陶瓷插芯微孔加工設備的機械結構設計*

劉紅娟　張舜德

(寧波職業技術學院海天學院，浙江 寧波 315800)

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陶瓷插芯微孔加工設備的機械結構設計*

劉紅娟張舜德

(寧波職業技術學院海天學院，浙江 寧波 315800)

針對硬脆材料陶瓷插芯微孔的加工特點與要求，分析了其加工難點與關鍵技術，據此設計了陶瓷插芯微孔加工設備的機械結構，并對此結構系統進行了闡述；根據實際生產中的若干技術難點如鋼絲張緊度調節、鋼絲斷裂等問題進行了技術改進。應用改進后的設備投入陶瓷插芯微孔的加工并進行了生產試驗，根據一個月的生產情況統計結果， 該結構系統運行穩定，很好地滿足了零件的生產要求，同時大大提高了生產效率，產品性能滿足了市場的需求，達到了設計的目的。

陶瓷插芯；微孔；結構設計；生產試驗

工程材料當中硬脆材料的硬度高、脆性大，與金屬材料相比，其物理性能和機械加工性能差異較大。工程陶瓷中應用較為廣泛的氧化鋯(ZrO2)是一種多晶體氧化物，目前在光通信產業中大量使用的光纖連接器的重要部件多是采用氧化鋯作為其制作材料。

氧化鋯(ZrO2)是典型的硬脆材料，其在高溫燒結時加入穩定劑可形成部分穩定氧化鋯(Partially Stablized Ziconia)，簡稱為PSZ。由于PSZ是在高達1 350 ℃的高溫下由94.8%的ZrO2和5.1%的V2O粉末燒結而成，其抗彎強度可達1 300 MPa,維氏硬度大于11 GPa，屬于超硬材料，具有非常高的耐磨性，因此此類材料應用一般切削金屬的方式很難加工。

1　陶瓷插芯微孔加工要求

光纖連接器陶瓷插芯是用來連接光纖的重要元件，在光通信的體系中為數據的安全穩定傳輸起著至關重要的作用。由于PSZ在高溫高壓和惡劣條件下的穩定性，其成為了光纖連接器的首選材料。圖1為光纖連接器陶瓷插芯的實物圖。

陶瓷插芯為細管狀結構，外徑約為2.5 mm，長度10.5 mm左右，在其管正中有一個微內孔(內孔尺寸：φ0.125±0.001 mm)。在陶瓷插芯加工過程中，其微內孔的加工是其加工的關鍵點和技術難點。陶瓷插芯的主要尺寸及精度要求如表1。

表1陶瓷插芯的尺寸及精度要求

外徑尺寸/mm精度/mm長度尺寸/mm精度/μm內孔尺寸/mm精度/μm內孔表面粗糙度/μm2.499±0.510.5±0.050.125±1≤0.5

根據表中的尺寸及精度要求分析，該微孔的加工為超精密加工，加工難度較大。通常在實際生產中，加工原料為注塑成型的陶瓷插芯毛胚，其內孔尺寸約為0.1 mm左右，而通過后續的精加工使其微內孔的尺寸達到0.125±0.001 mm的精度要求才能滿足出廠規定。

2　微孔加工設備結構設計

2.1微孔加工的工作原理

PSZ材料的硬度高，脆性大，陶瓷插芯微內孔直徑非常小，又屬于細長孔，使用鉆削加工的方式難以實現微孔的加工，故只能選用磨削的方式微量去除材料使之達到孔徑尺寸精度要求。磨削技術是現代制造業中實現精密加工、超精密加工最有效、應用最廣的制造技術，特別是針對陶瓷這一類的硬脆材料。根據陶瓷插芯的結構特點，可采取錐狀鋼絲蘸取研磨液于微孔中反復研磨使其孔徑達到要求的尺寸精度。

2.2微孔加工設備的結構設計

根據陶瓷插芯的磨削要求初步設計其加工原理如圖2所示。錐狀鋼絲11穿過裝有工件的澆錫管2通過主軸1帶動旋轉；主軸在高速旋轉過程中，氣缸3、10中裝載的研磨劑盒提供研磨液通過鋼絲帶入陶瓷插芯的微孔中精細研磨；研磨過程中，鋼絲通過托輪、張緊輪、繞線輪與主軸同步帶動旋轉。

2.3結構設計的改進

該設計根據陶瓷插芯的結構特點采用錐狀鋼絲對微孔進行研磨使其達到理想的尺寸。在研磨的過程中發現難點在于鋼絲的張緊度難以控制調節；當鋼絲突然斷裂時，伺服電動機仍然未能停止工作，導致主軸空轉。針對這一缺陷，該微孔加工設備的結構需要進行改進設計，改進思路如下：

