环后，抛光磁粒子磨料颗粒开始在已完成的表面产生划痕，导致工件表面表面粗糙度降低[8]。

因此，回转式磁力抛光机要求不仅要有回转磁场转速控制功能，而且要有计时功能，自主设置抛光循环周期。

1.4 磁场强度大小

在采用同等参数设置时，磁场强度的大小直接影响抛光质量与抛光效率[8]。为研究和分析后续磁流变抛光工艺参数，回转式磁力抛光机应具有磁场强度可调功能，同时，由于光纤预制棒的长径比较大，为保证抛光过程的稳定性，应采用磁场回转工件固定的设计方案。

综上所述，回转式磁流变抛光机的设计要点在于可控的磁场强度、磁场回转速度、抛光周期及适宜的不同粒度磁流变抛光液。

2 回转式光纤预制棒磁力抛光机的设计

回转式磁力抛光设备应完成以下技术指标：①满足不同内径光纤预制棒的抛光加工；②能多轴联动，精确转向与定位；③设备能加工光纤预制棒外包层玻璃的内外径，加工后表面粗糙度小于1 nm。回转式光纤预制棒磁力抛光机主要由光纤预制棒定位装置、磁力抛光头装置、伺服系统、电控装置及机箱附件等结构组成，如图2所示。

1.机箱组件 2.电控装置 3.光纤预制棒定位装置 4.磁粒子清洗系统 5.磁力抛光头装置 6.光纤预制棒 7.伺服系统

(1) 机箱组件：主要包括机架、外部覆盖件、观察塑料板、可调支垫等零部件，能够实现正前方、左方及右方开门，装卸光纤预制棒。

(2) 电控装置：电控系统主要分为触摸屏，PLC，控制开关及报警系统等。分别控制伺服系统、磁粒子液循环系统、磁力抛光头装置、错误报警系统等，控制信息如抛光时间、磁场旋转速度、磁场强度等通过触摸屏输入到PLC中[10]，完成光纤预制棒磁流变抛光加工。

(3) 光纤预制棒定位装置(图3)：光纤预制棒水平放置在左右固定座之间，其左右通过支撑螺钉，右调节螺钉及调节弹簧完成其定位固定。对于外包层的内孔抛光，安装固定可通过左右支座调节并利用石蜡进行边缘密封；对于预制棒芯棒的抛光，其通过支撑螺钉、右调节螺钉及调节弹簧实现水平方向的固定，同时，外部辅助标准石英管玻璃，用来形成磁流变液的通流。最终，定位装置通过左右固定支座连接机箱。

1.左固定座支座 2.左固定座 3.支撑螺钉 4.芯棒 5.光纤预制棒外包层 6.右调节螺钉 7.右固定座 8.右固定座支座 9.调节弹簧

(4) 磁粒子清洗系统(图4)：磁粒子参与抛光过程且直接影响抛光加工质量。本磁粒子清洗系统的作用在于完成磁粒子的清洗及杂质回收等。在完成抛光过程后，放置在上磁流变液箱中的清洗液受重力作用通过电磁阀5进入左固定座并浸满光纤预制棒外包层的内径孔。后流经右支座并通过电磁阀7进入磁流变液箱。其中，导管作为通气管连接上磁粒子箱，保证磁粒子能够浸满预制棒的内孔，实现充分清洗。完成磁流变抛光加工后，含有玻璃微粒的磁流变液通过电磁阀7流入回收液箱，进行沉淀。在打开电磁阀1后，可清除使用后含有杂质的清洗液。

