陶瓷插芯微孔加工设备的机械结构设计*

刘红娟　张舜德

(宁波职业技术学院海天学院，浙江 宁波 315800)



陶瓷插芯微孔加工设备的机械结构设计*

刘红娟张舜德

(宁波职业技术学院海天学院，浙江 宁波 315800)

针对硬脆材料陶瓷插芯微孔的加工特点与要求，分析了其加工难点与关键技术，据此设计了陶瓷插芯微孔加工设备的机械结构，并对此结构系统进行了阐述；根据实际生产中的若干技术难点如钢丝张紧度调节、钢丝断裂等问题进行了技术改进。应用改进后的设备投入陶瓷插芯微孔的加工并进行了生产试验，根据一个月的生产情况统计结果， 该结构系统运行稳定，很好地满足了零件的生产要求，同时大大提高了生产效率，产品性能满足了市场的需求，达到了设计的目的。

陶瓷插芯；微孔；结构设计；生产试验

工程材料当中硬脆材料的硬度高、脆性大，与金属材料相比，其物理性能和机械加工性能差异较大。工程陶瓷中应用较为广泛的氧化锆(ZrO2)是一种多晶体氧化物，目前在光通信产业中大量使用的光纤连接器的重要部件多是采用氧化锆作为其制作材料。

氧化锆(ZrO2)是典型的硬脆材料，其在高温烧结时加入稳定剂可形成部分稳定氧化锆(Partially Stablized Ziconia)，简称为PSZ。由于PSZ是在高达1 350 ℃的高温下由94.8%的ZrO2和5.1%的V2O粉末烧结而成，其抗弯强度可达1 300 MPa,维氏硬度大于11 GPa，属于超硬材料，具有非常高的耐磨性，因此此类材料应用一般切削金属的方式很难加工。

1　陶瓷插芯微孔加工要求

光纤连接器陶瓷插芯是用来连接光纤的重要元件，在光通信的体系中为数据的安全稳定传输起着至关重要的作用。由于PSZ在高温高压和恶劣条件下的稳定性，其成为了光纤连接器的首选材料。图1为光纤连接器陶瓷插芯的实物图。

陶瓷插芯为细管状结构，外径约为2.5 mm，长度10.5 mm左右，在其管正中有一个微内孔(内孔尺寸：φ0.125±0.001 mm)。在陶瓷插芯加工过程中，其微内孔的加工是其加工的关键点和技术难点。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

外径尺寸/mm精度/mm长度尺寸/mm精度/μm内孔尺寸/mm精度/μm内孔表面粗糙度/μm2.499±0.510.5±0.050.125±1≤0.5

根据表中的尺寸及精度要求分析，该微孔的加工为超精密加工，加工难度较大。通常在实际生产中，加工原料为注塑成型的陶瓷插芯毛胚，其内孔尺寸约为0.1 mm左右，而通过后续的精加工使其微内孔的尺寸达到0.125±0.001 mm的精度要求才能满足出厂规定。

2　微孔加工设备结构设计

2.1微孔加工的工作原理

PSZ材料的硬度高，脆性大，陶瓷插芯微内孔直径非常小，又属于细长孔，使用钻削加工的方式难以实现微孔的加工，故只能选用磨削的方式微量去除材料使之达到孔径尺寸精度要求。磨削技术是现代制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的制造技术，特别是针对陶瓷这一类的硬脆材料。根据陶瓷插芯的结构特点，可采取锥状钢丝蘸取研磨液于微孔中反复研磨使其孔径达到要求的尺寸精度。

2.2微孔加工设备的结构设计

根据陶瓷插芯的磨削要求初步设计其加工原理如图2所示。锥状钢丝11穿过装有工件的浇锡管2通过主轴1带动旋转；主轴在高速旋转过程中，气缸3、10中装载的研磨剂盒提供研磨液通过钢丝带入陶瓷插芯的微孔中精细研磨；研磨过程中，钢丝通过托轮、张紧轮、绕线轮与主轴同步带动旋转。

2.3结构设计的改进

该设计根据陶瓷插芯的结构特点采用锥状钢丝对微孔进行研磨使其达到理想的尺寸。在研磨的过程中发现难点在于钢丝的张紧度难以控制调节；当钢丝突然断裂时，伺服电动机仍然未能停止工作，导致主轴空转。针对这一缺陷，该微孔加工设备的结构需要进行改进设计，改进思路如下：