(1)針對鋼絲張緊度難以調節的問題，增加配重系統配合光電開關來調節鋼絲的張緊度實現鋼絲的正向與反向旋轉。

(2)在鋼絲開卷手輪附近設置擺塊與緩沖器，減緩鋼絲張緊過程中的沖擊力。

(3)在開卷與收卷手輪附近設置傳感器，可在鋼絲突然斷裂時發出報警，使電動機停止轉動。

具體改進設計方案圖如圖3所示。對新增加的改進部分作用具體闡述如下：改進后的加工系統增加了擺輪13、緩沖器14，其作用在于：在錐狀鋼絲開卷過程中，擺輪13逆時針旋轉逐漸抬起，位于其右上方的緩沖器14可以緩和擺輪13瞬間抬起時的沖擊力。改進后的加工系統增加了擺塊開關15、傳感器17，其作用在于：若錐狀鋼絲突然斷裂，便可使伺服電動機停止轉動。改進后的加工系統增加了光電開關12、配重系統16，其作用在于：在錐狀鋼絲收卷過程中，配重系統16會隨之抬高，當其抬高到一定位置的時候，光電開關12會發出信號，使伺服電動機反轉。

3　生產試驗

3.1樣機生產試驗

為檢驗該設計的合理性和工作效率，試制了樣機一臺，投入試生產。該樣機每天工作時間為8 h，每周工作6天，現將2015年4月份試驗生產的情況進行統計，生產試驗數據如表2所示。

表2生產試驗數據

序號日期加工插芯數量/個鋼絲更換/根合格率/%14.11586199.01424.21601098.96334.31589098.99244.41598198.97654.61602098.99164.71600099.15574.81598099.00984.91609199.00194.101622099.033104.111588099.132114.131578198.879124.141598098.964134.151579098.661144.161596099.000154.171604099.023164.181598199.001174.201588099.133184.211600198.886194.221606098.997204.231598099.112214.241568199.056224.251610099.057234.271608098.998244.281588199.122254.291598099.068264.301602098.999平均值1596.6150.30799.009

生產試驗的結果顯示，改進后的設備生產狀況平穩，生產效率高；鋼絲更換頻率很低，僅為0.307根/天；生產產品的合格率高，達到99%以上。

3.2改進前與改進后設備的對比

改進前與改進后的設備各方面性能對比如表3所示。

表3改進前與改進后設備性能的對比

對比項改進前改進后人員1人/臺1人/3臺鋼絲更換率2.1根/天0.307根/天產品合格率92.336%99.009%

根據比較的結果，改進后的設備在人工上從之前的1人/臺減少為1人/3臺，大大節省了人工成本；另外由于增加了配重系統和緩沖器，鋼絲的斷裂概率大大減小，鋼絲更換率由改進前的2.1根/天減少為改進后的0.307根/天；同時產品的合格率也大幅提高，由改進前的92.336%提高為改進后的99.009%。該設備各方面的性能很好地滿足了陶瓷插芯微孔加工的技術要求，并具有良好的經濟效益，值得進一步推廣應用。

4　結語

根據硬脆材料陶瓷插芯微孔的加工特點與要求，分析了其加工特點與關鍵技術，據此，設計了陶瓷插芯微孔加工設備的機械結構，并對此結構系統進行了闡述；根據實際生產中的若干技術難點如鋼絲張緊度調節、鋼絲斷裂等問題進行了技術改進，并對改進后的加工系統優勢特點進行了具體闡述。根據改進后的設計試制了樣機一臺，應用改進后的設備投入陶瓷插芯微孔的加工并進行了生產試驗，根據一個月的生產情況統計結果，該結構系統運行穩定，很好地滿足了零件的生產要求，同時大大提高了生產效率，產品性能滿足了市場的需求，達到了設計的目的。

[1]李伯民等．磨料、磨具與磨削技術[M]．北京：化學工業出版社，2010.

[2] 任敬心等．難加工材料磨削技術[M]．北京：電子工業出版社，2010.

[3] 李新和等．光纖連接器插芯微內孔研磨實驗裝置設計[J] ．制造技術與機床，2005(6)：44-46.

[4]盛曉敏等．超高速磨削技術[M]．北京：機械工業出版社，2010.

[5] 何潤琴．陶瓷插芯PC 磨床用電主軸結構設計及其動態特性仿真分析[J] ．制造業自動化，2011(1)：82-84.

[6] 闞榮．提高陶瓷插芯同軸度的兩種方法[J] ．制造技術與機床，2006(5)：84-86.

(編輯孫德茂)

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The mechanical structure design of ceramic ferrule micropore making machine

LIU Hongjuan, ZHANG Shunde

(Haitian College，Ningbo Polytechnic, Ningbo 315800, CHN)

According to the requirements of the ceramic ferrule micropore making process, the difficulty points and key technology were analysed. And then the mechanical structure of ceramic ferrule micropore making machine was designed. The mechanical structure design of the ceramic ferrule micropore making machine was expounded. According to the difficulty points in the production, for example, the adjustment of the steel wire, the breakage of the steel wire, the design of the ceramic ferrule micropore making machine was improved. In the production experiment, according to the the data for one month’s operational report, the structure of the system operates steadily. The ceramic ferrule micropore making machine did not just meet the requirement, but greatly increased the productivity. The mechanical structure design of the ceramic ferrule micropore making machine met the requirement of the market and the purpose of the design.

ceramic ferrule; micropore; structure design; production experiment

TP23

A

劉紅娟，女，1982年生，碩士，講師， 研究方向為機械設計與制造。

2016-01-12)

160540

浙江省教育廳科研項目(Y201432727)；浙江省教育廳高等學校訪問工程師校企合作項目(FG2014036)