1.电磁阀 2.回收液箱 3.电机 4.清洗液箱 5.电磁阀 6.导管 7.电磁阀 8.右固定座 9.光纤预制棒 10左固定座

(5) 磁力抛光头装置(图5)：基于回转式光纤预制棒磁力抛光原理，本装置主要包括电磁铁、带轮、供电装置、皮带、电动机带轮及调节轮等。电磁铁用以提供可变磁场强度的电磁场，其安装在带轮上，带轮通过皮带连接步进电机。回转电磁场的回转运动由步进电机控制。步进电机、电磁场、皮带、固定调节轮均安装在机座上。电磁铁和供电装置相连，供电装置的一端连接电源，另一端和镶嵌在带轮上的集电环(两个)连接。集电环连接电磁铁，完成动力供应。此外，调节轮可以调节皮带的松紧，保证旋转磁场回转运动的稳定性。

1.机座 2.步进电机 3.供电装置 4.皮带 5.电磁铁固定座 6.电磁铁 7.集电环 8.带轮 9.调节轮 10.电动机带轮

(6) 光纤预制棒：本磁流变抛光机主要针对特定尺寸光纤预制棒的内外包层，钠钙硅材质玻璃。其尺寸控制在：预制棒长度约150 mm、外包层玻璃直径约20 mm、内径(芯棒外径)约为3～8 mm。

(7) 伺服系统：本系统的执行机构主要由步进电机和丝杠系统组成，通过滚珠丝杠实现机械传动，由于抛光加工对轴向定位精度要求低，因此采用开环控制系统，在满足使用要求下降低成本。伺服运动控制系统以PLC为核心。

3 电磁场分析与仿真

Ansoft Maxwell是一种常见的电磁场有限元分析软件，其在工程电磁领域有广泛应用[11]。该软件主要基于麦克斯韦微分方程和采用有限元方法，求解工程领域(如机械、航空航天、电子等)中的电磁场计算问题，且为回转式电磁场设计提供一种有效的模拟仿真方法。

本文采用Maxwell 3D功能建立电磁铁的三维仿真模型，以圆柱形电磁铁的旋转中心为原点建立三维坐标系。电磁铁是中心轴对称的圆筒形结构, 主要由导套、线圈、衔铁等组成[12]。轭铁采用导磁材料, 以形成封闭磁回路。线圈支架材料为非金属材料，因此，在仿真过程中可将线圈简化。该电磁铁的设计参数：线圈材料为铜，外径为20 mm, 内径为12 mm，高度为20 mm；衔铁材料为钢，直径为8 mm，高度为20 mm；电磁铁线圈电流为10 A。本模拟采用立方体空气场来模拟电磁铁磁场空间分布情况，取立方体的边长为80 mm，边界采用磁绝缘边界条件。

线圈中通入电流时，电磁铁的磁场分布及磁感应强度如图6所示，磁力线方向能够证明模拟效果的正确性。此外，从图7可以看出，磁场强度与磁性材料在磁场中的位置有关，随着磁场及磁粒子微粒的间距增加，磁场强度会逐渐降低。因此，在保证安全距离的前提下，尽可能的降低磁粒子与磁场的间距。同时，该电磁铁的选型仍需优化，以达到更好的抛光效果。

图6 磁场强度及磁感线分布图

图7 电磁力与电磁铁规格及电流强度关系图

图7为磁性材料所受的磁场力与电磁铁规格及电流强度的关系图。当衔铁的高度大于20 mm时，随着电流强度的增加，磁场力会逐渐增加。因此，在设计抛光头结构时，所选用的电磁铁的衔铁尺寸及可通过的最大电流强度需要有较大的设计余量，以保证电磁力的可调范围，进而保证抛光效果。

4 结束语

本文基于光纤预制棒的加工需求，结合磁力抛光技术原理，提出并设计了一种主要由光纤预制棒定位装置、磁力抛光头装置、伺服系统、电控装置及机箱附件等结构组成的回转式光纤预制棒磁力抛光机设计方案。结合Maxwell磁场仿真软件对电磁场设计及安装

应用做了初步探讨，仿真结果显示当衔铁的高度大于20 mm时，随着电流强度的增加，磁场力会逐渐增加。该结果对后续磁场优化及其参数选择提供参考依据。下一步，将制作磁力抛光样机进而探究磁力抛光方案。