(1)针对钢丝张紧度难以调节的问题，增加配重系统配合光电开关来调节钢丝的张紧度实现钢丝的正向与反向旋转。

(2)在钢丝开卷手轮附近设置摆块与缓冲器，减缓钢丝张紧过程中的冲击力。

(3)在开卷与收卷手轮附近设置传感器，可在钢丝突然断裂时发出报警，使电动机停止转动。

具体改进设计方案图如图3所示。对新增加的改进部分作用具体阐述如下：改进后的加工系统增加了摆轮13、缓冲器14，其作用在于：在锥状钢丝开卷过程中，摆轮13逆时针旋转逐渐抬起，位于其右上方的缓冲器14可以缓和摆轮13瞬间抬起时的冲击力。改进后的加工系统增加了摆块开关15、传感器17，其作用在于：若锥状钢丝突然断裂，便可使伺服电动机停止转动。改进后的加工系统增加了光电开关12、配重系统16，其作用在于：在锥状钢丝收卷过程中，配重系统16会随之抬高，当其抬高到一定位置的时候，光电开关12会发出信号，使伺服电动机反转。

3　生产试验

3.1样机生产试验

为检验该设计的合理性和工作效率，试制了样机一台，投入试生产。该样机每天工作时间为8 h，每周工作6天，现将2015年4月份试验生产的情况进行统计，生产试验数据如表2所示。

表2生产试验数据

序号日期加工插芯数量/个钢丝更换/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

生产试验的结果显示，改进后的设备生产状况平稳，生产效率高；钢丝更换频率很低，仅为0.307根/天；生产产品的合格率高，达到99%以上。

3.2改进前与改进后设备的对比

改进前与改进后的设备各方面性能对比如表3所示。

表3改进前与改进后设备性能的对比

对比项改进前改进后人员1人/台1人/3台钢丝更换率2.1根/天0.307根/天产品合格率92.336%99.009%

根据比较的结果，改进后的设备在人工上从之前的1人/台减少为1人/3台，大大节省了人工成本；另外由于增加了配重系统和缓冲器，钢丝的断裂概率大大减小，钢丝更换率由改进前的2.1根/天减少为改进后的0.307根/天；同时产品的合格率也大幅提高，由改进前的92.336%提高为改进后的99.009%。该设备各方面的性能很好地满足了陶瓷插芯微孔加工的技术要求，并具有良好的经济效益，值得进一步推广应用。

4　结语

根据硬脆材料陶瓷插芯微孔的加工特点与要求，分析了其加工特点与关键技术，据此，设计了陶瓷插芯微孔加工设备的机械结构，并对此结构系统进行了阐述；根据实际生产中的若干技术难点如钢丝张紧度调节、钢丝断裂等问题进行了技术改进，并对改进后的加工系统优势特点进行了具体阐述。根据改进后的设计试制了样机一台，应用改进后的设备投入陶瓷插芯微孔的加工并进行了生产试验，根据一个月的生产情况统计结果，该结构系统运行稳定，很好地满足了零件的生产要求，同时大大提高了生产效率，产品性能满足了市场的需求，达到了设计的目的。

[1]李伯民等．磨料、磨具与磨削技术[M]．北京：化学工业出版社，2010.

[2] 任敬心等．难加工材料磨削技术[M]．北京：电子工业出版社，2010.

[3] 李新和等．光纤连接器插芯微内孔研磨实验装置设计[J] ．制造技术与机床，2005(6)：44-46.

[4]盛晓敏等．超高速磨削技术[M]．北京：机械工业出版社，2010.

[5] 何润琴．陶瓷插芯PC 磨床用电主轴结构设计及其动态特性仿真分析[J] ．制造业自动化，2011(1)：82-84.

[6] 阚荣．提高陶瓷插芯同轴度的两种方法[J] ．制造技术与机床，2006(5)：84-86.

(编辑孙德茂)

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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

刘红娟，女，1982年生，硕士，讲师， 研究方向为机械设计与制造。

2016-01-12)

160540

浙江省教育厅科研项目(Y201432727)；浙江省教育厅高等学校访问工程师校企合作项目(FG2014036)